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1测量系统的基础知识 1

1.1概述 1

1.1.1工程测试技术的基本任务 1

1.1.2测量系统的组成 3

1.2信号的描述和变换 4

1.2.1信号的分类和描述 5

1.2.2周期信号的频谱 9

1.2.3非周期信号的频谱 12

1.2.4傅里叶变换的常用性质 14

1.2.5几种典型信号的频谱 16

1.3测量误差和准确度 18

1.3.1误差的分类及其定义 18

1.3.2测量准确度 20

1.4传感器的分类和命名法 20

1.4.1传感器的分类 20

1.4.2传感器命名法 21

习题 22

2测量系统的特性 23

2.1测量系统的静态特性 23

2.1.1系统性特性 23

2.1.2统计性特性 26

2.1.3静态校准 27

2.2测量系统的动态特性 28

2.2.1线性系统传输特性的数学描述 28

2.2.2一阶系统和二阶系统的动态特性 31

2.2.3测量系统对典型输入的响应 35

2.2.4测量系统动态特性参数的测定 37

2.3实现不失真测试的条件 40

2.4传感器的负载效应和二端口网络 42

2.4.1传感器的等效电路和负载误差 42

2.4.2二端口网络 44

2.5测量仪器的选择 45

2.5.1传感器的选择和安装 46

2.5.2放大器、电源和其他装置的选择 46

习题 47

3测量误差的分析与处理 48

3.1系统误差 48

3.1.1系统误差的分类 48

3.1.2系统误差的修正 48

3.2随机误差 49

3.2.1随机误差的分布规律 49

3.2.2随机误差的统计分析 51

3.3测试数据的处理 55

3.3.1可疑数据的取舍 55

3.3.2最小二乘线性拟合 56

3.3.3用数据变换做线性回归 58

3.4测量结果的不确定度分析 58

3.4.1间接测量不确定度的传递 58

3.4.2不确定度中的系统不确定度和随机不确定度处理 59

3.4.3测量实验最终结果的不确定度 63

习题 65

4信号的调理与显示记录装置 67

4.1电桥 67

4.1.1概述 67

4.1.2直流电桥 67

4.1.3交流电桥 70

4.2信号的放大与衰减 71

4.2.1信号放大器的主要特性 71

4.2.2使用运算放大器的放大器 73

4.2.3信号衰减 76

4.3调制与解调 77

4.3.1幅值调制与解调 77

4.3.2频率调制与解调 78

4.4滤波器 81

4.4.1滤波器的分类 81

4.4.2恒带宽比和恒带宽滤波器 86

4.5信号的显示记录装置 87

4.5.1指针式记录仪 87

4.5.2数字显示原理 89

4.5.3图像显示装置 90

4.5.4数据采集系统 92

4.6模拟信号的传输 92

4.6.1低电平电压信号的传输 92

4.6.2电流信号的传输 93

习题 94

5计算机数据采集与分析系统 96

5.1数据采集与分析系统的构成 96

5.1.1数据采集与分析系统的基本构成 96

5.1.2虚拟仪器 97

5.2信号数字化的基本原理 98

5.2.1采样和采样定理 98

5.2.2量化及量化误差 100

5.2.3窗函数的选择 102

5.2.4频域采样和栅栏效应 105

5.3快速傅里叶变换原理 107

5.3.1离散的傅里叶变换 107

5.3.2傅里叶变换的快速算法（FFT） 108

5.3.3 FFT的逆变换（IFFT） 112

5.4数据采集器件 112

5.4.1数模（D/A）转换器 112

5.4.2模数（A/D）转换器 113

习题 116

6信号的分析与处理 117

6.1信号的时域分析 117

6.1.1信号的时域统计参数 117

6.1.2概率密度函数的应用 118

6.2信号的相关分析 120

6.2.1相关系数 120

6.2.2自相关函数分析 121

6.2.3互相关函数分析 123

6.2.4互相关函数的工程应用 125

6.3信号的频域分析 128

6.3.1功率谱密度函数 128

6.3.2功率谱的应用 130

6.3.3相干函数 133

6.3.4倒频谱分析及其应用 134

习题 137

7常用位移传感器的变换原理 138

7.1电位器式位移传感器 138

7.2电感式位移传感器 139

7.2.1可变磁阻式位移传感器 140

7.2.2 LVDT位移传感器 142

7.3电容式位移传感器 143

7.3.1电容式位移传感器的工作原理 143

7.3.2电容传感器的特点 144

7.4霍尔式位移传感器 145

7.4.1霍尔效应 146

7.4.2霍尔元件及其位移传感器 146

7.5光栅式位移传感器 147

7.5.1光栅式位移传感器的基本原理 147

