机械测试技术及其应用 绪论

1、机械工程测试技术机械工程测试技术三峡大学机械与材料学院三峡大学机械与材料学院评分标准评分标准期末考试期末考试 70 70平时成绩平时成绩 20 20平时成绩包括平时成绩包括作业作业、出勤出勤等等课时安排课时安排32课时课时， 19周课程考核要求课程考核要求 答疑：答疑：时间：时间：星期一上午星期一上午9：0012：00 星期三上午星期三上午9：0012：00地点：地点：实验成绩实验成绩 10 10课程内容：课程内容： 本课程主要介绍工业自动化本课程主要介绍工业自动化,机械监测与控制等领域中机械监测与控制等领域中常见物理量常见物理量(压力、应变、位移、加速度、温度等压力、应变、位移、加速度、温度

2、等）的传）的传感器测量原理、测量方法、测量系统以及数据处理。感器测量原理、测量方法、测量系统以及数据处理。机械工程测试技术机械工程测试技术 机械工程测试技术是一门与材料机械工程测试技术是一门与材料科学、微电子技术、信息技术密切科学、微电子技术、信息技术密切相关的快速发展的学科。相关的快速发展的学科。 本课程是培养学生解决实际工本课程是培养学生解决实际工程测量问题能力的专业基础课，具程测量问题能力的专业基础课，具有很强实践性。学习时应充分利用有很强实践性。学习时应充分利用课程所开设实验。课程所开设实验。课程性质和目标：课程性质和目标： 机械工程测试技术机械工程测试技术理论学习、理论学习、实践学习

3、、实践学习、研究学习研究学习三元并重三元并重.只有通过足只有通过足够的实验和够的实验和仿真实验操仿真实验操作，才能得作，才能得到应有的实到应有的实际动手能力际动手能力培养和更好培养和更好的掌握书本的掌握书本知识。知识。机械工程测试技术机械工程测试技术信息与控制：信息与控制： 培养学生在实践中对知识融会贯通，独立学习培养学生在实践中对知识融会贯通，独立学习和解决问题的能力和解决问题的能力 。仓储模型仓储模型机械手机械手机械工程测试技术机械工程测试技术煤气包高度测量煤气包高度测量 桥梁固频测量桥梁固频测量 机翼模态分析机翼模态分析 索道检测索道检测机械工程测试技术机械工程测试技术NMD和和TMD如

4、何发现目标如何发现目标 一个测试过程一个测试过程卫星如何预警卫星如何预警基地雷达如何预警基地雷达如何预警如何使拦截导弹击中目标如何使拦截导弹击中目标一颗子弹如何才能打中另一颗子弹？一颗子弹如何才能打中另一颗子弹？ 绪论绪论本章学习要求：本章学习要求：1.掌握测试及信息处理的概念及内容掌握测试及信息处理的概念及内容2.了解机械工程测试技术技术的应用情况了解机械工程测试技术技术的应用情况 3.了解测试技术的发展动态了解测试技术的发展动态 机械工程测试技术机械工程测试技术测试、信息、信号测试、信息、信号 测试测试(measurement and test)是具有试验性质的是具有试验性质的测量。也可以

5、理解为测量。也可以理解为测量测量和和试验试验的综合。的综合。 测试是人类认识自然、掌握自然规律的实践途测试是人类认识自然、掌握自然规律的实践途径之一，是科学研究中获得感性材料、接受自然径之一，是科学研究中获得感性材料、接受自然信息的途径，是形成、发展和检验自然科学理论信息的途径，是形成、发展和检验自然科学理论的实践基础。的实践基础。 测试属于信息科学范畴。测试属于信息科学范畴。机械工程测试技术机械工程测试技术 信息信息(information)是物质所固有的，是其客观是物质所固有的，是其客观存在或运动状态的特征。存在或运动状态的特征。事物的变化总会以某些特征形式表事物的变化总会以某些特征形式表

6、现出来。如你想去旅游，如何表现？你高兴？如何表现？现出来。如你想去旅游，如何表现？你高兴？如何表现？ 信息本身不是物质，不具有能量，必须依靠能信息本身不是物质，不具有能量，必须依靠能量传输。量传输。 信号信号(signal)传输信息的载体，信息蕴涵于信传输信息的载体，信息蕴涵于信号之中。号之中。如古代烽火，光信号蕴涵什么信息？（敌人来进攻）。防如古代烽火，光信号蕴涵什么信息？（敌人来进攻）。防空警报，声信号蕴涵什么信息？（敌机空袭）。空警报，声信号蕴涵什么信息？（敌机空袭）。 机械信号是指机械系统在运行过程中各种随机械信号是指机械系统在运行过程中各种随时间变化的动态信息，经各种测试仪器拾取并存

7、储时间变化的动态信息，经各种测试仪器拾取并存储下来的数据或图像。下来的数据或图像。 信号是物理性的，是物质，具有能量。人类获信号是物理性的，是物质，具有能量。人类获取信息，需要借助信号的传播。取信息，需要借助信号的传播。机械工程测试技术机械工程测试技术 要获得有用的信息，必须对被测物理量进行转要获得有用的信息，必须对被测物理量进行转换、分析和处理，必须借助一定的测试系统。换、分析和处理，必须借助一定的测试系统。 人类认识世界，是以感官感知自然信息开始的。人类认识世界，是以感官感知自然信息开始的。但人类感官具有局限性。传感器扩展了人类的感但人类感官具有局限性。传感器扩展了人类的感知信息的功能。知

