测试技术第一章-绪论

中国矿业大学机电工程学院测试技术教师简介2000年武汉大学本科毕业；2003年中国科学院研究生院硕士毕业，留中科院光电技术研究所工作两年；2008年中国矿业大学博士毕业，留校工作。程刚，机电工程学院B205电话子邮箱：chg@

★学时：40学时。其中授课：32学时；实验：8学时★参考文献1.《工程测试与信息处理》，卢文祥、杜润生，华中科大出版社，20022.《测试技术》，贾民平等，高等教育出版社，20013.《信号与测试技术》，樊尚春等，北航出版社，20024.《机械测试与信息处理》，任保才等，矿大出版社，20015.《机械工程测试技术基础》，黄长艺等，机工版，19996.《测试技术基础》，王伯雄主编，清华大学出版社，20037.《机械测试系统原理与应用》，秦树人等，科学出版社，20058.《现代检测技术与测试系统设计》，刘君华，西交大出版社，1999速度测量？？温度测量？？HipSimulator髋关节模拟机课程内容：

本课程主要介绍机械工程中常见物理量(压力、应变、位移、加速度、温度等）的测试与信号处理。着重测试技术的基本原理、方法、系统组成，以及对测试信号的分析和数据处理方法。绪论信号分析基础测试系统特性传感器原理模拟信号处理数字信号处理典型信号测量

虚拟仪器技术内容如下测试技术

测试技术是一门与材料科学、微电子技术、信息技术密切相关的快速发展的学科。为弥补书本教材内容滞后于学科发展的问题，在教学内容上我们采编了很多多媒体素材和案例。测试技术学习方法：

测试技术

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，具有很强实践性。学习时应充分利用课程所开设实验。

理论学习、实践学习、研究学习三元并重.课程学习要求：

机械工程测试技术是一门专业技术基础课，通过本课程的学习，应具备下列几方面知识：测试技术(1)掌握信号的时域和频域描述方法，建立明确的信号频谱的概念；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基本概念。(2)掌握测试装置基本特性的评价方法和不失真测试条件，并能正确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性和测试方法。(3)了解常用传感器、常用信号调理电路和显示、记录仪器的工作原理和性能，并能正确选用。(4)对测试技术有一个完整的概念，并能初步应用于产品设计、性能评定和实验工作中。第一章、绪论主要内容测试技术1.1测试技术的基本概念1.2测试技术的地位和作用1.4测试技术的分类1.5测试技术的发展趋势1.3测试系统的组成

测试是指在各类生产、科研、试验及服务等各个领域为及时获得被测、被控对象的有关信息而实时或非实时地对一些参量进行定性检查和定量测量。第一章、绪论1.1测试技术的基本概念

测试技术是实验科学的一部分，主要研究各种物理量的测量原理和测量信号分析处理方法。

测试的目的是获得有用信息.第一章、绪论

测量把被测对象中的某种信息测试出来，并加以量度，是以确定对象的属性和量值为目的的操作测试技术

试验通过某种人为的方法，把被测系统所存在的某种信息，通过专门的装置，人为地把它激发出来并加以测量1.1测试技术的基本概念

第一章、绪论1.1测试技术的基本概念

第一章、绪论1.1测试技术的基本概念

测试通常是指在生产、实验等现场，利用某种合适的测试仪器或综合测试系统对被测对象进行在线、连续的测量计量是指用精度等级更高的标准量具、器具或标准仪器，对被测样品、样机进行考核性质的测量，这种测量通常具有非实时、离线和标定的性质测试与计量区别第一章、绪论1.1测试技术的基本概念

第一章、绪论1.1测试技术的基本概念

第一章、绪论1.1测试技术的基本概念

第一章、绪论

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。简单的测试系统可以只有一个模块，如玻璃管温度计。它直接将被温度变化转化液面示值。没有电量转换和分析电路，很简单，但精度低，无法实现测量自动化。

为提高测量精度和自动化程度，以便于和其它环节一起构成自动化装置，通常先将被测物理量转换为电量，再对电信号进行处理和输出。如图所示的声级计。

1.2测试技术的地位和作用

1.2测试技术的地位和作用

1.2测试技术的地位和作用

测试技术在卫星中的应用嫦娥一号远望号舰艇测试技术在飞行器中的应用地动仪乌鲁木齐温度计现代检测技术在卫星中的应用红外扫描区域大直径电涡流探雷器

光电自动门自动门光电传感器放大图有效检测区域压电式脚踏报警器

第一章、绪论

在工程领域，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。测试技术应用涉及到航天、机械、电力、石化和海洋运输等每一个工程领域。

