机械工程测试技术-绪论2011

1、现代测试技术现代测试技术modern Test & measurement Technology 32课时课时2教材：机械工程测试技术，陈花玲主编，教材：机械工程测试技术，陈花玲主编，机械工业出版社机械工业出版社n参考书：1. 检测技术，施文康主编，机械工业出版社2. 测试与传感技术，侯国章编著，哈尔滨工业大学出版社。3. LabVIEW 实用教程，美Robert H. Bishop 著，乔瑞萍、林欣等译，电子工业出版社3教材：教材：机械工程测试技术，陈花玲主编，机械工业出版社机械工程测试技术，陈花玲主编，机械工业出版社参考网站：1.08/cours

2、es/jcjshjch/index.htm2.28/kecheng/cgq/index.asp3.http:/ ；2、掌握掌握测试装置静、动态特性的评价方法和不失真测试条件；能能正确运用于测试装置的分析和选型；3、熟练掌握熟练掌握各类典型传感器、记录仪器的基本原理和适用范围，并能能合理的选用。课程要求课程要求5一、绪论一、绪论1.1 本课程的意义本课程的意义1.2 测试方法的分类及测试系统的组成测试方法的分类及测试系统的组成1.3 测试技术的发展测试技术的发展1.4 本课程的研究内容本课程的研究内容6 测试技术是一门综合性很强的技术学科，它以物理学、电子学、材

3、料学，自动控制和数字技术等为基础。涉及传感器技术、信号处理技术、抗干扰技术等多个方面。 其目的是研究材料和构件的状态（包括正常工作状态和故障状态诊断），检查和测量自动化生产过程中的各种工艺参数。监视和控制生产过程的运行，鉴定产品质量，为新产品改进设计提供数据。 21世纪是信息时代，获取信息，处理信息，运用信息。测试技术的重要性在于它是获得信息并对信息进行必要处理的基础技术，是获取信息和处理加工信息的手段，无法获取信息则无法运用信息。 1.1 本课程的意义本课程的意义7n下篇：实用测试技术下篇：实用测试技术n力、压力和位移、温度、振动和噪声、转速和功率测量、流速与流量测量等重要机械工程参数的常规

4、测量原理和方法，测量系统的构成和使用要求。1.4 本课程的研究内容测试技术：测试过程中所涉及的测试理论、测试测试技术：测试过程中所涉及的测试理论、测试方法、测试设备、数据处理等。方法、测试设备、数据处理等。n上篇：测试基础上篇：测试基础n信号分析、测量装置特性、测量误差分析处理、信号获取与调理8n上篇（2 信号分析，3测量系统特性，6信号调理）n下篇（10 典型测试系统设计实例）n设计：身边的检测系统9 第1章 绪 论 第2章 测试系统的基本特性 第3章 信号及其描述 信号的分类及定义 第4章 电磁量测量技术 第5章 长度测量技术 尺寸测量 形位误差测量 表面粗糙度测量 线位移与距离测量 第6

5、章 角度测量技术 角度检测概述 角度及角位移测量 圆分度误差测量 第7章 速度、转速、加速度测量 第8章 力、力矩、压力测量 第9章 机械振动的测试 第10章 温度测量 第11章 流量测量10测试：对应英文测试：对应英文test, 也译为检测、试验或检验。指按照规定的程序，也译为检测、试验或检验。指按照规定的程序，为了确定给定产品、材料、设备、生物体、物理现象、工艺过程或服务为了确定给定产品、材料、设备、生物体、物理现象、工艺过程或服务的一种或多种特性或性能的技术操作。的一种或多种特性或性能的技术操作。测量：测量：以确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作，获取量值信息，以确定被测对象的属性和

