机械工程测试 - 副本

1、绪论第一节 测试技术概要1.测试技术及其重要性随着科技的发展，测试技术已经形成了一门专门的技术科学。人们通过测试获得客观事物的定量概念，以掌握其运动规律。在某种意义上来说，“没有测试，就没有科学。” 因为人类的各种活动领域中都离不开测试。测试技术是测量和试验技术的统称，也可称作是具有试验性质的测量。测量就是把被测系统中的某种信息提出，并加以度量，为确定量值而进行的试验过程；试验就是通过某种人为的方法，把被测系统所在的许多信息中的某种信息，用专门的装置人为地把它激发出来，加以测量。它是对未知事物探索性的认识过程。 测试是人们依靠一定的科学技术手段来定量地获取被研究对象原始信息的过程，属于信息科学

2、的范畴。信息一般可理解为消息、情报或知识，从物理学观点出发，信息不是物质，也不是能量，是物质所固有的，是物质存在或运动的状态和方式。信息蕴含于信号之中，信号是传输信息的载体，由于信号易于传输，易于测量或感知，因此，人类获取信息主要借助于信号的传播。测试技术就是对信号的获取、加工、处理、分析及显示记录的过程。测试技术的基本任务是通过测试手段，对被研究对象相关的信息作出比较客观、准确的描述，使人们对其有一个客观全面的认识，并达到进一步改造和控制被研究对象的目的。从复杂信号中提取有用的信息则是测试技术的首要任务。测试是人类认识客观世界的手段，是科学研究的基本方法。科学探索需要测试技术，用定量关系和数

3、学语言来表达科学规律和理论需要测试技术，检验科学理论和规律的正确性也需要测试技术，可以认为，精确的测试是科学技术研究的根基。在工程技术领域中，工程研究、产品开发、生产监督、质量控制和性能试验都离不开测试技术。特别是近代自动控制技术已经越来越多地运用测试技术，测试装置已成为控制系统的重要组成部分。测试工作不仅能为产品的质量和性能提供客观的评价，为生产技术的合理改进提供基础数据，而且是进行一切探索性的、开发性的、创造性的和原始的科学发现或科技发明的手段。测试技术的先进性已是一个国家、一个地区科技发达程度的重要标志之一，也是一个企业、一个国家参与国内、国际市场竞争的一项重要基础技术。可以肯定，测试技

4、术的作用和地位在今后将更加重要和突出。因此，测试技术是机械工程技术人员必须掌握的一门实践性很强的技术，也是从事生产和科学研究的有力手段。2测试的基本概念（1）测量、计量、测试测量、计量、测试是三个密切关联的术语。测量（Measurement）是指以确定被测对象的量值为目的进行的实验过程。如果测量涉及实现单位统一和量值准确可靠则被成为计量。因此研究测量、保证测量统一和准确的科学被称为计量学（Metrology）。具体地说，计量学将研究可测的量、计量单位、计量基准、标准的建立、复现、保存及量值传递、测量原理与方法及其准确度、观察者的测量能力，物理常量及常数、标准物质、材料特性的准确确定，以及计量的

5、法制和管理。实际上，计量一词只用做某些专门术语的限定语，如计量单位、计量管理、计量标准等。所组成的新术语都与单位统一和量值准确可靠有关。测量的意义则更为广泛、更为普遍。测试（Measurement and test）是指具有试验性质的测量，或测量和试验的综合。一个完整的测量过程必定涉及到测试对象、计量单位、测量方法、和测量误差。它们被称为测量四要素。（2） 信息和信号信息是事物运动的状态和方式，是物质的一种属性。可以分为两种，一种是物质所固有，客观存在或运动状态的特征。第二种是非物质，不具有能量，传输依靠物质和能量。实验及各种过程中的物理量真值、变量或测量值，若随时间变化，通常称为信号。信号是

6、物质具有能量，是信息的载体，信息蕴含于信号之中。3.测试技术在机械工程中的应用随着机械工业的发展，机械加工精度不断提高，生产过程的自动化程度越来越高。高度的自动化生产中，被控对象的状态、量值等参数必须通过测试装置才能传递、反馈给控制器。因此先进的测试技术已经成为机械工程系统中不可缺少的组成部分。测试技术在机械工程中的应用，主要包括试验模态分析、生产过程的自动监控和设备运行状态的故障诊断。机械结构在动载荷的作用下，其动态特性的研究虽然有理论分析方法，但是由于被研究对象结构复杂，边界条件难以确定，通常需要采用试验模态分析的方法进行研究，分析其固有频率、阻尼、振型和某种激励的响应等。细长轴在机械加工

