测试技术第0章-绪论_fanny

1、测试技术教材：机械工程测试技术基础 第三版成绩评定实验：12% 实验中心 魏老师平时成绩：18% 作业/考勤考试：70%绪论第一节 测试技术概况第二节 测量的基础知识l 测试和测量系统测试和测量系统l 测试技术的发展概况测试技术的发展概况l 测试技术的工程应用测试技术的工程应用l 课程的主要环节和本书概要课程的主要环节和本书概要 一、测试和测量系统一、测试和测量系统 测试技术测试技术是是测量和试验技术测量和试验技术的统称。本书主要内容是的统称。本书主要内容是测量测量技术和仪器技术和仪器。 测试工作的任务测试工作的任务：解决如何：解决如何获取获取有关研究对象的状态，运有关研究对象的状态，运动和特

2、性等方面的动和特性等方面的信息信息的问题。的问题。第一节第一节 测试技术概况测试技术概况 您在发烧，您在发烧，请请一、测试和测量系统一、测试和测量系统第一节第一节 测试技术概况测试技术概况 测试技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数测量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。必不可少的手段，起着人的感官的作用。优点：简单、可靠。优点：简单、可靠。缺点：精度底、时缺点：精度底、时间长、无法实现测间长、无法实现测量自动化。量自动化。 优点：精度高、速优点：精度高、速度快。度快。缺点：成本高、易缺点：成本高、易损坏。损坏。水银温度计电子温度计简单的测试系

3、统简单的测试系统一、测试和测量系统一、测试和测量系统第一节第一节 测试技术概况测试技术概况 图图0-10-1中实验及各种过程中的物理量真中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，值、变量或测量值，若随时间变化，通常称为通常称为信号信号。测量系统的用途测量系统的用途l产品开发与工程试验过程l过程与系统控制l监测与诊断一、测试和测量系统一、测试和测量系统第一节第一节 测试技术概况测试技术概况 敏感元件敏感元件转换元件转换元件适配电路适配电路显示或存储显示或存储接口接口（数字化）（数字化）计算机或计算机或控制系统控制系统分析结果分析结果反馈、控反馈、控制或诊断制或诊断传感器传感器信

4、号调理信号调理信号分析处理信号分析处理图0-2 测量系统的一般构成一、测试和测量系统一、测试和测量系统第一节第一节 测试技术概况测试技术概况 测试系统是指测试系统是指由相关的器件、仪器和测试装置有机组合由相关的器件、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而成的具有获取某种信息之功能的整体。如下图所示。如下图所示。 为了为了准确准确的获得被测对象的信息，要求测试系统中的的获得被测对象的信息，要求测试系统中的每一个环节的输出量与输入量之间必须具有每一个环节的输出量与输入量之间必须具有一一对应一一对应关系。关系。而且，其输出的变化能够准确地反映出其输入的变化，即而且，其输出的变化能

5、够准确地反映出其输入的变化，即实现实现不失真的测试不失真的测试。 被测对象被测对象传感器传感器信号信号调理调理信号信号处理处理数据显示数据显示与记录与记录反馈、控制反馈、控制一、测试和测量系统一、测试和测量系统第一节第一节 测试技术概况测试技术概况 自然自然状态时有些信息却无法状态时有些信息却无法显现或显现的不明显，需要通过显现或显现的不明显，需要通过激励装置激励装置作用于被测对象，使之作用于被测对象，使之产生出我们要获取的信息载于其产生出我们要获取的信息载于其中的一种新的信号。中的一种新的信号。被测对象被测对象传感器传感器信号信号调理调理信号信号处理处理数据显示数据显示与记录与记录反馈、控制

6、反馈、控制激激 励励一、测试和测量系统一、测试和测量系统第一节第一节 测试技术概况测试技术概况 传感器是将被测信息按一定规律转换成同种或别种量值输出的装置。这种输出量通常是电信号。一、测试和测量系统一、测试和测量系统第一节第一节 测试技术概况测试技术概况 信号的调理环节是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，将阻抗的变化转换成电压的变化或频率的变化等。 基本放大器信号的调制与解调一、测试和测量系统一、测试和测量系统第一节第一节 测试技术概况测试技术概况 信号处理环节对来自信号调理环节的信号进行各种运算、滤波和分析四种滤波器

