工程测试第一章绪论.ppt

1,工程测试与系统设计,主 讲：郑 宾,中北大学信息与通信工程学院,2,工程测试及系统设计,第一章 绪论,3,概 念 1、什么是测量？测试？计量？ 2、什么是测试（测量）技术 ？ 3、什么是测试系统？ 4、什么是系统设计？,4,科学仅仅是在人们懂得了测量才开始的 门捷列夫,Mendelyeev,Dmitry Ivanovich,5,测量是以确定被测物属性量值为目的的一组操作，即为确定被测对象的量值而进行的实验过程。,把待测量直接或间接地与另一个同类的已知量相比较，拿这个已知量作为计量单位，定出被测量是该单位的若干倍或几分之几，这种实验过程就是测量。换而言之，测量就是通过实验来求出被测量与计值单位的比值。即：对被测物理量进行“取样”，并定量“读出”。,测量的内涵及其科学性: “凡存在之物，必以一定的量存在。”对该量的确定便构成了测量的全部内容。,6,测试是具有试验性质的测量，或者可理解为测量与试验的综合。,测量,+,信号检出（极为重要）,计量是属于测量的范畴,也可以说计量是一种特定形式的为使被测量的单位量值在允差范围内溯源到基本单位的测量。 对计量的定义是“实现单位统一、量值准确可靠的活动”，是为了保证计量单位统一和量值准确可靠这一特定目的的测量，它是以公认的计量基准、计量标准为基础,依据计量法律、法规和法定的计量检定系统进行量值传递来保证测量准确的测量。,7,什么是测试技术？,测试技术是信息技术的重要组成部分，它所研究的内容是信息的提取与处理的理论、方法和技术。,测试技术泛指测量和试验两个方面的技术。,测试技术是测量技术及试验技术的总称。,检测方法、检测结构、检测信号处理, 综合性技术,8,具体来说，测试技术的研究内容包括两方面：,测试系统 为完成测试或测量任务，所使用仪器和设备的总称。,1. 发现与各种信息相对应的信号表现形式，以及信息、信号之间的定性、定量关系，以开辟新的测试技术领域；,2. 在不同环境下寻求最佳的信号拾取、变换、处理、存贮、传输、指示、记录等方法、手段与设备。,9,系统设计： 为完成测试目标而实施的技术方案。,主动和被动、直接与间接、接触式与非接触式、动态和静态,例如： 压力测试系统的设计多种传感器原理。,10,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分析处理方法。本课程涉及同学们4年所学的大部分课程，如数学、物理学、工程力学、电工学、电子学、仪器零件、自动控制理论、数字技术、误差理论、传感器原理、信号与系统等，尤其是传感器，它决定了测试方法。本课程体现的更多是各课程在工程设计中的应用。,11,工程测试及系统设计是一门与材料科学、电子技术、信息技术密切相关的快速发展的学科。为弥补书本教材内容滞后于学科发展的问题，也为拓宽同学们知识面，在教学内容上本课程采编了许多测试系统设计案例进行讲解。,12,本课程所研究的对象是工程动态测试中常用的传感器，中间变换电路及记录仪器的工作原理，测量装置静、动态特性的评价方法，测试信号的分析和处理，以及几个常见物理量的动态测试方法和系统设计的共性方法。课程共讲授8章内容：,13,第一章 绪 论 2 11测试技术的作用 12现代测试系统的基本结构与类型 l3测试工作的含义和范围 l4测试技术的发展趋势 15课程的研究对象和性质 （基本要求：了解课程讲授内容）,14,第二章 测试技术的基础知识 10 2-1 工程测试常用术语及概念 2-2 信号的分类 2-3 测试系统的输入与输出 2-4 测量误差及其分析 2-5 测试系统的基本特性 2-6 实现不失真测试的条件 2-7 测试系统动态特性的测试 2-8 测试系统设计的原则和方法 （基本要求：熟练掌握和理解课程讲授内容）,15,第三章 基本测量仪器和电路 4 3-1 测量仪器的分类 3-2 检测信号的放大与变换 3-3 滤波器 3-4 数字频率计 3-5 电阻应变仪 3-6 数据采集技术,16,第四章 系统设计的几个问题 4 41 传感器的选择 42 非线性特性线性化 43 温度补偿技术 44 智能化技术 45 可靠性问题 46 抗干扰技术 基本要求：熟练掌握和理解课程讲授内容,17,第五章 机械参量的测试 6 5-1 应力（应变）的测试 5-2 速度测量 5-3 尺寸参数测试 （基本要求：掌握和理解课程讲授内容）,18,第六章 压力(力)的测试 4 6-1概述 6-2应变式测压法 6-3压电式测压法 6-4机械式测压法 6-5测压系统的静态标定与动态标定 6-6压力传感器的安装问题 6-7压力测试系统设计 （基本要求：掌握和理解课程讲授内容）,19,第七章 温度测量 4 7-1概述 7-2测温仪表的种类和选用 7-3热电偶 7-4 辐射高温计 （基本要求：掌握和理解课程讲授内容）,20,第八章 振动测试技术 4 8-1振动测试的基本原理 8-2测振系统分类、组成和主要技术性能指标 8-3测振系统的合理选择和使用 8-4振动参数测试技术（简介） （基本要求：掌握和理解课程讲授内容） 课程总结复习 2 讲课：40学时 实验：8学时,21,实验内容 实验一 等强度梁应变片粘贴、标定 4学时 实验二 液体温度及表面温度测量 2学时 实验三 加速度测量系统标定 2学时,22,第一章 绪 论 11测试技术的作用 12现代测试系统的基本结构与类型 l3测试工作的含义和范围 l4测试技术的发展趋势 15课程的研究对象和性质,23,11测试技术的作用,1、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、科学实验与日常生活的各个方面。 