7、过程中，由于切削力的作用，导致其变形产生较大的加工误差，如果能够在加工中采用自动测量装置，自动测量细长轴的直径，并将测量结果反馈给机床的进给机构，调整切削刀具的进给量，就能够通过加工过程的自动监督提高细长轴的加工精度。随着机械工业的发展，设备的机构越来越复杂，由于许多随机的因素，设备有时会出现各种故障，导致其不能正常运行，造成不同程度的经济损失。如果采用测试技术对设备运行的噪声或振动等参数进行测试，并与设备正常运行时的参数进行比较，就能及时获取设备的异常或故障信息，消除故障隐患。测试技术不仅能为产品的加工质量和性能提供客观的评价，为生产过程的监测和生产技术的改进提供基础数据，而且也是进行一些探

8、索性、开放性、创造性的科学发现和技术发明的手段。它依据结构的试验数据能够科学地进行强度计算，通过有效的参数测量和过程监测能够使设备高效率地运行，采集工艺流程数据能够实现加工过程的自动化。总之，测试技术是机械工业发展的一个关键技术。4.测试技术研究的主要内容测试技术研究的具体内容包括信号的描述、测量原理、测量方法、测试系统及其数据处理等。信号的描述揭示信号的组成及其内在变化规律，时域描述和频域描述及其相互变换和映射关系。傅里叶级数和傅里叶变换是测试技术研究信号的理论基础。（1）测量原理测量原理实质上就是传感器的工作原理。被测量种类繁多、性质千差万别，因此采用怎样的原理去感受被测量是测试技术研究的

9、内容之一。要确定和选择好测量原理，除了要有物理学、化学、电子学、生物学、材料学等基础知识和专业知识之外，还需要对被测量的测量范围、性能要求和环境条件有充分的了解和分析。（2）测量方法测量方法是指用什么方法去获得被测量，按照是否直接测量被测量，可分为直接测量与间接测量 。直接测量是指将被测量直接与标准量进行比较，或用预先标定好的测量仪器进行测量，无需对所获取的数值进行运算的测量方法。如用万用表测量电压，温度计测量温度等。间接测量是指通过测量与被测量有确定函数关系的相关参量，然后经过计算得到被测量的测量方法。如要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及输出扭矩M,然后通过公式P=M&

10、#215;n，可计算得到输出功率P。按照是否接触被测对象，测量方法可分为接触式测量和非接触式测量。接触式测量是指测量仪器可直接接触被测对象的测量，例如，测量振动时可将带有磁座的加速度计直接固定在振动物体的适当位置上进行测量。非接触式测量是指测量仪器不接触被测对象的测量，也称无损检测，可避免被测对象受到磨损，例如，用超声测速仪测量汽车行驶时是否超速就属于非接触式测量。按照被测量是否随时间变化，测量方法可分为静态测量和动态测量。静态测量是指对静止不变或缓慢随时间变化的物理量的测量。动态测量是指随时间变化的物理量的测量，在动态测量中，需要确定被测量的瞬时值随时间变化的规律。（3）测试系统测试系统是指

11、被测对象、测量仪器和装置有机组成的具有获取某种信息功能的整体。测试系统的组成如图0.1所示。 图0.1 测试系统的组成测试系统主要由被测对象、传感器、信号调理、信号分析与处理以及显示记录等部分组成。各个部分作用如下。传感器也叫敏感元件，它直接作用于被测量，并将被测量转换成电信号输出。信号调理电路的作用是将传感器输出的信号进行加工、变换和处理，将信号转换成合适传输和处理的形式，如信号变换、放大、调制与解调、滤波和模数转换等。信号分析与处理的作用是对调理后的信号进行各种运算和分析，如数字滤波、时域分析、频谱分析和相关分析等。显示记录的作用是显示和存储测量结果。当测试系统用于闭环控制系统时，除以上提

12、到的组成部分之外，还应包括反馈和激励装置。测试系统可分为模拟测试系统与数字测试系统。在模拟测试系统中，获取、传输和输出的信号均为模拟信号；而数字测试系统中，通过传感器和信号调理电路部分的信号仍为模拟信号，当经过模数转换之后，模拟信号就变为数字信号，由计算机对数字信号进行分析、处理、显示和存储。由于数字信号具有抗干扰能力强、运算速度快、精度高等特点，越来越多的测试任务采用数字测试系统来实现。（4）数据处理通过测试系统获取的信号中携带着有用的信息，只有通过信号的分析与处理，对所获得的数据进行科学的分析和运算，才能够得到客观准确的测试结果。数据处理包括滤波、变换、识别和估值等过程，以便削弱信号中的干

