第1章-绪论-检测技术与仪器-工程测试技术-教学课件.ppt

1、第第1 1章章 绪论绪论 工程测试技术工程测试技术南京理工大学南京理工大学参考教材：参考教材： 孔德仁、朱蕴璞、狄长安孔德仁、朱蕴璞、狄长安 编著编著 工程测试技术工程测试技术科学技术出版社科学技术出版社 2004年年2月第一版月第一版第第1 1章章 绪论绪论 课程的教学目标课程的教学目标 熟悉测量的基本知识（基本概念与术语）；熟悉测量的基本知识（基本概念与术语）； 掌握掌握信号信号的基本特点和描述方法；的基本特点和描述方法； 掌握掌握测量系统测量系统的基本特性和评价方法；的基本特性和评价方法； 熟悉熟悉正确选用测量系统正确选用测量系统和和合理应用测量结果合理应用测量结果 的的原则；原则； 了

2、解了解典型机械工程量典型机械工程量的测试方法的测试方法 （测试系统构建、测试过程实施、测试结果评（测试系统构建、测试过程实施、测试结果评价）价）第第1 1章章 绪论绪论 主要内容主要内容第第1 1章章 绪论绪论第第2 2章章 测量的基础知识测量的基础知识第第3 3章章 工程信号及其可测性分析工程信号及其可测性分析第第4 4章章 测量系统的基本特性测量系统的基本特性第第5 5章章 计算机测试技术计算机测试技术第第6 6章章 测试结果及误差分析测试结果及误差分析第第7 7章章 信号调理电路及指示纪录装置信号调理电路及指示纪录装置第第8 8章章 应变电测技术应变电测技术第第9 9章章 压电测量技术压

3、电测量技术第第1010章章 光电测量技术光电测量技术第第1111章章 温度测量技术温度测量技术第第1212章章 噪声测量技术噪声测量技术第第1313章章 压力测量技术压力测量技术第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量* * 第第1515章章 机械振动测试机械振动测试第第1 1章章 绪论绪论 1.1 引言引言 测试技术测试技术 的内涵的内涵1 1、人类认识的过程、人类认识的过程 1 1）自然观测：天文现象、苹果落地、）自然观测：天文现象、苹果落地、经验。经验。 2 2）试验）试验+ +观测：使观测：使对象对象在设定的条件下运行，然在设定的条件下运行，然后观测后观测总结规律

4、总结规律。 2 2、测试技术、测试技术 测试技术测试技术 = 测量技术测量技术 + 试验技术试验技术 试验试验 : 使使研究对象研究对象处于处于要求的状态要求的状态. 测量测量 : 获取获取研究对象的研究对象的状态状态(参数参数)量值量值.第第1 1章章 绪论绪论 1.1 引言引言测试技术测试技术的内涵的内涵试验：试验：使使研究对象研究对象处于处于要求的状态要求的状态. 试验技术试验技术 : 对象分析（影响因素分析）、对象分析（影响因素分析）、 试验设计（试验方案设计）、试验设计（试验方案设计）、 试验组织与实施试验组织与实施控制工程、控制工程、 （测量测量.) 系统建模方法、系统建模方法、

5、系统辨识与参数估计、系统辨识与参数估计、 .第第1 1章章 绪论绪论 1.1 引言引言测试技术测试技术的内涵的内涵 测量测量 : 获取获取研究对象的研究对象的状态状态(参数参数)量值量值. 测量技术：测量技术： 传感技术（信号获取）、传感技术（信号获取）、 信号调理（变换、放大等）、信号调理（变换、放大等）、 信号传输、信号传输、 信号（结果）评估信号（结果）评估误差理论、误差理论、 信号分析处理信号分析处理 获得被测对象的信息获得被测对象的信息第第1 1章章 绪论绪论 1.1 引言引言测试技术测试技术的内涵的内涵 测试技术测试技术 = 测量技术测量技术 + 试验技术试验技术 “测量测量”与与

6、“试验试验”相互依存相互依存 “试验试验”时必有时必有； “试验试验”时时的效果最好。的效果最好。 在在“自然自然”状态下（随机因素很多！）状态下（随机因素很多！）进行测量往往不能把握进行测量往往不能把握被测对象的有效信息被测对象的有效信息 “测量测量”与与“试验试验”相互依存相互依存 “测试技测试技术术” 第第1 1章章 绪论绪论 1.1 引言引言测试技术测试技术的内涵的内涵 测试技术测试技术 = 测量技术测量技术 + 试验技术试验技术 “试验技术试验技术”与与工程对象工程对象的关联密切的关联密切 通常按具体对象通常按具体对象分论分论； “”的通用性较好的通用性较好 按按工程对象工程对象通论