古代利用“步弓”丈量土地(弓:丈量土地的计量单位,一弓为五尺 ) 利用“日晷(gu,太阳投射的影子来测定时刻的装置 ) ”计量时间 成语：“五十步笑百步”、“百步穿杨” 秦始皇统一了割居的六国形成统一的 中央政权，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。,24,2、任何科学都是实验的科学 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； 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； 1665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；,25, 1927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； 爱因斯坦：通过实验于1905年提出了狭义相对论；1915年提出了广义相对论；大家知道，当时的相对论并未被世人承认，直到50年后的天文望远镜的出现才证实了相对论的正确性； 丁肇中：1974年发现J粒子，J粒子的发现基础是研制了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，这就是化学元素周期表中最后一列。,26,以弹道学为例： 古老的弹道学是研究装药量与弹丸运行距离之间的关系。 1860年诺贝尔发明了铜柱测压法，同时布郎发明了弹道摆，将古老的弹道学一分为二：内弹道学、外弹道学。 铜柱测压法：可用铜柱测出弹膛内火药燃气的压力值； 弹道摆：可以测出弹丸出枪、炮的初速； 内弹道学：研究装药与压力及初速的关系； 外弹道学：研究弹丸初速与射程之间的关系； 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。,27,一个电站 需要5 000 台传感器及其仪表； 一个钢铁厂 需要2 万台传感器及其仪表； 大型石油化工厂 需要6000 台传感器及其仪表； 大型发电机组 需要3000 台传感器及其仪表； 一部汽车 需要30 至 100 台传感器； 一架飞机 需要3600 台传感器； ,3、测试技术在国民经济中的作用,28,测试技术在工业生产领域的应用,在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位.,29,检测技术在汽车中的应用日新月异,发动机：向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息， 对发动机工作状况进行精确控制 温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等,汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容,普通轿车：约安装几十到近百只传感器， 豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。,底 盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等 车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温,车 身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等 温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等,30,31,测试技术在日常生活中的应用与日俱增,家用电器：,数码相机、数码摄像机：自动对焦-红外测距传感器,数字体温计：接触式-热敏电阻，非接触式-红外传感器,自动感应灯：亮度检测-光敏电阻,空调、冰箱、电饭煲：温度检测-热敏电阻、热电偶,电话、麦克风：话音转换-驻极电容传感器,遥控接收：红外检测-光敏二极管、光敏三极管,办公商务：,可视对讲、可视电话：图像获取-面阵CCD,扫描仪：文档扫描-线阵CCD,红外传输数据：红外检测-光敏二极管、光敏三极管,医疗卫生：,电子血压计：血压检测 - 压力传感器,血糖测试仪、胆固醇检测仪 - 离子传感器,例,32,33,测试技术在军事上的应用,美军研制的未来单兵作战武器-OICW,夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术,激光测距仪：可精确的定位目标。