农业工程测试技术
课程安排： 总学时： 理论讲授：
实验：8（4次实验） 另外安排时间。要求参加试验，写实验报告。 15周 考试。
教 材：刘培基，王安敏主编.《机械工程测试技术》 机械工业出版社，2004 参考书：陈杰、黄宏 编著《传感器与检测技术》高等教育出版社 2002
孙廷琮主编 《农业机械测试技术》中国农业机械出版社 1981
第1章 概论
信息技术三大支柱：测试控制技术、计算机技术和通信技术。 三个相关概念：
测量（Measurement）：是指以确定被测对象量值为目的的操作过程。 计量：实现单位统一和量值准确的测量。
测试（measurement and Test）带有试验性质的测量，或者说测量和试验的综合。
1.1 测试的意义
主要包括三个方面： 1）测试是人们认识客观世界的手段之一，是科学研究和探索工程技术规律的基本方法。 认识方法：理论分析和试验测量。用理论分析得出的结果，除了一些纯数学问题外，往往要靠试验研究去定量地验证其正确性和可靠程度。还有许多理论分析是建立在大量观测或试验得出的数据基础上的。在工程设计和生产技术的研究中所涉及的对象往往十分复杂，有些问题还难以进行完整的理论分析和计算。
2）自动化生产中，需要检测被控对象的状态参数。测试水平的高低直接影响控制水平的优劣。
3）对某些自动化程度高的重要设备，对设备正常运行时的振动、噪声等参数进行在线检测，可以监视设备的运行状况，消除故障隐患。
4）提高设备智能化和现代化。
1.2 测试方法和测试系统的组成
测量过程是把被测量与同性质的标准量进行比较，从而获得被测量是标准量的若干倍的数量概念。如天平、尺等。但在大多数场合下，无法将被测量直接与同性质的标准量进行比较，需要进行某种转换，如温度计等。变换往往是实现测量的必要手段。通常使用传感器实现这种变换。
传感器是将被测量按一定规律转换成便于应用的某种物理量的装置。其输出由机械量、光学量和电量等。
非电量电测法：测试系统中，越来越多的利用传感器把被测非电量变换为电量，然后进行测量，便于传输、转换、处理和显示。
非电量电测法优点：
1
1) 能连续测量，自动记录，便于通过反馈进行自动控制和调整生产过程。 2) 通过电量放大器很容易将被测量放大很多倍，可测极其微小的量。 3) 既可测静态量也可测动态量，而且可测瞬态量。 4) 可以有线或无线实现远距离遥测。
5) 可利用计算机进行自动测试以及分析和处理测试数据。
非电量电测系统按照信息流的过程划分为：信息获得、转换、处理和显示记录等几部分。
被测量 传感器 信号调理 信号处理 显示记录
激励装置 ◎传感器将非电量转换为电量时，往往输出一些电路参数（如电阻、电感和电容等），需要将电路参数转换为电压、电流和频率等，采用的转换电路主要有电桥、调制与解调、电荷放大器等电路。此外，信号还需要进行必要的放大、阻抗变换、滤波、A/D或D/A转换等处理。信号转换和处理电路统称为测量电路，也称信号调理电路。 ◎ 信号分析和处理：将传感器输出的信号处理成有用的信息。
1.3 测试技术的发展
近年来测试技术引人注目的发展是传感器技术和计算机测试技术的发展。 1.3.1 传感器技术发展： 1）物性型传感器大量涌现
物性型传感器是依靠敏感材料本身的某种性质随被测量的变化来实现信号的转换。这类传感器开发实质上是新材料的开发。如半导体、金属氧化物陶瓷、光导纤维、导电聚合物、磁性材料，以及所谓的“智能材料”（如形状记忆合金、具有资增值功能的生物体材料）等。这些材料的迅速增多，不仅使力、热、光、磁、湿度、气体、离子等方面的一些参量的测量变为现实，也使集成化、小型化、高性能传感器的出现成为可能。 2）微型化、智能化、多功能传感器的开发
微型传感器是利用集成电路技术、微机电加工技术与封装技术制成的体积非常微小的传感器。尺寸可以小到微米级。特点是体积小、重量轻、响应快、灵敏度高以及成本低。
智能传感器石油传感器和微处理器相结合而构成的。
多功能传感器有两种以上功能不同的敏感元件组成。用来同时测量多种参数。 3）新型传感器的开发
光纤传感器、固体图像传感器、红外传感器、化学传感器和生物传感器等。气体传感器、湿度传感器和离子传感器等化学传感器的应用日益广泛。如人工嗅觉传感系统“电子鼻”（Electronic Nose）具有识别气味的能力。 1.3.2 计算机测试技术的发展
虚拟仪器技术是在通用计算机平台上，用户根据自己的需求定义和设计仪器的测试功能，通过图形界面（通常称为虚拟面板）进行操作的虚拟仪器。将仪器硬件和计算机充分结合起来，实现并扩展传统仪器的功能。他是一种基于图形开发、调试和运行程序的集成化环境。
1.4 测量误差概念
1 真值
即真实值，是指在一定条件下，被测量客观存在的实际值。一般指理论真值、约定真值和相对真值。
2
理论真值：
约定真值：国际上公认的某些基准量值。米=1/299792458秒内光在真空中行进的距离。 相对真值：通常把高一精度等级的计量仪器的测量值作为低一等级仪器测量值的真值。 2 误差表示
绝对误差：Δ=x-x0 相对误差：Δ/x0
相对误差可用来比较两种测量结果的精确程度，但不能用来衡量不同仪表的质量。因为同一台仪表在整个测量范围内的相对误差不是定值，随着被测量的减小，相对误差增大。因此，在工程应用中，确定仪表精确等级常用引用误差来表示。