7.5.2光栅的光学系统 150

7.6磁栅式位移传感器 151

7.6.1磁尺和磁头 152

7.6.2测量电路 153

7.7激光干涉仪 154

7.7.1激光干涉法测距原理 154

7.7.2双频激光干涉仪 155

7.8轴角编码器 156

7.8.1光电轴角编码器的工作原理 156

7.8.2循环码盘 157

7.9厚度测量仪表 158

7.9.1非接触式测厚仪 159

7.9.2接触式测厚仪 160

习题 161

8应变和力传感器的原理与应用 162

8.1电阻应变式传感器的工作原理 162

8.1.1金属粘贴式电阻应变计 162

8.1.2压阻式传感器 165

8.2电阻应变计的应用 166

8.2.1电阻应变计的工作特性及选择 166

8.2.2电阻应变计的安装 169

8.3应力测量 170

8.3.1电阻应变仪 171

8.3.2单向应力测量 171

8.3.3平面应力状态下主应力的测量 175

8.4常用力传感器 180

8.4.1电阻应变式力传感器 180

8.4.2压电式力传感器 184

8.4.3压磁式力传感器 187

8.5传动轴扭矩的测量 188

8.5.1应变式扭矩测量 188

8.5.2扭矩信号的传输 189

8.5.3扭矩的校准 190

习题 191

9机械振动传感器及其应用 193

9.1概述 193

9.1.1振动测试的内容与目的 193

9.1.2机械振动的基本参数 193

9.1.3常用振动传感器及其直接测量参数的选择 194

9.2常用振动传感器 195

9.2.1惯性式振动传感器的频率响应特性 195

9.2.2涡流式位移传感器 197

9.2.3磁电式速度传感器 200

9.2.4压电式加速度传感器 202

9.2.5 TEDS加速度计简介 204

9.2.6接触式振动传感器的校准 205

9.3常用测振放大器 206

9.3.1电压放大器 206

9.3.2电荷放大器 207

9.4振动的激励与激振器 208

9.4.1振动的激励 208

9.4.2激振器 209

习题 210

10噪声的测量 212

10.1空气中声和噪声的表示法 212

10.1.1空气中声和噪声强弱的客观表示法 212

10.1.2空气中声和噪声强弱的主观表示法 213

10.2噪声的计算与分析方法 215

10.2.1多声源的噪声强度 215

10.2.2噪声的频谱分析 216

10.2.3宽带噪声的响度 217

10.2.4声级计的计权网络 218

10.2.5噪声评价标准与等效A声级 219

10.3噪声测量仪器 220

10.3.1传声器 221

10.3.2声级计 222

10.3.3声校准器 222

习题 223

11温度传感器 224

11.1温度标准与测量方式 224

11.1.1温标 224

11.1.2温度测量方式 224

11.2常用接触式温度传感器 225

11.2.1常用温度传感器的类型 225

11.2.2热电偶 225

11.2.3电阻温度计 228

11.2.4热敏电阻 229

11.2.5双金属温度计 231

11.3辐射式温度计 231

11.3.1黑体辐射定律 231

11.3.2光学高温计 233

11.3.3辐射温度计 233

11.3.4红外热像仪 234

11.4温度测量误差的主要原因 235

11.4.1温度传感器导致的测量误差 235

11.4.2热传输引起的温度测量误差 235

习题 237

12流体参数的测量 238

12.1压力传感器 238

12.1.1压力弹性元件和传感器 238

12.1.2压力传感器的校准器 241

12.2流量传感器 243

12.2.1差压式流量计 243

12.2.2阻力式流量计 245

12.2.3涡轮流量计 246

12.2.4容积式流量计 247

12.2.5涡街流量计 248

12.2.6超声流量计 249

12.2.7质量流量计 249

12.3流速测量仪表 251

12.3.1皮托管流速计 251

12.3.2热线和热膜风速计 252

12.3.3激光多普勒速度计 254

12.4液位测量仪表 256

12.4.1浮力式液位计 256

12.4.2差压式液位计 256

12.4.3电容式液位传感器 257

12.4.4超声波式液位计 257

12.4.5称重法 258

习题 258

13光学量传感器 259

13.1光电传感器 259

13.1.1光电效应 259

13.1.2光电器件 260

13.1.3光电传感器的应用 262

13.2光纤传感器 262

13.2.1光纤和光纤传感器的特点和分类 262

13.2.2本征型光纤传感器 265

13.2.3非本征型光纤传感器 267

习题 268

部分习题参考答案 269

主要参考文献 271