6、量值为目的的全部操作，获取量值信息，对应英文对应英文measurement 。计量：计量：获取量值信息，实现量值信息的传递或溯源，其对象就是测量仪获取量值信息，实现量值信息的传递或溯源，其对象就是测量仪器。唯有计量部门从事的测量才被称作器。唯有计量部门从事的测量才被称作计量计量。对应英文。对应英文metrology 1.4 本课程的研究内容11n测量是某些部门的主要工作，例如天文、气象、测绘等测量是某些部门的主要工作，例如天文、气象、测绘等部门，在天文、气象领域称观测，在测绘领域称测量。部门，在天文、气象领域称观测，在测绘领域称测量。n测量是测试、计量的基础，贯穿测试、计量的全过程，测量是测试

7、、计量的基础，贯穿测试、计量的全过程，所以经常用测量一词代替测试、计量。所以经常用测量一词代替测试、计量。绪论绪论测试技术基本概念测试技术基本概念12绪论绪论1.1 1.1 本课程的意义本课程的意义13绪论绪论1.1 本课程的意义本课程的意义 工程研究、产品开发、生产监督、质量控制、性能试工程研究、产品开发、生产监督、质量控制、性能试验等验等 科学研究的根基科学研究的根基 国内外贸易、国防、医疗卫生、交通运输、环保等国内外贸易、国防、医疗卫生、交通运输、环保等 现代装备系统现代装备系统141.1 本课程的意义本课程的意义测试技术的工程应用测试技术的工程应用航天航天农业农业交通交通医学医学151

8、.1 本课程的意义本课程的意义产品质量测量产品质量测量 汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其汽车、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。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，测量参数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，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。工程师可以了解产品质量。汽车扭距测量汽车扭距测量机床加工精度测量机床加工精度测量161.1 本课程的意义本课程的意义 测试技术的工程应

9、用测试技术的工程应用 切削力传感器，加工切削力传感器，加工噪声传感器，超声波噪声传感器，超声波测距传感器、红外接测距传感器、红外接近开关传感器等。近开关传感器等。密歇根大学数字化工厂密歇根大学数字化工厂171.1 本课程的意义本课程的意义工程技术领域工程技术领域生产监督生产监督 18 AGVAGV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置；红外线色彩传感器运动轨迹和AGVAGV小车位置识别；条形码传感器，小车位置识别；条形码传感器，货品识别。货品识别。1.1 本课程的意义本课程的意义香港理工香港理

10、工AGV模型模型19工程技术领域工程技术领域工业自动化中的应用工业自动化中的应用 a)a)机械手、机器人中的传感器机械手、机器人中的传感器 转动转动/ /移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、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。接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。 1.1 本课程的意义本课程的意义密歇根大学的机械手装配模型密歇根大学的机械手装配模型广州中鸣数码的机器狗广州中鸣数码的机器狗201.1 本课程的意义本课程的意义211.1 本课程的意义本课程的意义环保环保 22美国国家导弹防御计划美国国家导

11、弹防御计划-NMD1.1 1.1 本课程的意义本课程的意义检测技术在国防领域的应用检测技术在国防领域的应用1.地基拦截器地基拦截器2.早期预警系统早期预警系统3.前沿部署前沿部署(如雷达）如雷达）4.管理与控制系统管理与控制系统5. 卫星红外线监测系统卫星红外线监测系统 监测系统监测系统: 探测和发现探测和发现敌人导弹的发射并追踪敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；导弹的飞行轨道； 拦截器：能识别真假拦截器：能识别真假弹头，敌友方弹头，敌友方231.1 本课程的意义本课程的意义楼宇控制与安全防护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，并为使建筑物成为安全、健康

12、、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。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图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、统。该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水控制、停车管理、水/废水管废水管理和电梯监控。理和电梯监控。烟雾传感器亮度传感器红外人体探测器241.1 本课程的意义本课程的意义家庭与办公自动化家庭与办公自动化 在家电产品和

13、办公自动化产品设计中，人们大量的应用了传感器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。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：全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器传感器，透光率光传感器(洗净度洗净度) 液位传感器，电液位传感器，电阻传感器阻传感器(衣物烘干检测衣物烘干检测)。指纹传感器指纹传感器透光率传感器透光率传感器温湿度传感器温湿度传感器温度传感器温度传感器251.2 测试方法的分类及测试系统的组成n1.2.1 测试方法的分类n1.

