1、2022-5-10机械工程测试技术机械工程测试技术2022-5-10l教材 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础( (第第3 3版版) ) 熊诗波 黄长艺编著 机械工业出版社 测试技术与信号处理测试技术与信号处理 郭迎福，焦锋，李曼主编 中国矿业大学出版社l课时安排授课 ：32学时实验 ：4学时2022-5-10l教学目的和要求教学目的和要求 测试技术是工科院校机械类各专业本科生测试技术是工科院校机械类各专业本科生一门重要的技术基础课，内容包括传感器、测一门重要的技术基础课，内容包括传感器、测量电路、测试系统的特性，信号分析与数据处量电路、测试系统的特性，信号分析与数据处理理 。通过本课程
2、的学习：通过本课程的学习：掌握传感器的原理、特点及应用，常用测试掌握传感器的原理、特点及应用，常用测试系统和测量电路以及信号分析的基本原理和系统和测量电路以及信号分析的基本原理和分析方法。为后续课程打好基础。分析方法。为后续课程打好基础。2022-5-10课程内容l第一章第一章 绪论绪论l第二章第二章 信号及其描述信号及其描述l第三章第三章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性l第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件l第五章第五章 信号的调理与记录信号的调理与记录l第六章第六章 信号处理初步信号处理初步l第七章第七章 测试技术的工程应用测试技术的工程应用2022-5-10第一章
3、 绪论l了解测试的基本概念了解测试的基本概念l掌握信号和信息的关系掌握信号和信息的关系l理解测试的基本内容与任务理解测试的基本内容与任务l理解测试系统的组成及各环节功能理解测试系统的组成及各环节功能l掌握信号的分析方法掌握信号的分析方法l了解测试信息处理技术的发展方向了解测试信息处理技术的发展方向2022-5-10一、 测试的重要作用和意义 l 在某种意义上来说，在某种意义上来说，“没有测试，就没有测试，就没有科学没有科学。” ” 因为人类的各种活动领域因为人类的各种活动领域中都离不开测试。中都离不开测试。2022-5-10在工程领域，科在工程领域，科学实验、产品学实验、产品开发、生产监开发、
4、生产监督、质量控制督、质量控制等，都离不开等，都离不开测试技术。测测试技术。测试技术应用涉试技术应用涉及到航天、机及到航天、机械、电力、石械、电力、石化和海洋运输化和海洋运输等每一个工程等每一个工程领域。领域。一、测试技术在现代工业生产中的作用一、测试技术在现代工业生产中的作用2022-5-10A 机械手、机器人中的传感器机械手、机器人中的传感器 转动转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉移动位置传感器、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。觉传感器。密歇根大学的机械手装配模型密歇根大学
5、的机械手装配模型广州中鸣数码的机器狗广州中鸣数码的机器狗1.工业自动化中的应用工业自动化中的应用在各种自动控制系统中，测试环节起系统感官的作用，是其重要组成部分。在各种自动控制系统中，测试环节起系统感官的作用，是其重要组成部分。2022-5-10B AGV自动送货车自动送货车 超声波测距传感器、判断超声波测距传感器、判断建筑物内人和物建筑物内人和物所在位置；所在位置；红外线色彩传感器运动轨迹和红外线色彩传感器运动轨迹和AGV小车位置小车位置识别；条形码传感器，识别；条形码传感器，货品识货品识别。别。香港理工香港理工AGV模型模型2022-5-10C 生产加工过程监生产加工过程监测测切削力传感器
6、，加工切削力传感器，加工噪声传感器，超声噪声传感器，超声波测距传感器、红波测距传感器、红外接近开关传感器外接近开关传感器等等2022-5-10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。通常建立关系到整个生产线流程。通常建立24小时在线监测系统。小时在线监测系统。石化企业石化企业输油管道、输油管道、储油罐等储油罐等压力容器压力容器的破损和的破损和泄露检测。泄露检测。扬子石化扬子石化50MW热电机组监测系统热电机组监测系统阳逻电厂阳逻电厂300MW汽轮机组监测系统汽轮机组监测系统荆门电厂荆门电厂200M
