机械工程测试技术-绪论

机械工程测试技术-绪论第一页，共59页。参考书：检测技术，施文康主编，机械工业出版社测试与传感技术，侯国章编著，哈尔滨工业大学出版社。LabVIEW实用教程，[美]RobertH.Bishop著，乔瑞萍、林欣等译，电子工业出版社第二页，共59页。参考网站：http://=100869第三页，共59页。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、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、记录仪器的基本原理和适用范围，并能合理的选用。课程要求第四页，共59页。1.1本课程的意义1.2测试方法的分类及测试系统的组成1.3测试技术的发展1.4本课程的研究内容第五页，共59页。

测试技术是一门综合性很强的技术学科，它以物理学、电子学、材料学，自动控制和数字技术等为基础。涉及传感器技术、信号处理技术、抗干扰技术等多个方面。其目的是研究材料和构件的状态（包括正常工作状态和故障状态诊断），检查和测量自动化生产过程中的各种工艺参数。监视和控制生产过程的运行，鉴定产品质量，为新产品改进设计提供数据。

21世纪是信息时代，获取信息，处理信息，运用信息。测试技术的重要性在于它是获得信息并对信息进行必要处理的基础技术，是获取信息和处理加工信息的手段，无法获取信息则无法运用信息。

1.1本课程的意义第六页，共59页。下篇：实用测试技术力、压力和位移、温度、振动和噪声、转速和功率测量、流速与流量测量等重要机械工程参数的常规测量原理和方法，测量系统的构成和使用要求。1.4本课程的研究内容测试技术：测试过程中所涉及的测试理论、测试方法、测试设备、数据处理等。上篇：测试基础信号分析、测量装置特性、测量误差分析处理、信号获取与调理第七页，共59页。上篇（2信号分析，3测量系统特性，6信号调理）下篇（10典型测试系统设计实例）设计：身边的检测系统第八页，共59页。

第1章绪论

第2章测试系统的基本特性

第3章信号及其描述信号的分类及定义

第4章电磁量测量技术

第5章长度测量技术尺寸测量形位误差测量表面粗糙度测量线位移与距离测量

第6章角度测量技术角度检测概述角度及角位移测量圆分度误差测量

第7章速度、转速、加速度测量

第8章力、力矩、压力测量

第9章机械振动的测试

第10章温度测量

第11章流量测量第九页，共59页。测试：对应英文test,也译为检测、试验或检验。指按照规定的程序，为了确定给定产品、材料、设备、生物体、物理现象、工艺过程或服务的一种或多种特性或性能的技术操作。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。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metrology1.4本课程的研究内容第十页，共59页。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。第十一页，共59页。第十二页，共59页。

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

现代装备系统第十三页，共59页。1.1本课程的意义——测试技术的工程应用航天农业交通医学第十四页，共59页。1.1本课程的意义——产品质量测量

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第十五页，共59页。1.1本课程的意义——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第十六页，共59页。工程技术领域——生产监督

第十七页，共59页。

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。1.1本课程的意义香港理工AGV模型第十八页，共59页。工程技术领域——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。

1.1本课程的意义密歇根大学的机械手装配模型广州中鸣数码的机器狗第十九页，共59页。1.1本课程的意义第二十页，共59页。1.1本课程的意义——环保

第二十一页，共59页。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，敌友方第二十二页，共59页。1.1本课程的意义——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二十三页，共59页。1.1本课程的意义——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二十四页，共59页。1.2.1测试方法的分类1.2.2测试系统的组成第二十五页，共59页。1.

直接测量与间接测量2.

接触测量与非接触测量3.