13、扰分量，增强有用分量。信号分析包括分析信号的类别、构成以及特征参数计算等，以便提取特征值，更准确地获取有用信息。由计算机对信号进行分析和处理是测试技术处理信号的主流。5.测试技术的发展概况从专业角度看，测试技术应包括传感器技术、信号处理技术和仪器仪表技术三个方面。从学科关系看，测试技术是综合运用多学科原理和技术，同时也直接为各专业学科服务的一门技术学科。各专业学科的发展不断地向测试技术提出新的要求，推动测试技术的发展，同时，测试技术也在迅速吸取各学科的新成就中得到发展。测试技术的迅速发展主要体现在以下几个方面。（1） 传感器技术的迅速发展从仪器和测量技术发展的总的趋势来看，传感器的研究和发展总

14、被排在首位。这是因为，现代测量的模式大多还是将非电被测量先转换成为电量或者数字量以后，再采用电和数字信号处理的方法来获得对被测量的准确表达。材料科学是传感器技术的重要基础。材料科学的迅速发展使越来越多的物理和化学现象被应用，并可按人们所要求的性能来设计、配方和制作敏感元件。各类新型传感器的发现和开发，不仅使传感器性能进一步加强，也使可测参量大大增多。如用各种配方的半导体氧化物制造各种气体传感器，应用光导纤维、液晶和生物功能材料制造光纤传感器、液晶传感器和生物传感器，用稀土超磁致伸缩材料制造微位移传感器等。微电子学、微细加工技术及集成化工艺的发展，使传感器逐渐实现高精度化、小型化、集成化、数字化

15、、智能化和多功能化。如用微细加工可使被加工的半导体材料尺寸达到光的波长级；集成化工艺将同一功能的多个敏感元件排列成线型、面型的传感器，同时进行同一参数的多点测量，或将不同功能的多个敏感元件集成为一体，组成可同时测量各种参数的传感器；或将传感器与预处理电路甚至微处理器集成为一体，成为有初等智能的所谓智能化传感器。（2） 测试仪器微机化、智能化数字信号处理方法、计算机技术和信息处理技术的迅速发展，使测试仪器发生了根本性的变革。以微处理器为核心的数字式仪器能大大提高测试系统的精度、速度、测试能力和工作效率，有高的性能价格以及可靠性，已成为当前测试仪器的主流。目前数字式仪器正向标准接口总线的模块化插件

16、式发展，向具有逻辑决断、自校准、自适应控制和自动补偿能力的智能化仪器发展，向用户自己构造所需功能的所谓虚拟仪器发展。机械工程领域的各个方面，包括产品设计、开发、性能试验、自动化生产、智能制造、质量控制、加工动态过程的深入研究、机电设备状态监测、故障诊断和智能维修等都以先进的测试技术为重要支撑。6.课程的基本要求工程测试是一门专业技术基础课，通过本课程的学习，能获得下列几方面知识（1）掌握信号的时域和频域描述方法，建立频谱的概念；掌握时域分析和频域分析的基本原理和方法。（2）掌握测试装置基本特性的分析方法和不失真测试条件，掌握一阶、二阶线性系统动态特性和测试方法。（3）掌握常用传感器的工作原理和

17、性能；掌握信号调理电路的工作原理，并能正确选用传感器及其测量电路。（4）对测试系统有一个完整的概念，并能结合产品设计、性能评定和实验工作合理地选择测试系统。本课程具有很强的实践性，学习理论课的同时，只有通过足够和必要的试验，受到应有的实验能力的训练，才能真正掌握有关理论，初步具有处理实际测试工作的能力。第二节 测量的基础知识 在机械（或机电）系统实验、控制和运行监测中，需要测量各种物理量（或其他工程参量）及其随时间变化的特性。这种测量需要通过各种测量装置和测试过程来实现。于是，测试装置和过程在总体上满足什么样的要求，才能准确测量到这些物理量及其随时间的变化是我们关心的问题。为使测量结果具有普遍

18、的科学意义需具备一定的条件：首先，测量过程是被测量的量与标准或相对标准的比较过程。作为比较用的标准量值必须是已知的，且是合法的，才能确保测量值的可信度及保证测量值的溯源性。其次，进行比较的测量系统必须进行定期检查、标定，以保证测量的有效性、可靠性、这样的测量才有意义。 本节讨论与此相关的一些基本概念。 一量与量纲量是指现象、物体或物质可定性区别和定量确定的一种属性。不同类的量彼此之间可定性区别，如长度和质量是不同种类的量。同一类中的量之间是以量值大小来区别的。1.量值量值是用数值和计量单位的乘积来表示的。它被用来定量地表达被测对象相应属性的大小，如3.4m、15kg等。其中，3.4、15是量值