7、通论。 “测试技术测试技术”通常重点讨论通常重点讨论工程对象工程对象的的测量技术测量技术! 本课程亦如此本课程亦如此约定：约定： 测试测试测量测量；测试测试技术技术测量测量技术。技术。第第1 1章章 绪论绪论 1. 测试（测量）的基本任务测试（测量）的基本任务 “测试测试”（测量测量）的任务的任务 ： 获取获取被测对象被测对象发发出的出的信号信号。 测试测试（试验（试验+测量）测量）的根本目的的根本目的 ： 获取获取被测被测对象对象的的信息信息掌握其规律掌握其规律 信号：信号：信息信息的的表达形式。表达形式。 针对针对 工程研究对象，工程研究对象，信号信号=状态参量的状态参量的量值量值。第第1

8、 1章章 绪论绪论 1. 测试（测量）的基本任务测试（测量）的基本任务 “测试测试”（测量测量）的任务的任务 ： 获取获取被测对象被测对象发出的发出的信号信号。被测被测对象对象测试系统测试系统信号信号x信号信号2信号信号1信号信号y信号信号x第第1 1章章 绪论绪论 1. 测试（测量）的基本任务测试（测量）的基本任务被测被测对象对象测试系统测试系统信号信号x信号信号2信号信号1信号信号y信号信号x要解决两个问题要解决两个问题： 1. 信号信号x 信号信号y。 2. 保证正确理解保证正确理解信号信号y。第第1 1章章 绪论绪论 动态测试动态测试的困难：的困难： 静态量：不随时间变化量；静态量：不

9、随时间变化量； 动态量：随时间变化的量动态量：随时间变化的量动态信号动态信号 （在测试过程中）（不变是相对的）（在测试过程中）（不变是相对的） 动态测试动态测试 = = 对动态信号的测试（测量）对动态信号的测试（测量） 要求：测量系统有足够要求：测量系统有足够快快的响应能力。的响应能力。 第第1 1章章 绪论绪论 静态测量静态测量与与动态测量动态测量t)(tx0 x动态（物理）量x静态（物理）量tx0关注的时间范围静态是相对的！第第1 1章章 绪论绪论 静态测量静态测量与与动态测量动态测量化的动态量的测量。对测试过程中随时间变动态测量 变化的静态量的测量。对测试过程中不随时间静态测量 量！化为

10、“动态量”进行测人为地将“静态量”转在工程实践中，有时会例：轴类零件外廓测量测距系统xo0t)(tx002022第第1 1章章 绪论绪论 1.3 测试技术的作用与历史测试技术的作用与历史1 1、历史上人们对测试技术的认识、历史上人们对测试技术的认识 自古以来，测试技术就渗透在在人类的生产活动、科学自古以来，测试技术就渗透在在人类的生产活动、科学实验与日常生活的各个方面。实验与日常生活的各个方面。 古代利用古代利用“步弓步弓”丈量土地丈量土地 利用利用“日晷日晷”计量时间计量时间 利用利用“绳扣绳扣”记录数量记录数量 成语：成语：“五十步笑百步五十步笑百步”、“百步穿杨百步穿杨” 秦始皇统一了割

11、居的六国形成统一的中央政权后，首先秦始皇统一了割居的六国形成统一的中央政权后，首先做的工作就是统一度量衡，由此可见测试计量技术的重要性。做的工作就是统一度量衡，由此可见测试计量技术的重要性。第第1 1章章 绪论绪论 1.3 测试技术的作用与历史测试技术的作用与历史(续续)2 2、科学、科学离不开离不开实验实验（测试）（测试） 牛顿通过实验发表了万有引力定律；牛顿通过实验发表了万有引力定律； 伽利略通过实验创造了力学；伽利略通过实验创造了力学； 波义尔通过实验创造了化学；波义尔通过实验创造了化学； 麦克斯韦尔通过实验创造电磁场理论；麦克斯韦尔通过实验创造电磁场理论； 16651665年虎克利用光

