01P48概述lpj.ppt

1,机械工程测试技术,2,机械工程测试技术,3,本课程是培养学生解决实际工程测试问题能力的专业课，具有很强实践性。,学习时应充分利用课程所开设实验。只有通过足够的实验操作，才能得到应有的实际动手能力的培养和更好的掌握书本知识。理论学习、实践学习、研究学习三元并重。,4,教材 : 机械工程测试技术,主编 刘培基 王安敏,新世纪高校机械工程规划教材,5,概 论,信 号 描 述 及 分 析,测 试 系 统 的 基 本 特 性,常 用 传 感 器 原 理 及 应 用,信 号 的 变 换 与 处 理,随 机 信 号 分 析,工 程 应 用,6,目录,第一章 概论 第二章 信号描述及其分析 第三章 测试系统的基本特性 第四章 常用传感器原理及应用 第五章 信号的变换与处理 第六章 随机信号分析 第七章 机械位移测量 第八章 振动的测量 第九章 应变、力和扭矩的测量 第十章 温度测量 第十一章 压力和流量的测量 第十二章 计算机控制测试系统,7,8,本章内容： 第一节 测试的意义 第二节 测试方法和测试系统的组成 第三节 测试技术的发展 第四节 测量误差的概念,第一章 概 论,9,本章学习要求： 1.掌握测试技术的概念及研究内容 2.了解测试技术的应用情况 3.了解测试技术的发展动态 4.掌握测量误差的概念,第一章 概 论,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。,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。它直接将被测对象温度变化转化液面示值。没有电量转换和分析处理电路，很简单，但测量精度底，无法实现测量自动化。,为提高测量精度和自动化程度，以便与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。,11, 测试技术涵义：是研究客观事物变化规律的方法（手段），是从客观事物中摄取有关信息的认识过程。运用专门的设备，通过合适的实验方法和必要的数据处理，求得所研究的有关信息的量值。,为确定被测对象量值(Value)而进行的实验过程,对未知事物的探索性认识过程(Process)，是一个动态过程而非静止,Measurement & Test, 测试定义: 是具有试验 性质的测量或者说测量和试验的综合, 测量、 计量和测试是三个含义相近的术语。 测量确定被测对象量值的实验过程。 计量实现单位统一和量值准确的测量一般称为计量。,测试： 通过测量与试验的方法获取被测量定性或定量结果的过程 测试的目的 是确定被测对象或系统属性的量值,12,测试技术(检测技术) 是指测试过程中所涉及的测试理论、测试方法、测试设备等等。 由传感器技术、检测技术和数据处理技术共同构成测试技术。 测试技术的研究内容：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。 测试工作的实质：感受被测量，获取测试信号，通过适当的信号调理，最大限度地从测试信号中排除各种干扰，最终不失真地获得关于被测对象的有用信息。,13, 测试属于信息科学范畴，是信息技术三大支柱（测试控制技术、计算机技术、通信技术）之一，因而被称为信息探测工程学。, 信息（information),较为典型和著名的几个定义： （1）美国科学家维纳(N.Wiener)在1948年出版的奠基性著作控制论-动物和机器中的通信与控制问题一书中指出：“信息就是信息，不是物质，也不是能量。”,（2）美国科学家山农(C.E.Shanon)在1948年“通信的数学理论”一文中定义为：“能够用来消除不定性的东西。”,（3）意大利学者郎格(G.Longer)在1975年出版的信息论：新趋势和未决问题一书中定义为：“事物之间的差异，而不是事物本身。”,14,广义的,广义的,相对稳定,运动变化,事物运动的两个基本侧面,注意：信息本身不是物质，不具有能量。“不是东西” 信息：是事物存在状态或属性的反映，信息蕴涵于信号之中。,（1）信息的定义,15,(a)信息是一种资源 例：隔离某人； 唐山地震； 地下工作者； 听课。,信息的地位和作用变迁:,对信息的认识,（b)物质、能量、信息是物质世界的三大支柱。,16,(d)信息的传输依靠物质能量，一般来说，传输信息的载体称为信号(Signal)。 信息总是蕴含在信号中 信息 信号 如：古代的烽火；防空警笛；门铃；哑语。 信息是事物运动状态和方式的表现。 信号 是载有信息的物理变量，是传输信息的载体。P3 信号是物理性的，是物质，具有能量，它以各种形式存在。,(c)信息的基本性质,（1）可识别； （2）可转换； （3）可存储； （4）可传输；,17,第一节 测试的意义,1.测试是人们认识客观世界的手段之一,是科学研究的基本方法。 1）伽俐略开创了试验科学近代意义的自然科学。 