工程测试技术-绪论机制2015

教材：

工程测试技术基础，赵文礼主编，高等教育出版社参考书：测试与传感技术，侯国章编著，哈尔滨工业大学出版社。工程测试技术基础，曾光奇、胡均安主编，华中科技大学出版社。测试技术基础，王伯雄主编，清华大学出版社。参考网站：https:///courses1基础知识定义、分类发展趋势选用原则一般特性传感器原理检测技术温度传感器光电传感器应变传感器电感传感器电容传感器压电传感器其他传感器检测电路虚拟仪器课程主要内容传感器的工作原理、结构、主要参数、检测电路及其典型应用信号分析检测装置特性21、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、掌握信号调理和信号处理基本概念和方法，具有实验数据处理和误差分析能力；2、掌握测试装置静、动态特性的评价方法和不失真测试条件；能正确运用于测试装置的分析和选型；3、熟练掌握各类典型传感器的基本原理和适用范围，并能合理的选用。4、了解测试技术在机械工程中的应用；初步掌握工程中某些参数的测试方法，如位移、速度、加速度、力、压力、振动参数等。课程要求3绪论2学时信号描述及信号分析5学时测试装置的基本特性5学时常用的传感器7学时中间变换电路2学时测试技术应用5学时测试技术实验6学时总学时32学时考试2学时课程安排4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）/1、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）/china5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)/美国Agilent公司(原惠普公司仪器部，著名的测试仪器商)/6艾法斯亚太有限公司

/美国福禄克公司/测量分析仪器7一、绪论1.1测试技术的作用1.2测试技术的任务1.3测试技术的研究内容1.4测试技术的发展方向1.5课程要求8绪论—1.1测试技术的作用9历史时代：手工化机械化自动化信息化生产方式：人与简单工具动力机与机械自动测量控制智能机械装置从测试技术的发展历史来看

……1.1测试技术的作用

101.1测试技术的作用

从发展历史来看：11从应用领域来看：当今社会，测试技术几乎无处不在，遍及日常生活、现代化生产、贸易结算、环境保护、科学研究各个领域。检测技术是带动国民经济增长的一个关键领域，在美国：检测技术占4%，拉动经济增长66%工业生产倍增器1.1测试技术的作用

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AGV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1.1测试技术的作用13

1.1测试技术的内容和作用

141.1测试技术的作用15美国国家导弹防御计划---NMD检测技术在国防领域的应用1.地基拦截器2.早期预警系统3.前沿部署(如雷达）4.管理与控制系统5.卫星红外线监测系统监测系统: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1.1测试技术的作用

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为使建筑物成为安全、健康、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统。该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、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1.1测试技术的作用17

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。全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器(洗净度)液位传感器，电阻传感器(衣物烘干检测)。指纹传感器透光率传感器温湿度传感器温度传感器1.1测试技术的作用18

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。

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。汽车扭距测量机床加工精度测量1.1测试技术的作用19工程技术领域——生产监督

1.1测试技术的作用

20工程研究、产品开发、生产监督、质量控制、性能试验等科学研究的根基国内外贸易、国防、医疗卫生、交通运输、环保等现代装备系统1.1测试技术的作用

211.1测试技术的作用第一章绪论从被测对象的规模来看：1）、大到光年级宇宙(1光年），如宇宙大爆炸理论，宇宙红移观测,证明了宇宙的膨胀。22第一章绪论23月亮上看到的地球太空看到的地球，应该珍惜时光，关爱生命，爱护地球，我们的家园2).中到km级宇宙.如火星探测,地球测量等第一章绪论24火星探测器荒漠的火星第一章绪论253).小到mm级测量。如火车、汽车等载运工具构件的响应测量，应力、应变谱测量，以用于疲劳和可靠性分析。再如用于人体检测的胃镜、x光照片、CT照相、核磁共振等技术。第一章绪论264).微到纳米级测量（1nm=)

纳米测量，纳米制造等。微纳米尺度的几何量、表面粗糙度、表面微观形貌、MEMS材料机械特性、微应力和微应变、微位移、速度和加速度、振动、声和超声等典型物理量的测量技术应用。

纳米测量展望,它的研究主要向两个方向发展：

一是在传统的测量方法基础上，应用先进的测试仪器解决应用物理和微细加工中的纳米测量问题,分析各种测试技术,提出改进的措施或新的测试方法；

二是发展建立在新概念基础上的测量技术，利用微观物理、量子物理中最新的研究成果,将其应用于测量系统中,它将成为未来纳米测量的发展趋向。第一章绪论271.2测试的主要任务（本书重点讨论机械工程中的测试技术）：1）、工程过程的实验分析与参数测量

