机械工程测试技术第1章绪论.ppt

测试技术的重要性测试技术的重要性 l 信息技术三大支柱：测试控制技术、 计算技术和通信技术 l 科学研究的基本方法 l 工程技术领域离不开测试技术 一、测试和测量系统 测试技术是测量和试验技术的统称。本书主要内容是测量 技术和仪器。 测试工作的任务：解决如何获取有关研究对象的状态，运 动和特性等方面的信息的问题。 测试技术的研究内容：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。 第一节 测试技术概况 您在发烧， 请 一、测试和测量系统 第一节 测试技术概况 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。 一、测试和测量系统 第一节 测试技术概况 图0-1中实验及各种过程 中的物理量真值、变量或 测量值，若随时间变化， 通常称为信号。 测量系统的用途 一、测试和测量系统 第一节 测试技术概况 敏感元件转换元件适配电路 显示或存储 接口 （数字化） 计算机或 控制系统 分析结果 反馈、控 制或诊断 传感器信号调理 信号分析处理 一、测试和测量系统 第一节 测试技术概况 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。如下图所示。 为了准确的获得被测对象的信息，要求测试系统中的 每一个环节的输出量与输入量之间必须具有一一对应关系 。而且，其输出的变化能够准确地反映出其输入的变化， 即实现不失真的测试。 被测对象传感器 信号 调理 信号 处理 数据显示 与记录 反馈、控制 激 励 一、测试和测量系统 第一节 测试技术概况 激励装置激励装置 一个被测对象的信息总是通过一定的物理量信号所 表现出来。有些信息可以在被测对象处于自然状态时所表现出 的物理量中显现出来，而有些信息却无法显现或显现的不明显 。 在后一种情况下，需要通过激励装置作用于被测对象，使 之产生出我们要获取的信息载于其中的一种新的信号。 一、测试和测量系统 第一节 测试技术概况 传感器传感器 传感器是将被测信息 按一定规律转换成同种或 别种量值输出的装置。这 种输出量通常是电信号。 一、测试和测量系统 第一节 测试技术概况 调理环节调理环节 信号的调理环节是把来自传 感器的信号转换成更适合于 进一步传输和处理的形式。 这种信号的转换，多数是电 信号之间的转换。如幅值放 大，将阻抗的变化转换成电 压的变化或频率的变化等。 基本放大器 信号的调制与解调 一、测试和测量系统 第一节 测试技术概况 信号处理环节信号处理环节 信号处理环节对来自信号 调理环节的信号进行各种 运算、滤波和分析 四种滤波器的幅频特性 一、测试和测量系统 第一节 测试技术概况 显示记录环节显示记录环节 信号显示、记录环节是将 来自信号处理环节的信号 以观察者易于观察的形式 来显示或存贮测试的结果 。 光线示波器 反馈、控制环节反馈、控制环节 反馈控制环节主要应用于 闭环控制系统中的测试系 统。 一、测试和测量系统 第一节 测试技术概况 机床轴承故障监测系统 报警信息 控制信息执行装置 二、测试技术的发展概况 第一节 测试技术概况 1、传感器方面 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 二、测试技术的发展概况 第一节 测试技术概况 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 二、测试技术的发展概况 第一节 测试技术概况 2、测量信号处理方面 计算机虚拟仪器技术 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 三、测试技术的工程应用 第一节 测试技术概况 1、工业自动化中的应用 a)机械手、机器人中的传感器 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 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。 三、测试技术的工程应用 第一节 测试技术概况 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。 香港理工AGV模型 Automated Guided Vehicles 三、测试技术的工程应用 第一节 测试技术概况 c) 生产加工过程监测 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 三、测试技术的工程应用 第一节 测试技术概况 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 。 三、测试技术的工程应用 第一节 测试技术概况 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 三、测试技术的工程应用 第一节 测试技术概况 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。 