2）从某种意义上讲，没有测量就没有科学。 3)人们在生产实践和科学研究中常用的方法有两种：理论分析和实验测量。而理论分析是建立在实验测量的基础之上。,测试的意义：测试是人类认识自然、掌握自然规律的实践途径之一，是科学研究中获得感性材料、接受自然信息的途径，是形成、发展和检验科学理论的实践基础。 测试属于信息科学范畴，是信息技术三大支柱（测试控制技术、计算机技术、通信技术）之一，因而被称为信息探测工程学。,具体体现：,18,5.测试技术广泛应用于科学研究、 工农业生产、 国防军事、医疗卫生 、环境保护和日常生活等各个方面。使用先进的测试技术是经济高度发达和科技现代化的重要标志之一。,4. 在产品开发、质量控制和生产管理等方面离不开测试技术。,3.对设备正常运行时的某些参数如震动 噪声等进行监测,保证设备的安全与经济运行。,2.在闭环自动控制中,检测被控对象状态参数的环节是必不可少的。,19, 测试技术的工程应用,在工程领域，科学实验、产品开发、生产监督、质量控制等，都离不开测试技术。测试技术应用涉及到航天、机械、电力、石化和海洋运输等每一个工程领域。,20,1) 机械手、机器人中的传感器 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。,21,22,3) 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。,23,2、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。,扬子石化50MW热电机组监测系统 阳逻电厂300MW汽轮机组监测系统 荆门电厂200MW机组监测系统 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 宝钢30KW以上风机监测系统 宝钢精轧F2轧机网络化监测系统 宝钢冷轧带钢振动纹监测系统 武钢风机状态监测系统,24,3、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,25,4 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，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动化系统。该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监控。,26,5、家庭与办公自动化,在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。,全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器(洗净度) 液位传感器，电阻传感器(衣物烘干检测)。,指纹传感器,透光率传感器,27,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,28,7、其他应用,航天,交通,医学,航空,29,农业,海洋监测,红外扫描区域,卫星,30,第二节 测试方法和测试系统的组成, 测量过程是把被测量与同性质的标准量进行比较，从而获得被测量是标准量的若干倍的数量概念。 例如，1）直接测量：天平称重。2）大多数情况下，无法将被测量直接与同性质的标准量进行比较，需要使用传感器进行某种变换。,玻璃管温度计, 传感器是将被测量按一定规律转换成便于应用的某种物理量的装置。 能够利用传感器进行转换的被测量很多，如各种物理量、化学量、生物量等。 传感器的输出 有机械量、光学量和电量等。, 常见的机械量(机械参数)： 力学参数：拉力 荷重 压力 应力 扭矩等。 运动参数：位移 速度 加速度等。 还有振动参数以及温度 湿度 流体的流量等。,31,传统的机械式仪表 往往将力、压力和温度等变换为弹性元件本身的弹性变形，这种变形经机械机构放大、传递后成为仪表指针的偏转或移动，借助刻度盘指示出被测量的大小。这类仪表由于结构简单、使用方便、价格低廉、读数直观，目前应用仍然相当广泛。可是，这种机械式仪表必须在现场观测，而且由于机械机构的惯性大，一般只能用于检测静态量或缓慢变化的被测量，不能满足生产和科学技术发展的需要。,32, 在现代测试系统中，愈来愈多的利用传感器把被 测非电量变换为电量，然后进行测量，称为非电量电 测法。由于电量更便于传输转换处理和显示，非 电量电测法获得了广泛地应用。,非电量电测法有以下优点： 1能连续测量，自动记录。便于通过反馈去自动控制和调整生产过程。,2通过电量放大器很容易将被测量放大很多倍，可测极其微小的量。,3既可测静态量也可测动态量，而且可测瞬态量。,4可以有线或无线实现远距离遥测。,5可利用计算机进行自动测试以及分析和处理测试数据。,33,传感器是将被测量按一定规律转换成便于应用的某种物理量的装置是将被测量按一定规律转换成便于应用的某种物理量的装置。