传感与测试技术自动测控技术

1、仓储模型 教材教材： 熊诗波 黄长艺主编 机械工程测试技 术基础机械工业出版社 参考书目参考书目： 黄民平等主编测试技术高等教育出版社； 吴正毅主编测试技术与测试信号处理清 华大学出版社 教师联系方式：教师联系方式： Email: Email:; ; Tel:89726300Tel:89726300 1 1、测试、测试的含义的含义 2 2、测试、测试技术在现代工业生产中的作用技术在现代工业生产中的作用 3 3、测试、测试工作的范围及测试系统的组成工作的范围及测试系统的组成 4 4、测试、测试工作的内容、作用和任务工作的内容、作用和任务 5 5、测试、测试技术的发展技术的发展 6 6、主要、主要

2、传感器和测试仪器的生产传感器和测试仪器的生产厂商厂商 7 7、测量的基础知识、测量的基础知识 主要内容主要内容 绪论绪论 测试：测量和试验，具有试验性质的测量。测试：测量和试验，具有试验性质的测量。 工程测试技术工程测试技术是信息技术的重要组成部分，它所研究是信息技术的重要组成部分，它所研究 的内容是的内容是信息信息的的提取与处理提取与处理的理论、方法和技术。的理论、方法和技术。 具体讲：就是利用现代测试手段对工程中的各种物理具体讲：就是利用现代测试手段对工程中的各种物理 信号，特别是随时间变化的动态物理信号进行检测、信号，特别是随时间变化的动态物理信号进行检测、 试验、分析，并从中提取有用信

3、息的一门新兴技术。试验、分析，并从中提取有用信息的一门新兴技术。 包括：包括：定量、定性定量、定性 测试技术是实验科学的一部分，主要研究各种测试技术是实验科学的一部分，主要研究各种物物 理量的测量原理理量的测量原理和和测量信号分析处理测量信号分析处理方法。方法。 测试技术是进行各种科学实验研究和生产过程参测试技术是进行各种科学实验研究和生产过程参 数测量必不可少的手段，起着人的感官的作用。数测量必不可少的手段，起着人的感官的作用。 1 1）新产品的设计、产品质量测量）新产品的设计、产品质量测量 设计过程：理论设计理论校核样品设计过程：理论设计理论校核样品 制造性能试验产品。制造性能试验产品。

4、（动态设计动态设计） 2 2）老产品的技术改造）老产品的技术改造 例如：武器系统的减重设计例如：武器系统的减重设计 8:11 AM8 在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，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。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原理框图，测图示为汽车出厂检验原理框图，测 量参数包括润滑油温度、冷却水温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，工程师可以过对抽样汽车的测试，工程师可以 了解产品质量。了解产品质量。 汽车扭距测量汽车

5、扭距测量 机床加工精度测量机床加工精度测量 3 3）设备故障诊断）设备故障诊断 根据机械设备外部信息参数的变化来判别及其根据机械设备外部信息参数的变化来判别及其 内部的工作状况或机械结构的损伤状态，确定故内部的工作状况或机械结构的损伤状态，确定故 障的性质、程度、类别和部位，并研究故障产生障的性质、程度、类别和部位，并研究故障产生 的机理。的机理。（定期维修制度（定期维修制度预知维修制度）预知维修制度） 4 4）工业自动化：机器人（机器人足球赛）、智）工业自动化：机器人（机器人足球赛）、智 能车辆、机械手、仓储（立体车库）等。能车辆、机械手、仓储（立体车库）等。 6 6）生产加工过程监测）生产

6、加工过程监测 切削力传感器，切削力传感器， 加工噪声传感加工噪声传感 器，超声波测器，超声波测 距传感器、红距传感器、红 外接近开关传外接近开关传 感器等。感器等。 7 7）流程工业设备运行状态监控）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。通常产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常 建立建立2424小时在线监测系统。小时在线监测系统。 石化企业输 油管道、储 油罐等压力 容器的破损 和泄露检测。 8 8）楼宇控制与安全防护）楼宇控制与安全防护 9 9）家庭与办公自动化）家庭与办公自

