第一章绪论-机械工程测试技术

机械工程测试技术

Measurement&TestTechniquesofMechanicEngineering

湖北工业大学机械学院丁善婷Tel:156-2390-2218QQ:448-200-671凡存在之物，必以一定的量存在。当你能测量你在谈及的事物并将它用数字表达时，你对它便是有所了解的；而当你不能测量它，不能将它用数字表达时，你的知识是贫瘠的且不能令人满意的。－－开尔文测试MeasurementandTest~，具有试验性质的测量

测试提供了有关物理变量和过程的现实状态的定量信息，测量是重新认识客观世界的工具，是一切研究、设计、开发的基础。

测试系统测试系统原理框图被测对象传感器信号调理数据显示与记录课程内容：

本课程主要介绍工程领域中常见物理量(应变、位移、加速度、温度、压力等）的测量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信号调理电路数字信号处理综合应用内容如下教学任务及目的任务：

使学生掌握测试技术的基本基础理论、常用传感器的工作原理、结构、特性及其应用、以及常见信号处理方法。目的：

1.具有选择传感器的能力；

2.具有组成自动测试系统的能力；

3.对测试系统中的技术问题具有一定的处理能力。实践性强课程特点：

期望逐步解决侧重课本教学中存在的一些问题：1.检测技术应用、发展部分空洞；2.传感器部分没有实物对象、枯燥无味；3.信号分析理论部分深奥、难懂。教学方法：

理论教学案例教学三者结合实践教学简单→复杂单元→系统静态→动态特殊→一般1．实验本课程是一门工程性、应用性都非常强的课程，学生必须完成本课程规定的实验，否则不能参加期末考试。（6学时）2．作业:通过作业来加深对教材内容的理解、掌握和运用。学生应按时完成规定的作业。3．考试：学期中开卷随堂考试期末采用闭卷考试方法，考试时间2小时。课程总成绩由期中考试成绩、期末考试成绩和平时考查成绩（作业和实验）合成。其中考试成绩占70%，平时考查成绩占30%。4.出勤情况无故缺课1/3，期末取消考试资格。事、病假需提前请假。课程安排及要求参考书目名称编著者出版社出版日期参考书传感器原理及工程应用郁有文西安电子科技大学出版社2000参考书传感器原理及应用王化祥天津大学出版社2000机械工程测试技术基础参考书机械工业出版社黄长艺1984机械工程测试技术基础（第3版）王伯雄清华大学出版社2006参考书测试技术基础参考书熊诗波黄长艺机械工业出版社2006使用方向学习网站/gerenwww/csjs/course/index.asp华中科技大学国家精品课程

《工程测试技术》何岭松/jpkc/gccsjs/index.htm东南大学国家精品课程

《机械工程测试与控制技术》/jmp/jpkc2006/kczd/index.htm机械工程测试技术——

绪论（2）第一章内容机械产品的发展测试目的测试系统组成测试技术的发展主要生产厂商重点：掌握测试系统的组成与测试技术的发展

测试系统的对象：机械产品1、机械产品的发展机械产品的灵魂是测试系统

测试系统的成本已经达到装备系统总成本的50％～70％一架飞机需要3600只传感器及其配套的监测仪器一辆汽车需要30～150只传感器及其配套的监测仪器1、机械产品的发展中央控制“阿波罗10”有3295个检测参数温度传感器559个压力传感器140个信号传感器501个遥控传感器142个高性能传感器的集合体机械产品和测试系统相互促进产品对测试的需求高精度、高可靠、多功能测试对产品增值汽车、家电、机床1、机械产品的发展惯导平台调试安装（运载火箭）1、机械产品的发展

现代机械产品发展高速/效化柔性化自动化大/微型化精密化“极端制造”综合集成

信息化集成化综合化模块化智能化网络化数字化“极端制造”方向：高、大（微）、精、专（柔）高效化与高速化高速化是许多机械设备的发展趋向——提高工作效率例如：高速列车、高速电机、高速机床转速壁厚1、机械产品的发展高速切削(HighSpeedCutting)

