现代测试技术第一章

现代测试技术

Modern

Test&MeasurementTechnology

吴青

E-mail:wq@Tel一章、绪论本章学习要求：1.掌握测试技术的概念及研究内容2.了解测试技术的应用情况3.了解测试技术的发展动态4.了解主要测试仪器生产厂商第一章绪论1.1测试的基本概念

测试技术是一门古老而新兴的实验科学。是人类认识客观世界的手段（实践途径）。凡需考察事物的状态、变化和特征等，并要对它进行定量描述时，都离不开测试工作。人类早期的测量活动涉及对长度（距离）、时间、面积和重量等量的测量。随着社会的进步和科学的发展，测量活动的范围不断扩大，测量的工具和手段不断精细和复杂化，从而也不断地丰富和完善了测量的理论。

测量的发展公元前3000年，古埃及人建立了长度的统一标准――埃尔；秦始皇在统一六国后，建立了统一的度量制度；今天，测量学科已渗透到人类活动的每个领域。

科学技术的迅猛发展给测量学这一古老的学科注入了新的活力，现代电子技术、尤其是信息技术的发展更是推动测量学科迅猛发展。因此测量学是一门多学科交叉的边缘学科。

测试（Measurementandtest）：是测量与试验的概括.测试是具有试验性质的测量。也可理解为测量与试验的综合。测量（Measurement）：是以确定被测对象的属性量值为目的的实验过程。是使用技术装置通过实验方法求得被测量的值；或者是将被测量的值与同性质的标准量比较，并确定被测量与标准量的倍数。试验（

test）：是对迄今未知事物的探索性的认识过程。是为了解某物的性能或某事的结果而进行的尝试性活动。试验研究是机械工程基础研究和产品开发的重要环节，而试验方案及其结果的优劣好坏往往对研究工作或产品开发是否取得预期效果起重要作用。机械工程试验通常有以下几种类型：1）基础研究中的试验。如机构学、运动学、动力学、摩擦学以及控制方法等方面的原理性试验。2）新产品开发中旨在验证机器性能、功能和可靠性的试验。例如样机或定型产品的整机全面性能（功能）试验或元部件的性能、寿命试验等。3）加工工艺研究中的试验。例如金属切削过程试验、刀具切削性能及磨损试验、金属塑性成型试验、特种加工工艺试验等。4）机器动态性能试验。如结构实验模态分析、系统辩识以及机器的振动和声学（噪声）试验等。5）以机器的控制系统设计为目的的试验以及控制系统校正和控制器（或校正环节）设计有关的试验。本教材主要的测量方面的内容，试验方面的内容相对较少些。1.2

测试技术的内容测试技术研究的主要内容为：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。

测量原理：指实现测量所依据的物理、化学、生物等现象及有关定律的总体。例如，压电晶体测振动加速度时所依据的是压电效应；电涡流位移传感器测静态位移和振动位移时所依据的是电磁效应；热电偶测量温度时所依据的是热电效应等等。不同性质的被测量用不同的原理去测量，同一性质的被测量亦可用不同的的原理去测量。测量方法：直接测量法或间接测量法、电测法或非电测法、模拟量测量法或数字量测量法、等精度或不等精度测量法、接触式与非接触式、动态和静态等。在确定了被测量的测量原理和测量方法以后，就要设计或选用装置组成测量系统。实际测试得到的数据必须加以处理，才能得到正确可靠的结果。1.3测试系统的组成

测试工作所希望获取的信息，有可能已载于某种可检测的信号中，也有可能尚未载于可检测的信号中。对于后者，测试工作就包含着选用合适的方式激励被测对象，使其产生既能充分表征其有关信息又便于检测的信号。激励源：作用是向测试对象输入一定类型和强度的能量，使它处于特定的运动状态之中，激发出需要测量的信息。如测机床主轴径向跳动，只有在机床主轴旋转起来才可测径向跳动；也只有在切削加工正在进行时，才有切削力可言。而这激励源就是机床主轴电动机。被测对象：是我们的研究对象。本课程所研究的对象是工程实际（领域）中常用的物理量。如机床主轴径向跳动、加热炉的炉温、钢板的厚度、物体的重量等。按照被测量随时间变化的规律，可将其分为动态量和静态量两类。静态量：被测量是固定不变的，不随时间变化，或虽然有所变化但相对观测时间而言变化非常缓慢而忽略不计的量称之。对静态量进行的测试就称为静态测试。动态量：被测量随时间的变化而改变的量称为动态量。对动态量进行的测试称为动态测试。

