测试系统的构成

1、机械工程测试技术机械工程测试技术 机械工程测试技术机械工程测试技术 (传感器与测试技术基础传感器与测试技术基础) 主讲：文成主讲：文成 重庆科技学院机械与动力工程学院重庆科技学院机械与动力工程学院 Test Technology of Mechanical Engineering (Base of Sensors &Test Technology ) (Tel 机械工程测试技术机械工程测试技术 参考书目：参考书目： 1.1.周传德周传德. . 传感器与测试技术传感器与测试技术. .重庆大学出版社重庆大学出版社, ,2009.6 2.熊诗波.机械工程测试技术基础.机械工

2、业出版社， 2007.1 3.黄长艺.机械工程测试技术基础.机械工业出版社， 1995.10 4.秦树人.机械测试系统原理与应用.科学出版社，2005.9 5.秦树人.机械工程测试原理与技术.重庆大学出版社， 2002.8 6.卢文祥. 机械工程测试信息信号分析.华中科技大学出 版社 机械工程测试技术机械工程测试技术 实验指导书：实验指导书： 机械工程测试技术机械工程测试技术 机械工程测试技术机械工程测试技术教学大纲教学大纲 一、课程概况 机械工程测试技术课程是机械设计制造及其自动 化专业的一门专业平台课。本课程的任务是：通过本课程 教学，使学生掌握测试的相关理论知识、传感器的正确选 用及其在

3、机械工程中的典型应用，培养学生利用测试技术 基础知识来分析和解决工程实际问题的初步能力，为学生 学习后续故障诊断技术、数控技术、机械振动 基础等课程，并为将来工作打下基础。 本课程的先修课程主要有机械原理、高等数 学、电工与电子技术基础等。 本课程的后续课程主要有故障诊断技术、机械 振动基础、数控技术等。 机械工程测试技术机械工程测试技术 二、教学基本要求 （一）掌握机械测试理论及信号分析方法。 （二）熟悉常用传感器的基本特性、使用特点，能正确选 用传感器。 （三）了解常用机械量的测试方法。 机械工程测试技术机械工程测试技术 学习要求：学习要求： 1作业作业：（：（2 次），占次），占 10

4、%； 2实验实验：（：（4 次，实验操作次，实验操作+实验报告），占实验报告），占 20 %； 3考试考试：（闭卷），占：（闭卷），占 70 %。 机械工程测试技术机械工程测试技术 课程主要内容理论部分课程主要内容理论部分 本课程主要介绍机械工程领域中常见的物理量(压力、 应变、位移、振动、温度等）的（传感器）测量原理、测 量电路原理和信号分析方法。 机械工程测试技术机械工程测试技术 实验实验1 1：传感器综合实验：传感器综合实验 实验实验2 2：电桥和差特性：电桥和差特性 实验实验3 3：单自由度系统自由衰减振动及其固有频：单自由度系统自由衰减振动及其固有频 率和阻尼比的测定率和阻尼比的测定

5、 实验实验4 4：隔振实验：隔振实验 实验实验5 5：振动信号分析：振动信号分析 实验实验6 6：转速测量实验：转速测量实验 实验实验7 7：传感器的标定：传感器的标定 实践环节实践环节 机械工程测试技术机械工程测试技术 第第1章章 测试系统的构成测试系统的构成 本章学习要求本章学习要求 1、掌握测试的概念，测试系统的基本组成； 2、理解测试技术的发展趋势和在工业中的应用； 3、了解机械工程测试技术的研究内容和性质，课程学习 的方法和要求。 机械工程测试技术机械工程测试技术 生活中的测试例子生活中的测试例子 重量，长度，温度，湿度，三表（电，水，气） 汽车监测点：50100 飞机监测点：300

6、0 航天飞行器监测点：5000 机械工程测试技术机械工程测试技术 没有测量就没有科学没有测量就没有科学门捷列夫门捷列夫 诺贝尔物理奖，化学奖中1/4属于测试方法和测试仪器 的创新。 “两弹一星”的成功，没有测试仪器是不可能的。 生产中“没有测试，就没有新产品”。 大规模集成电路的生产成本中，测量成本已超过50% 机械工程测试技术机械工程测试技术 机械工程测试案例机械工程测试案例 案例1、相关理论测量带速 )( xy R s a 机械工程测试技术机械工程测试技术 0 /vs t 互相关函数为Rxy()， 描述了两个信号间或信 号自身不同时刻的相似 程度。 ( )( ) () ( )( ) ()