7、的幅频特性 一、测试和测量系统一、测试和测量系统第一节第一节 测试技术概况测试技术概况 信号显示、记录环节是将来自信号处理环节的信号以观察者易于观察的形式来显示或存贮测试的结果。 光线示波器一、测试和测量系统一、测试和测量系统第一节第一节 测试技术概况测试技术概况 机床轴承故障监测系统 报警信息控制信息执行装置 反馈控制环节主要应用于闭环控制系统中的测试系统。二、测试技术的发展概况二、测试技术的发展概况 第一节第一节 测试技术概况测试技术概况 1、传感器方面、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应开发出的新

8、型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物酶血样分析传感器二、测试技术的发展概况二、测试技术的发展概况 第一节第一节 测试技术概况测试技术概况 b)传感器传感器+嵌入式计算机嵌入式计算机 智能传感器智能传感器 振动网络传感器振动网络传感器嵌入式计算机嵌入式计算机智能压力网络智能压力网络传感器传感器智能智能倾角倾角RS232RS232传感器传感器IC总线数字温度总线数字温度传感器传感器1、传感器方面、传感器方面 二、测试技术的发展概况二、测试技术的发展概况 第一节第一节 测试技术概况测试技术概况 2、测量信号处理方面、测量信号处理方面 计算机虚拟仪器技术

9、计算机虚拟仪器技术 用用PC机仪器板卡机仪器板卡 代替传统仪器代替传统仪器用计算机软件用计算机软件 代替硬件分析电路代替硬件分析电路我们的工作我们的工作三、测试技术的工程应用三、测试技术的工程应用 第一节第一节 测试技术概况测试技术概况 1 1、工业自动化中的应用、工业自动化中的应用 a)机械手、机器人中的传感器机械手、机器人中的传感器 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。要组成部分。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 转动转动/移动位置传感器、力传

10、感器、视觉传感器、听觉传感器、接近移动位置传感器、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。距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。三、测试技术的工程应用三、测试技术的工程应用 第一节第一节 测试技术概况测试技术概况 b) AGV自动送货车自动送货车 超声波测距传感器：判断超声波测距传感器：判断建筑物内人和物所在位置；建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传红外线色彩传感器：运动轨迹和感器：运动轨迹和AGV小车位置小车位置识别；条形码传感器：识别；条形码传感器：货品识别。货品识别。香港理工香港理工AGV模型模型Automated Guided V

11、ehicles1 1、工业自动化中的应用、工业自动化中的应用 三、测试技术的工程应用三、测试技术的工程应用 第一节第一节 测试技术概况测试技术概况 c) 生产加工过程监测生产加工过程监测 切削力传感器，加切削力传感器，加工噪声传感器，超工噪声传感器，超声波测距传感器、声波测距传感器、红外接近开关传感红外接近开关传感器等。器等。密歇根大学数字化工厂密歇根大学数字化工厂1 1、工业自动化中的应用、工业自动化中的应用 三、测试技术的工程应用三、测试技术的工程应用 第一节第一节 测试技术概况测试技术概况 2 2、产品质量测量、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，必须对其在汽车

12、、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。测试，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三、测试技术的工程应用三、测试技术的工程应用 第一节第一节 测试技术概况测试技术概况 在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用在家电产品和办公自动化产品设计中，

13、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。了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。指纹传感器指纹传感器3 3、家庭与办公自动化、家庭与办公自动化三、测试技术的工程应用三、测试技术的工程应用 第一节第一节 测试技术概况测试技术概况 鼠标鼠标:光电位移传感器光电位移传感器摄象头摄象头:CCD传感器传感器声位笔声位笔:超声波传感器超声波传感器麦克风麦克风:电容传声器电容传声器声卡声卡:A/D卡卡 + D/A卡卡软驱软驱:速度速度,位置伺服位置伺服4 4、PCPC机中的测试技术应用机中的测试技术应用四、课程的主要环节和本书概要四、课程的主要环节和本书概要 第一节第一节 测试技术概况测试技术

