材料工程测试技术.docx
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材料工程测试技术
如何利用误差理论减少误差
测量是一种认识过程，就是用实验方法,将被测的物理量与所选用作为单位的同类量进行比较，从而确定其间的比值。
根据适当定义而规定的数值为1的物理量称之为单位,以它作为对同类物理量测量的基础。
由误差公理可知：
一切测量皆有误差。
1.1误差
1.1.1误差的概念
绝对误差在一定条件下，某一物理量所具有的客观大小称为真值。
测量的目的就是力图得到真值。
但由于受测量方法、测量仪器、测量条件以及观测者水平等多种因素的限制，测量结果与真值之间总有一定的差异，即总存在测量误差。
设测量值为X，相应的真值为X0，测量值与真值之差ΔX
ΔX＝X－X0
称为测量误差，又称为绝对误差，简称误差。
误差存在于一切测量之中，测量与误差形影不离，分析测量过程中产生的误差，将影响降低到最低程度，并对测量结果中未能消除的误差做出估计，是实验测量中不可缺少的一项重要工作。
相对误差绝对误差与真值之比的百分数叫做相对误差。
用
表示：
由于真值无法知道，所以计算相对误差时常用X代替X0。
在这种情况下，X可能是公认值，或高一级精密仪器的测量值，或测量值的平均值。
相对误差用来表示测量的相对精确度，相对误差用百分数表示，保留两位有效数字。
1.1.2误差的分类
根据误差的性质和产生的原因，误差可分为三类：
系统误差、随机误差和粗大误差。
1.系统误差是指在同一条件（指方法、仪器、环境、人员）下多次测量同一物理量时，结果总是向一个方向偏离，其数值一定或按一定规律变化。
系统误差的特征是具有一定的规律性。
系统误差的来源具有以下几个方面：
（1）仪器误差它是由于仪器本身的缺陷或没有按规定条件使用仪器而造成的误差。
如螺旋测径器的零点不准，天平不等臂等。
（2）理论误差它是由于测量所依据的理论公式本身的近似性，或实验条件不能达到理论公式所规定的要求，或测量方法不当等所引起的误差。
如实验中忽略了摩擦、热、电表的内阻、单摆的周期公式
的成立条件等。
（3）个人误差它是由于观测者本人生理或心理特点造成的误差。
如有人用秒表测时间时，总是使之过快。
（4）环境误差是外界环境性质（如光照、温度、湿度、电磁场等）的影响而差生的误差。
如环境温度升高或降低，使测量值按一定规律变化。
产生系统误差的原因通常是可以被发现的，原则上可以通过修正、改进加以排除或减小。
分析、排除和修正系统误差要求测量者有丰富的实践经验。
这方面的知识和技能在我们以后的实验中会逐步地学习，并要很好地掌握。
2.随机误差在相同测量条件下，多次测量同一物理量时，误差的绝对值符号的变化，时大时小、时正时负，以不可预定方式变化着的误差称为随机误差，有时也叫偶然误差。
引起随机误差的原因也很多，与仪器精密度和观察者感官灵敏度有关。
如无规则的温度变化，气压的起伏，电磁场的干扰，电源电压的波动等，引起测量值的变化。
这些因素不可控制又无法预测和消除。
当测量次数很多时，随机误差就显示出明显的规律性。
实践和理论都已证明，随机误差服从一定的统计规律（正态分布），其特点表现为：
1单峰性绝对值小的误差出现的概率比绝对值大的误差出现的概率大；
2对称性绝对值相等的正负误差出现的概率相同；
3有界性绝对值很大的误差出现的概率趋于零；
4抵偿性误差的算术平均值随着测量次数的增加而趋于零。
因此，增加测量次数可以减小随机误差，但不能完全消除。
3.粗大误差由于测量者过失，如实验方法不合理，用错仪器，操作不当，读错数值或记错数据等引起的误差，是一种人为的过失误差，不属于测量误差，只要测量者采用严肃认真的态度，过失误差是可以避免的。
在数据处理中要把含有粗大误差的异常数据加以剔除。
剔除的准则一般为3σ准则或肖维勒准则。
1.1.3测量的精密度、准确度和精确度
测量的精密度、准确度和精确度都是评价测量结果的术语，但目前使用时其涵义并不尽一致，以下介绍较为普遍采用的说法。