7、W机组监测系统机组监测系统青山热电厂生产信息实时查询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沙角电厂生产信息实时查询系统宝钢宝钢30KW以上风机监测系统以上风机监测系统宝钢精轧宝钢精轧F2轧机网络化监测系统轧机网络化监测系统宝钢冷轧带钢振动纹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武钢风机状态监测系统2.流程工业设备运行状态监控流程工业设备运行状态监控2022-5-103.产品质量测量产品质量测量 在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，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。必须对其性能质量进行测量和出厂
8、检验。 图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包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。师可以了解产品质量。汽车扭距测量汽车扭距测量机床加工精度测量机床加工精度测量2022-5-104.楼宇控制与安全防护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，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并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在
9、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。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图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分动化系统。该系统分为：电源管理、安全为：电源管理、安全监测、照明控制、空监测、照明控制、空调控制、停车管理、调控制、停车管理、水水/废水管理和电梯废水管理和电梯监控。监控。烟雾传感器亮度传感器红外人体探测器2022-5-105.家庭与办公自动化家庭与办公自动化 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。了传感器和测试技术
10、来提高产品性能和质量。 全自动洗衣机中的传感器：衣全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，水物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率温传感器，水质传感器，透光率光传感器光传感器(洗净度洗净度) 液位传感器，液位传感器，电阻传感器电阻传感器(衣物烘干检测衣物烘干检测)。指纹传感器指纹传感器透光率传感器透光率传感器温湿度传感器温湿度传感器温度传感器温度传感器2022-5-106.其他应用其他应用航天航天农业农业交通交通医学医学2022-5-10鼠标鼠标:光电位移传感器光电位移传感器摄象头摄象头:CCD传感器传感器声位笔声位笔:超声波传感器超声波传感器麦克风麦克风:电容传
11、声器电容传声器声卡声卡:A/D卡卡 + D/A卡卡软驱软驱:速度速度,位置伺服位置伺服7.PC机中的测试技术应用机中的测试技术应用2022-5-10l测试包含着测量和试验两大内容。测试包含着测量和试验两大内容。l测量就是把被测系统中的某种信息提出，测量就是把被测系统中的某种信息提出，并加以度量，为确定量值而进行的试验过并加以度量，为确定量值而进行的试验过程；程；l试验就是通过某种人为的方法，把被测系试验就是通过某种人为的方法，把被测系统所在的许多信息中的某种信息，用专门统所在的许多信息中的某种信息，用专门的装置人为地把它激发出来，加以测量。的装置人为地把它激发出来，加以测量。它是对未知事物探索