在发射20毫米高爆弹时，激光测距仪可将目标的距离信息自动传输至高爆弹的爆炸引信，以便精确的设定引爆时间。,34,美国国家导弹防御计划-NMD,测试技术在国防领域的应用,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,35,测试技术在航天领域举足轻重,飞行器测控 - 检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵,火箭测控 - 检测火箭状况、姿态、轨迹,“阿波罗10”：,火箭部分-2077个传感器,飞船部分-1218个传感器，,检测参数-加速度、温度、压力、 振动、流量、应变、 声学,神州飞船：,185台（套）仪器装置,36,测量的外在表现 接触式测量 非接触式测量 测量的物理表现 仪表构成 传感：将一种物理变量转成另一种更合适的物理量 调理：按某种确定的规律改变信号的数值，但却保留变量的物理本质 显示：将信息转变成人的五官之一所能辨认的形式,12现代测试系统的基本结构与类型,一、基本结构,37,非电量电测系统的组成一般可以分为： 信息的获得传感器(变送器，换能器)； 信息的转换放大器，变换器； 信息的显示指示仪，记录仪，报警器； 信息的处理调节器，数据分折仪，电子计算机。,38,1 信息获取,传感器（Sensor）- 检出功能的器件,信号提取（被测量）、传输（信号变换部分）,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,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,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,39,2 信号变换部分,检出信号,适合于分析和处理的信号,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,40,3、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、PXI 、LXI、Centronics（并行）,（硬件系统）,（规范、结构形式）,接口 - 分系统和上位机之间/分系统之间交换信息,41,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。,工程测试系统实例,42,工程测试系统实例,43,现代测试系统大致可分为三类：,基本型 自动测试系统 闭环控制型,二、现代测试系统类型,44,1 基本型_前面所讲,45,2 闭环控制系统中的测试系统 闭环控制型,46,3、自动测试系统,一个自动测试系统，一般由四部分组成： 第一是微机或微处理器，它是整个系统的核心； 第二是被控制的测量仪器或设备，称为可程控仪器； 第三是接口； 第四是软件。,自动测试系统基本构成,47,测试系统构成,（信号检出部分）,（信号变换部分）,（分析处理部分、通信接口及总线）,48,(一)微机(或微处理器) 这是整个系统的核心。在软件控制下，微机控制够个自动测试系统正常运转，并对测量数据进行某种方式的处理，如计算、变换、数据处理、误差分析等；最后将测量结果通过打印机、显示器、磁盘磁卡或电表、数码显示等方式输出。,(二)可程控仪器或设备 在自动测试过程中，测量仪器或设备的工作，如测量功能、工作频段、输出电平、量程等的选择和调节都是由微机所发控制指令的控制下完成的。这种能接受程序控制并据之改变内部电路工作状态，以及完成特定任务的测量仪器称为仪器的可程序控制，简称可程控，或称程控仪器。显然程控仪器是组成自动测试系统的基本部分。,49,(三)接 口,一个自动测试系统中，各仪器和设备之间的接口的总体称为该自动测试系统的接口系统。显然，接口系统是自动测试系统达到自动测试目的，使自动测试系统各仪器和设备之间进行有效通信的重要环节。,接口的主要任务是在下列方面提供仪器与计算机连接需要的兼容。 机械兼容 对接口的最简单的要求是提供机械兼容，就是要有适当的连接器和它们之间的连线。 电磁兼容 接口的第二种作用是使计算机和传感器之间有适配的电器特性即在逻辑电平方面要相符合。 数据兼容 一旦接口已使计算机和仪器实现了机械和电器兼备，它们就能通过数据线交换电信号信息，但需要某种格式翻译，有种种编程能力的计算机通常能执行这种功能，考虑到速度，往往把这个任务交给接口完成。,50,自动测试技术源于70年代，发展至今。大致可分为三代，其系统组成结构也有较大的不同。 第一代自动测试系统 第一代自动测试系统多为专用系统，通常是针对某项具体任务而设计的。其结构特点是采用比较简单的定时器或扫描器作为控制器，其接口也是专用的。因此，第一代测试系统通用性比较差。,自动测试系统发展历程,51,第二代自动测试系统 第二代自动测试系统典型方块图如图所示。与第一代自动测试系统的主要不同在于：采用了标准化的通用可程控测量仪器接口总线(IEEE 488)及可程序控制的仪器和测控计算机(控制器)，从而使得自动测试系统的设计、使用和组装都比较容易。