精密度表示的是在同样测量条件下，对同一物理量进行多次测量，所得结果彼此间相互接近的程度，即测量结果的重复性、测量数据的弥散程度，因而测量精密度是测量偶然误差的反映。
测量精密度高，偶然误差小，但系统误差的大小不明确。
准确度表示的是测量结果与真值接近的程度，因而它是系统误差的反映。
测量准确度高，则测量数据的算术平均值偏离真值较小，测量的系统误差小，但数据较分散，偶然误差的大小不确定。
精确度表示的则是对测量的偶然误差及系统误差的综合评定。
精确度高，测量数据较集中在真值附近，测量的偶然误差及系统误差都比较小。
1.1.4随机误差的估计
对某一物理量进行多次重复测量时，其测量结果服从一定的统计规律，也就是正态分布（或高斯分布）。
我们用描述高斯分布的两个参量（x和σ）来估计随机误差。
设在一组测量值中，n次测量的值分别为：
1．算术平均值
根据最小二乘法原理证明，多次测量的算术平均值
（1—1）
是待测量真值
的最佳估计值。
称
为近似真实值，以后我们将用
来表示多次测量的近似真实值。
2．标准偏差
根据随机误差的高斯理论可以证明，在有限次测量情况下，单次测量值的标准偏差为：
（贝塞尔公式）（1—2）
通常称
为偏差，或残差。
表示测量列的标准偏差，它表征对同一被测量在同一条件下作n次（在大学物理实验中，通常取
）有限测量时，其结果的分散程度。
其相应的置信概率
接近于58.3%。
其意义是n次测量中任一次测量值的误差（或偏差）落在（
）区间的可能性约为68.3%，也就是真值落在（
）范围的概率为68.3%。
标准偏差
小表示测量值密集，即测量的精密度高；标准偏差
大表示测量值分散，即测量的精密度低。
3.算术平均值的标准偏差
当测量次数n有限，其算术平均值的标准偏差为
（1—3）
其意义是测量平均值的随机误差在
之间的概率为68.3%。
或者说，待测量的真值在
范围内的概率为68.3％。
因此
反映了平均值接近真值的程度。
1.1.5异常数据的剔除
剔除测量列中异常数据的标准有几种，有3
准则、拉依达准则、肖维准则、格拉布斯准则等。
1．3
准则
统计理论表明，测量值的偏差超过3
的概率已小于1％。
因此，可以认为偏差超过3
的测量值是其他因素或过失造成的，为异常数据，应当剔除。
剔除的方法是将多次测量所得的一系列数据，算出各测量值的偏差
和标准偏差
，把其中最大的
与3
比较，若
＞3
，则认为第j个测量值是异常数据，舍去不计。
剔除
后，对余下的各测量值重新计算偏差和标准偏差，并继续审查，直到各个偏差均小于3
为止。
2.拉依达准则
设对某量等精度独立测量得值算出平均值及残差：
（i=1，2，...,n）,算术样本标准差S，若某个测量值满足下式:
则认为是含有粗差的"坏值"，应予剔除。
3.格拉布斯（Grubbs）准则
设对某量等精度独立测量得值算出平均值及残差：
（i=1，2，...,n）,算术样本标准差S，若某个测量值满足下式:
则认为为“坏值”，应予剔除。
4.t检验准则
条件同上，设不包含可疑测量值在内计算出均值X和标准偏差S,则当：
时，剔除坏值，式中：
式中
为t分布的置信系数。
拉依达方法简单，无须查表，用起来方便，测量次数较多（19次以上）或要求不高时采用。
拉依达准则和格拉布斯准则在判别前先计算及S值,计算时包括可疑值在内,判别过后才剔除坏值,重算及S。
而t检验准则是在去掉可疑值后计算和S,再进行判别。
几个可疑数据同时超过判别准则，不可将它们一起剔除，而要先剔除其最大者，然后继续判别对两个相同的坏值，也不可一起剔除，只能先剔除其中的一个，然后再继续剔除。
可疑数据应为少数，如数目太多，则应考虑测量系统的工作是否正常，很可能该系统不具备精密测量条件,需排除故障后重新测量。
如何在测试中选择传感器
现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。
当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。
测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。