12、性的认识过程它是对未知事物探索性的认识过程2022-5-10试验：对未知事物探索性的认识过程试验：对未知事物探索性的认识过程 测量：为确定量值而进行的试验过程测量：为确定量值而进行的试验过程计量：实现单位统一和量值准确可靠为目计量：实现单位统一和量值准确可靠为目的。的。2022-5-10测试：具有试验性的测量测试：具有试验性的测量 l工程测试技术的概念工程测试技术的概念 利用现代测试手段对工程中的各种物理信利用现代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，并从中测、试验、分析，并从中提取有用信息提取有用信息的一门
13、的一门新型技术。新型技术。测试技术的基本任务是获取有用的测试技术的基本任务是获取有用的信息。信息。2022-5-10二、信息和信号1.信号是随时间变化的某些物理量，是人们在测量中直接获得的。信号可以转换、处理、存储、记录。信息2022-5-102.信息与信号之间关系信息与信号之间关系l信号是信息的载体；信息是信号的具体内信号是信息的载体；信息是信号的具体内容，信息蕴藏于信号之中；容，信息蕴藏于信号之中；l同一信息可用不同信号来承载；同一信息可用不同信号来承载；l信息的通信传输必须借助于信号；信息的通信传输必须借助于信号；l信息的获取一定是通过对信号的加工、变信息的获取一定是通过对信号的加工、变
14、换与处理。换与处理。2022-5-10简单的测试系统可简单的测试系统可以只有一个模块，以只有一个模块，如玻璃管温度计。如玻璃管温度计。它直接将被温度变它直接将被温度变化转化液面示值。化转化液面示值。没有电量转换和分没有电量转换和分析电路，很简单，析电路，很简单，但精度底，无法实但精度底，无法实现测量自动化。现测量自动化。 为提高测量精度和为提高测量精度和自动化程度，以便自动化程度，以便于和其它环节一起于和其它环节一起构成自动化装置，构成自动化装置，通常先将被测物理通常先将被测物理量转换为电量，再量转换为电量，再对电信号进行处理对电信号进行处理和输出。如图所示和输出。如图所示的声级计。的声级计。
15、 2022-5-10三、测试系统的组成l工程测试系统的组成工程测试系统的组成 在机械工程中，测试的量主要是一些在机械工程中，测试的量主要是一些非电非电的的物理量。用现代测试技术测量非电量的方法主物理量。用现代测试技术测量非电量的方法主要是要是电测法。电测法。1.电测法的概念电测法的概念即将非电量先转换为电量，然即将非电量先转换为电量，然后用各种电测仪表和装置乃至电子计算机对电后用各种电测仪表和装置乃至电子计算机对电信号进行处理和分析信号进行处理和分析2022-5-10三、测试系统的组成l2 2、测试过程和测试系统的组成、测试过程和测试系统的组成l 根据测试任务复杂程度的不同，测试系统中传感器、
16、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、中间变换装置就由带通滤波器、A/DA/D变换和计算机中的变换和计算机中的FFTFFT分析软件三部分组成。分析软件三部分组成。 2022-5-10 一般说来，测试系统由传感器、中间变换装置和一般说来，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。显示记录装置三部分组成。 传感器是指能感受规定的被测量并按一定规律转换成同一种传
17、感器是指能感受规定的被测量并按一定规律转换成同一种或另一种输出信号的器件或装置。传感器通常由敏感元件和转换或另一种输出信号的器件或装置。传感器通常由敏感元件和转换元件组成。敏感元件直接感受被测量，转换元件将敏感元件的输元件组成。敏感元件直接感受被测量，转换元件将敏感元件的输出转换为适于传输和测量的信号。许多传感器中这二者是合为一出转换为适于传输和测量的信号。许多传感器中这二者是合为一体的。体的。2022-5-10四、四、 测试技术的发展趋势测试技术的发展趋势1.传感器方面传感器方面 1) 利用新发现的材料和新发现的生物、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物理、化学