8、信息的功能。如望远镜（宏观如望远镜（宏观)、扫描隧道电子显微镜（微、扫描隧道电子显微镜（微观），科学家预言：人类将得知和制造出任何一种物质。观），科学家预言：人类将得知和制造出任何一种物质。 工程中常将各种非电物理量变换为电信号，以工程中常将各种非电物理量变换为电信号，以利于信息的传输、存储和处理。利于信息的传输、存储和处理。 机械工程测试技术机械工程测试技术测试、信息处理的基本内容测试、信息处理的基本内容 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

9、和分析电路，很简单，析电路，很简单，但精度底，无法实但精度底，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。 机械工程测试技术机械工程测试技术 一般说来，测试系统由传感器、中间变换装置一般说来，测试系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三部分组成。和显示记录装置三部分组成。 传感器传感器将被测物理量将被测物理量(非电量非电量) 检

10、出并转换为电检出并转换为电量，中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进量，中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经行分析处理或经A/D变换后用软件进行变换后用软件进行信号分析信号分析，显示记录装置则测量结果显示出来，提供给观察者显示记录装置则测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。或其它自动控制装置。 机械工程测试技术机械工程测试技术非电量非电量电电量量测试技术的工程应用测试技术的工程应用 测试技术几乎涉及任何一项工程领域，无论测试技术几乎涉及任何一项工程领域，无论是生物、海洋、气象、地质、通信以及机械、电是生物、海洋、气象、地质、通信以及机械、电子等工程，都离不开测试

11、与信息处理。子等工程，都离不开测试与信息处理。在工程领在工程领域，科学实验、产品开发、生产监督、质量控制域，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。等，都离不开测试技术。机械工程测试技术机械工程测试技术测试技术的工程应用测试技术的工程应用 机械工程测试技术机械工程测试技术1 1、工业自动化中的应用、工业自动化中的应用 转动转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听移动位置传感器、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、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。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

12、作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。用，是其重要组成部分。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机械工程测试技术机械工程测试技术a)机械手、机器人中的传感器机械手、机器人中的传感器b) AGV自动送货车自动送货车 超声波测距传感器超声波测距传感器:判断判断建筑物内人和物所在位建筑物内人和物所在位置置；红外线色彩传感器红外线色彩传感器:运动轨迹和运动轨迹和AGV小车位置小车位置识别；识别；条形码传感器条形码传感器:货品货品识别。识别。香港理工香港理工AGV模型模型机械工程测试技术机械工程测试技术c) 生产加工

13、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机械工程测试技术机械工程测试技术2、工业设备运行状态监控、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。通常建立设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在小时在线监测系统。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

14、露检测。机械工程测试技术机械工程测试技术冶金冶金15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石化石化15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。 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，测量参数包括：图示为汽车出厂检验原理

15、框图，测量参数包括：润滑油温润滑油温度，度， 冷却水温度、燃油压力及发动机转速等冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。汽车扭距测量汽车扭距测量3产品质量测量产品质量测量1616通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。1616机床精度分静精度、加工机床精度分静精度、加工精度（包括尺寸精度和几精度（包括尺寸精度和几何精度）、定位精度、重何精度）、定位精度、重复定位精度等复定位精度等5种。种。 机床动态轮廓精度评价机床动态轮廓精度评价4、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、工为使建筑物成为安全、健康、舒

16、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技术，如闯入监测、空气监测、温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。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机械工程测试技术机械工程测试技术5、家庭与办公自动化、家庭与办公自动化 在家

17、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，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。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，衣质传感衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器器，透光率光传感器(洗净洗净度度) 液位传感器，电阻传感液位传感器，电阻传感器器(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机械工程测试技术机械工程测试技术鼠标：位移传感器鼠标：位移传感器摄象

18、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6、PC机中的测试技术应用机中的测试技术应用机械工程测试技术机械工程测试技术7、其他应用、其他应用航天航天农业农业交通交通医学医学机械工程测试技术机械工程测试技术19 对航天飞机，传感器承载对航天飞机，传感器承载3项使命：其一，获项使命：其一，获取各部件工作状况信息，控制它们协调有序地工取各部件工作状况信息，控制它们协调有序地工作，使航天飞机成为高度精确的自动化系统；其作，使航天飞机成为高度精确的自动化系统；其二，准确地提供

19、飞行参数和空间位置信息，使航二，准确地提供飞行参数和空间位置信息，使航天飞机按预定目标进入轨道、重返大气层和安全天飞机按预定目标进入轨道、重返大气层和安全降落；其三，提供飞行空间环境参数，及时发现降落；其三，提供飞行空间环境参数，及时发现各种意外情况，采取应急措施，确保航天器和航各种意外情况，采取应急措施，确保航天器和航天员安全。天员安全。1-3 测试技术的发展测试技术的发展1、传感器方面、传感器方面 a)结构型传感器结构型传感器 物性型传感器：利用新发现的材料物性型传感器：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和新发现的生物、物理、化学效应开发出的新型传感器光纤流速传感器光纤流速传感器生物酶血样分析传感器生物酶血样分析传感器热热/光光电量电量机械工程测试技术机械工程测试技术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