表面加工质量高，省去后续的精加工工序切削力相应变小，可加工薄壁德国第三代高速列车时速300公里22500rpm/2MW750kg/0.75M3“极端制造”方向：高、大（微）、精、专（柔）大型化、微型化设备的大型化是目前机械的一个主要发展方向工程机械：建筑、桥梁、隧道大型盾构/掘进机开挖切削、输送碴料、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏集机、电、液、传感、信息技术于一体地层稳定控制检测技术、液压推进与导向技术微型化、微机电系统（MEMS）、纳米加工微型机器人：如微型医用机器人微机电系统（MEMS）微加速度计:重0.5克、灵敏度15mv/g微压力传感器：埋置在汽车轮胎中，节省10%的汽油1、机械产品的发展“极端制造”方向：高、大（微）、精、专（柔）精密化产品工作的需要没有足够精度的产品，对它的结构性能（它的工作寿命）工作性能（工作稳定性）都会产生不同程度的影响小尺寸零部件的需要没有足够的精度，就无法完成所要求的工作。如芯片的加工，已经达到纳米级的要求1、机械产品的发展高速精密机械式主轴加工工程中自动测量厚度就是芯片误差和砂轮盘的损耗量引起的偏差可以自动计算，并能保证±1um以内的精密度

信息化自动化可以提高劳动者手工劳动难以获得的准确程度，从而可以提高工作效率或避免人工操作过程中可以产生的意外失误向更高的水平发展：自组织、自维护和自修复1、机械产品的发展自动贴片机装配机器人对月球、火星等地质、表面、资源等进行考察、分析、取样的专用车辆信息化智能化：产品发展的主导方向——融入人的处理方法智能化产品自然较一般产品更能满足人们的要求通过对产品的主要工作参数和工作过程实现智能控制与优化，有目的地使产品获得优良的工作性能。1、机械产品的发展能够在特制的水箱中游来游去，避开障碍物并对周围环境做出相应反应。这些鱼都是通过传感装置控制并自动导航的信息化网络化：协同手段、发展的道路协同/并行设计和制造、远程设计与制造资源共享

波音787方向舵转包中国协同设计1、机械产品的发展敏捷设计和敏捷制造快速响应和满足市场需求信息化数字化：信息化的核心信息精确、信息安全、信息容量大。制造领域：数字工厂、数字制造、数字装备。大大提高设备的精确度：数字化加工设备的加工精确度也较一般加工设备高1、机械产品的发展数控定位分辨率1微米，仿形及数字化加工精度15微米刀具半径、长度补偿；螺距误差、反向间隙补偿自动生成数控加工指令、比例缩放加工、镜像加工、阴阳模配对加工等现代信息技术带动机械产品的发展电子、控制、信号处理测试系统实现机械的信息驱动程序、传感、网络测试系统使得机械产品更加完美人性化、智能化实用化1、机械产品的发展现代大工业生产质量监控自动检测过程控制四大参量：流量、压力、温度、液位2、测试目的

产品检验和质量控制

产品检验：产品验收和废品剔除合格、不合格被动检测质量控制检测和加工同时进行——在线检测对生产过程主动进行控制2、测试目的

航空发动机产品检验和质量控制

维护管理质量控制2、测试目的

汽车监测管理质控大量点检巡视报告装配、调试

2、测试目的

发电机宇航飞机产品测试

2、测试目的

整车综合环境试验冲击噪声（机械、风）温度疲劳...性能测试汽车扭距在线测量，仪保证发动机的装配质量

极限测试温度、湿度冲击振动设备安全经济运行监测

2、测试目的

水轮发电机组压缩机组火力发电机组监控中心装置自动化——装备的一部分

2、测试目的

机器人装箱检测——定位——动作ＭＡＳ－３型磁悬浮列车（悬浮10mm、推进、导向）基础学科研究

科学规律的发现和新的定律、公式的诞生都离不开测试技术。从实验中可以发现规律，验证理论研究结果，实验与理论可以相互促进，共同发展；

常规工况下的检测、测试

振动、速度、温度、压力、流量、...极端工况下的检测、测试

超高温、超高压、超低温、超高真空超强磁场超高速2、测试目的

试验研究

2、测试目的

军用机器人地面军用机器人

排爆、扫雷、侦察金属探测器；红外传感水下军用机器人

水下无人潜器(遥控、半自治及自治型)