14、概况 本课程的研究对象是机械工程领域与设计有关的试验、本课程的研究对象是机械工程领域与设计有关的试验、控制和运行监测中涉及到物理量及其他工程量的控制和运行监测中涉及到物理量及其他工程量的测量和测量测量和测量装置与系统的性能装置与系统的性能，包括，包括物理量和其他工程量的测量方法物理量和其他工程量的测量方法测试中常用的传感器测试中常用的传感器信号调理电路及记录信号调理电路及记录显示仪器的工作原理显示仪器的工作原理测量装置基本特性的评价方法测量装置基本特性的评价方法测试信号的分析和处理测试信号的分析和处理四、课程的主要环节和本书概要四、课程的主要环节和本书概要 第一节第一节 测试技术概况测试技术概

15、况 学生在学完本课程后应具有下列几方面的知识：学生在学完本课程后应具有下列几方面的知识： 1)1)掌握信号的时域和频域的描述方法，建立明确的信号频谱掌握信号的时域和频域的描述方法，建立明确的信号频谱结构的概念；掌握频谱分析和相关分析的基本原理和方法，掌握结构的概念；掌握频谱分析和相关分析的基本原理和方法，掌握数字信号分析中的一些基本概念。数字信号分析中的一些基本概念。 2)2)掌握测试装置基本特性的评价方法和不失真测试条件，并掌握测试装置基本特性的评价方法和不失真测试条件，并能正确地运用于测试装置的分析和选择。掌握一阶、二阶线性系能正确地运用于测试装置的分析和选择。掌握一阶、二阶线性系统动态特

16、性及其测定方法。统动态特性及其测定方法。 3)3)了解常用传感器、常用信号调理电路和记录、显示仪器的了解常用传感器、常用信号调理电路和记录、显示仪器的工作原理和性能，并能较合理地选用。工作原理和性能，并能较合理地选用。 4)4)对动态测试的基本问题有一个比较完整的概念，并能初步对动态测试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量的测量和产品的试验。运用于机械工程中某些参量的测量和产品的试验。一、量与量纲一、量与量纲 第二节第二节 测量的基础知识测量的基础知识 量量是指是指现象、物体或物质可定性区别和定量确定的一种现象、物体或物质可定性区别和定量确定的一种属性属性。不同类的

17、量彼此可以定性区别，如长度与质量是不同。不同类的量彼此可以定性区别，如长度与质量是不同类的量。类的量。 “量纲量纲”代表一个代表一个实体实体( (被测量被测量) )的确定特征的确定特征，而，而量纲单量纲单位则是该实体的量化基础位则是该实体的量化基础。例如，长度是一个量纲，而厘米。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。个单位。国际单位（国际单位（SISI）制中，基本量：）制中，基本量： 长度长度 质量质量 时间时间 温度温度 电流电流 发光强度发光强度 物质的量物质的量 L M T I N J无

18、量纲量弧度基本量（SI）长度质量 时间 温度 电流发光强度物质的量LM T IN J单位米Metre千克Kilogram秒Second开尔文Kelvn安培Ampere坎德拉Candela摩尔mol单位代号mkgsKAcdmol2 2辅助单位辅助单位 在国际单位制中，在国际单位制中，平面角的单位平面角的单位弧度弧度和和立体角的单位立体角的单位球面度球面度未归入未归入基本单位或导出单位，而称之为辅助单位。辅助单位既可以作为基本单位使用，基本单位或导出单位，而称之为辅助单位。辅助单位既可以作为基本单位使用，又可以作为导出单位使用。又可以作为导出单位使用。 3 3导出单位导出单位 在选定了基本单位和辅