传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。
目前，传感器转换后的信号大多为电信号。
因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。
传感器选用原则。
选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。
1、灵敏度
一般说来，传感器灵敏度越高越好，但，在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。
a）灵敏度过高引起的干扰问题；
b）量程范围。
c）交叉灵敏度问题。
2、响应特性
传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。
实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。
3、线性范围
任何传感器都有一定线性工作范围。
在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。
传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。
4、稳定性
稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。
影响传感器稳定性的因素是时间与环境。
5、精确度
传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。
6、测量方式
传感器工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。
例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。
对传感器的分类有助于人们从总体上认识和掌握传感器的原理。
通常有两种分类方法：
按输出量和按被测量。
触点型传感器是在自动检测、控制中应用最早的一种传感器，这类传感器处理的信号功率很大，可以直接控制较小功率的电机、电磁继电器和指示灯，且不易受干扰。
电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的一种器件。
主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。
热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。
热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。
压力传感器引是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。
电容式物位传感器适用于工业企业在生产过程中进行测量和控制生产过程，主要用作类导电与非导电介质的液体液位或粉粒状固体料位的远距离连续测量和指示。
电容式液位传感器由电容式传感器与电子模块电路组成，它以两线制4～20mA恒定电流输出为基型，经过转换，可以用三线或四线方式输出，输出信号形成为1～5V、0～5V、0～10mA等标准信号。
电容传感器由绝缘电极和装有测量介质的圆柱形金属容器组成。
当料位上升时，因非导电物料的介电常数明显小于空气的介电常数，所以电容量随着物料高度的变化而变化。
传感器的模块电路由基准源、脉宽调制、转换、恒流放大、反馈和限流等单元组成。
采用脉宽调特原理进行测量的优点是频率较低，对周围元射频干扰、稳定性好、线性好、无明显温度漂移等。
光敏传感器是最常见的传感器之一，它的种类繁多，主要有：
光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。
它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。