海上资源的勘探和开发，海战探雷机器人、扫雷机器人、侦察机器人。

精确定位、目标识别、信息收集空中机器人又叫无人机中低空侦察及战场监视，电子干扰，战果评估，目标定位，气象资料搜集，散发传单以及营救飞行员飞机自动空中防撞位置测量速度测量运动预测协调策略逃避控制维修诊断

2、测试目的

远程维修探伤检测探伤检测转子、钢绳、管道、容器、...铁道、航空、军工、机械、汽摩配件、压力容器、矿山机械等行业智能建筑3A楼宇自动化系统BAS通讯自动化系统CAS办公自动化系统OAS

BAS

空调制冷、给水排水、变配电系统、照明系统、电梯等控制（温度、湿度、液位、流量、压差、空气压力等检测）。

安全防护：防盗、放火、防燃气泄露

CCD（电子眼）监视器、烟雾传感器、气体传感器、红外传感器、玻璃破碎传感器

自动识别——门禁管理系统（感应式IC卡识别、指纹识别）；远程抄收与管理系统（水、电、气、热量的远程传感及处理）2、测试目的

测试技术应用领域

现代大工业生产、基础学科研究、宇宙开发、海洋探测、军事国防、环境保护、资源调查、医学诊断、智能建筑、汽车、家用电器、生物工程、商检质检、公共安全、甚至文物保护等等

2、测试目的

测试

被测量和同类标准量进行比较的一个实验过程同类标准量位移、振动，转速、温度，压力，...比较：参与方式，可以是直接、间接压力仪表测量压力温度传感器测量温度振动仪测量位移、振动3、测试系统组成测试

被测量和同类标准量进行比较的一个实验过程测试结果测量结果X数字值{X}测量单位

x0——物理属性、数字值大小示例：位移x＝100μmx＝0.100mm

压力p＝0.5MPa3、测试系统组成测试系统

完成测试任务的传感器、仪器和设备的总称3、测试系统组成转速、振动/位移传感器＋测速、测振仪转速控制/调节测试系统直接获取被测设备上的信息位移、距离、胀差、...振动、速度、加速度应力、压力、摩擦力、...油温、瓦温、轴温、气温、...转速、鉴相...3、测试系统组成CaseExpansion/ValvePosition

测试系统间接获取被测设备上的信息功率：发动机转速n、输出扭矩M，P＝M.n

切削速度V、切削力Fz，P＝Fz.V喘振：压缩机进出口流量、压力感知：视觉、听觉、味觉、...故障：信息融合...3、测试系统组成机械电子系统组成：三层信息流：

三层控制层：处理主信息流

实现“目的功能”监测诊断层

保障和监视“目的功能”、提高系统可靠性人机交互/网络测控层

紧急处理、远程监控、信息交流3、测试系统组成计算机系统电气系统机械系统测试系统基本结构

3、测试系统组成测试对象传感器信号调理数据采集

显示数据处理控制驱动执行单元电源测试系统信号处理传感器

一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置3、测试系统组成常用的涡流探头＋前置器加速度传感器力传感器智能式压力变送器信号调理

对（传感器输出的）信号进行变换、隔离、滤波、放大、驱动等，以便进一步传输和处理高阻输入、低阻输出规范输出3、测试系统组成B&K

测量放大器2525放大、自动量程低通和高通滤波器（用户自定义）通道：1输入电荷量：≤104pC增益：1-1000mV/pC输出：±5V滤波单元信号处理

对来自信号调理环节的信号，进行各种运算、分析，并输出结果模拟信号处理运算：微分、积分、对数

数字信号处理信号量化编程处理：信号分析3、测试系统组成显示记录以观察者易于识别的形式来显示测量的结果，或者将测量结果存储3、测试系统组成测试技术测量MEASUREMENT按照一定的规则，给事物的属性指派量值（数字或符号）的过程测量的三个要素：①事物及其属性——

