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第1部分 机械量测量基础3

第1章 测量过程概述3

1.1 引言3

1.2 机械量测量的意义3

1.3 测量的基本方法4

1.3.1 直接比较法4

1.3.2 使用标定的系统4

1.4 广义测量系统5

1.4.1 第一级——敏感元件－传感器级5

1.4.2 第二级——信号调理级6

1.4.3 第三级——终端读出级6

1.5 输入量种类8

1.5.1 时间相关性8

1.5.2 模拟信号和数字信号9

1.6 测量标准9

1.7 标定10

1.8 不确定度：测量结果的精确度10

1.9 报告结果11

1.9.1 实验室记录和技术备忘录11

1.9.2 完整报告11

1.9.3 技术论文12

1.10 小结12

建议读物13

习题13

第2章 测量标准和量纲单位14

2.1 引言14

2.2 量纲标准的建立14

2.3 美国测量标准的历史背景14

2.4 国际单位制（SI制）15

2.4.1 国际行为15

2.4.2 国内行为17

2.5 长度标准18

2.6 质量标准19

2.7 时间和频率标准19

2.8 温度标准20

2.9 电量标准22

2.10 单位制之间的转换23

2.11 有效数、舍入和截断25

2.11.1 定义26

2.11.2 数字操作和有效数位26

2.11.3 有效零27

2.11.4 系列算术运算27

2.12 小结27

建议读物28

习题28

参考文献29

第3章 实验数据的评估与表达31

3.1 引言31

3.2 普通误差种类31

3.2.1 误差分类32

3.2.2 用于评价仪器性能的术语36

3.3 不确定度介绍37

3.4 精度不确定度的估计38

3.4.1 样本与总体的关系38

3.4.2 概率分布39

3.5 基于总体的理论40

3.6 基于样本的理论44

3.6.1 采样例45

3.6.2 大样本的置信区间47

3.6.3 小样本的置信区间49

3.6.4 样本均值的t检验比较52

3.7 拟合优度54

3.8 用计算机做统计分析56

3.9 偏差和单样本不确定度57

3.10 不确定度的传播58

3.11 不确定度分析例60

3.11.1 标定电阻60

3.11.2 流量计标定所期望的不确定度62

3.12 在实验设计中将误差减至最小65

3.13 χ2分布66

3.13.1 样本的正态性试验68

3.13.2 同一总体中样本间差的显著性68

3.13.3 不同大小样本的比较69

3.14 数据的图形表示70

3.14.1 作图的主要规则71

3.14.2 选择坐标系和绘制直线73

3.15 直线拟合与最小二乘法78

3.15.1 直线拟合的最小二乘法78

3.15.2 直线拟合的不确定度80

3.15.3 曲线拟合软件80

3.16 小结82

建议读物83

习题84

参考文献90

第4章 模拟被测量：时变特性92

4.1 引言92

4.2 简谐关系92

4.3 圆频率和周期频率93

4.4 复杂关系94

4.4.1 拍频和外差法98

4.4.2 特殊波形100

4.4.3 非周期或瞬态波形102

4.5 频谱103

4.6 谐波分析或傅里叶分析104

4.6.1 离散傅里叶变换105

4.6.2 离散采样信号的频率：混叠和频率分辨率106

4.6.3 离散傅里叶分析的举例110

4.7 波形幅值112

4.8 小结113

建议读物113

习题114

参考文献116

第5章 测试系统的响应117

5.1 引言117

5.2 幅值响应117

5.3 频率响应118

5.4 相位响应118

5.5 预测复杂波形信号的特性119

5.6 延时，上升时间和转换速率121

5.7 实验系统各组成元件的响应122

5.8 简化的物理系统124

5.9 机械元件124

5.9.1 质量124

5.9.2 弹性力124

5.9.3 阻尼125

5.10 简单机械系统举例126

5.11 阻尼的重要性127

5.12 简化机械系统的动态特性128

5.13 单自由度质量－弹簧－阻尼系统128

5.14 零阶系统129

5.15 一阶系统的特性129

5.15.1 阶跃力作用下的一阶系统129