19、的数值。显然，量值的数值就是被测量与计量单位之比值。2.基本量和导出量在科学技术领域中存在着许许多多的量，它们彼此有关。为此专门约定选取某些量作为基本量，而其他量则作为基本量的导出量。量的这种特定组合称为量制。在量制中，约定地认为基本量是相互独立的量，而导出量则是由基本量按一定函数关系来定义的。3.量纲和量的单位“量纲”代表一个实体（被测量）的确定特征，而量纲单位则是该实体的量化基础。例如，长度是一个量纲，而厘米则是长度的一个单位；时间是一个量纲，而秒则是时间的一个单位。一个量纲是唯一的，然而一种特定的量纲，比如说长度，则可用不同的单位来测量，如英尺、米、英寸或英里等等。不同的单位制必须被建立

20、和认同，亦即这些单位制必须被标准化。由于存在着不同的单位制，在不同单位制的转换基础方面也必须有协议。在国际单位（SI）制中，基本量约定为：长度、质量、时间、温度、电流、发光强度和物质的量等七个量。它们的量纲分别用：L、M、T、Q、I、N和J表示。导出量的量纲可用基本量量纲的幂的乘积来表示。工程上会遇到无量量纲，其量纲中的幂都为零，实际上它是一个数。弧度（rad）就是这种量。二基准和标准为了确保量值的统一和准确，除了对计量单位作出严格的定义外，还必须有保存、复现和传递单位的一整套制度和设备。 基准是用来保存、复现计量单位的计量器具，是最高准确度的计量器具。它是具有现代科学技术所能达到的最高准确度

21、的计量器具。基准通常分为国家基准、副基准和工作基准三种等级。 国家基准是指在特定计量领域内，用来保存、复现该领域计量单位并具有最高计量特性，经国家鉴定、批准作为统一全国量值最高依据的计量器具。 副基准是指通过与国家基准对比或校准来确定其量值，并经国家鉴定、批准的计量器具。 工作基准是通过与国家基准或副基准对比或校准，用来检定计量标准的计量器具 计量标准是指用于检定工作计量器具的计量器具。工作计量器具是指用于现场测量而不用检定工作的计量器具。一般测量工作中使用的绝大部分就是这一类计量器具。三测量误差测量结果总是有误差的。误差自始至终存在于一切科学实验和测量过程中。1. 测量误差定义 测量结果与被

22、测量真值之差称为测量误差，即 测量误差=测量结果真值 （0-1）并常简称为误差。此定义联系三个量，显然只需已知其中的两个量，就能得到第三个量。但是，在现实中往往只知道测量结果，其余两个量却是未知的。这就带来许多问题，例如：测量结果究竟能不能代表被测量、有多大的可置信度、测量误差的规律是怎样的、如何评估它等等。（1） 真值x。 是被测量在被观测时所具有的量值。从测量的角度来看，真值是不能确切获知的，是一个理想概念。在测量中，一方面无法获得真值，而另一方面又往往需要运用真值。因此引用了所谓的“约定真值”。约定真值是指对给定的目的而言，它被认为充分于接近真值，因此可以代替真值来使用的量值。在实际测量

23、中，被测量的实际值、已修正过的算术平均值，均可作为约定真值。实际值是指高一等级的计量标准器具所复现的量值，或测量实际表明它满足规定准确度要求，用来代替真值使用的量值。（2） 测量结果 由测量所得的被测量值。在测量结果的表述中，还应包括测量不确定度和有关影响量的值。2. 误差分类如果根据误差的统计特征来分，可以将误差分为：（1）系统误差 在对同一被测量进行多次测量过程中，出现某种保持恒定或按确定的方式变化着的误差，就是系统误差。在测量偏离了规定的测量条件时，或测量方法引入了会引起某种按确定规律变化的因素时就会出现此类误差。通常按系统误差的正负号和绝对值是否已经确定，可将系统误差分为已定系统误差和未定系统误差。在测量中，已定系统误差可以通过修正来消除。应当消除此类误差。（2）随机误差 当对同一量进行多次测量中，误差的正负号和绝对值以不可预知的方式变化着，则此类误差成为随机误差。测量过程中有着众多的、微弱的随机影响因素存在，它们是产生随机误差的原因。随机误差就其个体而言是不确定的，但其总体却有一定的统计规律可循。随机误差不可能被修