静态测量与动态测量测试方法：是指再实施测量中所涉及的理论运算方法和实际操作方法。第二十六页，共59页。1、直接测量与间接测量

直接测量：直接将被测量与测量单位（标准量）进行比较标准量标准计量单位（如米尺、光栅尺、激光、……）

绝对测量定值标准量（如某一固定尺寸）

相对测量第二十七页，共59页。5700A多功能校准源直接测量34401A数字多用表第二十八页，共59页。

间接测量如测导线的导电率ρ：测量与被测量有一定函数关系的参量，被测量由计算获得第二十九页，共59页。

接触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

非接触测量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第三十页，共59页。

静态测量被测量被值认为是恒定的，不随时间变化

动态测量被测量值随时间变化第三十一页，共59页。1.2.2测试系统的组成

工程测试的基本任务：1）生产过程或设备运行状态的监测；2）生产过程或设备运行状态的自动控制；3）工程实验分析。第三十二页，共59页。1.2.2测试系统的组成

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。第三十三页，共59页。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、决策第三十四页，共59页。1、信号检出部分传感器（Sensor）----检出功能的器件、装置信号提取（被测量）、传输（信号变换部分）有信号的输入、输出，是小型测试系统感知信号变化，上传信号变化选择：测量精度要求、被测量变化范围、被测对象所处的环境条件以及对传感器体积和整个检测系统的成本等的限制检测系统中形式最多样、与被测对象关联最密切的部分,换能器(Transducer)、检波器、拾波器等1.2.2测试系统的组成第三十五页，共59页。1、信号检出部分特点1）输出量为电压、电流、频率2）输出的电信号一般较微弱：电压----毫伏级、微伏级；电流----毫安级、纳安级3）输出信号与噪声混杂在一起----传感器内部噪声传感器的信噪比小、输出信号弱----信号淹没在噪声中4）传感器的输出特性呈线性或非线性电阻、电容、电感

两种：数字量、模拟量5）外界环境的变化会影响传感器的输出特性1.2.2测试系统的组成第三十六页，共59页。2、信号变换部分适合于传输、分析和处理的信号信号调理电路阻抗变换----输出阻抗很高时；电压/电流（V/A）转换----需要电流输出时；目的：4）简化后续系统的组成2）消除或抑制传感器输出量中的无用信号3）提高测量、分析的准确度信号放大----输出信号微弱时；噪声抑制----信号淹没在噪声中；模拟/数字（A/D）转换----需要输出数字信号时1）对传感器的输出量变换成易于处理或放大的量第三十七页，共59页。（规范、结构形式）3、分析处理部分功能：管理不同系统之间的数据、状态和控制信息的传输和交换不断注入新内容----检测系统的研究中心通用标准接口---不同的系统尤其是不同厂家的产品能够互联4、通信接口与总线部分计算机系统----强大问题分析能力、复杂系统的实时控制自动化、智能化USB、IEEE-488、RS-232（串行）、并行总线：传送数字信号的公共通道----信号线的集合RS-232C、VXI、Centronics（并行）（硬件系统）接口---分系统和上位机之间/分系统之间交换信息第三十八页，共59页。力位移

速度

加速度

压力流量温度电阻式电容式电感式压电式热电式光电式磁电式电桥

放大器滤波器调制器解调器运算器

阻抗变换器

笔式记录仪光线示波器磁带记录仪电子示波器半导体存储器显示器磁卡数据处理器

频谱分析仪

FFT

实时信号分析仪

电子计算机

被测对象

传感器

中间变换测量装置

显示及记录装置

实验结果处理装置

激发装置

第三十九页，共59页。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。

1.2.2测试系统的组成1状态检测：第四十页，共59页。现代装备系统——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四十一页，共59页。

金门大桥是美国最著名的桥梁，主桥1,966米，主跨1,280米，建成于1937年，保持了27年是世界最大跨径的桥梁的记录。桥梁监测1.2.2测试系统的组成第四十二页，共59页。1.2.2测试系统的组成2自动控制中的测试系统第四十三页，共59页。1.2.2测试系统的组成2自动控制中的测试系统作用：是自动控制闭环系统的必要组成环节；测量信号输入控制计算机中。第四十四页，共59页。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。第四十五页，共59页。1.3.1传感器技术的发展1.3.2计算机测试技术的发展信号处理技术，软处理第四十六页，共59页。1.3.1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）化学传感器的开发第四十七页，共59页。1.3.1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传感器生物酶血样分析传感器热/光电量第四十八页，共59页。2.集成智能化传感器的开发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四十九页，共59页。1.3.2计算机测试技术的发展1