7、动化 1010）计算机中的测试技术）计算机中的测试技术 11）其他应用 汽车类型繁汽车类型繁 多，结构比较复多，结构比较复 杂，大体可分为杂，大体可分为 发动机、底盘和发动机、底盘和 电气设备三大部电气设备三大部 分，可分成燃料分，可分成燃料 系、点火系、传系、点火系、传 动系、轿厢系等动系、轿厢系等 几个系统，每一几个系统，每一 部分均安装有许部分均安装有许 多检测和控制用多检测和控制用 的传感器。的传感器。 福特林肯福特林肯NavigatorNavigator底盘底盘 发动机发动机 传动轴传动轴 排气管排气管 前刹车盘前刹车盘 后轮悬挂后轮悬挂 减速箱减速箱 发动机是汽车的动发动机是汽车的

8、动 力装置，其作用是使吸力装置，其作用是使吸 入的燃料燃烧而产生动入的燃料燃烧而产生动 力，通过传动系统，使力，通过传动系统，使 汽车行驶。汽油发动机汽车行驶。汽油发动机 主要由汽缸、燃料系、主要由汽缸、燃料系、 点火系、起动系、冷却点火系、起动系、冷却 系及润滑系等组成。汽系及润滑系等组成。汽 车的工作过程均是在电车的工作过程均是在电 控单元控单元ECUECU控制下进行的。控制下进行的。 与发动机配套使用的各种传感器与发动机配套使用的各种传感器 进气压力进气压力 传感器传感器 曲轴位置传感器曲轴位置传感器 进气压力、进气压力、 温度传感器温度传感器 ECUECU结构结构 传感器将传感器将 速

9、度、距速度、距 离等与碰离等与碰 撞有关的撞有关的 参数传送参数传送 给给ECUECU。 测试技术中涉及的术语测试技术中涉及的术语 信息信息：消息、情报、知识。指客观世界物质运动：消息、情报、知识。指客观世界物质运动 的内容。的内容。 如：天气较冷、某处地震、刀具发生了磨损。如：天气较冷、某处地震、刀具发生了磨损。 信号信号：是信息的载体，是信息的表现形式。：是信息的载体，是信息的表现形式。 如：刀具磨损，切削力会加大；李四病了，可如：刀具磨损，切削力会加大；李四病了，可 能会发烧；等等。能会发烧；等等。 信息是信号的内涵，信息包含于信号之中。信息是信号的内涵，信息包含于信号之中。 测试技术中

10、涉及的术语测试技术中涉及的术语 l信息的提取（信号获取、信号采集、测试）信息的提取（信号获取、信号采集、测试） 信息的提取是指从自然界中、社会中、生产过程中或科信息的提取是指从自然界中、社会中、生产过程中或科 学实验中获取人们需要的信息。学实验中获取人们需要的信息。 l信息的处理（信号处理、特征提取）信息的处理（信号处理、特征提取） 信息处理是指人们把已经获得到的信息进行加工、运算信息处理是指人们把已经获得到的信息进行加工、运算 、分析或综合，以便进行预报、报警、检测、计量、保护、分析或综合，以便进行预报、报警、检测、计量、保护、 控制、调度和管理等等，以期达到预防自然灾害、预报事故控制、调度

11、和管理等等，以期达到预防自然灾害、预报事故 、提高劳动生产率、正确计量、改善产品质量、顺利进行科、提高劳动生产率、正确计量、改善产品质量、顺利进行科 学实验、进行文明生产和科学管理等目的。学实验、进行文明生产和科学管理等目的。 测试技术中涉及的术语测试技术中涉及的术语 据信号变化的物理性质，分电信号与非电信号。 本课程涉及的信号通常指随时间变化的电信号。 测试过程：就是检测信号，并从中获取信息的 过程，即：通过测试得到电信号，再经过对电 信号的分析与处理，最后从这些信号中获取所 需要的信息。 其它概念：“有用”信号、“干扰”信号（噪 声） 测试技术中涉及的术语测试技术中涉及的术语 系统系统：指

