测试技术讲义

本章学习要求

完成本章内容的学习后应能做到：

1.T解工程测试的含义及其基本内容

2.了解工程测试技术的工业应用情况

3.了解测试技术学科的最新发展动态

4.了解国内外主要测试仪器、传感器生产厂商

5.了解获取工程测试技术信息的主要资源

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目录

•1.1测试技术的基本概念

•1.2测试技术的工程应用

・1.3信号的处理、分析

・1.4测试技术的发展概况

・1.5课程学习要求和建议

1.1测试技术的基本概念

LL1简介

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的分析处

理方法。

测试技术是进行各种科学实验研究和生

产过程参数检测等必不可少的手段，它起着

类似人的感觉器官的作用。通过测试可以揭

示事物的内在联系和发展规律，从而去利用

它和改造它，推动科学技术的发展。

[HaEEH

»测试技术在工程技术领域中应用广泛

工程研究、产品开发、生产监督、质

量控制和性能实验等，都离不开测试技

术。

A测试技术几乎涉及任何一项工程领域

无论是生物、海洋、气象、地质、通

信以及机械、电子等工程，都离不开测

试与信息处理。

1:n一］-IIIIIF」

-100°C500°c

•玻璃管温度计——直接将被测对象温度

的变化转化为温度计液面示值，这中间

没有电量的转换和分析处理电路，很简

单，但测量精度底，同时也很难实现测

量自动化。

1.1.2测试、信息、信号

测试——具有试验性质的测量。

试验：对迄今为止未知事物的探索性认识

过程；

测量：为确定被测对象的量值而进行的实

验过程。

测试可理解为测量和试验的综合。

[SZ3EH

信息、信号

信息——消息、情报或知识，信息是物质所

固有的，是其客观存在或运动状态的特征。

是事物运动的状态或方式。

信号—传输信息的载体，是物质，具有能

量。

1.1.3工程测试技术

•利用现代化测试手段对工程中的各种物

理信号，特别是随时间变化的动态物理

信号进行检测、试验、分析，并从中提

取有用信息的一门新兴技术。

[HaEEH

1.1.4测试系统的组成

被测对象（信息源）——物质的颜色、形状、

温度的变化、压力、流量、速度、振动等。

[HZaJEEED

■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——将反映被测对象特性的物理量

（如压力、加速度、温度等）检出并转换为

电量，然后传输给中间变换装置；

＞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

行计算，再将处理结果以电信号或数字信号

的方式传输给显示记录装置；

»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。

[HaEEH

信号频港

轴承故障检测系统原理图

•传感器——加速度计，轴承振动信号一电信号

•中间变换装置——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)带通滤波器用于滤除传感器测量信号中的