光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。
光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术引中占有非常重要的地位。
最简单的光敏传感器是光敏电阻，当光子冲击接合处就会产生电流。
如何在测试中选择数据采集系统
对生产过程的参数集中检测、数字显示、越限报警和打印记录，这种装置就叫数据采集装置。
将数据送至微机中进行显示、处理和记录，相应地称之为微机数据采集系统。
微机数据采集系统优点：
（1）测试过程由程序来实现,灵活性和通用性更强；
（2）硬件软件化，进一步提高了系统的可靠性；
（3）具有数据处理能力；
（4）利用自校和重复测试求均值等方法进一步减小系统误差和随机误差，提高测试精度；
（5）利用微机的随机存贮器大量存贮测试结果和中间结果，有利于实现快速多路测量；
（6）只要配备相应的接口与外围设备，其它计算机相连；可实现多种形式的数据存贮和显示
虚拟仪器也可定义为这样一种仪器，它的全部功能都可由软件来完成（配以一定的硬件），用户只要提出所需要的系统框图、仪器面板控制和希望在计算机屏幕上实现的输出显示等即可。
计算机数据采集系统的测量，依赖于各种类型的传感器。
传感器的输出信号可分为三类：
（a）开关信号：
两个状态的信号。
如电机的运转与停车；开关的合与断；以及各种开关型传感器的输出信号等。
开关信号只用一位二进制表示。
因此8位机可以同时处理8个开关信号。
（b）数字信号：
用二进制数形式表示的数。
数字信号可以是数字电压表、键盘、数字输出的装置输出的信息，也可以是频率输出型传感器的输出信息。
微机可以直接接收数字信号。
8位微机一次只能接收8位二进制表示的数字量，超过8位时，必须分几次来接收。
（c）模拟信号，指在连续时间内，对信号的幅值可以在某范围内连续任意取值。
我们所讨论的微机数据采集系统主要处理的即是这一类信号。
模拟信号微机不能直接接收和处理，常要通过模数转换器（A/D）将模拟量转换成微机能处理的数字信号。
数据采集中的一些问题:
量化噪声、采样频率的选取、孔径时间、
模数转换器的精度与特性。
数据采集系统在把模拟信号转变成数字信号的过程中产生了量化噪声。
在实际数据采集系统中，数字信号的码位扩展是有限的，因此就必须允许有一定的误差，即量化过程必然要引入这种不定因素。
这种不定因素的引入所带来的误差，通常称为量化噪声。
采样定理指出:
信号本身的频带是有限的，而采样频率又大于等于两倍信号所包含的最高频率，则在理论上可以根据其离散采样值完全恢复出原始信号。
数模转换器的功能是将一个数字量转化为一个模拟电压，电流值。
DAC的指标很多，其中关键的有：
分辨率，用满度信号可以分的级数，满度值的百分数（%FSR）等多种方式表示。
精度，这一概念易与分辨率混淆。
指DAC实际输出值与理论计算输出值之差，DAC器件精度由生产厂家给出，通常在+Q/2和+Q（Q为量化电平）范围内。
建立时间，由输入数字量变化至输出模拟量稳定到最终值的+LSB/2（LSB指最底有效位）内的时间。
当DAC的输入数码由全0变为全1时，是要求建立时间最长的一种情况。
DAC在电流输出时建立时间为50~500μs，电压输出时建立时间1~10μs，主要受输出放大器限制。
模数转换器ADC的任务是将一个模拟输入信号电压转换为数字信号，能接受的一个n位二进制数。
ADC的特性参数与DAC特性参数类似，不同点在于ADC输出的是数字码，因此分辨率，精度等参数均应随之改变。
在数据采集系统中，同时使用多个传感器的场合中，常使用公共的模数转换器。
即采用分时占用模数转换器，利用模拟多路开关，轮流切换各被采集的传感器信号与模数转换器的通路。
开关特性：
a、可靠性高、平均寿命长；b、开关特性好，接通时电阻Ron,断开电阻Roff比值大；c、可承受高电压冲击。
采样保持电路SHA实际的模数转换器模拟量化的过程需要一定的时间，在这个转换时间内保持采样点的数值不变才能保证转换精度，对于动态信号要做到采样值不变，需要使用采样保持电路SHA，特别是逐次比较式ADC。
