机电工程测试与信号分析第一章绪论.ppt

1、测量技术与信号处理机电工程测试与信号分析,曲云霞 主讲 机械学院机械系 1教-209,课程学习要求,按时上课，认真听讲（关闭手机）； 独立完成作业； 认真参与实验、撰写报告； 积累平时成绩20%（考勤、作业、实验及报告）。,第一章 绪论,第一节 概述 第二节 测量方法和测量误差 第三节 系统的相似性和机电模拟 第四节 测量系统和控制系统 第五节 动态测试的特点和研究方法,测量、计量、试验、测试,测量：以确定被测对象值为目的的全部操作； 计量：实现单位统一和量值准确可靠的测量； 试验：对被测对象或系统进行实验性研究的过程，通常将被研究对象或系统置于某种特定的或人为构建的环境条件下，通过实验数据来

2、探讨被研究对象性能的过程； 测试：是人们认识客观事物的方法，是具有试验性质的测量，是测量和试验的综合，是依靠一定的科学技术手段来定量地获得某种研究对象原始信息的过程。,第一节 概述,机电工程中的信息问题测试与信息 测试是人们认识客观事物的方法。测试过程是从客观事物中提取有关信息的认识过程。测试科学属于信息科学范畴，所以又被称为信息探测工程学。 机电工程测试技术有着自身的内容和特点。,测试技术的内容与作用,测试是具有试验性质的测量，它包含测量和试验两方面的内容。在测试过程中，借助专门的仪器设备、通过试验和运算，求得与所研究对象有关的信息。 测试是人们认识事物所不可缺少的手段，近代科学技术的发展更

3、是如此。科学上很多新的发现和突破都是以测试为基础的。科学技术的发展又促进测量设备和试验技术的发展。,1,测试技术的内容与作用,本书以机械量电测技术为例，力求从机电结合的角度阐述测试技术的基本理论、测试原理和常见机械量的测试方法。 学生通过学习，可以掌握进行动态测试所需的基本理论、基本知识和基本技能，为进一步学习、研究和解决机电工程中的技术问题打下基础。,1,测试技术的发展,从单一学科向多学科相互借鉴和渗透发展，形成综合各学科成果的各种测量系统。 动态测试的发展越来越快。 智能传感器和计算机技术的发展和应用，使得测试系统向自动化、智能化的方向发展。 测试系统的在线实时能力进一步提高。 测试与控制

4、密切结合，实现“以信息流控制能量流和物质流”。,2,在信息、物质、能量这三者之中，驾驭全局的是信息物质使系统具有形体，能量使系统具有力量，而信息则使系统具有了“灵魂”。,测试技术的发展,虚拟测试,测试技术的发展趋势,1、传感器方面,a)利用新发现的材料和新发现的生物、物理、化学效应开发出的新型传感器,光纤流速传感器,荧光材料制作的电子鼻传感器,生物酶血样分析传感器,测试技术的发展趋势,2、测量信号处理方面,计算机虚拟仪器技术,用PC机仪器板卡 代替传统仪器 用计算机软件 代替硬件分析电路,测试工作的任务（1）,测试工作是为了获取有关研究对象的状态、运动和特征等方面的信息。 对于机械系统，信息是

5、其客观存在或运动状态的特征。 被研究对象的信息是非常丰富的。测试工作总是要用最简捷的方法、最节省的代价，获得和研究任务相联系的、最有用的、表征特性的有关信息，而不是企图获得该事物的全部信息。,3,测试工作的任务（2）,如何得到有用的信息？ 信号是信息的载体，信息是信号的具体内容，信息总是通过某些物理量的形式表现出来的，这些物理量就是信号。 信号分为有用信号和干扰信号，二者是相对的。（如齿轮噪声）因此，测试工作者的一个重要任务就是要从复杂的信号中提取有用的信息。,测试工作的含义和范围（1）,虽然人类很早就在进行测试工作，但迄今为止也很难给测试规定一个明确的定义和工作范围。测试工作是一个非常复杂的