指纹传感器 4、家庭与办公自动化 三、测试技术的工程应用 第一节 测试技术概况 5、其他应用 航天农业 交通医学 三、测试技术的工程应用 第一节 测试技术概况 鼠标:光电位移传感器摄象头: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 6、PC机中的测试技术应用 四、课程的主要环节和本书概要 第一节 测试技术概况 本课程的研究对象是机械工程领域与设计有关的试验、 控制和运行监测中涉及到物理量及其他工程量的测量和测量 装置与系统的性能，包括 物理量和其他工程量的测量方法 测试中常用的传感器 信号调理电路及记录 显示仪器的工作原理 测量装置基本特性的评价方法 测试信号的分析和处理 四、课程的主要环节和本书概要 第一节 测试技术概况 学生在学完本课程后应具有下列几方面的知识： 1)掌握信号的时域和频域的描述方法，建立明确的信号频谱 结构的概念；掌握频谱分析和相关分析的基本原理和方法，掌握 数字信号分析中的一些基本概念。 2)掌握测试装置基本特性的评价方法和不失真测试条件，并 能正确地运用于测试装置的分析和选择。掌握一阶、二阶线性系 统动态特性及其测定方法。 3)了解常用传感器、常用信号调理电路和记录、显示仪器的 工作原理和性能，并能较合理地选用。 4)对动态测试的基本问题有一个比较完整的概念，并能初步 运用于机械工程中某些参量的测量和产品的试验。 一、量与量纲 第二节 测量的基础知识 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。不同类的量彼此可以定性区别，如长度与质量是不同 类的量。 “量纲”代表一个实体(被测量)的确定特征，而量纲单 位则是该实体的量化基础。例如，长度是一个量纲，而厘米 则是长度的一个单位；时间是一个量纲，而秒则是时间的一 个单位。 二、法定计量单位 第二节 测量的基础知识 1基本单位 根据国际单位制(SI)，七个基本量的单位分别是：长度米 (Metre)、质量千克(Kilogram)、时间秒(Second)、温度开 尔文(Kelvn)、电流安培(Ampere)、发光强度坎德拉(Candela) 、物质的量摩尔(mol)。 它们的单位代号分别为：米(m)、千克(kg)、秒(s)、开(K)、安(A) 、坎(cd)、摩(mol)。 2辅助单位 在国际单位制中，平面角的单位弧度和立体角的单位球面 度未归入基本单位或导出单位，而称之为辅助单位。辅助单位既可以作 为基本单位使用，又可以作为导出单位使用。 3导出单位 在选定了基本单位和辅助单位之后，按物理量之间的关系，由基本 单位和辅助单位以相乘或相除的形式所构成的单位称为导出单位。 三、测量、计量、测试 第二节 测量的基础知识 测量：以确定被测对象的量值为目的而进行的实验过程。 计量：如果测量涉及实现单位统一和量值准确可靠则被称 为计量。研究测量、保证测量统一和准确的科学被称为计量学 。计量一词只用做某些专门术语的限定语，如计量单位、计量 管理、计量标准等。所组成的新术语都与单位统一和量值准确 可靠有关。 测试：指具有试验性质的测量，或测量和试验的综合。 一个完整的测量过程必定涉及到被测对象、计量单位、测 量方法和测量误差。它们被称为测量四要素。 四、基准和标准 第二节 测量的基础知识 基准：是用来保存、复现计量单位的计量器具。它是 具有现代科学技术所能达到的最高准确度的计量器具。基准 通常分为国家基准、副基准和工作基准三种等级。它们所处 的位置是逐级降低的。 计量标准：是指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于检定工作的计量器具 。一般测量工作中使用的绝大部分就是这一类计量器具。 五、量值的传递和计量器具检定 第二节 测量的基础知识 量值传递：通过对计量器具实施检定或校准，将国家基 准所复现的计量单位量值经过各级计量标准传递到工作计量 器具，以保证被测对象量值的准确和一致。 计量器具检定：是指为评定计量器具的计量特性，确定 其是否符合法定要求所进行的全部工作。所有的计量器具都 必须实施相应的检定。 六、测量方法 第二节 测量的基础知识 1. 直接测量 （绝对测量、相对测量） 直接测量：直接将被测量与标准量进行比较 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 六、测量方法 第二节 测量的基础知识 - 绝对测量：采用仪器、设备、手段测量被测量，直接得到测量值 测量结果：20.1 mm - 相对测量：将被测量直接与基准量比较，得到偏差值 特点：简单、直观、明了； 测量精度不高 基准量：20.00 mm 测量值：+0.08 mm 结 果：20.08 mm 特点：精度高；复杂、成本高、要求高 六、测量方法 第二节 测量的基础知识 2.间接测量 如测导线的导电率： 测量与被测量有一定函数关系的参量，被测量 由计算获得 3.