12、相互依赖、相互作用的若干事物组成：指相互依赖、相互作用的若干事物组成 的具有特定功能的整体。系统分析、系统综合。的具有特定功能的整体。系统分析、系统综合。 测试测试：借助：借助专门的设备专门的设备通过合适的实验方法和通过合适的实验方法和 必要的数据分析处理，从而获得研究对象有关信必要的数据分析处理，从而获得研究对象有关信 息的过程。即信号的采集和处理的过程。息的过程。即信号的采集和处理的过程。 测试系统测试系统（测试装置）：（测试装置）：专门的设备。专门的设备。 一般由传感器、中间变换调理装置与显示记录仪一般由传感器、中间变换调理装置与显示记录仪 器三部分组成。器三部分组成。 静态、动态静态、

13、动态 广义广义：涉及到试验设计、模型理论（建模）、：涉及到试验设计、模型理论（建模）、 传感器选择、信号的加工处理、控制工程、系传感器选择、信号的加工处理、控制工程、系 统辨识、误差分析与参数估计等学科的内容。统辨识、误差分析与参数估计等学科的内容。 狭义狭义：是指在选定的激励方式下，对信号的采：是指在选定的激励方式下，对信号的采 集、变换、传输、处理直至显示、记录或以电集、变换、传输、处理直至显示、记录或以电 量输出测试结果的过程。量输出测试结果的过程。 测试工作的范围测试工作的范围 简单的测试系统组成简单的测试系统组成 传感器传感器 反馈反馈 控制、控制、 监测、监测、 诊断诊断 产产 品

14、品 设设 计计 分分 析析 结结 果果 存存 储储 转换转换 元件元件 敏感敏感 元件元件 调理电路调理电路显显 示示 数字化接口数字化接口 传感器：传感器：感受被测量（非电量）变化并将其转感受被测量（非电量）变化并将其转 变为电量。传感器是拾取信号的装置，在非变为电量。传感器是拾取信号的装置，在非 电量电测系统中占有重要位置，它获得信号电量电测系统中占有重要位置，它获得信号 的正确与否直接影响到测量系统最终输出结的正确与否直接影响到测量系统最终输出结 果的精度以及测量结果的正确与否。果的精度以及测量结果的正确与否。传感器传感器 随物理量及变换原理的不同而不同。随物理量及变换原理的不同而不同。

15、 中间变换装置：中间变换装置：把传感器或系统中前一环节的把传感器或系统中前一环节的 输出变成后接仪器所需的电压或电流信号，输出变成后接仪器所需的电压或电流信号， 其组成及功能取决于传感器及后继电路仪器。其组成及功能取决于传感器及后继电路仪器。 记录显示仪器：记录显示仪器：对信号进行记录、显示等。对信号进行记录、显示等。 测试系统说明测试系统说明 实际测试系统实际测试系统根据测试的目的，可简可繁，通根据测试的目的，可简可繁，通 常与控制相结合，形成自动监控系统。常与控制相结合，形成自动监控系统。 测试系统必须遵循的原则：测试系统必须遵循的原则： 各环节的输出量与输入量之间应保持一一各环节的输出量

16、与输入量之间应保持一一 对应和尽量不失真的关系，并尽可能地减小或对应和尽量不失真的关系，并尽可能地减小或 消除各种干扰。消除各种干扰。 测试技术是测量（测试技术是测量（Measurement)Measurement)和试验技术和试验技术(Test (Test Technique)Technique)的统称。的统称。 是指确定被测对象属性量值为目的的全部操作；是指确定被测对象属性量值为目的的全部操作； 是具有试验性质的测量，或者可以理解为测量是具有试验性质的测量，或者可以理解为测量 和试验的综合。和试验的综合。 不同的用途和要求，测量系统的组成环节及其构成不同的用途和要求，测量系统的组成环节及其