在动态测试中，由于测试装置本身也具有特定的动态特性，而所研的信号总是测试装置的动态特性和研究对象动态特性综合反映，所以问题比较复杂。本课程重放在动态方面。传感器（sensor,transducer）：作用类似于人的感官，它感受被测信号，并将被测量（如位移、温度等）转换为可测信号（如电量），传送给测量系统的中间转换器。它具有敏感功能和转换功能。

非电量——电量

位移、温度、力、速度等——电阻、电容、电感、电压等。信号的调理（中间转换）

:是对传感器输出的微弱信号进行检波、转换、滤波、放大等，以方便测试系统后续处理或显示。组成：通常包括滤波、放大、线性化等环节。信号处理:

是对前面来自信号调理环节的信号进行各种滤波，计算和分析。其作用与功能和人的大脑相类似。信号处理设备可能是某种简单的模拟式计算电路或微处理机、计算机等。

信号显示、记录:

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。为了准确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一一对应关系。而且，其输出的变化能够准确地反映出其输入的变化，即实现不失真的测试。

对于不同的被测参量，测试系统的构成及作用原理可以不同；根据测试任务的复杂程度，一个测试系统也可以有简单和复杂之分。 在对待属性各异的各类测试系统中，常常略去系统具体的物理上的含义，而将其抽象为一个理想化的模型，目的是为了得到一类系统共性的规律。将系统中变化着的各种物理量，如力、位移、加速度、电压、电流、光强等称为信号。 因此，信号与系统是紧密相关的。信号按一定的规律作用于系统，而系统在输入信号的作用下，对它进行“加工”，并将该“加工”后的信号进行输出。通常将输入信号称为系统的激励，而将输出信号称为系统的响应。1.4测试技术的发展动向

先进技术的发展日新月异，测试技术应该适应这种发展。根据先进制造技术发展的要求以及测试技术自身的发展规律，不断拓展着新的测量原理和测试方法，以及测试信息处理技术。具体体现在下面三点：（1）传感器向新型、微型、智能型方向发展；（2）测试仪器向高精度、多功能、小型化、在线监测、性能标准化和低价格发展；（3）参数测量与数据处理以计算机为核心，使测量、分析、处理、打印、绘图、状态显示及故障预报向自动化、集成化、网络化发展。a)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光纤流速传感器荧光材料制作的电子鼻传感器生物酶血样分析传感器热/光电量b)传感器+嵌入式计算机智能传感器振动网络传感器嵌入式计算机智能压力网络传感器智能倾角RS232传感器IC总线数字温度传感器就机械工程而言，测试技术在以下几个方面需要发展：

1）测量方式的多样化①多传感器融合技术在制造现场中的应用

多传感器融合是解决测量过程中测量信息获取的方法，它可以提高测量信息的准确性。由于多传感器是以不同的方法或从不同的角度获取信息的，因此可以通过它们之间的信息融合去伪存真，提高测量精度。②积木式、组合式测量方法

增加测试系统的柔性，实现不同层次不同目标的测试目的。

计算机虚拟仪器技术用PC机＋仪器板卡代替传统仪器用计算机软件代替硬件分析电路优点我们的工作③便携式测量仪器

如便携式光纤干涉测量仪、便携式大量程三维测量系统等，用于解决现场大尺寸的测量问题。④虚拟仪器

虚拟仪器是虚拟现实技术在精密测试领域的应用，一种是将多种数字化的测试仪器虚拟成一台以计算机为硬件支撑的数字式的智能化测试仪器；另一种是研究虚拟制造中的虚拟测量，如虚拟量块、虚拟坐标测量机等。⑤智能结构

它属于结构检测与故障诊断，是融合智能技术、传感技术、信息技术、仿生技术、材料科学等的一门交叉学科，使监测的概念过渡到在线、动态、主动的实时监测与控制。2）视觉测试技术

视觉测试技术是建立在计算机视觉研究基础上的一门新兴测试技术。与计算机视觉研究的视觉模式识别、视觉理解等内容不同，视觉测试技术重点研究物体的几何尺寸及物体的位置测量，如三维面形的快速测量、大型工件同轴度测量、共面性测量等。它可以广泛应用于在线测量、逆向工程等主动、实时测量过程。