18、效应开发出的新型传感器光纤流速传感器光纤流速传感器荧光材料制作的电子鼻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生物酶血样分析传感器热热/光光电量电量2022-5-102) 传感器传感器+嵌入式计算机嵌入式计算机 微机化、微机化、智能传感器智能传感器 振动网络传感器振动网络传感器嵌入式计算机嵌入式计算机智能压力网络传感器智能压力网络传感器智能智能倾角倾角RS232RS232传感器传感器IC总线数字温度传感器总线数字温度传感器2022-5-102.测量信号处理方面测量信号处理方面 计算机虚拟仪器技术计算机虚拟仪器技术 用用PC机仪器板卡机仪器板卡 代替传统仪器代替传统仪器用计算机软件用
19、计算机软件 代替硬件分析电路代替硬件分析电路优优点点虚拟实验虚拟实验2022-5-10四、测试技术的内容1.测试技术的内容l测量原理：实现测量所依据的物理、化学、生物等现象及有关定律。l测量方法：分为静态测量和动态测量 直接测量，间接测量，组合测量 接触或非接触测量、 破坏或非破坏测量l数据处理2022-5-10测量的基础知识一、量与量纲 量是指现象、物体或物质可定性区别和定量确定的一种属性。 不同类的量可定性区别 同类的量可以量值大小区别1、量值 量值是用数值和计量单位的乘积来表示的。它被用来定量地表达被测对象相应属性的大小。2022-5-10测量的基础知识2、基本量和导出量 基本量： 长度
20、、质量、时间、温度、电流、发 光强度、物质的量 导出量：由基本量按一定函数关系来定义的2022-5-10测量的基础知识3、基准与标准 基准：用来保存、复现计量单位的计量器具，是最高准确度的计量器具。 国家基准、副基准和工作基准 计量标准：用于检定工作计量器具的计量器具 工作计量器具是指用于现场测量而不用检定工作的计量器具。2022-5-10测量的基础知识4、测量误差 测量误差 = 测量结果 真值 （1）误差分类：系统误差、随机误差、粗大误差系统误差定义：在同一被测量的多次测量过程中，绝对值和符号保持恒定或以可预知的方式变化的测量误差的分量。 2022-5-10l系统误差系统误差产生原因：产生原
21、因：l 仪器本身的缺陷或没按规定条件使用仪器而仪器本身的缺陷或没按规定条件使用仪器而引起的误差（又称作引起的误差（又称作仪器误差仪器误差）例：例：电表电表的刻度不均匀的刻度不均匀-示值误差示值误差等臂天平等臂天平的两臂实际不等的两臂实际不等-机构误差机构误差指针式指针式电表电表使用前没调零使用前没调零-零位误差零位误差测量所依据的理论公式本身的近似性、或实测量所依据的理论公式本身的近似性、或实验条件不能达到理论公式的要求、或测量方法验条件不能达到理论公式的要求、或测量方法所带来的所带来的系统误差系统误差（又称作（又称作理论误差理论误差或或方法误方法误差差）。）。例：例：单摆单摆运动方程运动方程
22、小角度近似解引起的误小角度近似解引起的误差、差、伏安法伏安法测电阻时测电阻时电表电表内阻引起的内阻引起的测量误差测量误差。 2022-5-10l随机误差定义： 在同一量的多次重复测量中绝对值和符号以不可预知方式变化的测量误差分量。产生原因：实验条件和环境因素无规则的起伏变化，引起测量值围绕真值发生涨落的变化，如：操作读数时的视差影响、 数字仪表末位取整数时的随机舍入过程等，都会产生一定的随机误差分量。 2022-5-10l粗大误差：不正常原因造成2022-5-10（2）误差表示方法 绝对误差 相对误差：误差/测量结果 引用误差：只用于表示计量器具特性的情况中。是计量器具的绝对误差与引用值之比。
23、2022-5-10l准确度与精密度l1.准确度与误差l 准确度是指测得值与真值之间的符合程度。l准确度的高低常以误差的大小来衡量。即误差越小，准确度越高；误差越大，准确度越低。 误差有两种表示方法绝对误差和相对误差2022-5-10l2.精密度与偏差 l精密度是指在相同条件下n次重复测定结果彼此相符合的程度。精密度的大小用偏差表示，偏差越小说明精密度越高2022-5-102022-5-10l我们以打靶为例说明三者的关系，以靶面中心为目标点，将靶面上的每一个弹着点看作一次独立测试的结果。射手A的弹着点非常接近，有较高的精密度，同时也直观地发现其存在系统误差，正确度不高。射手B的精密度较差，较差的精密度也使得正确度的评价失去意义。 射手C既有很好的射击精密度，又有很好的正确度，从而有很好的射击准确度。l 2022-5-10l通过对射击结果的观察可以得到如下结论：只有好的精密度不能保证得到好的准确度；精密度水平会影响正确度评价；良好的准确度来自于良好的精密度和正确度。