6、工作，需要多种学科知识的综合运用。 从广义角度讲，测试工作涉及试验设计、模型理论、传感器、信号的加工与处理（传输、加工和分析、处理）、误差理论、控制工程、系统辨识和参数估计等内容。,4,测试工作的含义和范围（2）,从狭义角度讲，测试工作则是指在选定激励方式下，信号的检测、变换、处理乃至显示、记录或以电量输出数据的工作。与之相对应的测试系统各个环节如下图所示。 本书限于从狭义的范围来论述测试技术中的一些基础知识。,测试系统框图,一般说来，测试系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三部分组成。,传感器将被测物理量(如噪声,温度) 检出并转换为电量，中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处

7、理或经A/D变换后用软件进行信号分析，显示记录装置则测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。,信息转换,信息提取,第二节 测量方法和测量误差,一、测量方法 测量方法的正确与否十分重要，它关系到测量结果是否可靠以及测量工作能否正常进行。所以，必须根据不同的测量任务和要求，确定合适的测量方法，并据此选择合适的测试装置，组成测试系统，进行实际测试。如果测量方法不合理，即使有性能优良的仪器设备，也不能得到满意的测量结果。,测量方法的分类,1.静态测量和动态测量 2.直接测量、间接测量和组合测量 3.接触式测量和非接触式测量,1静态测量和动态测量,静态测量即测量那些不随时间变化或变化很缓慢的物

8、理量； 动态测量即测量那些随时间迅速变化的物理量。,2.直接测量、间接测量和组合测量,直接测量是用预先标定好的测量仪表，对某一未知量直接进行测量，从而得到测量结果。 间接测量是对几个与被测物理量有确切函数关系的物理量进行直接测量，然后把所测得的数据代入关系式中进行计算，从而求出被测物理量。,2.直接测量、间接测量和组合测量,在测量中，使各个未知量以不同的组合形式出现，根据直接测量和间接测量所得到的数据，通过解联立方程组求出未知量的数值。这类测量称为组合测量。,3.接触式测量和非接触式测量,根据传感器与被测物体是否接触分为接触式测量和非接触式测量。,误差的定义,被测物理量所具有的客观存在的量值，

9、称为真值xo。由测试装置测得的结果称为测量值x。测量值与真值之差称为误差。,二、测量误差,绝对误差与相对误差,绝对误差：测得值与真值之差。,相对误差：绝对误差与被测量的真值之比。,引用误差,是一种方便实用和简化的相对误差。它是以测量仪表某一刻度点的误差为分子，满刻度值为分母所得的比值。 常被用来确定仪表的精度等级，是仪表最主要的质量指标。 在规定条件下，当被测量平稳增加或减少时，在仪表全量程内所测得各示值的绝对误差（取绝对值）的最大者与满量程值的比值之百分数，称为仪表的最大引用误差 。,误差按特征的分类,系统误差：在同一条件下，多次测量同一值时，绝对值和符号保持不变；或在条件改变时，按一定规律

10、变化的误差。（有规律，可修正或消除） 随机误差：在相同条件下，多次测量同一值时，绝对值和符号以不可预定的方式变化的误差。 （抵偿性） 粗大误差（必须剔除）,第三节 系统的相似性和机电模拟,为了测量位移、速度、加速度、力、转速等机械量，常常采用能把机械量变换为电量的机电变换装置；这不仅需要研究机和电两个方面的有关问题，而且还要从机电耦合的角度去研究。即不仅要研究机电变换装置机械系统的输入特性和电系统的输出特性，而且还要研究机和电之间的变换特性。,第三节 系统的相似性和机电模拟,相似系统,第四节 测量系统和控制系统,机电系统的双向性不仅把机械和电气联系起来，而且把测试与控制联系起来。,第四节 测量