3)尺寸继续向两个极端发展

两个极端就是指相对于现在测量尺寸的大尺寸和小尺寸。通常尺寸的测量已被广为注意，也开发了多种多样的测试方法。近年来，由于国民经济的快速发展和迫切需要，使得很多方面的生产和工程中测试的要求超过了我们所能测试的范围，如飞机外形的测量、大型机械关键部件测量、高层建筑电梯导轨的准直测量、油罐车的现场校准等都要求能进行大尺寸测量；微电子技术、生物技术的快速发展，探索物质微观世界的需求，测量精度的不断提高，又要求进行微米、纳米测试。纳米测量也多种多样，有光干涉测量仪、量子干涉仪、电容测微仪、X射线干涉仪、频率跟踪式法珀标准量具、扫描电子显微镜(SEM)、扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)、分子测量机M3(molecularmeasuringmachine)等。主要传感器和测试仪器生产厂商2、振动/噪声传感器丹麦B&K（振动测量、声学测量领域最富盛名）:8080/gccs/lesson/corp/bk/main.htm1、工业自动化类传感器美国霍尼威尔公司（有全球最大传感器技术研究中心）/china3、测量分析仪器美国国家仪器公司(全球最大的计算机虚拟仪器生产商):8080/gccs/lesson/corp/labview/main.htm美国Agilent公司(原惠普公司仪器部，著名的测试仪器商):8080/gccs/lesson/corp/agilent/agilent.htm1.5

测试技术的应用

在工程技术领域，工程研究、产品开发、生产监督、质量控制和性能等，都离不开测试技术。特别是近代自动控制技术已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。

下面是几个典型的应用领域：1）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，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。

在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位….2）工业自动化中的应用

a)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b)AGV（AutomatedGuidedVehicle）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；条形码传感器，货品识别。香港理工AGV模型测试技术在汽车中的应用日新月异发动机：向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息，对发动机工作状况进行精确控制温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等

汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容

普通轿车：约安装几十到近百只传感器，豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。

底盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温车身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等

3)设备运行状态监控系统

在电力、冶金、石化、化工等众多行业中，某些关键设备的工作状态关系到整个生产线正常流程。如：汽轮机、燃气轮机、水轮机、发电机、电机、压缩机、风机、泵、变速箱等等。对这些关键设备运行状态的实施24小时实时动态监测，及时、准确掌握它的变化趋势，为工程技术人员提供详细、全面的机组信息，是设备由事后维修或定期维修向预测维修转变的基础。国内外大量实践表明，机组某些重要测点的振动信号非常真实地反映了机组的运行状态。由于机组绝大部分故障都有一个渐进发展的过程，通过监测振动总量级的变化过程，完全可以及时预测设备的故障的发生。结合其它综合监测信息如：温度、压力、流量等，运用精密故障诊断技术甚至可以分析出故障发生的位置，为设备的维修准备提供可靠依据，将因设备故障维修带来的损失降到最低程度。

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。c)生产加工过程监测切削力传感器，加工噪声传感器，超声波测距传感器、红外接近开关传感器等。数字化工厂测试技术在日常生活中的应用与日俱增

家用电器：数码相机、数码摄像机：自动对焦红外测距传感器自动感应灯：亮度检测光敏电阻空调、冰箱、电饭煲：温度检测热敏电阻、热电偶电话、麦克风：话音转换驻极电容传感器遥控接收：红外检测光敏二极管、光敏三极管可视对讲、可视电话：图像获取面阵CCD

例如全自动洗衣机以人们洗衣操作的经验作为模糊控制的规则，采用多种传感器将洗衣状态信息检测出来，并将这些信息送到微电脑中，经微电脑处理后，选择出最佳的洗涤参数，对洗衣全过程进行自动控制，达到最佳的洗涤效果。

利用衣量传感器来检测洗衣时衣物量的多少，从而决定设定水位的高低。利用衣质传感器来检测衣物重量、织物种类，从而决定最优洗涤温度、洗涤时间。．利用水温传感器来检测开机时的环境温度和注水结束时的水温，为模糊推论提供信息。利用传感器来检测水的硬度，进而决定添加洗衣粉的量以期达到最佳洗涤效果。利用光传感器来检测洗涤液的透光率，从而间接检测了洗净程度。利用传感器监测漂洗过程中的肥皂沫的变化决定漂洗的次数。利用传感器监测干衣过程中衣物电阻的变化，来选择决定烘干时间，与传统的定时烘干相比，更具灵活性。利用压力传感器实现电信号与机械力信号的相互转换，以实现无级调水，从而达到省水、省电的目的。数字体温计：接触式热敏电阻，非接触式红外传感器医疗卫生：电子血压计：血压检测

压力传感器血糖测试仪、胆固醇检测仪

离子传感器医学办公商务：扫描仪：文档扫描线阵CCD红外传输数据：红外检测光敏二极管、光敏三极管鼠标: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,位置伺服楼宇自动化