7、xy xy Rx t y tdt Rx t y tdt 或： s 互相关函数 机械工程测试技术机械工程测试技术 相关原理测速原理如图所示。沿运动物体速度方向相 隔一定距离安装两个传感器S1和S2 如图（a），通过S1、 S2获得运动物体的表面特征信号如图（b）中的S1(t)和 S2(t)。 0 S v t 带速： 机械工程测试技术机械工程测试技术 求渡越时间t0，需作S1(t)和S2(t)的互相关函数，代入理想 情况下S2(t)= S1(t-t0)的关系，有： 12110 00 11 ( )lim( )()lim( ) () TT xy TT RS t S tdtS t S ttdt TT 在

8、等于渡越时间t0时，互相关函数R取得最大值。 机械工程测试技术机械工程测试技术 案例2、齿轮-V带传动系统机械效率测试 机械工程测试技术机械工程测试技术 机械工程测试技术机械工程测试技术 机械工程测试技术机械工程测试技术 输出转矩 输入功率 输出功率 传动效率 机械工程测试技术机械工程测试技术 一、一、 测试技术的基本概念测试技术的基本概念 测试技术是实验科学的一部分，研究的主要内 容为：被测量的测量原理、测量方法、 测量系统 以及数据处理四个方面。 简 单 的 测 试 系 统 比 较 复 杂 的 测 试 系 统 机械工程测试技术机械工程测试技术 1、测量（measurement） 指确定被测

9、对象属性量值为目的的全部操作 。 2、测试（ measurement and test） 包含了测量(Measurement)和试验(Test:信号分析) 两方面的含义。是指具有试验性质的测量，或测量 与试验的综合。 3、机械工程测试的对象 机械系统(包括各种机械零件、机构和部件)及其 组成部分(包括与机械系统有关的电路、电气等)。 机械工程测试技术机械工程测试技术 4、测试过程 （1）了解和分析测试对象的特征，明确测试目的； （2）选用专门的仪器设备； （3）设计合理的实验方法； （4）进行必要的数据处理，获取被测对象的有关信 息的量值。 5、测试的基本任务 （1）提供被测对象（如产品）的质

10、量依据； （2）提供机械工程设计、制造、研究所需的数据； （3）分析研究各种因素间的相互关系和影响； （4）监测设备运行过程和设备故障诊断； （5）许多工程问题在理论上尚不完善，可通过测试 数据去发现和研究其规律性。 机械工程测试技术机械工程测试技术 1、非电信号 随时间变化的力、位移、速度、加速度、流量、 温度、应力等属于非电信号； 2、电信号(electrical signal) 随时间变化的电流、电压等则属于电信号。非电 信号和电信号可以借助于换能器装置相互转换。 二、相关的基本概念二、相关的基本概念 机械工程测试技术机械工程测试技术 3、信号(signal) 物理现象的表征，是信息的载

11、体，是信息的表现 形式，如运动、能量、速度等。是物质，具有能量。 信号的来源：物理和自然现象（如地震）；人为 产生（如调幅信号）。 信号可以用数学模型来描述，如函数（连续信 号）、序列（离散信号）等。 信号分析处理的目的是揭示事物的本质，即获取 信息。 4、信息(information) 信息是信号的本质，信息是通过特征值来反映。 信息本身不是物质，也不具有能量，但它的传输 必须依赖于物质和能量（信号）。信息可以识别、转 换、存储和传输。其传输依靠物质信号来完成。 机械工程测试技术机械工程测试技术 交通信号灯交通信号灯 信息信息信号信号 信息的载体是光信号信息的载体是光信号 红灯红灯 亮亮 黄

12、灯黄灯 亮亮 绿灯绿灯 亮亮 停止停止 通行通行 注意注意 机械工程测试技术机械工程测试技术 m k )(tx 单自由度振动系统单自由度振动系统 )cos()cos()( 0000 tXt m k Xtx Xo幅值，幅值， 频率，频率，0 初相位。初相位。 信号信号 信息信息 2 2 d x kxmam dt 2 2 0 d xk x dtm 0 2 2 2 x dt xd () k m 解方程 机械工程测试技术机械工程测试技术 5、噪声(noise) 叠加在有用信号中的无用信号，如工频噪声。 6、干扰(disturbance) 对电子线路或对电子设备产生具体不良后果的噪 声看成干扰，如收音机

13、杂音。 噪声和干扰最终将以误差的形式表现出来； 在有噪声背景的情况下提取有用信息； 采取抗干扰措施。 机械工程测试技术机械工程测试技术 7、干扰与噪声的关系 噪声是干扰之因，干扰是噪声之果； 干扰存在是相对的，噪声存在是绝对的； 干扰在一定的条件下可以消除，而噪声则只能降低， 难以完全消除； 线性电路中，噪声可以看作干扰。 8、信噪比SNR(signal noise ratio) 有用信号与无用信号之比。 9、系统(system) 由各个相关联的部分，为了一个共同的目的而组成 的整体，如应变测试系统。 机械工程测试技术机械工程测试技术 三、测量的基本方法三、测量的基本方法 （1） 直接测量直接