14、2.2 测试系统的组成261.2.1 测试方法的分类n1. 直接测量与间接测量直接测量与间接测量n2. 接触测量与非接触测量接触测量与非接触测量n3. 静态测量与动态测量静态测量与动态测量n测试方法：是指再实施测量中所涉及的理论运测试方法：是指再实施测量中所涉及的理论运算方法和实际操作方法。算方法和实际操作方法。271.2.1 测试方法分类n1、直接测量与间接测量 直接测量：直接将直接测量：直接将被测量被测量与与测量单位（标准量）测量单位（标准量）进行比较进行比较标准量标准量标准计量单位（如米尺、光栅尺、标准计量单位（如米尺、光栅尺、激光、激光、） 绝对测量绝对测量定值标准量（如某一固定尺寸）

15、定值标准量（如某一固定尺寸） 相对测量相对测量285700A 多功能校准源直接测量34401A数字多用表291.2.1 测试方法分类 间接测量间接测量如测导线的导电率如测导线的导电率：测量与被测量有一定函数关系的参量，被测量测量与被测量有一定函数关系的参量，被测量由计算获得由计算获得Rdl24301.2.1 测试方法分类 接触测量接触测量传感器与被测体有机械接触传感器与被测体有机械接触特点：特点：1 1 比较简单比较简单2 2 传感器有磨损传感器有磨损3 3 传感器对被测特性有影响传感器对被测特性有影响 非接触测量非接触测量传感器与被测体无机械接触传感器与被测体无机械接触特点：特点：1 1 避

16、免传感器磨损避免传感器磨损2 2 避免传感器对被测特性有影响避免传感器对被测特性有影响311.2.1 测试方法分类 静态测量静态测量被测量被值认为是恒定的，不随时间变化被测量被值认为是恒定的，不随时间变化 动态测量动态测量被测量值随时间变化被测量值随时间变化321.2.2 1.2.2 测试系统的组成测试系统的组成 工程测试的基本任务：1）生产过程或设备运行状态的监测；2）生产过程或设备运行状态的自动控制；3）工程实验分析。331.2.2 1.2.2 测试系统的组成测试系统的组成 测试系统的组成 测试系统是指由相关的器件、仪器和测试装置有机组合而成的具有获取某种信息之功能的整体。341.2.2

17、1.2.2 测试系统的组成测试系统的组成接接口口总总线线存储存储显示显示分析分析监控监控判断判断决策决策信号检出信号检出信号检出信号检出信号检出信号检出信号转换信号转换信号调理信号调理信号转换信号转换处理显示处理显示处理显示处理显示处理显示处理显示信号检出：信号检出：功能功能 - 将被测信号的变化转换为电信号的变化（将被测信号的变化转换为电信号的变化（detection）器件器件 - 传感器（传感器（sensor, transducer）信号转换：信号转换：功能功能 - 将传感器的输出信号转换为便于处理的形式（将传感器的输出信号转换为便于处理的形式（conversion）器件器件 - 信号调理

18、电路（信号调理电路（signal conditioning circuit）处理显示：处理显示：功能功能 - 分析（分析（analysis）、处理（）、处理（processing）、显示（）、显示（display）通讯接口通讯接口/总线接口总线接口(RS232、RS485、GPIB、PCI、 ) 其它环节：其它环节：存储、监控、决策存储、监控、决策 351、信号检出部分、信号检出部分传感器（传感器（Sensor）- 检出功能的器件、装置检出功能的器件、装置信号提取（被测量）、传输（信号变换部分）有信号的输入、信号提取（被测量）、传输（信号变换部分）有信号的输入、输出，是小型测试系统输出，是小型