19、助单位之后，按物理量之间的关系，由在选定了基本单位和辅助单位之后，按物理量之间的关系，由基本单位和辅基本单位和辅助单位以相乘或相除的形式助单位以相乘或相除的形式所构成的单位称为导出单位。所构成的单位称为导出单位。1 1基本单位基本单位二、法定计量单位二、法定计量单位 三、测量方法（直接测量、间接测量、组合测量）三、测量方法（直接测量、间接测量、组合测量） 第二节第二节 测量的基础知识测量的基础知识 1. 直接测量直接测量 （绝对测量、相对测量）（绝对测量、相对测量） 直接测量：直接将直接测量：直接将被测量被测量与与标准量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

20、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）定值标准量（如某一固定尺寸） 相对测量相对测量三、测量方法三、测量方法 第二节第二节 测量的基础知识测量的基础知识 - 绝对测量：绝对测量：采用仪器、设备、手段测量被测量，直接得到测量值采用仪器、设备、手段测量被测量，直接得到测量值测量结果：测量结果：20.1 mm- 相对测量：相对测量：将被测量直接与基准量比较，得到偏差值将被测量直接与基准量比较，得到偏差值特点：特点：简单、直观、明了；简单、直观、明了； 测量精度不高测量精度不高基准量：基准量：20.00 mm测量值：测量值：+0.08 mm结结 果：果：20.

21、08 mm特点：特点：精度高；复杂、成本高、要求高精度高；复杂、成本高、要求高三、测量方法三、测量方法 第二节第二节 测量的基础知识测量的基础知识 2.2.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Rdl243.3.组合测量组合测量 指将指将直接测量值或间接测量值与被测量值之间按已知直接测量值或间接测量值与被测量值之间按已知关系组合成一组方程关系组合成一组方程( (函数关系函数关系) )，通过解方程组得到被测，通过解方程组得到被测值的方法。值的方法。 组合测量实质是组合测量实质是间接测

22、量的推广间接测量的推广，其目的就是在不提，其目的就是在不提高计量仪器准确度的情况下，提高被测量值的准确度。高计量仪器准确度的情况下，提高被测量值的准确度。四、测量装置四、测量装置 第二节第二节 测量的基础知识测量的基础知识 测量装置测量装置( (测量系统测量系统) )是指为了确定被测量值所必需的器具和辅助设备是指为了确定被测量值所必需的器具和辅助设备的总体的总体。（。（P7P7）1 1传感器传感器 它是直接作用于被测量，并能按一定规律将被测量转换成同种或别种它是直接作用于被测量，并能按一定规律将被测量转换成同种或别种量值输出的器件。量值输出的器件。2 2测量变换器测量变换器 提供与输入量有给定

23、关系的输出量的测量器件提供与输入量有给定关系的输出量的测量器件。显然，当测量变换器。显然，当测量变换器的输入量为被测量时，该测量变换器实际上就是传感器；反过来，传感器的输入量为被测量时，该测量变换器实际上就是传感器；反过来，传感器也就是第一级的测量变换器。也就是第一级的测量变换器。当测量变换器的输出量为标准信号时，它就当测量变换器的输出量为标准信号时，它就被称为变送器被称为变送器。在自动控制系统中，经常用到变送器。在自动控制系统中，经常用到变送器。3 3检测器检测器 用以指示某种特定量的存在而不必提供量值的器件或物质。用以指示某种特定量的存在而不必提供量值的器件或物质。在某些情在某些情况下，只

24、有当量值达到规定的阈值时才有指示。化学试纸就是一种检测器。况下，只有当量值达到规定的阈值时才有指示。化学试纸就是一种检测器。4 4测量器具的示值测量器具的示值 由测量器具所指示的被测量值。示值用被测量的单位表示。由测量器具所指示的被测量值。示值用被测量的单位表示。四、测量装置四、测量装置 第二节第二节 测量的基础知识测量的基础知识 5 5准确度等级准确度等级 用来表示测量器具的等级或级别。每一等级的测量器具都有相应的用来表示测量器具的等级或级别。每一等级的测量器具都有相应的计量要求，用来保持其误差在规定极限以内。计量要求，用来保持其误差在规定极限以内。6.6.标称范围标称范围 也称为示值范围。