17、构成 方式也不同。方式也不同。 测试技术随着现代物理学、信息科学、计算机科学、测试技术随着现代物理学、信息科学、计算机科学、 电子与微机械电子科学与技术的发展不断发展。电子与微机械电子科学与技术的发展不断发展。 （1 1）被测量的测量原理）被测量的测量原理不同性质的被测不同性质的被测 量用不同的原理测量，同一性质的被测量亦可用量用不同的原理测量，同一性质的被测量亦可用 不同原理来测量。不同原理来测量。 （2 2）测量方法）测量方法根据测量任务的具体要求根据测量任务的具体要求 和现场情况，确定测量方法。和现场情况，确定测量方法。 （3 3）测量系统）测量系统确定测量原理和方法之后，确定测量原理和

18、方法之后， 设计和选用装置组成测量系统。设计和选用装置组成测量系统。 （4 4）数据处理）数据处理得到的测量数据需要进行得到的测量数据需要进行 必要的处理，才能得到所需要的正确结果。必要的处理，才能得到所需要的正确结果。 1、产品检验和质量控制的重要手段、产品检验和质量控制的重要手段 被动检测被动检测主动检测（在线检测）主动检测（在线检测）质量控制领域质量控制领域 2 2、在大型设备安全经济运行监测中得到广泛应用在大型设备安全经济运行监测中得到广泛应用 故障监测系统故障监测系统动态监测动态监测 保证设备和人员安保证设备和人员安 全提高经济效益全提高经济效益 3 3、自动化系统中不可缺少的组成部

19、分自动化系统中不可缺少的组成部分 生产过程：生产过程：“物流 物流”“信息流信息流” 控制控制 管理管理 数量数量 状态状态 趋向趋向 检测检测获取信息获取信息分析判断分析判断自动控制自动控制 自动化：自动化： 信息获取、信息转换、信息处理、信息传送、信息执行信息获取、信息转换、信息处理、信息传送、信息执行 4 4、检测技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步检测技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步 检测手段水平决定科学研究的深度和广度检测手段水平决定科学研究的深度和广度 理论研究成果离不开必要的检测手段理论研究成果离不开必要的检测手段 被测量被测量 基准量基准量 国际单位制（国际单位制（

20、SISI） 长度长度 质量质量 时间时间 电流电流 热力学温度热力学温度 物质的量物质的量 光量光量 实物单位实物单位-千克标准原器千克标准原器 米米 -光在真空中光在真空中1s1s时间内传播距离的时间内传播距离的1/2997924851/299792485 单位单位 测量：测量： SI SI 基本单位：基本单位： 倍数（结果）倍数（结果） 七个物理量单位七个物理量单位 - - 相互独立相互独立 （m m）（kgkg）（s s） （A A）（K K）（molmol） （cdcd） 比较比较 能量（能量（J J）= =力力 距离距离 大得多大得多/ /小得多小得多-词头：词头：mmmm、 m m

21、、nmnm（1010-9 -9m m）； ）； kHzkHz、MHzMHz（10106 6HzHz）、）、GHzGHz（10109 9HzHz） SI SI 组合单位：组合单位： 由基本单位导出由基本单位导出 = =质量质量 加速度加速度 距离距离 J = kgJ = kg（m/sm/s2 2）m = mm = m2 2kg/skg/s2 2 能量能量 - - 焦（耳）：长度、质量、时间焦（耳）：长度、质量、时间 （科学家）（科学家） 选择：依被测量的性质、特点和测量任务要求而定。选择：依被测量的性质、特点和测量任务要求而定。 分类：分类： （1 1）按测量手续：直接测量、间接测量）按测量手续