19、测试系统感知信号变化，上传信号变化感知信号变化，上传信号变化选择：测量精度要求、被测量变化范围、被测对象所处的环境条件选择：测量精度要求、被测量变化范围、被测对象所处的环境条件 以及对传感器体积和整个检测系统的成本等的限制以及对传感器体积和整个检测系统的成本等的限制检测系统中形式最多样、与被测对象关联最密切的部分检测系统中形式最多样、与被测对象关联最密切的部分,换能器换能器(Transducer)、检波器、拾波器等、检波器、拾波器等 1.2.2 1.2.2 测试系统的组成测试系统的组成361、信号检出部分特点、信号检出部分特点1）输出量为电压、电流、频率）输出量为电压、电流、频率2）输出的电信

20、号一般较微弱：）输出的电信号一般较微弱：电压电压 - 毫伏级、微伏级；电流毫伏级、微伏级；电流 - 毫安级、纳安级毫安级、纳安级3）输出信号与噪声混杂在一起）输出信号与噪声混杂在一起 - 传感器内部噪声传感器内部噪声 传感器的信噪比小、输出信号弱传感器的信噪比小、输出信号弱 - 信号淹没在噪声中信号淹没在噪声中4）传感器的输出特性呈线性或非线性）传感器的输出特性呈线性或非线性电阻、电容、电感电阻、电容、电感 两种：数字量、模拟量两种：数字量、模拟量5）外界环境的变化会影响传感器的输出特性）外界环境的变化会影响传感器的输出特性1.2.2 1.2.2 测试系统的组成测试系统的组成372、信号变换部

21、分、信号变换部分适合于传输、分析和处理的信号适合于传输、分析和处理的信号信号调理电路信号调理电路阻抗变换阻抗变换 - 输出阻抗很高时；输出阻抗很高时；电压电压/电流（电流（V/A）转换）转换 - 需要电流输出时；需要电流输出时；目的：目的：4）简化后续系统的组成）简化后续系统的组成2） 消除或抑制传感器输出量中的无用信号消除或抑制传感器输出量中的无用信号3）提高测量、分析的准确度）提高测量、分析的准确度信号放大信号放大 - 输出信号微弱时；输出信号微弱时；噪声抑制噪声抑制 - 信号淹没在噪声中；信号淹没在噪声中；模拟模拟/数字（数字（A/D）转换）转换 - 需要输出数字信号时需要输出数字信号时

22、1）对传感器的输出量变换成易于处理或放大的量）对传感器的输出量变换成易于处理或放大的量38（规范、结构形式）规范、结构形式）3、分析处理部分、分析处理部分功能：管理不同系统之间的数据、状态和控制信息的传输和交换功能：管理不同系统之间的数据、状态和控制信息的传输和交换不断注入新内容不断注入新内容 - 检测系统的研究中心检测系统的研究中心通用标准接口通用标准接口 - 不同的系统尤其是不同厂家的产品能够互联不同的系统尤其是不同厂家的产品能够互联 4、通信接口与总线部分、通信接口与总线部分计算机系统计算机系统 - 强大问题分析能力、复杂系统的实时控制强大问题分析能力、复杂系统的实时控制自动化、智能化自

23、动化、智能化USB、 IEEE-488、 RS-232（串行）、并行（串行）、并行总线：传送数字信号的公共通道总线：传送数字信号的公共通道 - 信号线的集合信号线的集合RS-232C、VXI、Centronics（并行）（并行）（硬件系统）（硬件系统）接口接口 - 分系统和上位机之间分系统和上位机之间/分系统之间交换信息分系统之间交换信息39检测系统构成原理框图力力位移位移 速度速度 加速度加速度 压力压力流量流量温度温度电阻式电阻式电容式电容式电感式电感式 压电式压电式热电式热电式 光电式光电式磁电式磁电式电桥电桥 放大器放大器滤波器滤波器调制器调制器解调器解调器运算器运算器 阻抗变换器阻抗