如材料的强度试验，振动物体的固有频率、阻尼比以及振型等参数的测试，动载构件的应力、应变谱测试等。第一章绪论282）、过程监视与故障诊断

如数控机床自动加工中刀具磨损和断裂监视、加工精度检测；柴油机、发动机运行中的故障诊断；火车脱轨、轴温的在线检测，卷扬机、电梯跟踪检测等。第一章绪论293）、作为自动化或控制系统中的一个环节

主要用于闭环系统中的反馈控制环节。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。如真空焊接炉的温度控制，再如机械手的动作控制等密歇根大学的机械手装配模型第一章绪论30产品质量测量例

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。

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。汽车扭距测量机床加工精度测量4）、生成产品的质量评价，如抽样检测第一章绪论311.3测试技术的概念和研究内容

综上所述，测试工作的任务就是从被测对象中获取有用信息。测试技术是用于检测和处理各种信息的一门综合性技术，是信息技术的三大支柱（即测试控制技术、计算技术和通信技术）之一。它在科学技术、工业生产、医疗卫生、文化教育等各个领域中都起着十分重要的作用。定义：从测试的含义来讲，它包含着测量和试验两个内容。测量是把被测系统中的某种信息，如运动物体的位移、速度、加速度检测出来，并加以度量；试验则是通过某种人为的方法，把被测系统用专门的装置激发起来，以便对有用信息进行测量。第一章绪论32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，对应英文measurement。从测量精确度等级划分测量分为工程测量和计量计量：获取量值信息，实现量值信息的传递或溯源，其对象就是测量仪器。唯有计量部门从事的测量才被称作"计量"。对应英文metrology从自动化程度来分：利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法，赋予定性或定量结果的过程称为检测技术。能够能够自动地完成整个检测处理过程的技术称为自动检测与转换技术。1.3测试技术的概念和研究内容33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。测量是测试、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。测量和计量的关系参见量传图（量值溯源图）1.3测试技术的概念和研究内容34CalibrationchainandtraceabilityForexample:Calibrationofmicrometers(Figure4.2)theinstrumentationdepartmentspecialistcalibrationservicecompanyworkingreferencestandardTheprimarystandardNationalStandardsOrganizations35量值统一///chinese/index.htm//chinese/zlq/jcjgyd/qyjcjg/webinfo/2009/06/1260497022301275.htm36例：曹冲称象方法：比较法；装置：船、石头、小秤；检查、测量，从而得到：定性、定量的结果。37汽车衡38运行状态监测？飞机模态分析自动控制？工程实验分析？39测试设备：单台仪器，组合系统被测对象研究:工况，运动方式，被测参数测试方法：动态测量——静态测量；接触测量——非接触测量；直接测量——间接测量；机械测量——电测量；开环测量——闭环测量；；测试信号分析测量标准：计量，校准测量精度；测量误差1.3测试技术的内容40被测对象——工业检测技术涉及的内容：热工量：温度t（℃、K、℉）例：0℃相当于32℉，20℃相当于68℉，100℃相当于212℉压力（压强）p（Pa）、压差Δp、真空度、流速v（m/s）、流量q（t、m3）、物位、液位h（m）41工业检测技术涉及的内容（续）机械量：直线位移x（m）、角位移α、速度、加速度a（m/s2）、振动、噪声、转速n（r/min）、力F、力矩T（Nm）、应变ε（m/m）、质量（重量）m（kg、t）几何量长度、厚度、角度、直径、间距、形状、粗糙度、硬度、材料缺陷等42工业检测涉及的内容（续）物体的性质和成分量：空气的湿度（绝对、相对）、气体的化学成分、浓度、液体的粘度、浊度、透明度、物体的颜色状态量：工作机械的运动状态（启停等）、生产设备的异常状态（超温、过载、泄漏、变形、磨损、堵塞、断裂等）电工量：U、I、f、R、Z、E、B……绝大多数已在电工、电子等课程中讲授，不属于本课程的范围。43测试方法分类

