測試技術基礎

本書是根據清華大學機械工程學院平台課《測試與檢測技術基礎》的教學大綱編寫的一本有關測試技術的理論和應用的教材。全書分兩大部分，共11章。第一部分共7章，主要介紹測試技術的理論基礎，內容包括：測量的本質，信號理論和測試信號的分析與處理，測試系統的特性描述，信號的感測、調理與輸出，虛擬測試系統。第二部分共4章，主要介紹振動（位移、速度、加速度）、力（壓力）、溫度和流量等常見物理量的測試方法與應用。

清華大學是全國最早開設測試技術課程的高校之一。作為機類專業本科生必修的一門專業基礎課，在長期的教學實踐中，我們在教材和實驗室建設等方面積累了一定的經驗。近年來，在清華大學“211”工程和“985”項目的支持下，又對原有的測試技術課程體系進行了改革，更新教材內容，增設新的實驗項目、並統籌了機類各專業測試技術課程的教學大綱。本書即是根據清華大學機械工程學院平台課“測試與檢測技術基礎”的新教學大綱進行編寫的，旨在提供一本適合於本科生教學的有關測試技術的基礎理論方面的教材。

第一部分測試技術的理論基礎

1緒論3

1.1測試技術的發展與研究的內容3

1.2測量的本質和基本前提6

1.3標準及其單位6

1.3.1國際單位制及其基本單位7

1.3.2國際單位制的導出單位8

1.3.3單位的十進位倍數和小數10

2測試信號分析與處理11

2.1信號與測試系統11

2.2信號描述12

2.2.1信號的定義13

2.2.2信號的分類14

2.2.3信號的時域和頻域描述方法19

2.2.4周期信號的頻域描述20

2.2.5周期信號的功率31

2.2.6非周期信號的頻域描述34

2.2.7隨機信號描述66

2.3數字信號處理87

2.3.1離散傅里葉變換88

2.3.2離散傅里葉變換的性質94

2.3.3採樣定理95

2.3.4泄漏與加窗處理97

2.3.5柵欄效應102

2.3.6快速傅里葉變換103

2.3.7Zoom\|FFT114

3測試系統特性分析117

3.1概述117

3.2測量誤差118

3.3測試系統的靜態特性119

3.4測試系統的動態特性122

3.4.1線性系統的數學描述122

3.4.2用傳遞函數或頻率響應函數描述系統的傳遞特性124

3.5測試系統實現精確測量的條件149

3.6測試系統的負載效應152

3.6.1負載效應152

3.6.2一階系統的互聯154

3.6.3二階系統的互聯156

4被測量的獲取161

4.1被測量獲取的基本概念161

4.2感測器的分類162

4.3電阻式感測器165

4.3.1工作原理165

4.3.2滑動觸點式變阻器165

4.3.3應變式感測器168

4.4電阻式溫度計176

4.5熱敏電阻178

4.6電感式感測器180

4.6.1自感式180

4.6.2互感式190

4.6.3磁彈性測力感測器195

4.6.4壓磁式互感感測器197

4.7電容式感測器198

4.7.1間隙變化型199

4.7.2面積變化型200

4.7.3介質變化型203

4.8壓電感測器208

4.8.1壓電效應208

4.8.2壓電感測器工作原理及測量電路212

4.8.3壓電感測器的應用217

4.9磁電式感測器226

4.9.1動圈式和動鐵式感測器226

4.9.2磁阻式感測器229

4.9.3渦流\|磁電式相對加速度感測器229

4.10光電感測器231

4.10.1外光電效應231

4.10.2內光電效應234

4.10.3光生伏打效應240

4.10.4光電器件的應用242

4.11氣敏感測器244

4.12紅外輻射檢測247

4.12.1紅外輻射247

4.12.2紅外探測器249

4.12.3紅外檢測應用250

4.13固態圖像感測器254

4.14霍爾感測器260

4.14.1作用原理260

4.14.2霍爾效應的應用262

4.15微型感測器265