高、低频干扰信号和对信号进行放大；

(2)A/D信号采集卡用于对放大后的测量信号

进行采样，将其转换为数字量；

(3)FFT(快速傅里叶变换)分析软件则对转

换后的数字信号进行FFT变换，计算出信号的

频谱。

•显示记录装置——计算机显示器，显示频谱。

1.2测试技术的工程应用

121产品质量测量

在汽车、机床等设备和电机、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。

发动机测量参数——润滑油温度、冷却水温度、润滑

油压力、燃油压力以及每分钟的转速等

[HaEEH

1.2.2设备运行状态监控系统

对关键设备运行状态实施24小时实时动态

监测，可以及时、准确地掌握它的变化趋势

,为工程技术人员提供详细、全面的机组信

息，是实现设备事后维修或定期维修向预测

维修转变的基础。

[HaEEH

某火力发电厂30MW汽轮发电机组的计算机设备运行

状态监测系统原理框图

123家电产品中的传感器

在家电产品设计中，人们大量应用了传感

器和测试技术来提高产品的性能和质量。例如

全自动洗衣机以人们洗衣操作的经验作为模糊

控制的依据，采用多种传感器将洗衣状态信息

检测出来，并将这些信息送到微电脑中，经微

电脑处理后，选择出最佳的洗涤参数，对洗衣

全过程进行自动控制，达到最佳的洗涤效果。

全自动洗衣机中的滚筒液面高度自动检测

[HzajEm

衣量传感器——衣物量的多少，决定设定水位的高低。

衣质传感器——衣物重量、织物种类，决定最优洗涤

温度、洗涤时间。

水温传感器——开机时的环境温度和注水结束时的水

温，为模糊推论提供信息。

水质传感器——检测水的硬度，决定添加洗衣粉的量

以期达到最佳洗涤效果。

光传感器——洗涤液的透光率，间接检测洗净程度。

其他传感器——监测漂洗过程中的肥皂沫的变化决定

漂洗的次数；监测干衣过程中衣物电阻值的变化，决

定烘干时间。

压£传感器一实现电信号与机械力信号的相互转换,

以实现无级调水，从而达到省水、省电的目的。

[HaEEH

1.2.4楼宇自动化

楼宇自动化系统（建筑物自动化系统）——建

筑物（或建筑群）内的消防、安全、防盗、电

力系统、照明、空调、卫生、给排水、电梯

等设备的集中监视、控制和管理。

目的——使建筑物成为安全、健康、舒适、温

馨的生活环境和高效的工作环境，并能保证

系统运行的经济性和管理的智能化。

1.2.5身份认证

Veridicom公司推出的固态指纹识别技

术——包括固态指纹传感器芯片FPS110和专

用软件包。传感器芯片采用固态电容传感的

方法莱获得指纹图像，有300X300的传感单

元阵列，分辨率为500dpi,表面有专利的超硬

保护涂层，内部集成8位带闪存的A/D转换器,

还集成了温度传感器和电阻传感器，该芯片

提供8位双向微处理器接口。该芯片的尺寸与

邮票差不多，在27mmX27mm的芯片上，图

像捕捉面积为16mm义16mm。

采用固态指纹传感器、IC卡和密码保护的三种具有

身份认证功能的防盗锁。

[HzajEra

L3信号处理和分析

•信号分析——研究信号的构成和特征值

的过程。

•信号处理——信号经过必要的加工变换,

以期获得有用信息的过程。

•如：功率放大、调制与解调、滤波、变

换、估值等

1.3.1信号分析的方法

时域分析——均值、方差、矩、均方值等

统计分析，幅值、相位、频率等时间域

参数

时差域分析—相关、协方差等

频域分析——幅值谱、相位谱、功率谱等

频差域分析——互谱、倒谱等

时频域分析—小波分析

1.4测试技术的发展概况

1.4.1测试技术的发展历史

•20世纪50年代—模拟分析方法。通用计

算机在信号分析中有了实际应用。

•20世纪60年代—人造卫星、宇航探测及

通信、雷达技术的发展，对信号分析的速

度、分辨能力提出了更高的要求。

快速傅立叶变换(FFT—FastFourier

Transform)方法的诞生使计算机科学有

了更广泛的应用

EH国画「

・20世纪70年代—大规模集成电路的发

展和微型计算机的应用，使许多新型信

号分析方法出现。

例如：

1、NFFT(Numbertheoretictransforms)—

数论变换FFT算法

2、WFTA(WinogradFourierTransforms

Algor汕m)—傅立叶变换算法

3、PFTA(PolynomialtransformFourier

Transform)多项式变换傅立叶变换算法

1.4.2测试技术的发展动向

Emin

。传咸器微型价

应.EMS（微机电系统）技术的需求，目前

传感器向着小型化、微型化的方向发展。

・例如：压电传感器原理

微观上：美国加州大学研制的静电微马达

的制作工艺，在硅片上，与CPU的制作工艺

相同。

宏观上：汽车的安全气囊

♦:♦传感器的智能化

智能化——仪器具有了显示、数据处理、自

学习等功能

例如：现在新型的示波器具有网络功能、数

据处理功能、显示功能、信号调理功能（A/D

转换，放大等）

卫a5口

多传感器信息的融合技术

♦:♦虚拟测试技术和虚拟仪器

•建立仿真程序，建立信息转换模型，在计算

机上模拟测试和实现。

•虚拟仪器——由计算机、传感器、必要的转

换仪器等硬件组成的一套柔性较强的测试系

统

。先进的数据处理方法

•小波变换与小波分析

・神经网络分析

•灰色故障诊断

•模糊分析

•专家系统分析

•有限元分析

♦:♦在线实时主动监测控制

•计算机在线监测技术——预防故障、工

件报废、刀具破损等

♦:♦新型的传感技术和新型传感器

•生物芯片

•仿生传感器——蛙眼、电子鼻、人工舌

•视觉传感器——CMOS技术的爱普泰克网易拍

用于图象识别

•触觉传感器——机器手

•模糊传感器——无人引导小车、车前摄像头

♦:♦超大超小量的测量—极限测量

•超大测量——

1、美国双子座世贸大厦电梯，110多米高，

其直线度测量，2min到达；

2、张家界高层电梯，300多米高，其直线

度测量，Imin50s到达。

・超小测量——

1、基因工程中细胞夹持力的确定和测量；

2、静力微马达扭矩测量

回回区回

。网络化测试

•数据在网上共享，测试装置在网上连接

使用；

•设备在网上共享，网络打印机

机电一体化技术的兴起和发展，使机械产品

的结构和功能发生了质的跃变，同时，制造过

程正走向柔性化、集成化、智能化，FMS、

CIMS、MRII的发展，离不开信息的获取、传

输、转换、存储、处理与分析、利用。

1.5课程学习要求和建议

•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：

(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^既念^

自)。O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