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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