22、：直接测量、间接测量 （2 2）按测量值的获得方式：偏移法测量、零位法测量、）按测量值的获得方式：偏移法测量、零位法测量、 差分式测量差分式测量 （3 3）按传感器与被测对象是否直接接触：接触式测量、）按传感器与被测对象是否直接接触：接触式测量、 非接触式测量非接触式测量 （4 4）根据对象变化的特点：静态测量、动态测量）根据对象变化的特点：静态测量、动态测量 测量误差定义：测量结果与被测量真值之差。测量误差定义：测量结果与被测量真值之差。 误差分类：系统误差、随机误差和粗大误差。误差分类：系统误差、随机误差和粗大误差。 误差表示方法：绝对误差、相对误差、引用误差表示方法：绝对误差、相对误差、

23、引用 误差（最大引用误差）和分贝误差。误差（最大引用误差）和分贝误差。 测量精度和不确定度：测量精度和不确定度： 具体为：测量精密度、测量正确度、测量具体为：测量精密度、测量正确度、测量 准确度和测量不确定度。准确度和测量不确定度。 检测技术检测技术 重要手段重要手段 相关学科：物理、化学、数学、生物学、材料科学等等相关学科：物理、化学、数学、生物学、材料科学等等 新的检测理论、方法和技术手段新的检测理论、方法和技术手段 1 1、传感器水平的提高、传感器水平的提高 光纤传感器、液晶传感器、压敏传感器（以高分子有机光纤传感器、液晶传感器、压敏传感器（以高分子有机 材料为敏感元件）材料为敏感元件）

24、 1 1）新原理、新材料、新工艺）新原理、新材料、新工艺 新新功能传感器功能传感器 科学研究科学研究 形成形成推动实验研究和发展推动实验研究和发展 化学传感器、化学传感器、 微生物传感器、微生物传感器、 仿生传感器（代替视觉、仿生传感器（代替视觉、 嗅觉、味觉和听觉）以及检测超高温、超高压、超低温和嗅觉、味觉和听觉）以及检测超高温、超高压、超低温和 超高真空等极端参数的新型传感器超高真空等极端参数的新型传感器 2 2）新领域、新需求）新领域、新需求 新型传感器新型传感器 3 3）传感器向着微型化、一体化和集成化方向发展）传感器向着微型化、一体化和集成化方向发展 2 2、检测系统由模拟式、数字式

25、向智能化方向发展、检测系统由模拟式、数字式向智能化方向发展 以计算机为中心的检测系统以计算机为中心的检测系统 复杂对象或系统的多复杂对象或系统的多 路、多参数检测；数据存贮、传输、处理或复杂分析加路、多参数检测；数据存贮、传输、处理或复杂分析加 工；故障诊断工；故障诊断 智能电子警察监测系统智能电子警察监测系统 号 啤酒生产过程自动化控制啤酒生产过程自动化控制 1 1、测试、测试的含义的含义 2 2、测试、测试技术在现代工业生产中的作用技术在现代工业生产中的作用 3 3、测试、测试工作的范围及测试系统的组成工作的范围及测试系统的组成 4 4、测试、测试工作的内容、作用和任务工作的内容、作用和任

26、务 5 5、测试、测试技术的发展技术的发展 6 6、主要、主要传感器和测试仪器的生产传感器和测试仪器的生产厂商厂商 7 7、测量的基础知识、测量的基础知识 主要内容主要内容 绪论绪论 传感器：传感器：感受被测量（非电量）变化并将其转感受被测量（非电量）变化并将其转 变为电量。传感器是拾取信号的装置，在非变为电量。传感器是拾取信号的装置，在非 电量电测系统中占有重要位置，它获得信号电量电测系统中占有重要位置，它获得信号 的正确与否直接影响到测量系统最终输出结的正确与否直接影响到测量系统最终输出结 果的精度以及测量结果的正确与否。果的精度以及测量结果的正确与否。传感器传感器 随物理量及变换原理的不同而不同。随物理量及变换原理的不同而不同。 中间变换装置：中间变换装置：把传感器或系统中前一环节的把传感器或系统中前一环节的 输出变成后接