楼宇自动化系统，或称建筑物自动化系统是将建筑物(或建筑群)内的消防、安全、防盗、电力系统、照明、空调、卫生、给排水、电梯及其他机械设备等设备以集中监视、控制和管理为目的而构成的一个综合系统。它的目的是使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活环境和高效的工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。

下图是某公司总部的楼宇自动化系统。该系统分为七个子系统：电源管理、安全检测、照明控制、空调、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检测技术在军事上的应用美军研制的未来单兵作战武器OICW夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确的定位目标。在发射20毫米高爆弹时，激光测距仪可将目标的距离信息自动传输至高爆弹的爆炸引信，以便精确的设定引爆时间。美国国家导弹防御计划NMD检测技术在国防领域的应用

监测系统:探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；

拦截器：能识别真假弹头，敌友方测试技术在航天领域举足轻重飞行器测控

检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵

火箭测控

检测火箭状况、姿态、轨迹

“阿波罗10”：火箭部分2077个传感器飞船部分1218个传感器，检测参数加速度、温度、压力、振动、流量、应变、声学、神州飞船：185台（套）仪器装置……教学实验、气象预报、大地测绘、灾情预报、交通指挥、……涵盖吃穿用、农轻重、海陆空1.6信息、信号及噪声

测试技术属于信息科学范畴，也称信息探测工程学。整个测试系统就是信息的获取（采集）、信号的转换、信号的分析处理、信号的传送及信号的执行、输出过程。

信息：是被研究对象的状态和特征的表征（或反映）。信息本身不是物质，不具有能量，但信息的传输却依靠物质和能量。为了获取信息，人们设法去度量某些物理量。如测应变以求应力，利用电调幅和调频波传送图像和语言信息，用回转体振动的幅值和相位表示转子不平衡状态，这些被测量的物理量就是信号。信号：是传载信息的工具，或是传输信息的载体（工具或函数）。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。信息蕴涵于信号之中。同一信息可以选用不同的信号传载。如人们的思想可以用语言表达，也可以用文字、编码（如电报编码）表示。而同一信号也可以表示不同的信息。如红色信号灯可表示禁止车辆通行，也可以表示某实验室正在用电。如果挂在病人床前则表示病危，这要根据实际工作的需要来选择。噪声：表征这些无用信息的信号。

课程内容：

本课程主要介绍工业自动化,环境监测,楼宇控制,交通等领域中常见物理量(压力、应变、位移、加速度、温度等）的传感器测量原理、测量电路原理和信号分析方法。绪论信号分析基础传感器原理测试系统特性模拟信号处理数字信号处理工程应用内容如下1.7本课程的内容、特点和学习要求本课程的特点：边缘性

测试技术是一门综合性技术。现代测试系统常常是集机电于一体，软硬件相结合的，具有智能化、自动化的系统。它涉及到传感技术、微电子技术、控制技术、计算机技术、信号处理技术、精密机械设计技术等众多技术。因此，要求测试工作者具有深厚的多学科知识，如力学、电学、信号处理、自动控制、机械振动、计算机、数学等。学习时，要抓住重点，注意各知识之间的联系，逐步培养综合运用基础理论与工程技术知识的能力。发展的迅速性

机械工程测试技术总是在吸收各种新的科技成果的基础上，不断变化着自己的内容和范围。目前，某一种型号的电测仪器的技术寿命是很短的，平均只有三至五年，而与此相反相成是一些基本环节、基本原理的技术寿命却相当长，因此，我们应当把主要精力放在掌握那些基本环节、基本原理以及基本的分析和综合方法上、放在共性问题上、掌握重点、举一反三。工具性

对于工程技术人员来讲，测试技术是一种工具。我们是“用”测试仪表的，而不是“搞”测试仪表的。学完这门课后，应能达到的基本要求是“选得准，用得好”。既自己能根据需要，设计一个测试系统。测试技术也是实验科学的分支，学习中必须理论学习与实验密切结合，以便得到基本实验技能的训练。学习要求：通过本课程的学习，要求学生能做到：（1）掌握测试技术的基本理论，包括信号的时域和频域的描述方法、频谱分析和相关分析的原理和方法、信号调理和信号处理基本概念和方法；（2）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；（3）具有测试系统的机、电、计算机方面的总体设计能力；（4）

具有实验数据处理和误差分析能力。

本课程在教学环节中安排了相关的必要的实验及习题，学习中学生必须主动积极地参加实验，及完成相应的习题才能受到应有的实验能力的训练，才能在潜移默化中获得关于动态测试工作的比较完整的概念，才能初步具有处理实际测试工作的能力。考核方式:实验：10%;