,52,53,第三代自动测试系统 第二代自动测试系统虽然比人工测试显示出前所未有的优越性，但是在这些系统中，电子计算机并没有充分发挥作用，系统中仍是使用传统的测试设备(只不过是配备了新的标准接口)，整个系统的工作过程基本上还是对传统人工测试的模拟。 于是出现了虚拟仪器。,54,虚拟仪器（Virtual Instrument简称VI）是计算机技术同仪器技术深层次结合产生的全新概念的仪器，是对传统仪器概念的重大突破，是仪器领域内的一次革命。虚拟仪器是继第一代仪器模拟式仪表、第二代仪器分立元件式仪表、第三代仪器数字式仪表、第四代仪器智能化仪器之后的新一代仪器。,虚拟仪器,55,1 虚拟仪器的内部功能 测试仪器的内部功能可划分为：输入信号的测量、转换、数据分析处理及测量结果的显示四个部分。 虚拟仪器也不例外，但是实现上述功能的方式不同，下面按三个部分来叙述。,56,VI构成要素,虚拟仪器系统是由计算机、应用软件和仪器硬件三大要素构成的。 计算机与仪器硬件又称为VI的通用仪器硬件平台。,57,I/O接口设备,虚拟仪器的构成方式,58,VI系统有多种构成方式： PCDAQ测量系统：是以数据采集卡、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的测试系统。 GPIB系统：是以GPIB标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。 VXI/PXI系统：是以VXI/PXI标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。 串口系统：是以Seial标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。 现场总线系统：是以 Fieldbus标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。,59,软件技术是虚拟仪器的核心技术。常用的仪器用开发软件有： LabVIEW、LabWindows/CVI等等。 这些软件已相当完善，而且还在升级、提高。以LabVIEW为例，这是基于图形化编程语言的开发环境，用于如GPIB、VXI、PXI、PCI仪器及数据采集卡等硬件的系统构成，而且，具有很强的分析处理能力。,60,61,无论上述哪种VI系统，都是通过应用软件将仪器硬件与各类计算机相结合，其中PC-DAQ测试系统是构成VI的基本方式。 因为，实际上数据采集系统DAS是构成各种标准总线仪器的基础。,62,虚拟仪器是基于“信息的数据采集(ADC)信号的分析与处理(DSP)输出(DAC)及显示”的结构模式建立通用仪器硬件平台。在这个通用仪器硬件平台上，调用不同的测量软件就构成了不同功能的仪器。,63,虚似仪器和传统仪器的比较,64,虚拟仪器的分类: 从技术发展的角度来看，虚拟仪器走的是两条技术路线： 一条是向高速、高精度、大型自动测试设备（ATE）方向发展，即GPIB（1975）VXI（1987）PXI（1997） LXI（2007）的发展路线； 另一条是向高性能、低成本、普及型系统方向发展，即PC插卡（1987）并口式（1995）串口USB（1999）的技术路线。,65,智能仪器和虚拟仪器区别,智能仪器和虚拟仪器的区别在于它们所用的微机是否与仪器测量部分融合在一起，也即采用专门设计的微处理器、存储器、接口芯片组成的系统，还是用现成的PC机配以一定的硬件及仪器测量部分组合而成的系统。,66,l3测试工作的任务、含义和范围,1测试工作的任务 测试工作就是通过测试手段为了获取有关研究对象的状态、运动和特征等方面的信息。,测试工作总是要用最简捷的方法获得和研究任务相联系的、最有用的、表征特性的有关信息，而不是企图获取该事物的全部信息；即从复杂的信号中提取有用的信息。,-从一个研究对象上如何估计它的模型结构，如何设计试验方法以最大限度地突出所需的信息，并以比较明显的信号形式表现出来。,67,2.测试工作的含义和范围 从广义的角度来讲，测试工作涉及试验设计、模型理论、传感器、信号加工与处理(传 输、加工和分析、处理)、误差理论、控制工程、系统辨识和参数估计等内容。从而测试工作者应当具备这些方面的知识。 从狭义来讲，测试工作则是指在选定激励方式下，信号的检测、变换、处理乃至显示、记录或以电量输出数据的工作。本课程限于从狭义的范围来论述测试技术中的一些基础知识。,68,3. 主要研究内容,测量原理是实现测量所依据的物理、化学、生物等现象与有关定律的总体。一种物理量的测量可以通过若干种不同的测量原理实现(电磁法、光学法、超声法、半导体效应、核辐射法、电化学分析等）。 发现和应用新的测量原理，开发相应的传感器。 选择合适测量原理（根据被测量的物理化学特性、变化范围、性能要求和外界环境条件等） 选择合适的测量方法：接触式、非接触式；直接法、间接法；电测法、非电测法等。 设计测试系统,69,l4 测试技术的发展趋势,一、总体发展趋势 现代电测技术的发展趋势是：集成仪器、测试系统的体系结构、测试软件、人工智能测试技术等方面，在此诸