测试第一、二章

机械工程测试技术主讲：张华讲师

西南科技大学制造学院课程内容：

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。发展动向基本特性测量误差与数据处理传感器原理测试系统设计压力测量力和应力测量位移测量内容如下机械工程测试技术机械工程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.机械工程测试技术学习要求：1.本课程每章都有课后习题，每章学习结束后都要布置课后作业。2.本课程无试验。第一章现代测试技术的发展动向本章学习要求：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机械工程测试技术第一章现代测试技术的发展动向1.1测试技术的地位及作用

测试技术的地位测试是人类认识客观世界和掌握自然规律的实践途径之一。在科学研究中，测试是获得研究对象原始感性材料，从而为形成自然科学理论奠定基础，同时又是发展和检验自然科学理论的实践基础。第一章现代测试技术的发展动向测试技术的基本概念测试(MeasurementandTest)是具有试验性质的测量。测试技术：是测量和试验技术的统称，因此测试技术包括测试和试验两方面。

测量：是为确定被测对象的量值而进行的试验过程。试验：是对迄今未知事物的探索性认识过程。第一章现代测试技术的发展动向

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，但精度底，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。

第一章现代测试技术的发展动向1.2测试系统的组成

测试的目的是获得研究对象的状态、运动和特征等方面的信息，电测技术显示出突出的优势。电测技术的任务：就是把待测的非电量，通过一种器件或装置变换成与它有关的电信号（电压、电流、频率等），然后对该电信号进行测量，从而确定被测非电量的值。第一章现代测试技术的发展动向电测技术具有下列主要优点：1.准确度和灵敏度高，测量范围广；2.电子装置惯性小，测量的反应速度快，具有比较宽的频率范围；3.能自动连续地进行测量，便于自动记录，并能根据测量结果，配合调节装置，进行自动调节和自动控制；4.采用微处理器组成智能化仪器，可与微型计算机一起构成测量系统，实现数据处理，误差校正，自监视和仪器校准功能；5.可以进行远距离测量，从而能实现集中控制和遥远控制；6.从被测对象取用功率小，也可进行无接触测量，减少对被测对象的影响，提高测量精度。

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。

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；

显示记录装置则将测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。

第一章现代测试技术的发展动向信息转换信息提取一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能，如下图所示。第一章现代测试技术的发展动向

传感器是把被测量(如物理量、化学量等)转换成电量的装置。测量电路的作用是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号。第一章现代测试技术的发展动向测试技术的工程应用

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。

第一章现代测试技术的发展动向

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。第一章现代测试技术的发展动向香港理工AGV模型c)生产加工过程监测第一章现代测试技术的发展动向切削力传感器，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第一章现代测试技术的发展动向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第一章现代测试技术的发展动向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霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用

若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。带有微型磁铁的霍尔传感器霍尔第一章现代测试技术的发展动向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第一章现代测试技术的发展动向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第一章现代测试技术的发展动向6、其他应用航天农业交通医学第一章现代测试技术的发展动向鼠标:光电位移传感器摄像头: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7、PC机中的测试技术应用1.3现代测试技术的发展动向第一章现代测试技术的发展动向1.3.1传感器的发展趋势

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/光电量第一章现代测试技术的发展动向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第一章现代测试技术的发展动向1.3.2测试技术的发展趋势

随着材料科学、微电子技术和计算机技术的发展，测试技术也在迅速发展。智能传感器和计算机技术的发展和应用，(1)

使得测试系统向着自动化、智能化和网络化的方向发展；(2)

测试系统的在线实时测试能力在迅速提高；(3)测试与控制密切结合，实现“以信息流控制能量流和物质流”。第一章现代测试技术的发展动向计算机虚拟仪器技术以计算机为核心的更高层次、更高水平的虚拟仪器系统是自动测试系统的发展方向。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第一章现代测试技术的发展动向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）http:///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）http:///china第一章现代测试技术的发展动向3、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)http:///美国Agilent公司(原惠普公司仪器部，著名的测试仪器商)http:///第一章现代测试技术的发展动向思考题：