SHA最主要的参数SHA的孔径时间。
即SHA实际从采样到转入保持状态所需要的时间。
SHA的另一个重要参数是输出电压的下降率，这个参数描述了SHA的保持性能。
要求孔径时间小，保持性能就必然下降。
SHA在数据采集系统中的配置方法要根据设计指标选择。
采集速度低的时候，将SHA放在模拟开关与ADC中间成为公用，这种方法最经济。
每个通道采集时间由多路开关的开关时间，SHA的采集时间、放大器建立时间和ADC转换时间决定。
采集速度要求高时可考虑每个模拟信号使用一个SHA，速度更高时还可一个模拟信号使用一个ADC。
温度测试方式
1.1温度
温度是衡量其冷热程度的物理量,微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。
温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。
它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。
温度是大量分子热运动的集体表现，含有统计意义。
对于个别分子来说，温度是没有意义的。
测温方法按照热传导分类可分为接触测温和非接触测温。
接触测温：
传感器与被测对象接触，依靠两者之间的热传导和（或）对流换热达到热平衡来测量温度。
特点：
定位准确，干扰对象，材料极限。
非接触测温：
传感器接受被测对象的热辐射或被测对象的其他热物理性能。
特点：
不干扰对象，无材料极限，定位不准
1.2接触式测温
1.2.1固体内部温度测量
（1）导热性能好的固体
在被测物体上钻个能插入传感器的孔，使传感器与被测物体接触良好，可在孔内注入适当的液体效果更好
（2）导热性能不好的固体
测导热性能较差的耐火砖温度，敷设热电偶，则原来的等温线将被破坏。
为了减少这种误差，可按沿等温线敷设或采用与被测对象热导率相同的材质制作传感器
1.2.2固体表面温度测量
固体表面的温度，受与它接触的物体温度的影响较大，很容易改变表面的热状态
1.2.3流动介质温度测量
流体测温中主要讨论测温的传热误差。
从传热看，液体时的测温精度应高于气体。
“静温”来表示气流分子的无序平均动能，用“动温”表示气流分子的有向动能。
两者之和称为“总温”，又称“滞止温度”。
流动气体或火焰并非静态，测定的热平衡温度与热力学的静态温度不同。
流体温度测量误差分析：
考虑热交换（传导，对流，辐射）
透明体和火焰测量须专门讨论
（1）实际流体不是理想流体所导致的测量误差外，
（2）测温传感器插到流体中干扰原有的流动状态和换热状态，当时温度场发生变化导致测量误差。
1.2.4组装热电偶
误差：
探头的温度不能平衡在气流的静温。
思路：
几支不同直径的热电偶构成组装热电偶，获得较多的参量，根据已有理论知识，较充分的计算能量转移特性，校正气流温度。
1.2.5抽气热电偶
目的：
增大对流换热，减少传导与辐射热损。
气动法测温:
（1）当测量高温气体介质的温度时，介质温度常常接近和超过热电偶的允许温度，直接测量法已无法采用，或是因为辐射误差过大需要采用抽气热偶时，可以采用间接测量的方式。
气动高温计是最常用的间接测量方法
（2）气动高温计是将测量高温气体冷却，根据冷却前后气体的温度的比值和重度的比值，可以确定气体的实际温度。
1.2.6瞬态测温与动态热电偶
（1）一阶温度检测系统的响应特性
（2）阶跃响应,当四倍时间常数时，将保持在误差0.02内
（3）斜坡响应,同样的速率上升，延迟一段时长为时间常数
动态热电偶,提高测温极限——由插入时间内热电偶的温升曲线推算出被测高温气体的温度。
1.3辐射式测温
1.3.1光学高温计
固定一个波长（单波长滤光）测亮度。
1.3.2全辐射高温计
（1）测量被测物体的全部波长辐射能（无滤光）
（2）辐射温度：
温度为T的灰体，其辐射强度S，如果等于温度为的黑体的辐射强度S0，则称为此物体的辐射温度。
（3）误差较大：
各波长的黑度不统一，无法有效校正。
（4）建立人工黑体：