测量的对象或目标身体温度、桌子高度（客观特征）、英语听力（心理特征）②指派数字或符号——

某一事物或事物的某一属性的量

37度、0.75米、87分③法则、标准——测量所依据的规则和方法，公认、关键温度计、量尺、考卷4、测试技术的发展测试技术计量METROLOGY

（史称“度量衡”）以技术和法制手段保证量值准确可靠、单位统一的测量实现单位统一、量值准确可靠为目的的测量现代十大计量：长度、温度、力学、电磁学、光学、声学、化学、无线电、时间频率、电离辐射，形成了一门独立的学科日常计量：电子秤、水表、电表、煤气表，出租计价器，加油机，医用体温计、血压计、眼压计市质量技术监督局：贸易结算、安全防护、医疗卫生和环境监测等上千万台件工作强检计量器的强制检定4、测试技术的发展测试技术测试TEST具有试验性质的测量；测量和试验的综合测试对象测试方法测试设备测试和测量紧密相关，实际使用中往往不加严格区分4、测试技术的发展测试技术传感器技术

信息采集——“感官”

信号处理技术信息加工——“甄别”计算机技术信息综合——“大脑”网络技术信息传输——“神经”

4、测试技术的发展一体化传感器智能传感器网络化传感器传感器技术

研究传感器的新材料和新工艺实现传感器的智能化

测试、控制系统的感知环节——核心准确传递和检测出某一形态的信息，并将其转换成另一形态的信息

4、测试技术的发展传感器技术材料科学

依靠敏感材料本身的物性随被测量的变化来实现信号的变化压电效应涡流效应应变效应：导体材料光电效应霍尔效应压阻效应：半导体材料的压阻转换4、测试技术的发展一氧化碳传感器传感器技术材料科学——新材料

利用物理现象、化学反应和生物效应设计制作各种用途的传感器

依据材料特性设计敏感元件光导纤维：传光、感光

陶瓷：弹性元件、绝缘材料传感器要求合成所需材料

新型材料：通过人工设计和合成化合物的结构来控制材料的性能，从而得到各种各样的功能材料——可控材料性能利用纳米技术，可获得高活性的气敏陶瓷材料

4、测试技术的发展瓦斯报警酒精传感器传感器技术集成化传感器

微机电系统（MEMS）——小、微型化

微机械和微电路集成微型传感器＋信号处理——一体化多敏感元件、多参数测量运算、补偿、变换

集成式加速度传感器：三只隔离剪切型高灵敏度加速度传感器三只电荷放大器

4、测试技术的发展·灵敏度：700mV/g·频率范围：0.1-1000Hz·重量：260g·量程：7gXCE-062高温超小型IS压力传感器(-55℃到273℃)

传感器技术智能化传感器

组成：传统的传感器＋微处理器(或微计算机)特征：具备通信总线接口、兼有信息监测、信息处理和信息传输智能：通过存放于微处理器中的功能强大的软件，对系统进行智能化，如非线性自动校正、自校零、自校准、自补偿、自检验、噪声抑制等。

4、测试技术的发展智能压力传感器/变送器信号处理技术数字分析方法——速度、分辨力核心：快速傅里叶变换（FastFourierTransform，FFT）计算卷积，用于人造卫星、宇航探测及通讯、雷达...焦点：减少运算次数例如：当采样点N=1000时DFT算法为200万次FFT算法为1.4万次NFFT算法为0.8万次WFTA算法为0.35万次PFTA算法为0.3万次

4、测试技术的发展信号处理技术信号处理芯片——DSP

一种用于快速处理信号的器件，加快信号处理的实时能力例如：TI的TMS320C25芯片，数字·信号处理混合信号处理芯片

模拟、数字信号混合处理

例如：ADI的

ADSP-2199x——高性能工业控制专用处理芯片

声音、视频滤波、放大...SoC芯片：片上系统4、测试技术的发展计算机技术使得测试仪器微机化、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：以微处理器为核心测试系统精度速度测试能力工作效率可靠性

4、测试技术的发展数字式测温计数字式超声波探伤仪数字式测振仪AR848

计算机技术虚拟仪器：以计算机为核心、开放式标准接口总线模块化逻辑决断、模块识别软件定义功能、用户定义功能4、测试技术的发展网络技术网络变迁：以太网接口：一方面在不断发展，10/100/1000

，另一方面是100%向后兼容网络化传感器——分布式测控网络在智能传感器基础上，把TCP／IP协议作为一种嵌入式应用，嵌入现场智能传感器的ROM中，从而使信号的收、发都以TCP／IP方式进行，如此，网络化传感器像计算机一样成为了测控网络上的节点登临网络，并具有网络节点的组态性和互操作性。4、测试技术的发展未来发展方向