1.列出你身边的测试技术应用的例子。第二章测量系统的基本特性本章学习要求：1.掌握测量系统的静态特性2.掌握测量系统的动态特性第二章测量系统的基本特性第二章测量系统的基本特性2.1概述直接测量：指无需经过函数关系的计算，直接通过测量仪器得到被测值的测量。间接测量：指在直接测量值的基础上，根据已知函数关系，计算出被测量的量值的测量。第二章测量系统的基本特性2.1概述非电量电测法：（一种间接测量方法）

目前，对绝大多数物理量、化学量、几何量、甚至生物医学参量的测量，都是采用非电量电测法。非电量电测法—是把被测非电参量通过各种相应的传感器变换成电参量，有时还需对变换后的电参量进行从电量到电量的转换或放大，最后送入显示仪器或记录仪器、计算机，对数据显示、记录和处理。第二章测量系统的基本特性2.2测量系统的静态特性

通常的工程测试问题总是处理输入量x(t)、装置（系统）的传输特性h(t)和输出量y(t)三者之间的关系。如图：

1）如果x(t)、y(t)可以观察(已知)，则可推断h(t)。

2）如果h(t)已知，y(t)可测，则可推断x(t)。

3）如果x(t)和h(t)已知，则可推断和估计y(t)。第二章测量系统的基本特性静态：

是指被测量不随时间变化，或随时间变化非常缓慢的状态。静态特性：

是指被测量处于稳定状态时测量系统的输出与输入的关系，或者说测量系统输出的特性，通常用线性度、滞后、重复性、灵敏度等指标来表征。第二章测量系统的基本特性一、线性度：

一个理想的测量系统，其静态特性可用一个多项式表示为：当时，这是理想的线性方程，可用一条通过零点的直线表示，这是理想线性情况。实际的输出与输入关系并非理想情况。第二章测量系统的基本特性

线性度：校准曲线接近拟合直线的程度。

线性度=B/A*100%B为校准曲线与拟合直线的最大偏差。

A为测量系统满量程输出值，即装置的标称输出范围。第二章测量系统的基本特性二、迟滞：

理想装置：的输出、输入有完全单调的一一对应的关系。

实际装置：在同样的测试条件下，当输入量由小增大和由大减小时，对于同一输入量所得到的两个输出量却往往存在着差值。把在全测量范围内，最大的差值称为回程误差或滞后误差。

迟滞：表示测量系统当输入量由小到大与由大到小时，所得输出量不一致的程度。

第二章测量系统的基本特性

迟滞在数值上是用同一输入量下所得滞后偏差的最大值H与测量系统满量程输出值A之比值的百分数表示，即迟滞=H第二章测量系统的基本特性三、重复性：

重复性是指在条件（包括测量仪器、测量的方法、使用条件、观测者等）相同时，对同一被测量进行多次连续测量所得结果之间的符合程度。重复性是衡量测量结果分散性的指标，即随机误差大小的指标，在数值上是用测量结果标准偏差σ的2倍～3倍与测量系统满量程输出值A之比值的百分数表示，即重复性=第二章测量系统的基本特性四、灵敏度：

当装置的输入x有一个变化量∆x，它引起输出y发生相应的变化量∆y，则定义灵敏度

对于线性系统，输出量与输入量之间的关系是一条直线，灵敏度就是该直线的斜率，为一常数。

对于非线性系统，灵敏度随输入量的变化而变化。

第二章测量系统的基本特性四、灵敏度：

对传感器来说，绝大多数属于线性系统，灵敏度是一个常数。灵敏度有量纲，其单位取决于输入、输出量的单位。通常，把引起测量装置输出值产生一个可察觉变化的最小被测量变化值称为鉴别力阈（也称为灵敏阈或灵敏限）。它用来描述装置对输入微小变化的响应能力。第二章测量系统的基本特性五、分辨力：分辨力：是指测量系统能测量到最小输入量变化的能力，也就是能引起输出量发生变化的最小输入变化量。分辨力是用全量程范围内最大的ΔX（最小输入变化量）与测量系统满量程输出值A之比值的百分数表示。分辨力=第二章测量系统的基本特性六、稳定度与漂移：