12、学显微镜观察软木栓，发现了细胞，年虎克利用光学显微镜观察软木栓，发现了细胞，促进了生物学的发展；促进了生物学的发展；第第1 1章章 绪论绪论 1.3 测试技术的作用与历史测试技术的作用与历史(续续) 19271927年威尔逊发明了云雾室，利用云雾室可观测到粒年威尔逊发明了云雾室，利用云雾室可观测到粒子运动轨迹，而使人们对物质的结构向前迈进了一大步；子运动轨迹，而使人们对物质的结构向前迈进了一大步； 爱因斯坦：通过实验于爱因斯坦：通过实验于19051905年提出了狭义相对论；年提出了狭义相对论；19151915年提出了广义相对论；大家知道，当时的相对论并未被世年提出了广义相对论；大家知道，当时的

13、相对论并未被世人承认，直到人承认，直到5050年后的天文望远镜的出现才证实了相对论年后的天文望远镜的出现才证实了相对论的正确性；的正确性； 丁肇中：丁肇中：19741974年发现年发现J J粒子，粒子，J J粒子的发现基础是研制了粒子的发现基础是研制了高灵敏度的双臂谱义。高灵敏度的双臂谱义。 雷莱：通过大量实验，发现了自然界中存在惰性气体，雷莱：通过大量实验，发现了自然界中存在惰性气体，这就是化学元素周期表中最后一列。这就是化学元素周期表中最后一列。第第1 1章章 绪论绪论 1.3 测试技术的作用与历史测试技术的作用与历史(续续) 以弹道学为例：以弹道学为例：u古老的弹道学是研究装药量与弹丸运

14、行距离之间的关系古老的弹道学是研究装药量与弹丸运行距离之间的关系u18601860年诺贝尔发明了铜柱测压法，同时布郎吉发明了弹道年诺贝尔发明了铜柱测压法，同时布郎吉发明了弹道摆，将古老的弹道学一分为二：内弹道学、外弹道学。摆，将古老的弹道学一分为二：内弹道学、外弹道学。u铜柱测压法：可用铜柱测出弹膛内火药燃气的压力值；铜柱测压法：可用铜柱测出弹膛内火药燃气的压力值；u弹道摆：可以测出弹丸出枪、炮的初速；弹道摆：可以测出弹丸出枪、炮的初速；u内弹道学：研究装药与压力及初速的关系；内弹道学：研究装药与压力及初速的关系；u外弹道学：研究弹丸初速与射程之间的关系；外弹道学：研究弹丸初速与射程之间的关系

15、；u随着动态测试技术的发展，弹道学目前已发展成了内弹随着动态测试技术的发展，弹道学目前已发展成了内弹道学、中间弹道学、外弹道学、创伤弹道学。道学、中间弹道学、外弹道学、创伤弹道学。第第1 1章章 绪论绪论 1.3 测试技术的作用与历史测试技术的作用与历史(续续) 3 3、测试技术在、测试技术在现代生活现代生活中的作用中的作用1 1）家用电器）家用电器u 空调，尤其是中央空调；空调，尤其是中央空调；u 楼宇控制；楼宇控制；u 洗衣机（全自动、纳米材料，模糊洗衣机）洗衣机（全自动、纳米材料，模糊洗衣机）;2 2）加工中心（提高金属材料的加工精度）；）加工中心（提高金属材料的加工精度）；3 3）油井

16、温度压力控制（测压蛋）；）油井温度压力控制（测压蛋）；4 4）石油、煤矿勘察）石油、煤矿勘察5 5）原油进口）原油进口6 6）水果进口）水果进口7 7）高速公路速度测量）高速公路速度测量第第1 1章章 绪论绪论 1.3 测试技术的作用与历史测试技术的作用与历史(续续)4 4、测试技术的发展历史、测试技术的发展历史1 1）古老测量方法）古老测量方法 自然工具自然工具2 2）机械测量方法；）机械测量方法；3 3）电测方法；）电测方法； 非电量电测的基本思想非电量电测的基本思想4 4）计算机测试技术（）计算机测试技术（CATCAT） 第一代第一代CATCAT技术（专用接口）技术（专用接口） 第二代第

17、二代CATCAT技术（通用接口）技术（通用接口） 虚拟仪器技术虚拟仪器技术第第1 1章章 绪论绪论 更好的基础、更好的基础、更高的要求更高的要求1.4 测试（测量）技术的发展趋势测试（测量）技术的发展趋势测试技术测试技术 测量范围不断拓展测量范围不断拓展 巨大量：巨大量：1000MPa高膛压、高膛压、10万万g冲击加速度冲击加速度; 微小量：纳米、原子力微小量：纳米、原子力 动态测量动态测量微秒级的瞬态过程量、微秒级的瞬态过程量、. 测量准确度不断提高测量准确度不断提高 常规常规位移位移测量的不确定度可以小到测量的不确定度可以小到m量级；量级； 常规常规动态压力动态压力测量的不确定度不难控制到