5.15.2 谐波激励下的一阶系统132

5.16 二阶系统特性135

5.16.1 二阶系统的阶跃响应135

5.16.2 二阶系统的谐波响应137

5.16.3 一般周期性激励情况139

5.17 电气元件143

5.18 一阶电气系统144

5.19 简单二阶电气系统146

5.20 系统响应的标定147

5.21 小结148

建议读物149

习题149

参考文献152

第6章 传感器153

6.1 引言153

6.2 信号源的负载效应153

6.3 二次传感器154

6.4 第一级装置的分类154

6.5 可变电阻传感元件158

6.6 滑动触点式装置158

6.6.1 电位计分辨率159

6.6.2 电位计线性度159

6.7 电阻应变片160

6.8 热敏电阻器160

6.9 热电偶160

6.10 可变电感传感元件160

6.10.1 简单自感式装置162

6.10.2 双线圈互感装置163

6.11 差动变压器164

6.12 可变磁阻传感器165

6.13 电容式传感器165

6.14 压电传感器168

6.15 半导体传感器169

6.15.1 半导体的电特性170

6.15.2 pn结171

6.15.3 光电二极管172

6.16 光电检测传感器173

6.17 霍尔效应传感器175

6.18 一些设计相关问题177

6.18.1 制造公差177

6.18.2 温度相关的一些问题179

6.18.3 限制温度误差的方法182

6.19 小结183

建议读物183

习题184

参考文献186

第7章 信号调理189

7.1 引言189

7.2 信号调理的优越性189

7.3 调制的和未调制的信号190

7.4 输入电路191

7.5 简单的电流敏感电路191

7.6 镇流电路192

7.7 分压电路194

7.7.1 分压电位计194

7.7.2 负载误差195

7.7.3 使用端电阻196

7.8 传感器电阻的微小变化196

7.9 电阻电桥198

7.9.1 电压敏感型惠斯登电桥201

7.9.2 电流敏感型惠斯登电桥201

7.9.3 恒电流电桥202

7.9.4 交流电阻电桥203

7.9.5 导线补偿204

7.9.6 电桥灵敏度的调节204

7.10 电抗或阻抗电桥205

7.11 谱振电路206

7.12 电子放大或增益207

7.13 电子放大器209

7.14 真空管放大器210

7.15 固态放大器210

7.16 集成电路211

7.17 运算放大器211

7.17.1 典型运算放大器的性能规格213

7.17.2 运算放大器的应用214

7.18 特殊放大器电路218

7.18.1 仪器放大器218

7.18.2 电荷放大器219

7.18.3 其他集成电路装置220

7.19 屏蔽和接地220

7.19.1 屏蔽220

7.19.2 接地221

7.20 滤波器222

7.21 滤波器的理论222

7.22 有源滤波器228

7.23 微分器和积分器229

7.24 元件耦合方法230

7.25 小结232

建议读物233

习题233

参考文献239

第8章 机械量测量中的数字技术240

8.1 引言240

8.2 为什么要使用数字方法241

8.3 机械量输入的数字化242

8.4 基础的数字电路元件242

8.4.1 基本逻辑元件242

8.4.2 逻辑元件的简单组合245

8.4.3 集成电路系列246

8.4.4 读出元件248

8.5 数系249

8.6 二进制码250

8.6.1 编码器253

8.6.2 条形码编码器253

8.7 某些简单的数字电路254

8.7.1 事件计数器254

8.7.2 门控电路255

8.7.3 频率计255

8.7.4 波形整形256

8.7.5 一种集成电路振荡器或计时器256

8.7.6 多路转换和信号分离257

8.8 作为测试系统工具的数字计算机258

8.9 数据处理器、计算机、微型计算机：计算机的分级259

8.10 微处理器260

8.11 微型计算机261

8.11.1 只读存储器（ROM）262

8.11.2 随机存取存储器（RAM）262

8.11.3 外部接口适配器（PIA）262

8.11.4 异步接口适配器（ASCIA）264