稳定度是指测量装置在规定条件下保持其测量特性恒定不变的能力。通常在不指明影响量时，稳定度指装置不受时间变化影响的能力。

漂移是指测量特性随时间的慢变化。第二章测量系统的基本特性2.3测量系统的动态特性

测量系统的动态特性是指：测量系统对输入量随时间变化的响应特性。随时间而变化的输入量最常见的有正弦信号和阶跃信号。由于输入量是时间的函数，因此输出量也随时间而变化，而且还与输入信号的频率有关。表征测量系统动态特性指标常有频域指标和时域指标，频域指标由幅频特性和相频特性可得，时域指标由阶跃响应特性可得。本节主要讨论一阶系统和二阶系统在正弦信号和阶跃信号输入条件下的动态特性。第二章测量系统的基本特性（一）信号的分类与描述

信号的分类主要是依据信号波形特征来划分的，在介绍信号分类前，先建立信号波形的概念。信号波形：被测信号信号幅度随时间的变化历程称为信号的波形。波形第二章测量系统的基本特性0At信号波形图：用被测物理量的强度作为纵坐标，用时间做横坐标，记录被测物理量随时间的变化情况。为深入了解信号的物理实质，将其进行分类研究是非常必要的，从不同角度观察信号，可分为：1从信号描述上分--确定性信号与非确定性信号；2从信号的幅值和能量上--能量信号与功率信号；3从分析域上--时域与频域；第二章测量系统的基本特性4从连续性--连续时间信号与离散时间信号；5从可实现性

--物理可实现信号与物理不可实现信号。第二章测量系统的基本特性第二章测量系统的基本特性1确定性信号与非确定性信号可以用明确数学关系式描述的信号称为确定性信号。不能用数学关系式描述的信号称为非确定性信号。第二章测量系统的基本特性周期信号：经过一定时间可以重复出现的信号

x(t)

=

x(t+nT)简单周期信号复杂周期信号第二章测量系统的基本特性b)非周期信号：再不会重复出现的信号。准周期信号:由多个周期信号合成，但各信号频率不成公倍数。如：x(t)=sin(t)+sin(√2.t)第二章测量系统的基本特性瞬态信号：（瞬变非周期信号）持续时间有限的信号，如x(t)=e-Bt.Asin(2*pi*f*t)第二章测量系统的基本特性c)非确定性信号：不能用数学式描述，其幅值、相位变化不可预知，所描述物理现象是一种随机过程。噪声信号(平稳)统计特性变异噪声信号(非平稳)第二章测量系统的基本特性2能量信号与功率信号

a)能量信号在所分析的区间（-∞，∞），能量为有限值的信号称为能量信号，满足条件：一般持续时间有限的瞬态信号是能量信号。第二章测量系统的基本特性b)功率信号

在所分析的区间（-∞，∞），能量不是有限值．此时，研究信号的平均功率更为合适。一般持续时间无限的信号都属于功率信号:第二章测量系统的基本特性3时限与频限信号

a)时域有限信号在时间段(t1，t2)内有定义，其外恒等于零．

b)频域有限信号在频率区间(f1，f2)内有定义，其外恒等于零．三角脉冲信号正弦波幅值谱第二章测量系统的基本特性4连续时间信号与离散时间信号

a)连续时间信号:在所有时间点上有定义

b)离散时间信号:在若干时间点上有定义采样信号第二章测量系统的基本特性5物理可实现信号与物理不可实现信号物理可实现信号：又称为单边信号，满足条件：

t＜0时，x(t)=0，即在时刻小于零的一侧全为零。第二章测量系统的基本特性b)物理不可实现信号：在事件发生前(t<0)就预知信号。第二章测量系统的基本特性（二）信号的时域描述和频域描述时域描述：

直接观测或记录到的信号，一般是以时间为独立变量的。信号的时域描述只能反映信号的幅值随时间的变化情况，除只有一个频率分量的简谐波外,一般很难明确揭示信号的频率组成和各频率分量的大小。

频域描述：以频率为独立变量。第二章测量系统的基本特性方波的时域描述方波的频域描述第二章测量系统的基本特性2.3测量系统的动态特性2.3.1传递函数

测量系统的动态特性的数学模型可用常系数线性微分方程式来描述，方程式的一般形式为：x—系统输入量；y—系统输出量。—与系统结构参数有关的常量第二章测量系统的基本特性2.3测量系统的动态特性2.3.1传递函数

定常线性系统的测试装置，可用常系数线性微分方程