14、测量 无需经过函数关系的计算，直接通过测量 仪器得到被测量值的测量为直接测量。 (将被测量与与标准量进行比较，得到测量结果 ) 例： 天平测物体质量天平测物体质量 用米尺测量物体长度用米尺测量物体长度 欧姆表测量导体的电阻欧姆表测量导体的电阻 1、直接测量、间接测量和组合测量 机械工程测试技术机械工程测试技术 （2）间接测量间接测量 待测量与其他量有确定的函数关系，可以先测 其他量，然后再通过已知的函数关系求得待测量， 这种方法称为间接测量法。 例： 水银温度计测体温水银温度计测体温 弹簧测物体的重量弹簧测物体的重量 测导线的导电率测导线的导电率： 2 4l d R 机械工程测试技术机械工程测

15、试技术 （阿基米德阿基米德测量皇冠的比重）测量皇冠的比重） 又例如，为了测量一台发动机的输出功率，必须首先 测出发动机的转速n及输出转矩M，通过公式PMn可 计算出其功率值。 机械工程测试技术机械工程测试技术 （3）组合测量组合测量 若被测量必须经过求解联立方程组, 才能得 到最后结果, 则称这样的测量为组合测量。 组合测量是一种特殊的精密测量方法, 操作手续复 杂, 花费时间长, 多用于科学实验或特殊场合。 机械工程测试技术机械工程测试技术 （1） 接触测量接触测量 接触测量的敏感元件在一定测量力的作用下， 与被测物体直接接触 。 2、接触测量、非接触测量 机械工程测试技术机械工程测试技术

16、（2）非接触测量非接触测量 非接触测量敏感元件与被测对象不发生机械接触。 机械工程测试技术机械工程测试技术 机械工程测试技术机械工程测试技术 机械工程测试技术机械工程测试技术 （1） 离线测量离线测量 3、离线测量、在线测量 产品质量检验产品质量检验 机械工程测试技术机械工程测试技术 （2）在线测量在线测量 在流水线上，边加工，边检验，可提高产品的一致性和在流水线上，边加工，边检验，可提高产品的一致性和 加工精度。加工精度。 机械工程测试技术机械工程测试技术 四、测试系统的组成四、测试系统的组成 1、测试系统的一般构成 试验装置试验装置测量装置测量装置数据处理数据处理显示记录装置显示记录装置

17、被测量 机械工程测试技术机械工程测试技术 1、激励装置(exciting device)：通过激励装置作用于被测对 象，使之产生出我们要获取的信号。 2、传感器(sensor)：是将被测信号转换成某种电信号的器件。 3、信号调理(signal conditioning)：把来自传感器的信号转 换成更适合于进一步传输和处理的形式。这种信号的转换， 多数是电信号之间的转换，如幅值放大、调制处理和滤波 处理等。 4、信号处理(signal processing )：对来自信号调理环节的 信号进行各种运算和分析。 5、信号显示(display)、记录(record)环节：是将来自信号 处理环节的信号以

18、观察者易于观察的形式来显示或存贮测 试的结果。 6、反馈(feedback)、控制(control)环节：主要用于闭环控 制系统中的测试系统。 机械工程测试技术机械工程测试技术 测试系统实例测试系统实例：振动教学实验系统：振动教学实验系统 打开视频：振动测试实验装置 机械工程测试技术机械工程测试技术 2、测试系统中的传感器 传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按 一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。 传感器转换后的信号大多为电信号。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。 传感器输出与输入有一定的对应关系,且应有一定的 精确度。 在自动控制(autoc

19、ontrol)领域中，自动化程度越高， 控制系统对传感器的依赖性就越大，因此，传感器对控 制系统功能的正常发挥起着决定性的作用。 物理量物理量电量电量 机械工程测试技术机械工程测试技术 常见的传感器 机械工程测试技术机械工程测试技术 机械工程测试技术机械工程测试技术 机械工程测试技术机械工程测试技术 测 试 系 统 可 以 简 化 为 处 理 输 入 / 激 励 (input/excitation)x(t)、系统的传输特性(transfer characteristics)h(t)和输出/响应output/response)y(t)三者 之间的关系。 x(t) 测试系统h(t) y(t) )(

20、th 例如： 3、测试系统分析中的三类问题 机械工程测试技术机械工程测试技术 3) 预测问题(forecast)：如果输入和系统特性已知，则可 以推断和估计系统的输出量。 1)系统辨识(system identification)：当输入、输出是可测量 的(已知)，可以通过它们推断系统的传输特性。 2)反求问题：当系统特性已知，输出可测量，可以通过 它们推断导致该输出的输入量。 机械工程测试技术机械工程测试技术 五、五、 测试技术的工程应用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