组合测量 指将直接测量值或间接测量值与被测量值之间按已知 关系组合成一组方程(函数关系)，通过解方程组得到被测 值的方法。 组合测量实质是间接测量的推广，其目的就是在不提 高计量仪器准确度的情况下，提高被测量值的准确度。 七、测量装置 第二节 测量的基础知识 测量装置(测量系统)是指为了确定被测量值所必需的器具和辅助设备 的总体。 1传感器 它是直接作用于被测量，并能按一定规律将被测量转换成同种或别种 量值输出的器件。 2测量变换器 提供与输入量有给定关系的输出量的测量器件。显然，当测量变换器 的输入量为被测量时，该测量变换器实际上就是传感器；反过来，传感器 也就是第一级的测量变换器。当测量变换器的输出量为标准信号时，它就 被称为变送器。在自动控制系统中，经常用到变送器。 3检测器 用以指示某种特定量的存在而不必提供量值的器件或物质。在某些情 况下，只有当量值达到规定的阈值时才有指示。化学试纸就是一种检测器 。 4测量器具的示值 由测量器具所指示的被测量值。示值用被测量的单位表示。 七、测量装置 第二节 测量的基础知识 5准确度等级 用来表示测量器具的等级或级别。每一等级的测量器具都有相应的 计量要求，用来保持其误差在规定极限以内。 6.标称范围 也称为示值范围。测量器具标尺范围所对应的被测量示值的范围。 例如温度计的标尺范围的起点示值为一30，终点示值为+20，其标 称范围即为一30+20。 7量程 标称范围的上下限之差的模。上例的量程就是50。 8测量范围 在测量器具的误差处于允许极限内的情况下，测量器具所能测量的被 测量值的范围。 9漂移 测量器具的计量特性随时间的慢变化。 八、测量误差 第二节 测量的基础知识 1、测量误差的定义： 测量误差 = 测得值 - 真值 客观真实值（未知） 约定真值：世界各国公认的几何量和物理量的最高基准的量值 如：米 - 公制长度基准 测量所得数据与其相应的真值之差 - 1）绝对误差 x = x x0 理论真值：设计时给定或用数学、物理公式计算出的给定值 光在真空中1s时间内传播距离的1/299792485 八、测量误差 第二节 测量的基础知识 按误差来源：装置误差、环境误差、方法误差、人员误差 按特性规律：系统误差、随机误差、粗大误差 2、测量误差的分类： 系统误差 由特定原因引起、具有一定因果关系并按确定规律产生 - 有规律可循 装置、环境、动力源变化、人为因素 再现性 - 偏差（Deviation） 理论分析/实验验证 - 原因和规律 - 减少/消除 八、测量误差 第二节 测量的基础知识 随机误差 因许多不确定性因素而随机发生 偶然性（不明确、无规律） 概率和统计性处理（无法消除/修正） 粗大误差 检测系统各组成环节发生异常和故障等引起 分离 - 防止 八、测量误差 第二节 测量的基础知识 3、误差的表示方法： 1）绝对误差：测量某量所得值与其真值（约定真值）之差。 2）相对误差：绝对误差与约定真值之比。用百分数表示。 相对误差越小，测量精度越高。 3）引用误差：装置示值绝对误差与装置量程之比。 例如，测量上限为100克的电子秤，秤重60克的标准重量时，其示 值为60.2克，则该测量点的引用误差为：（60.2-60）100=0.2% 4）分贝误差： 分贝误差=20lg(测量结果真值) 九、测量精度和不确定度 第二节 测量的基础知识 一、精度： 测量结果与真值吻合程度定性概念 a）精密度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . precisionaccuracy b）正确度c）准确度 九、测量精度和不确定度 第二节 测量的基础知识 精度等级：用来表达装置在符合一定的计量要求情况下，能保持其误 差在规定的极限范围内。 工程上常采用引用误差引用误差作为判断精度等级的尺度。以允许引用误差值 作为精度级别的代号。工业仪表常见的精度等级有0.1级，0.2级，0.5级 ，1.0级，1.5级，2.0级，2.5级，5.0级。 精密度和精确度等级为1.0的仪表，在使用时它的最大引用误差不超 过1.0，也就是说，在整个量程内它的绝对误差最大值不会超过其量程 的1。 在具体测量某个量值时，相对误差可以根据精度等级所确定的最大绝 对误差和仪表指示值进行计算。 九、测量精度和不确定度 第二节 测量的基础知识 精度等级已知的测量仪表只有在被测量值 接近满量程时，才能发挥它的测量精度。 使用测量仪表时，应当根据被测量的大小 和测量精度要求，合理地选择仪表量程和 精度等级，只有这样才能提高测量精度。 同学们，记住吧！ 九、测量精度和不确定度 第二节 测量的基础知识 二、不确定度 ：意味着对测量结果可信性、有效性的怀疑程 度或不肯定程度，是定量说明测量结果的质量的一个参数。 所得的被测量值具有分散性，即每次测得的结果不是同一 值，而是以一定的概率分散在某个区域内的许多个值。 测量不确定度就是说明被测量之值分散性的参数，它不 说明测量结果是否接近真值。 测量不确定度用标准偏差表示，这时称其为标准不 确定度。 十、测量器具的误差 第二节 测量的基础知识 1测量仪器的示值误差