11、系统和控制系统,第四节 测量系统和控制系统,第四节 测量系统和控制系统,一、系统、输入和输出 工程上经常处理以下三个问题： 已知系统特性和输出量，求输入量；(测试) 已知系统特性和输入量，求输出量；（控制） 已知输入量和输出量，求系统特性。（系统辨识）,第四节 测量系统和控制系统,二、开环测量系统和闭环测量系统 常用的测量仪器一般是由传感器、测量电路、输出电路和记录显示装置组成的开环测量系统。 随着科学技术的发展，控制工程的理论和方法在测试技术中得到越来越广泛的应用。,三、反馈测量系统和反馈控制系统,输出量精确地受输入量的控制,希望输入量能准确地用输出量显示或记录下来,被测压力或压差作用于弹性

12、敏感元件上，弹性敏感元件感受压力 作用并将其转换为位移或力，并作用于力平衡系统，力平衡系统 受力后将偏离原有的平衡状态；由偏差检测器输出偏差值至放大 器；放大器将信号放大并输出电流(或电压)信号，电流信号控制 反馈力或力矩发生机构，使之产生反馈力；当反馈力与作用力平 衡时，仪表处于新的平衡状态；显示机构可输出与被测压力或压 差相对应的信号。,第五节 动态测试的特点和研究方法,观念上的变化 在静态测试中，测量系统的输入与输出是数值上的对应关系；而动态测试输入与输出是信号上的对应关系。 信号的描述和处理在动态测试中占有重要地位。,第五节 动态测试的特点和研究方法,研究方法不同 静态测试重视数值上的

13、误差分析；动态测试则以不失真复现分析为基础，重点研究测试系统的动态响应、信号的不失真传递、噪声的耦合和消除等。,第五节 动态测试的特点和研究方法,技术手段不同 动态测试需要解决的是信号的获取、信号的分析与处理以及信号的记录所依存的系统和环节，包括硬件、软件以及由它们组合的系统。,本课程的研究对象和性质,本课程的研究对象是机械工程动态测试中常用的传感器、信号调理及记录仪器等工作原理，测试装置及其特性的评价方法、测试信号的分析与处理及常见物理量的测试方法。 本课程是一门专业技术基础课，是数学、物理学、电工学、电子学、力学、控制工程、计算机技术等课程的综合应用，涉及传感器技术、微电子技术、控制技术、

14、计算机技术、信号处理技术等多学科技术。,本课程应掌握以下内容,1. 掌握信号时域和频域的描述方法，建立明确的 信号的频谱结构概念。 2. 掌握测试系统基本特性的评价方法和不失真测试条件，并能正确运用于测试装置的分析和选择。 3. 了解常用传感器、常用信号调理电路和记录仪器的工作原理及性能，并能合理地选用。 4. 对动态测试工作的基本问题有一个比较完整的概念，并能初步运用于机械工程中某些参数的测试。,测试技术的工程应用,在工程领域，科学实验、产品开发、生产监督、质量控制等，都离不开测试技术。测试技术应用涉及到航天、机械、电力、石化和海洋运输等每一个工程领域。,1、工业自动化中的应用,a)机械手、

15、机器人中的传感器 转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。,测试技术的工程应用,在各种自动控制系统中，测试环节起着系统感官的作用，是其重要组成部分。,密歇根大学的机械手装配模型,广州中鸣数码的机器狗,a)机械手、机器人中的传感器 转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。,第一节 概述,a)机械手、机器人中的传感器 转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。,第一节 概述,b) AGV自动送货车,

16、超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器运动轨迹和AGV小车位置识别；条形码传感器，货品识别。,测试技术的工程应用,香港理工AGV模型,c) 生产加工过程监测,测试技术的工程应用,切削力传感器，加工噪声传感器，超声波测距传感器、红外接近开关传感器等。,密歇根大学数字化工厂,测试技术的工程应用,2、流程工业设备运行状态监控,在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在线监测系统。,测试技术的工程应用,3、产品质量测量,在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。,图示为汽车出厂检验

17、原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。,汽车扭距测量,机床加工精度测量,测试技术的工程应用,4、楼宇控制与安全防护,为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。,图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监控。,测试技术的工程应用,5、家庭与办公自动化,在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。,全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率