24、变换器 笔式记录仪笔式记录仪光线示波器光线示波器 磁带记录仪磁带记录仪 电子示波器电子示波器 半导体存储器半导体存储器 显示器显示器 磁卡磁卡 数据处理器数据处理器 频谱分析仪频谱分析仪 FFT 实时信号分析仪实时信号分析仪 电子计算机电子计算机 被测对象被测对象 传感器传感器 中间变换中间变换测量装置测量装置 显示及显示及 记录装置记录装置 实验结果实验结果处理装置处理装置 激发装置激发装置 40简单的测试系统可简单的测试系统可以只有一个模块，以只有一个模块，如玻璃管温度计。如玻璃管温度计。它直接将被温度变它直接将被温度变化转化液面示值。化转化液面示值。没有电量转换和分没有电量转换和分析电路

25、，很简单，析电路，很简单，但精度低，无法实但精度低，无法实现测量自动化。现测量自动化。 为提高测量精度和为提高测量精度和自动化程度，以便自动化程度，以便于和其它环节一起于和其它环节一起构成自动化装置，构成自动化装置，通常先将被测物理通常先将被测物理量转换为电量，再量转换为电量，再对电信号进行处理对电信号进行处理和输出。如图所示和输出。如图所示的声级计。的声级计。 1.2.2 1.2.2 测试系统的组成测试系统的组成1 状态检测：状态检测：41现代装备系统现代装备系统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，生产线上设备运行状在电力、冶金、石化、化工

26、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。通常建立态关系到整个生产线流程。通常建立2424小时在线监测系统。小时在线监测系统。 石化企业输石化企业输油管道、储油管道、储油罐等压力油罐等压力容器的破损容器的破损和泄露检测。和泄露检测。扬子石化扬子石化50MW热电机组监测系统热电机组监测系统阳逻电厂阳逻电厂300MW汽轮机组监测系统汽轮机组监测系统荆门电厂荆门电厂200MW机组监测系统机组监测系统青山热电厂生产信息实时查询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沙角电厂生产信息实时查询系统宝钢宝钢30KW以上风机监测系统以上风机监测系统宝钢精轧宝钢精轧F2轧机网

27、络化监测系统轧机网络化监测系统宝钢冷轧带钢振动纹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武钢风机状态监测系统42 金门大桥是美国最著名的桥梁，主桥1,966米，主跨1,280米，建成于1937年，保持了27年是世界最大跨径的桥梁的记录。桥梁监测桥梁监测1.2.2 1.2.2 测试系统的组成测试系统的组成431.2.2 测试系统的组成测试系统的组成2 自动控制中的测试系统自动控制中的测试系统441.2.2 测试系统的组成测试系统的组成2 自动控制中的测试系统自动控制中的测试系统作用：n是自动控制闭环系统的必要组成环节；n测量信号输入控制计算机中。45信息流组成信息流组成信息流信息流

28、获取传输处理控制测试系统不失真原则测试系统不失真原则1.2.2 测试系统的组成测试系统的组成基本原则基本原则：一个测试系统不论由多少单元组成，都一个测试系统不论由多少单元组成，都必须满足各环节的输出量与输入量之间保持一一对必须满足各环节的输出量与输入量之间保持一一对应、一定比例和尽量不失真的原则。应、一定比例和尽量不失真的原则。461.3 1.3 测试技术的发展测试技术的发展1.3.1 传感器技术的发展1.3.2 计算机测试技术的发展信号处理技术，软处理471.3 1.3 测试技术的发展测试技术的发展1.3.1 传感器技术的发展（1）物性型传感器大量涌现（2）集成、智能化传感器的开发（3）化学传感器的开发481.3.1 传感器技术的发展传感器技术的发展 1. 物性型传感器大量涌现物性型传感器大量涌现光纤流速传感器光纤流速传感器荧光材荧光材料制作料制作的电子的电子鼻传感鼻传感器器生物酶血样分析传感器生