25、测量器具标尺范围所对应的被测量示值的范围。也称为示值范围。测量器具标尺范围所对应的被测量示值的范围。例如温度计的标尺范围的起点示值为一例如温度计的标尺范围的起点示值为一3030，终点示值为，终点示值为+20+20，其标，其标称范围即为一称范围即为一3030+20+20。7 7量程量程 标称范围的上下限之差的模。上例的量程就是标称范围的上下限之差的模。上例的量程就是5050。8 8测量范围测量范围 在测量器具的误差处于允许极限内的情况下，测量器具所能测量的被在测量器具的误差处于允许极限内的情况下，测量器具所能测量的被测量值的范围。测量值的范围。9 9漂移漂移 测量器具的计量特性随时间的慢变化。测

26、量器具的计量特性随时间的慢变化。五、测量误差五、测量误差 第二节第二节 测量的基础知识测量的基础知识 1、测量误差的定义：、测量误差的定义：测量误差测量误差 = 测得值测得值 - 真值真值客观真实值（未知）客观真实值（未知） 约定真值：世界各国公认的几何量和物理量的最高基准的量值约定真值：世界各国公认的几何量和物理量的最高基准的量值如：米如：米 - 公制长度基准公制长度基准测量所得数据与其相应的真值之差测量所得数据与其相应的真值之差 - 1）绝对误差）绝对误差 x = x x0 理论真值：设计时给定或用数学、物理公式计算出的给定值理论真值：设计时给定或用数学、物理公式计算出的给定值光在真空中光

27、在真空中1s时间内传播距离的时间内传播距离的1/299792485五、测量误差五、测量误差 第二节第二节 测量的基础知识测量的基础知识 按误差来源：按误差来源：装置误差、环境误差、方法误差、人员误差装置误差、环境误差、方法误差、人员误差按特性规律：按特性规律：系统误差、随机误差、粗大误差系统误差、随机误差、粗大误差2、测量误差的分类：、测量误差的分类： 系统误差系统误差由特定原因引起、具有一定因果关系并按确定规律产生由特定原因引起、具有一定因果关系并按确定规律产生 - 有规律可循有规律可循装置、环境、动力源变化、人为因素装置、环境、动力源变化、人为因素再现性再现性 - 偏差（偏差（Deviat

28、ion）理论分析理论分析/实验验证实验验证 - 原因和规律原因和规律 - 减少减少/消除消除五、测量误差五、测量误差 第二节第二节 测量的基础知识测量的基础知识 随机误差随机误差因许多不确定性因素而随机发生因许多不确定性因素而随机发生偶然性（不明确、无规律）偶然性（不明确、无规律）概率和统计性处理（无法消除概率和统计性处理（无法消除/ /修正）修正） 粗大误差粗大误差检测系统各组成环节发生异常和故障等引起检测系统各组成环节发生异常和故障等引起（超出误差范围）（超出误差范围）分离分离 - - 防止防止 五、测量误差五、测量误差 第二节第二节 测量的基础知识测量的基础知识 3、误差的表示方法：、误

29、差的表示方法：1 1）绝对误差：）绝对误差：测量某量所得值与其真值（约定真值）之差。测量某量所得值与其真值（约定真值）之差。 2 2）相对误差：）相对误差：绝对误差与约定真值之比。用百分数表示。绝对误差与约定真值之比。用百分数表示。 相对误差越小，测量精度越高。相对误差越小，测量精度越高。 3 3）引用误差：）引用误差：装置示值绝对误差与装置量程之比。装置示值绝对误差与装置量程之比。 例如，测量上限为例如，测量上限为100克的电子秤，秤重克的电子秤，秤重60克的标准重量时，其示克的标准重量时，其示值为值为60.2克，则该测量点的引用误差为：（克，则该测量点的引用误差为：（60.2-60）100=0