引用误差：是指仪表示值的最大绝对误差与仪表的测量上限值或量程之比。我国规定电
工仪表精度等级：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。0.1表示0.1%，其他类推。由于通常仪表的误差是用引用误差表示，因此不宜选用大量程仪表来测量较小的量值，否则会使测量误差增大，一般应尽量避免让仪表在小于1/3量程范围内工作。
3．误差的分类
按照误差的性质，可分为以下三类：
(1) 系统误差 误差的大小及符号在测量过程中不变或按一定的规律变化，称为系统误差。系统误差可通过实验的方法，找出并予以消除，或加修正值对测量结果进行修正。
(2) 随机误差 在实际测量条件下，多次测量同一量值时，误差的大小和符号没有一定规律，以不可预知的方式变化着，这类误差称为随机误差。它是由许多偶然因素所引起的综合结果。它既不能用实验的方法消除，也不能修正。就每次测量结果而言，随机误差的出现是没有规律的，而在多次重复测量时，其总体服从统计规律，可以从理论上来估计随机误差对测量结果的影响。
(3) 粗大误差 明显超出规定条件下可能出现的误差成为粗大误差，也称疏失误差。粗大误差一般是由于测量者粗心大意或操作失误造成的人为差错。例如读错示值、记录或运算错误等。粗大误差一经发现，必须从测量数据中剔除。
1.5 课程内容：
1 理论教学：
绪论
测试信号及其分析 测试系统的基本特性 常用传感器原理及应用 信号的变换与处理 应变片电测技术 振动的测量 温度与湿度测量 压力和流量的测量 计算机控制测试系统 2 实验项目：
应变片传感器贴片工艺实践 测试系统调试与标定 测试系统综合实验
农机载荷监控虚拟仪器系统
3
第2章 信号描述及其分析
进行工程测试时，通过传感器获得被测对象的信号。这些信号往往是一些随时间变化的波形，其中蕴含着反映被测对象的状态或属性的有用信息。但在一般情况下，仅通过对信号波形的直接观察，很难获取所需要的信息，需要对信号进行必要的分析和处理。信号分析和信号处理并没有明确的界限，通常把研究信号的构成和特征称为信号分析，把信号经过必要的变换以获得所需信息的过程称为信号处理。信号分析和处理的基本方法是将信号抽象为变量之间的函数关系，特别是时间函数或空间函数，从数学上加以分析研究。信号的频谱分析，是最重要的信号分析技术之一。本章主要讲述信号的分类、信号的描述和信号分析等方面的有关知识。
2.1 信号及分类
信号有各种形式，可以从不同的角度对其进行分类。 一、确定性信号
能用确定的数学关系式描述的信号称为确定性信号。确定性信号可分为周期信号和非周期信号。
1．周期信号
周期信号是按一定时间间隔周期出现、无始无终的信号。其表达式为
x(t)?x(t?nT) (n=l，2，3，?) (2—1)
式中 T——周期。
例如，应用十分广泛的正弦信号，其表达式为
x(t)?x0sin(?0t??0) (2—2) 式中 x0——幅值；
?0——角频率；
?0——初始相位角。
其周期T、频率f、角频率?0之间的关系为 T?2?/?0 , f?1/T
幅值、频率和相位，三者唯一地确定了正弦信号的形式。余弦信号与正弦信号只是相
位相差?／2，也可称为正弦信号。
正弦信号的曲线见图2—1。 2．非周期信号
确定性信号中那些不具有周期重复性的信号称为非周期信号。非周期信号中包含准周期信号和瞬变非周期信号。准周期信号是由两种以上的周期信号合成的，但各周期分量无公共周期，如x(t)=sin2t+sin3t。除此之外的非周期信号均为瞬变非周期信号，其特点是在一定时间区间内存在，或随着时间的增长而衰减至零。物理和工程上很多现象都可用瞬变非周
4
期信号来描述。如机械脉冲或电脉冲信号、阶跃信号和指数衰减信号等。单边指数衰减信号的数学表达式为
?Ae??t ??0, t?0 x(t)?? (2-3)
t?0?0 式中 ?——衰减系数。
函数图形见图2-2。
图2-1正弦信号 图2-2单边指数衰减信号 二、随机信号
随机信号是一种不能准确预测未来瞬时值，也无法用数学关系式来描述的信号。在自然界和工程实验中有许多随机信号，例如汽车行驶时产生的震动和环境噪声等。随机信号可以用数理统计的方法来进行描述。
三、连续信号和离散信号
根据确定性信号的数学表达式中独立变量(一般是时间自变量t)的取值是否连续，可分为连续信号和离散信号两大类。若独立变量的取值是连续的，则称为连续信号；若独立变量的取值是离散的，则称为离散信号。连续信号的幅值可以是连续的，也可以是离散的。若独立变量和幅值均取连续值，则称为模拟信号。若离散信号的幅值是连续的，称为采样信号；若离散信号的幅值也是离散的，则称为数字信号。
四、能量信号和功率信号
在非电量测量中，还常常涉及到能量信号和功率信号。不考虑信号的实际量纲，把信号x(t)的平方及其对时间的积分分别称为信号的功率和能量，当x(t)满足
????x2(t)dt?? (2-4)
时，认为该信号的能量是有限的，并称其为能量信号，如指数衰减信号。若上述积分是无限的，但在有限区间（t1, t2）上的积分是有限的，即满足
??x2(t)dt?????? (2-5) ?t221x(t)dt????t2?t1?t1这种信号称为功率信号。在这里所说的功率和能量不一定具有真实功率和能量的量纲。
通过以上说明，可把信号按图（2-3）进行分类：
5