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Leq 598
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