安装细长陶瓷管，陶瓷管的底部可认为是黑体
1.3.3比色高温计
（1）目前最理想的辐射测温
（2）为减少黑度的影响，考虑物体发射率的比值变化较小。
测量两个波长辐射亮度的比值
（3）比色温度
1.4物质的熔融点和颜色
1.4.1用物质的熔融点测温度
蜡笔型;油漆型；纸片型;弹九型，不可逆。
1.4.2根据物质的颜色来测量温度
（1）当温度变化时，这些物质的化学成分发生相应的变化，不可逆。
（2）物理原理做成的以颜色指示温度的物质，这一类物质颜色的变化过程是可逆的。
流体压力测量
流体的压力是单位面积上所承受的垂直方向的表面力。
静止流体不存在切向力，故这个表面力和所取面积的方向无关，该压力称静压（力）。
运动的流体静压是指相对运动坐标上的压力，可以用与运动方向平行的单位面积上的表面力来衡量；总压是指流体内某点上速度在等熵的情况下滞止到零时所达到的压力，又称为滞止压力。
总压与静压之差称为该点的动压（力）。
压力在空间的分布称为压力场，压力是个标量，因此压力场是个标量场。
压力测量仪表的分类：
（a）液柱式压力计；（b）弹性式压力计；（c）电气式压力计；（d）活塞式压力计。
1.液柱式压力计分为：
（1）U型管压力计
特点：
依靠液柱平衡测压。
双液柱测差压，简单，可靠，读数精度为5Pa，测量指示一体，价格低廉。
量程：
1000-10000Pa。
（2）单管压力计
特点：
结构简单，使用方便，准确度比较高，常用于测量低压、负压、差压。
缺点：
体积大，读数不方便，玻璃管易损坏。
（3）斜管式微压计
特点：
主要用于测量微小的压力、负压和压差。
为了减少读数的相对误差，拉长液柱，将测量管倾斜放置。
2.弹性式压力计
原理：
弹性压力表是利用各种不同形状弹性感压元件在被测压力的作用下，产生弹性变形制成的测压仪表。
特点：
结构简单、牢固可靠、测压范围广、使用方便、造价低廉、有足够的精度，可远传。
常用弹性压力表：
1.弹簧管式2.膜片（盒）式3.波纹管式
3.电气式压力检测
电气式压力计又称电学压力计。
将压力直接或间接地转换成与压力有一定关系的各种电量，再由电量的测量而测得压力值。
有电阻式压力计、电容式压力计、压电式压力计和压磁式压力计等。
常用于测量变化很快的压力、高压或超高压。
4．活塞式压力计
基于帕斯卡定律及流体静力学平衡原理产生的一种高准确度、高复现性和高可信度的标准压力计量仪器。
静压的测量与静压管
流动流体中的静压是与运动方向平行的单位面积上的表面力，在不引起流线变形或与流体以同样速度移动的表面所感受的压力。
要真正做到这一点是十分困难的静压孔或静压管的设计、校准、安装及压力表的位置等，都有很严格的技术要求。
当需要测量流体中某一点处的静压时，应采用静压管。
静压管的设计应使其对于流场干扰尽可能的小。
对流动方向灵感性也要尽量小。
低速流动时，常用如图所示的L型静压管，其头部一般为半球型或半椭圆形，后部为支杆供传递压力用。
测压探头轴线与来流方向平行，在测压管上距头部3∽8D处沿管周向均匀地开4∽8个静压孔，用以感受静压。
动压管与气流速度的测量
总压是当流体按等熵流动滞止下来时的压力。
测量流体总压可应用总压管。
总压管:
测量探头轴线与流体流动方向一致、而探头开口正对着来流方向的管。
在亚音速范围内流体在总压管头部的滞止可以认为是等熵滞止，如果总压孔对准来流方向，总压管孔又准确制造成光洁的圆形，则总压管所测得的压力可以认为就是总压。
气流的速度是一个矢量，速度测量包括速度的大小和方向的测量。
速度的大小可在被测点上分别测得总压和静压计算求得。
将总压管和静压管组合在一起，组成所谓动压管（毕托管）来测量。
毕托管测量的是空间某点处的平均速度，它的头部尺寸决定了它的空间分辨率，通常为8mm，椭球形头部最佳。
高速气流静压管，小锥角细长头部探头。
二元测压管与平面气流方向的测量
流体压力对称性法则：
在规则形状的物体表面开对称的两个小孔，气流如正对其对称轴来，两孔
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