8.12 模／数及数／模转换264

8.12.1 数／模转换器264

8.12.2 一种模／数转换器265

8.12.3 模／数转换中需要考虑的问题267

8.13 总线268

8.14 系统组装270

8.15 小结270

建议读物271

习题272

参考文献274

第9章 结果读出与数据处理275

9.1 引言275

9.2 电子计数器275

9.2.1 事件计数器277

9.2.2 时间间隔测量仪277

9.2.3 单位时间事件（EPUT）计277

9.2.4 计数误差277

9.3 模拟电表指示器279

9.3.1 伏特表灵敏度280

9.3.2 电流表281

9.3.3 交流电表281

9.3.4 万用表及电阻测量283

9.4 带电子放大的仪表284

9.5 数显式万用表284

9.6 阴极射线示波器（CRO）286

9.6.1 示波器放大器287

9.6.2 锯齿波振荡器或时基发生器288

9.6.3 同步或触发289

9.6.4 强度调制或Z调制290

9.6.5 外部水平输入290

9.7 其他的阴极射线示波器特性290

9.7.1 多示踪290

9.7.2 放大和延迟扫描291

9.7.3 存储示波器291

9.7.4 单端和差动输入292

9.8 阴极射线示波器记录技术292

9.9 波形记录器293

9.10 XY绘图仪294

9.11 数字波形记录仪295

9.12 频谱分析仪296

建议读物298

习题299

第2部分 机械量测量应用技术305

第10章 计数、单位时间事件及时间间隔的确定305

10.1 引言305

10.2 计数器的使用305

10.2.1 电子计数器305

10.2.2 单位时间事件计306

10.2.3 时间间隔计306

10.3 频闪观测仪307

10.4 频率标准309

10.4.1 电子振荡器309

10.4.2 固定频率振荡器310

10.4.3 可变频率振荡器（VFO）310

10.4.4 复杂波形振荡器310

10.5 通过比较方法直接应用频率标准310

10.5.1 通过置换和比较进行时间标定311

10.5.2 采用电子开关作时间标定312

10.5.3 用Z调制确定频率（主要用于瞬态输入）313

10.6 采用李萨如图确定频率和相位关系313

10.7 频率源的标定317

10.8 外差式频率测量法318

10.9 角运动测量318

建议读物319

习题320

参考文献321

第11章 位移及尺寸测量322

11.1 引言322

11.2 尺寸测量中的问题323

11.3 块规324

11.4 组装块规堆325

11.5 平板327

11.6 温度问题327

11.7 块规与专用附件结合使用328

11.8 使用比较器328

11.9 光学方法330

11.10 单色光330

11.11 光学平晶332

11.12 单色光和光学平晶的应用332

11.13 光学平晶和单色光源用于尺寸比较335

11.14 干涉仪336

11.15 测量显微镜337

11.15.1 固定刻度显微镜338

11.15.2 游丝显微镜338

11.15.3 移动式和移动台式显微镜339

11.15.4 活动镜筒式显微镜340

11.15.5 聚焦340

11.16 光学工具和长光程干涉测量340

11.17 全场位移测量342

11.18 位移传感器343

11.19 差动变压器343

11.20 表面粗糙度346

建议读物349

习题350

参考文献353

第12章 应变和应力的测量和分析354

12.1 引言354

12.2 应变测量356

12.3 电阻型应变片356

12.4 金属电阻应变片358

12.5 粘贴式金属应变片的选择和安装要素359

12.6 金属型应变片的电路361

12.7 应变片的镇流电路361

12.8 应变片电桥电路362

12.8.1 具有双臂和四臂敏感的电桥363

12.8.2 电桥常数364

12.8.3 导线金属丝误差364

12.9 简单的恒流应变片电路364

12.10 温度补偿365

12.10.1 邻臂补偿应变片365

12.10.2 温度自补偿366

12.11 标定366

12.12 商用应变测量系统368