1、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。

1.2测试技术的工程应用

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。1.2测试技术的工程应用

香港理工AGV模型c)生产加工过程监测1.2测试技术的工程应用

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。密歇根大学数字化工厂1.2测试技术的工程应用

2、流程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。扬子石化50MW热电机组监测系统阳逻电厂300MW汽轮机组监测系统荆门电厂200MW机组监测系统青山热电厂生产信息实时查询系统沙角电厂生产信息实时查询系统宝钢30KW以上风机监测系统宝钢精轧F2轧机网络化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1.2测试技术的工程应用

3、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。

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1.2测试技术的工程应用

4、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1.2测试技术的工程应用

5、家庭与办公自动化

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1.2测试技术的工程应用

5、其他应用航天农业交通医学汽车与传感器

高级轿车需要用传感器对温度、压力、位置、距离、转速、加速度、湿度、电磁、光电、振动等进行实时准确的测量，一般需要30～100种传感器。1.2测试技术的工程应用

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6、PC机中的测试技术应用

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和激励装置四部分组成。

传感器将被测物理量(如噪声,温度)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行分析处理或经A/D变换后用软件进行信号分析，显示记录装置将测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。

1.3测试系统的组成

信息转换信息提取激励装置人为地模拟某种条件，把被测对象中地某种信息激发出来以便检测

根据测试任务复杂程度的不同，测试系统中传感器、中间变换装置和显示记录装置等每个环节又可由多个模块组成。例如，下图所示的机床轴承故障监测系统中的中间变换装置就由带通滤波器、A/D变换和计算机中的FFT分析软件三部分组成。

1.3测试系统的组成

测试系统的组成通常以信号传递的流程来划分。通常由各种传感器将非电被测量转换成电信号，然后经信号调理（信号放大、信号滤波、信号转换等）、数据采集、信号处理后显示并输出。以上设备加上系统所必需的交、直流稳压电源和必要的输入设备（如开关、按钮、拨盘、键盘等）便组成一个完整的检测系统，其各部分关系如下图所示。1.3测试系统的组成（举例）

1.3.1传感器

传感器是测试系统与被测对象直接发生联系的器件或装置。

作用：感受指定被测参量的变化，并按一定的规律转换成一个相应的便于传递的输出信号。1.3测试系统的组成

电涡流位移传感器外形压电式振动加速度传感器横向振动测振器纵向振动测振器1.3测试系统的组成（传感器）传感器的分类传感器的分类按被测参量分类法

按传感器工作原理分类法

按输出信号分类法

如温度传感器、湿度传感器、位移传感器、加速度传感器等

如电阻式、电容式、电感式、压电式、霍尔式等

模拟式传感器和数字式传感器1.3测试系统的组成（传感器）准确性

稳定性12其他4灵敏度3传感器的输入、输出的单值函数关系最好不随时间和温度而变化，受外界其他因素的干扰影响很小，重复性要好如耐腐蚀性好、低能耗、输出阻抗小、经济性等传感器的输出信号必须准确地反应其输入量，即被测量的变化即要求被测量较小的变化即可使传感器获得较大的输出信号

通常对传感器有如下要求：1.3.2信号调理

作用：对传感器输出微弱信号进行再加工，以便显示或供进一步处理。是最简单的信号调理，比如对电压信号进行放大（或衰减）1针对传感器的非线性特性的信号调理，其作用是尽可能扩大传感器响应特性的线性范围1线性化电平调整1滤除信号种的冗余成分，减小由于传感器内阻或传输线阻抗等因素带来的测量误差，达到提高测量精度的目的滤波及阻抗调整信号形式变换指将传感器输出信号从一种形式变换为另一种形式，如电压-电流变换、电流-电压变换等1.3测试系统的组成（信号调理）对信号调理电路的一般要求是：