18、测量的不确定度不难控制到1%级以内、级以内、. 智能化智能化 自动适应测量任务、自动综合分析处理信号、自动适应测量任务、自动综合分析处理信号、 测量系统更好用、结果更好理解测量系统更好用、结果更好理解 微小型化微小型化 嵌入式测量系统嵌入式测量系统其它科技其它科技 更有效的认识方法更有效的认识方法第第1 1章章 绪论绪论 1.4 测试技术的发展趋势测试技术的发展趋势1 1、 量程范围更加宽广量程范围更加宽广 例：例：在火炮膛压测试技术中，对常规火炮膛压小于在火炮膛压测试技术中，对常规火炮膛压小于600Mpa600Mpa的测试，采用铜柱（或铜球）测压器或压电传感器均可满的测试，采用铜柱（或铜球）

19、测压器或压电传感器均可满足要求。为提高火炮射程和射击精度，在高膛压火炮的研足要求。为提高火炮射程和射击精度，在高膛压火炮的研究中，膛压可达到究中，膛压可达到8008001000Mpa1000Mpa，甚至，甚至1000Mpa1000Mpa以上，并伴以上，并伴随着的高冲击加速度，这就促使膛压测试技术要相应的发随着的高冲击加速度，这就促使膛压测试技术要相应的发展，研制测压范围更宽的压力传感器以及配套的压力动态展，研制测压范围更宽的压力传感器以及配套的压力动态标定装置。标定装置。第第1 1章章 绪论绪论 1.4 测试技术的发展趋势测试技术的发展趋势(续续)2 2、传感器向新型、微型、智能型发展、传感器

20、向新型、微型、智能型发展 传感器是信号检测的器具。精度高、灵敏阀值高而测量传感器是信号检测的器具。精度高、灵敏阀值高而测量范围大及小型化是传感器的发展的一个重要方向。范围大及小型化是传感器的发展的一个重要方向。 新的材料，特别是新型半导体材料方面的成就，已经促新的材料，特别是新型半导体材料方面的成就，已经促使很多对力、热、光、磁等物理量或气体化学成分敏感的使很多对力、热、光、磁等物理量或气体化学成分敏感的器件的发展。光导纤维不仅可用来信号传输，而且可作为器件的发展。光导纤维不仅可用来信号传输，而且可作为物性型传感器。物性型传感器。 另一个引人注目的发展是由于微电子的发展使得很有另一个引人注目的

21、发展是由于微电子的发展使得很有可能把某些电路乃至微处理器和传感测量部分做成一体，可能把某些电路乃至微处理器和传感测量部分做成一体，而是传感器具有放大、校正、判断和一定的信号处理功能，而是传感器具有放大、校正、判断和一定的信号处理功能，组成所谓的组成所谓的“智能传感器智能传感器”。第第1 1章章 绪论绪论 1.4 测试技术的发展趋势测试技术的发展趋势(续续)3 3、测量仪器向高精度和多功能发展、测量仪器向高精度和多功能发展 在产品研制过程中要进行在产品研制过程中要进行( (相同条件下试验若干次相同条件下试验若干次) )大量试大量试验，然后对所测数据进行统计分析。仪器精度的提高，可验，然后对所测数

22、据进行统计分析。仪器精度的提高，可减少试验次数，从而减少试验经费，降低产品成本，在提减少试验次数，从而减少试验经费，降低产品成本，在提高测量仪器精度的同时应扩大仪器的功能。高测量仪器精度的同时应扩大仪器的功能。 计算机技术的发展也使测试技术产生了革命化的变化，计算机技术的发展也使测试技术产生了革命化的变化，在许多测试系统中利用计算机而使仪器起的测量精度更高，在许多测试系统中利用计算机而使仪器起的测量精度更高，功能更全。功能更全。第第1 1章章 绪论绪论 1.4 测试技术的发展趋势测试技术的发展趋势(续续)4 4、参数测量与数据处理项自动化发展、参数测量与数据处理项自动化发展 一个产品的大型综合