4.15.1MEMS技術與微型感測器265

4.15.2壓阻式微型感測器267

4.15.3電容式微型感測器273

4.15.4電感式微型感測器277

4.15.5熱敏電阻式微型感測器278

4.15.6隧道效應式感測器279

5測試信號的轉換與調理283

5.1電橋283

5.1.1直流電橋283

5.1.2交流電橋287

5.1.3變壓器式電橋290

5.1.4電橋使用中應注意的問題291

5.2調製與解調294

5.2.1幅值調製與解調295

5.2.2頻率調製與解調306

5.3濾波312

5.3.1概述312

5.3.2濾波器的一般特性316

5.3.3濾波器類型320

5.3.4濾波器的綜合運用330

5.3.5其他種類的濾波339

5.4模擬∕數字轉換器340

5.4.1量化340

5.4.2A/D轉換器341

5.4.3抗混濾波器346

5.4.4數字/模擬（D/A）轉換器347

6信號的輸出351

6.1概述351

6.2信號輸出的形式及分類352

6.3顯示和指示類信號輸出353

6.3.1模擬指示353

6.3.2數碼顯示356

6.3.3圖視顯示362

6.4記錄類信號輸出373

6.4.1硬拷貝記錄374

6.4.2模擬記錄378

6.4.3數字記錄387

7虛擬測試系統391

7.1概述391

7.2虛擬儀器的構成393

7.2.1虛擬儀器的硬體模塊393

7.2.2虛擬儀器的軟體模塊395

7.3虛擬測試系統的應用399

第二部分典型測試技術的應用

8力及其導出量的測量403

8.1概述403

8.2基本測力方法404

8.3測力感測器407

8.3.1彈性力感測器407

8.3.2應變片力感測器409

8.3.3電感式力感測器411

8.3.4電容式力感測器412

8.3.5磁彈性力感測器412

8.3.6壓電力感測器413

8.3.7振弦式力感測器414

8.4轉矩測量415

8.4.1應變片轉矩感測器415

8.4.2電感式轉矩感測器416

8.4.3振弦式轉矩感測器417

9振動測量419

9.1概述419

9.2機械振動的電測法及測試系統的構成420

9.3單自由度系統的受迫振動422

9.3.1作用在系統質量塊上的力引起的受迫振動422

9.3.2由系統的基礎運動引起的受迫振動424

9.4測振感測器426

9.4.1磁電式速度感測器427

9.4.2渦流位移感測器427

9.4.3電感式振動感測器428

9.4.4電阻式振動感測器429

9.4.5電容式加速度感測器430

9.4.6壓電加速度感測器431

9.4.7磁致伸縮式振動感測器431

9.4.8激光速度感測器432

9.5激振器433

9.5.1力錘433

9.5.2機械慣性式激振器435

9.5.3電動力式激振器435

9.5.4液壓式激振台438

9.6測振儀器的校準439

9.6.1絕對校準法439

9.6.2相對校準法441

10溫度的測量443

10.1溫標的定義443

10.2溫標的複製445

10.2.1水的冰點445

10.2.2水的三態點445

10.2.3水的沸點446

10.3溫度感測器447

10.3.1接觸式溫度計447

10.3.2輻射式溫度計466

11流量的測量475

11.1流體的特徵475

11.2不同的流量測量方法及儀器477

11.2.1節流式流量計477

11.2.2可變面積式流量計（轉子流量計）484

11.2.3渦輪式流量計486

11.2.4磁流量計488

11.2.5橢圓輪流量計489

11.2.6旋轉活塞式氣體流量計491

11.2.7葉輪流量計492

11.2.8渦流式流量計（卡爾曼渦街，渦頻流量計）492

11.2.9流速的測量494

11.2.10超聲波流量測量504

11.2.11哥氏力質量流量測量法508

參考文獻510