(1)能准确转化、稳定放大、可靠地传输信号；

(2)信噪比高（信噪比越高说明混在信号里的噪声越小），抗干扰性能要好。1.3测试系统的组成（数据采集）1.3.3数据采集

作用：对信息调理后的连续模拟信号进行离散化并转换成与模拟信号电压幅度相对应的一系列数值信息，同时以一定的方式把这些转换数据及时传递给微处理器或依次自动存储。

数据采集系统的主要性能指标是

：

(1)输入模拟电压信号范围；

(2)转换速率；

(3)分辨率，通常以模拟信号输入为满度时的转换值的倒数来表征；

(4)转换误差，通常指实际转换数值与理想A/D转换器理论转换值之差。1.3测试系统的组成（数据处理）1.3.4数据处理信号处理模块是现代测试仪表、测试系统和各类控制的中枢环节，其作用和人的大脑相似。信号处理模块通常以各种型号的单片机、微处理器为核心来构建，对高频信号和复杂信号的处理有时需增加数据传输和运算速度快、处理精度高的专用高速数据处理器（DSP）或直接采用工业控制计算机。对测试信号处理环节只要能满足用户对信号处理的要求，则是愈简单、愈可靠、成本愈低愈好。虚拟仪器labVIEW软件界面1.3测试系统的组成（信号显示）1.3.5信号显示1指示式显示2数字式显示3屏幕显示被测量数值大小由指示器或指针在标尺上的相对位置来表示直接以数字形式给出被测量的数值大小结合了上述两种显示方式的优点，具有形象性和易于读数的优点

作用：显示被测参量的瞬时值、累积值或其随时间的变化情况

分类：1.3测试系统的组成（信号显示）指示式显示（模拟式显示）1.3测试系统的组成（信号显示）数字式显示LED：亮度高、耐振动LCD：耗电省、集成度高1.3测试系统的组成（信号显示）屏幕显示1.3测试系统的组成（信号输出）1.3.6信号输出

作用：把测量值及时传送给控制计算机、可编程控制器（PLC）或其它执行器、打印机、记录仪等，从而构成闭环控制系统或实现打印（记录）输出。测试系统常用的记录设备有打印机、磁带和记录仪等。

1.4测试系统的分类颜色、透明度、磨损量、裂纹、泄露、表面质量等电压、电流、电功率、电阻、电容、频率、磁场强度、磁通密度等

按被测参量分类温度、热量、比热容、热流、热分布、压力、压差、真空度、流量、流速、物位、液位、界面等

气体成分、液体成分、固体成分、酸碱度、盐度、浓度、粘度、粒度、密度、比重等位移、形状、力、应力、力矩、重量、质量、转速、线速度、振动、加速度、噪声等

光强、光通量、光照度、辐射能量等

(1)按被测参量分类电工量热工量机械量光学量物性和成分量状态量1.4测试系统的分类

(2)按被测参量的测试转换方法分类其它能/电转换

声/电转换（超声波式）、辐射能/电转换（X射线式、射线式、射线式）、化学能/电转换（各种化学转换）等

光电转换

光电式、激光式、红外式、光栅、光导纤维式等电磁转换

电阻式、应变式、压阻式、热阻式、电感式、互感式、电容式、阻抗式、磁电式、热点式、压电式、霍尔式、振频式、感应同步器、磁栅等

1.4测试系统的分类(3)按使用性质分类工业用表是长期适用于实际工业生产现场的测试仪表与系统实验室表多用于各类实验室中

标准表是专门用与精确计量、校准送验样品和样机的标准仪器1.5测试系统的发展趋势测试技术重要手段相关学科：物理、化学、数学、生物学、材料科学等等新的测试理论、方法和技术手段科学研究形成推动实验研究和发展不断拓展测量范围，努力提高测试精度和可靠性1传感器逐渐向集成化、组合式、数字化方向发展

2重视非接触式测试技术研究

3测试系统智能化

、系统化、标准化4

测试系统虚拟化、网络化

5第一章、绪论1、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/光电量第一章、绪论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2、测量信号处理方面1965年，美国库利和图基提出了快速傅里叶变换（FFT）计算方法，使计算离散傅里叶变换（DFT）的复数乘法次数从N2减少到Nlog2N次，从而大大减少了计算量。1968年美国雷德提出数论变换FFT算法（NFFT）；1976年美国威诺格兰德提出了一种傅里叶变换算法（WFTA），用它计算DFT所需的乘法次数仅为FFT算法乘法次数的1/3；1977年法国努斯鲍默提出了一种多项式变换傅里叶变换算法（PFTA