12.12.1 基本指示器368

12.12.2 与阴极射线示波器一起使用的电桥和放大器369

12.12.3 多通道记录系统369

12.13 应变片切换370

12.14 应变片用在旋转轴上372

12.15 应力－应变关系373

12.15.1 简单的单轴应力情形373

12.15.2 双轴应力情形374

12.16 应变片定向和结果解释378

串联应变片382

12.17 特殊问题383

12.17.1 横向灵敏度383

12.17.2 塑性应变和后屈服应变片383

12.17.3 电阻型应变片的疲劳应用384

12.17.4 低温应用384

12.17.5 高温应用384

12.17.6 蠕变385

12.17.7 残余应力测定385

12.18 全场方法385

12.18.1 光测弹性385

12.18.2 莫尔技术（TheMoireTechnique）387

12.19 小结390

建议读物390

习题390

参考文献396

第13章 力和力矩的测量398

13.1 引言398

13.2 测量方法400

13.3 机械称重系统400

13.3.1 分析天平401

13.3.2 多杠杆系统401

13.3.3 摆式测力机构403

13.4 弹性传感器404

13.4.1 标定调节407

13.4.2 检验环407

13.5 应变片测力计409

13.6 压电测力计412

13.7 冲击称重412

13.8 液压和气压系统414

13.9 转矩测量416

13.9.1 机械测功计和液压测功计416

13.9.2 电测功计418

13.10 传动式测功计420

建议读物421

习题421

参考文献422

第14章 压力的测量424

14.1 引言424

14.2 静压力和动压力425

14.3 压力测量系统426

14.4 压力测量传感器427

14.5 重力型传感器427

14.6 弹性型传感器431

14.7 弹性膜片432

14.7.1 扁平型金属膜片433

14.7.2 波纹型膜片434

14.8 和膜片一起使用的二次传感器434

14.8.1 和扁平型膜片一起使用的电阻应变片434

14.8.2 电感型434

14.8.3 压电型压敏元件435

14.8.4 其他类型的二次传感器435

14.9 应变片压敏元件436

14.10 高压测量438

14.11 低压测量439

14.11.1 麦克劳德压力计（McLeodGage）439

14.11.2 热导率压力计440

14.11.3 电离压力计441

14.12 压力测量系统的动态特性442

14.12.1 充气系统442

14.12.2 充液系统443

14.13 标定方法444

14.13.1 静压法444

14.13.2 稳态方法445

14.13.3 瞬态方法446

14.14 小结448

建议读物448

习题448

参考文献452

第15章 流体流量的测量454

15.1 引言454

15.2 流体特性455

15.3 阻塞式流量计457

15.3.1 不可压缩流体的阻塞式流量计458

15.3.2 文丘里管特性459

15.3.3 流量喷嘴特性459

15.3.4 孔板特性460

15.3.5 文丘里管、流量喷嘴和节流孔板之间的相对优点462

15.4 用于可压缩流体的阻塞式流量计464

15.5 阻塞式流量计性能的可预测性467

15.6 可变面积流量计467

15.7 其他流量计468

15.7.1 涡轮流量计468

15.7.2 磁流量计469

15.7.3 脉冲产生方法470

15.8 流体速度的测量471

15.9 压力探测器471

15.9.1 不可压缩流体472

15.9.2 可压缩流体472

15.9.3 总压力探测器473

15.9.4 静压探测器475

15.9.5 方向敏感探测器475

15.10 热风速计476

15.11 散射测量479

15.11.1 激光多普勒风速计480

15.11.2 超声风速计482

15.12 流量测量装置的标定483

15.13 流量显形技术484

建议读物485

习题486

参考文献488

第16章 温度测量490

16.1 引言490

16.2 双复合材料的应用493

16.2.1 玻璃管液体温度计493