21、工程领 域。 机械工程测试技术机械工程测试技术 1、工业自动化(industrial automation)中的应用 1)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。 在各种自动控制系统中，测试环节起着系统感官的作 用，是其重要的组成部分。 密歇根大学的机械手装配模型 广州中鸣数码的机器狗 机械工程测试技术机械工程测试技术 2) AGV(Automated Guided Vehicles)自动送货车 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

22、码传感器，货品识别。 香港理工大学AGV模型 机械工程测试技术机械工程测试技术 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。 石化企业输 油管道、储 油罐等压力 容器的破损 和泄露检测。 扬子石化50MW热电机组监测系统 阳逻电厂300MW汽轮机组监测系统 荆门电厂200MW机组监测系统 青山热电厂生产信息实时查询系统 沙角电厂生产信息实时查询系统 宝钢30KW以上风机监测系统 宝钢精轧F2轧机网络化监测系统 宝钢冷轧带钢振动纹监测系统 武钢风机状态监测系统 机械工程测试技术机械工程测试技术 汽

23、轮压缩机组工况监视与故障诊断系统 振动信号 同步采集 转速采集 定时触发 非振动信号 智能采集卡 振动信号 IPC 工业控制机 PC 计算机 转速信号 温度 压力等 PC总线 光隔电流环 网络或 PC总线 数据采集 实时监视 系统 在线故障 诊断系统 机 组 PC总线 机械工程测试技术机械工程测试技术 机械工程测试技术机械工程测试技术 数据的管理 定时保存最近三天的机组原始监测数据、当天的机组 运行趋势数据、至少一年的历史趋势数据。 状态识别 通过振动峰-峰值或各分频幅值给出颜色，指明异常振 动测点 信号分析与处理 启停过程分析：Bode图，三维瀑布图，轴心轨迹 时域分析：时域波形，轴心轨迹，

24、振动棒图，自相关 函数，互相关函数，趋势分析等； 频域分析：FFT分析，互谱分析，倒谱分析等 事故停机联锁信号分析 七大主要功能： 机械工程测试技术机械工程测试技术 报警与门限值 峰-峰值报警 谱峰报警 趋势分析与预报 峰-峰值趋势分析与预报 各主要分频和倍频幅值趋势分析与预报 打印功能 打印各种分析图形 系统运行参数及监视方式的编辑 对启停采样转速间隔、采样时间间隔、传感器灵敏度系 数、报警门限等进行修改或重新设置，适应不同的应用 场合 机械工程测试技术机械工程测试技术 3、产品质量(product quality)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

25、测量和出厂检验。 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 机械工程测试技术机械工程测试技术 4、楼宇控制与安全防护 为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的工作生活 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。 烟雾传感器 亮度传感器红外人体探测器 机械工程测试技术机械工程测试技术

26、 5、家庭与办公自动化(office automation, OA) 在家电产品和办公自动化产品中，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，透光率光传感器(洗净 度) 液位传感器，电阻传感 器(衣物烘干检测)。 指纹传感器透光率传感器 温湿度传感器温度传感器 机械工程测试技术机械工程测试技术 鼠标:光电位移传感器摄象头:CCD传感器声位笔:超声波传感器 麦克风:电容传声器声卡:A/D卡 + D/A卡软驱:速度,位置伺服 6、PC(Personal Computer)机中的测试技术应用 机械工程测

27、试技术机械工程测试技术 7、其他应用 航天 农业 交通医学 机械工程测试技术机械工程测试技术 六、六、 测试技术的发展趋势测试技术的发展趋势 硬件化仪器软件化仪器 单参量测试系统多参量测试系统 单机测试系统分布式测试系统 网络仪器、虚拟仪器 机械工程测试技术机械工程测试技术 二十世纪四二十世纪四 十年代十年代 二十世纪九十二十世纪九十 年代年代 二十世纪二十世纪 七十年代七十年代 二十世纪二十世纪 末末 测试仪器的发展历程测试仪器的发展历程 digital instrument intelligent instrument analog instrument virtual instrument 机械工程测试技术机械工程测试技术 虚拟仪器技术虚拟仪器技术(VI, Virtual Instrument) 用计算机软件(software) 代替硬件(hardware)分析电路 我们的工作 机械工程测试技术机械工程测试技术 模模 拟拟 示示 波波 器器 数数 字字 示示 波波 器器 机械工程测试技术机械工程测试技术 虚拟示波器演示虚拟示波器演示 1、记忆示波器、记忆示波器newwave 2、示波器原理及应用仿真实验、示波器原理及应用仿真实验 3