静态测量：对静止的或缓慢变化物理量的测量称为静态测量。

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动态测量

地震测量振动波形动态测量：对随时间快速变化的物理量的测量称为动态测量。

动态测量与静态测量：测量理论、测量方法、测量设备及应用领域、测量要求不同等。

45直接测量

电子卡尺46间接测量

对多个被测量进行测量，经过计算求得被测量。

（阿基米德测量皇冠的比重）测量与被测量有一定函数关系的参量，被测量由计算获得如测导线的导电率ρ47接触式测量

传感器与被测体有机械接触特点：1比较简单2传感器有磨损3传感器对被测特性有影响48非接触式测量

例：雷达测速车载电子警察传感器与被测体无机械接触特点：1避免传感器磨损2避免传感器对被测特性有影响49离线测量

产品质量检验50在线测量

在流水线上，边加工，边检验，可提高产品的一致性和加工精度。51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。1.3测试技术的内容52测试系统的组成接口总线存储显示分析监控判断决策信号检出┇信号检出信号检出信号转换信号调理信号转换处理显示处理显示处理显示信号检出：功能---将被测信号的变化转换为电信号的变化（detection）器件---传感器（sensor,transducer）信号转换：功能---将传感器的输出信号转换为便于处理的形式（conversion）器件---信号调理电路（signalconditioningcircuit）处理显示：功能---分析（analysis）、处理（processing）、显示（display）通讯接口/总线接口(RS232、RS485、GPIB、PCI、······)其它环节：存储、监控、决策53信息流组成信息流获取传输处理控制…测试系统不失真原则测试系统的组成基本原则：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应、一定比例和尽量不失真的原则。54测试系统的分类：按被测对象分类——按传感器分类——按信号形式分类——模拟式、数字式、光测、电测等按接口形式分类——按显示设备分类——1.3测试技术的内容55传感器：在本教材中是指一个能将被测的非电量变换成电量的器件

玻璃温度计是一种传感器，但不属于本教材所讲授的传感器范围。目前常用的显示器有四类：模拟显示、数字显示、图象显示及记录仪等

模拟显示的特点：直观、稳定，但不够准确。57光柱也属于模拟显示光柱显示的特点：直观101线/240°车用光柱仪表显示58既能显示光柱，也有数字显示直观地指示出储液罐中的液位设定值实际值59数字式仪表数字式仪表的特点：准确，但最后一位经常跳动不止。热敏电阻60LED亮度高、耐振动；

LED、LCD显示的比较：LCD耗电省、集成度高，但不利于夜间观察。61带背光板的LCD可以在夜间观看62图像显示特点——能显示复杂的图形和曲线，但价格比数字显示昂贵。63图像显示（续）64带RS-232接口（或USB接口）的万用表及实时图像显示特点——能将测量到的波形及数据存储到计算机中，可随时重放，价格适中。65记录仪主要用来记录被检测对象的动态变化过程。66无纸记录仪（动画演示）主要用来记录和存储被检测对象的动态变化过程。存储数据的大小由硬盘容量决定。67数据处理装置数据处理装置主要是指计算机。例如对振动进行频谱分析等。68执行机构继电器及插座所谓执行机构通常是指各种继电器，电磁铁、电磁阀门、电磁调节阀、伺服电动机等，它们在电路中起通断、控制、调节、保护等作用。69各种继电器汽车继电器中间继电器70各种继电器（焊接型）71各种继电器及插座72固态继电器特点——控制功率小、体积小、无火花；但易过流、过压烧毁。73固态继电器（续）74电磁铁——能产生机械力

75电磁阀门

电磁阀门——只有通断两种状态。

流体76电磁阀门的控制线圈

加上额定电压后，电磁阀门导通，被控对象可以是液体或气体。77电磁调节阀——用于控制流量的大小

加上控制信号，电磁调节阀在电动机的控制下，可以逐渐开合。78小型电磁调节阀单向使用79绪论动画：

一种电磁调节阀

的内部结构

和工作过程计算机控制与电磁调节阀同轴的电动机的转角和转速进行调节，从而控制电磁调节阀的开合度。80电磁调节阀的解剖及工作原理利用电动力调节球阀的角度，从而控制阀门的通流能力。出水口球阀81伺服电动机

可以正转、反转、快转、慢转伺服型雷达天线82自动检测系统系统原理框图

不带微处理器时自动检测技术系统原理框图

所谓系统原理框图，就是将系统中的主要功能或电路的名称画在方框内，按信号的流程，将几个方框用箭头联系起来，有时还可以在箭头上方标出信号的名称。

83原理框图举例洗衣机原理框图84原理框图举例电饭煲原理框图851.4测试技术的发展1.4.1传感器技术的发展1.4.2计算机测试技术的发展测试的精度：高精度可靠性：测试的尺度：大小极化发展861.4测试技术的发展1.4.1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871.4.1传感器技术的发展

1.物性型传感器大量涌现光纤流速传感器荧光材料制作的电子鼻