16.2.2 标定和管径校准493

16.2.3 双金属温度传感元件494

16.3 压力温度计494

16.4 热阻元件496

16.4.1 电阻温度计（RTD）496

16.4.2 电阻温度测量仪器498

16.4.3 热敏电阻器500

16.5 热电偶503

16.5.1 热电偶的应用定律503

16.5.2 热电偶材料和热电偶安装504

16.5.3 热电动势测量505

16.5.4 附加导线510

16.5.5 有效结512

16.5.6 热电堆和并联的热电偶513

16.6 半导体结温度传感器514

16.7 线性石英温度计515

16.8 高温测量515

16.8.1 高温测量理论516

16.8.2 全辐射高温测量法519

16.8.3 光学高温测量术521

16.8.4 红外高温测量法和红外热图学522

16.9 其他温度指示方法523

16.10 特殊问题523

16.10.1 传导和辐射引起的误差523

16.10.2 快速气流的温度测量526

16.10.3 测温元件响应528

16.10.4 电气补偿532

16.11 热通量的测量533

16.12 温度测量装置的标定535

建议读物536

习题537

参考文献541

第17章 运动测量544

17.1 引言544

17.2 振动计和加速度计544

17.3 基本振动计和振动检测器545

17.4 基本加速度计546

17.5 地震式仪器546

17.6 地震式仪器的一般理论547

17.6.1 振动传感器549

17.6.2 地震式振动计的相移550

17.6.3 振动计使用的一般规则552

17.7 地震式加速度计552

17.7.1 加速度计的相位滞后552

17.7.2 加速度计使用的一般规则553

17.8 实用加速度计554

17.9 标定555

17.10 振动计的校准556

17.11 加速度计的校准557

17.11.1 静态校准558

17.11.2 稳态周期式校准558

17.11.3 脉冲式校准558

17.12 地震式仪器的固有频率和阻尼比的测定560

17.13 地震式仪器对瞬态变量的响应561

17.14 用激光速度传感器测量速度562

17.15 振动和震动试验562

17.16 振动激振器系统563

17.16.1 电磁系统563

17.16.2 机械式激振器565

17.16.3 液压系统和气动系统565

17.16.4 各种系统的相对优点和局限性565

17.17 振动试验方法566

17.17.1 强力法567

17.17.2 谐振法567

17.18 震动试验568

17.19 震动设备569

17.19.1 气枪震动产生装置569

17.19.2 弹簧加载试验设备569

17.19.3 液压－气动设备570

17.19.4 重力型设备570

17.19.5 各种震动设备的相对优点和局限性571

17.20 实用震动试验571

17.21 基本震动试验理论574

建议读物577

习题577

参考文献579

第18章 声学测量581

18.1 引言581

18.2 声音（噪声）的特征描述582

18.3 基本声学参数583

18.3.1 声压583

18.3.2 声压级584

18.3.3 功率、强度和功率级585

18.3.4 声压级的合成586

18.3.5 随距离衰减587

18.4 心理声学关系588

18.5 声音测量仪器与技术590

18.5.1 麦克风590

18.5.2 声级计592

18.5.3 频谱分析594

18.5.4 离散傅里叶变换596

18.6 实用谱分析596

18.7 工业和环境噪声的测量与分析598

18.7.1 等效声级Leq598

18.7.2 声曝级（SEL）599

18.7.3 声强测量599

18.8 声音测量的一些实际细节注释601

18.9 标定方法602

18.10 小结603

建议读物603

习题604

参考文献606

附录607

附录A 标准和转换方程607

附录B 傅里叶分析的理论基础609

附录C 记数制613

附录D 常用数据618

附录E 应力应变关系621

附录F 伪随机正态分布数633

附录G 最小二乘拟合的统计试验636

部分习题答案639