23、性试验，准备时间长，待测参数一个产品的大型综合性试验，准备时间长，待测参数多，靠人工检查，耗费时间长；众多的数据依靠手工去处多，靠人工检查，耗费时间长；众多的数据依靠手工去处理，不仅精度低，处理周期也太长。理，不仅精度低，处理周期也太长。 现代测试技术的发展，使采用以计算机为核心的自动现代测试技术的发展，使采用以计算机为核心的自动测试系统成为可能，该系统一般能实现自动校准、自动修测试系统成为可能，该系统一般能实现自动校准、自动修正、故障诊断、信号调制、多路采集、自动分析处理并能正、故障诊断、信号调制、多路采集、自动分析处理并能打印输出测试结果。打印输出测试结果。 第第1 1章章 绪论绪论 1.

24、5 本课程的地位、目的、课程结构本课程的地位、目的、课程结构 对高等学校机械工程各有关专业来说，本课程是一门技对高等学校机械工程各有关专业来说，本课程是一门技术基础课。本课程是数学、物理学、电工学、电子学、力学、术基础课。本课程是数学、物理学、电工学、电子学、力学、控制工程及计算机技术等课程的综合应用。本课程具有很强控制工程及计算机技术等课程的综合应用。本课程具有很强的实践性，只有在学习过程中密切联系实际，加强实验，注的实践性，只有在学习过程中密切联系实际，加强实验，注意物理概念，才能真正掌握有关知识。意物理概念，才能真正掌握有关知识。 本课程主要讨论工程动态测试中常用的传感器、中间变本课程主

25、要讨论工程动态测试中常用的传感器、中间变换电路及记录、显示、分析设备的工作及原理，测量系统的换电路及记录、显示、分析设备的工作及原理，测量系统的静、动态特性的评价方法，测量信号的可测性分析，计算机静、动态特性的评价方法，测量信号的可测性分析，计算机在测试中的应用，常用的应变测量技术、压电测量技术、光在测试中的应用，常用的应变测量技术、压电测量技术、光电测量技术以及温度测量技术以及其它几个常见物理量的动电测量技术以及温度测量技术以及其它几个常见物理量的动态测试方法。态测试方法。第第1 1章章 绪论绪论 1.5 本课程的地位、目的、课程结构本课程的地位、目的、课程结构(续续) 在教学环节中安排了相

26、关的必要的实验及习题，学习中在教学环节中安排了相关的必要的实验及习题，学习中必须主动积极地参加实验，及完成相应的习题才能受到应有必须主动积极地参加实验，及完成相应的习题才能受到应有的实验能力的训练，才能在潜移默化中获得关于动态测试工的实验能力的训练，才能在潜移默化中获得关于动态测试工作的比较完整的概念，才能初步具有处理实际测试工作的能作的比较完整的概念，才能初步具有处理实际测试工作的能力。力。第第1 1章章 绪论绪论 1.5 本课程的地位、目的、课程结构本课程的地位、目的、课程结构(续续)学完本课程后应具有下列几个方面的知识和能力：学完本课程后应具有下列几个方面的知识和能力： 1. 1. 掌握

27、信号时域和频域的描述方法，掌握频谱分析的基本原掌握信号时域和频域的描述方法，掌握频谱分析的基本原理和方法；了解数字信号分析的基本概念理和方法；了解数字信号分析的基本概念。2. 2. 了解了解常用传感器常用传感器、中间变换电路中间变换电路及及记录显示设备记录显示设备的工作原理的工作原理及性能，能依据测试要求合理地选择相关的测试设备。及性能，能依据测试要求合理地选择相关的测试设备。3. 3. 掌握测试系统的静、动态特性的评价方法及不失真测量条件掌握测试系统的静、动态特性的评价方法及不失真测量条件, , 能够正确运用相关理论对测试系统进行分析和选择。能够正确运用相关理论对测试系统进行分析和选择。第第1 1章章 绪论绪论 1.5 本课程的地位、目的、课程结构本课程的地位、目的、课程结构(续续) 4. 4. 对动态测试工作的基本问题有比较完整的概念，能合理确对动态测试工作的基本问题有比较完整的概念，能合理确定机械工程中典型参数的测试方法定机械工程中典型参数的测试方法。5. 5. 熟悉熟悉测量误差测量误差及及不确定度不确定度的基本概念，了解动态测量误差的基本概念，了解动态测量误差的概念。掌握测量数据处理及测量结果评估的基本方法。的概念。掌握测量数据处理及测量结果评估的基本方法。