,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。 一般来说，一个完整的测试系统一般由传感器、传感器、信号的调理、信号处理、显示与记录等部分组成。如图1-1所示。,图1-1测试系统组成框图,34,中间变换装置(包括信号调理和信号处理电路）对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经A/D变换后用软件进行信号分析。信号的分析和处理可用专用的信号分析仪和信号处理设备进行，而目前已经主要由计算机来完成。 信号调理电路 传感器将非电量转换为电量时采用的转换和放大电路统称为信号调理电路，也称为传感器的测量电路。主要作用就是对信号进行转换和放大。 信号处理环节 接受来自信号调理环节的信号，并进行各种运算、滤波、分析放大、调制与解调和数模转换等。将结果输出至显示、记录或控制系统 。 显示记录装置 则将测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。,35, 信号是信息的载体，信息总是蕴涵在信号之中。,激励装置 是作用于被测对象，使之产生出要获取的信息载于其中的一种新信号的装置。 使被测对象产生既能充分表征其有关信息又便于检测的信息。 被测对象是否需要激励? 上述组成测试系统的各个部分除传感器是必需的以外，其他的某些部分可能根据情况被简化。,36,第三节 测试技术的发展,一、传感器技术的发展,1、物性型传感器大量涌现 物性型传感器 是依靠敏感材料本身的某种性质随被测量的变化来实现信号的转换的。 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,37,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,微型传感器 是利用集成电路技术、微机械加工与封装技术制成的体积非常微小的传感器，其尺寸可小到微米数量级。微型传感器具有体积小、重量轻、响应快、灵敏度高以及成本低等优点。 智能传感器 是由传感器和微处理器相结合而构成的。它充分利用计算机的计算和存储能力，对传感器的数据进行处理，并能对它的内部工作进行调节。 多功能传感器 由两种以上功能不相同的敏感元件组成，可以用来同时测量多种参数。例如将热敏元件和湿敏元件配置在一起，制成一种新的传感器，能够同时测量温度和湿度。这类传感器一般都属于集成化传感器，而且同一传感器可以既是多功能化的也是智能化的，或者既是微型化的也是多功能化的。,38,3、新型传感器的开发 光纤传感器、固体图像传感器、红外传感器、化学传感器和生物传感器等新型传感器不断出现和发展。气体传感器、湿度传感器和离子传感器等传感器的应用日益广泛。 化学传感器把化学量转换成为电量。大部分化学传感器是在被测气体或溶液分子与敏感元件接触或被其吸附之后产生相应的电流和电位。目前一些商品化的智能化学传感器已经出现。,39,二、计算机测试技术的发展,虚拟仪器 是在通用计算机平台上，用户根据自己的需求定义和设计议器的测试功能，通过图形界面(通常称为虚拟前面板) 进行操作的新一代仪器。其实质是将仪器硬件和计算机充分结合起来，以实现并扩展传统仪器的功能。它是一种基于图形开发、调试和运行程序的集成化环境。 虚拟仪器是对传统仪器概念的重大突破。它利用计算机系统的强大功能，结合相应的仪器硬件，采用模块式结构，大大突破了传统仪器在数据处理、显示、传送、存储等方面的限制，使用户可以方便地对其进行维护、扩展和升级。虚拟仪器系统经过十余年的发展，已经显示出极大的灵活性和强大的生命力，成为测控系统发展的必然方向。,40,第四节 测量误差的概念,测量误差测得值与真值之间的差值。,误差因素测量装置、测量方法、环境、人为因素。,1真值 真值即真实值，是指在一定条件下，被测量客观存在的实际值。真值通常是未知的。一般所说的真值是指理论真值、约定真值和相对真值。,1）理论真值 如平面三角形的内角和恒为180。,2）约定真值 国际上公认的某些基准量值。例如，1982年国际计量大会通过的米的定义为“米是光在真空中在1/299792458秒时间间隔内所行进的路程。” 这个米基准就当作计量长度的规定真值。,3）相对真值 在实际测量中常把高一精确度等级的计量仪器的测量值作为低一等级仪器测量值的真值。,41,2误差的表示方法,在实际测量过程中，测量误差的表示方法有多种，常用的有绝对误差、相对误差和引用误差。,2）相对误差 相对误差是被测量的绝对误差与其真值之比，一般用百分数表示，即,1）绝对误差 绝对误差是指测得值与被测量真值之差，即,式中绝对误差， x 测得值，x0 被测量真值,42,在实际测量过程中，测量误差的表示方法有多种，常用的有绝对误差、相对误差和引用误差。 * 例1-*1 用电压表甲测量10V电压，指示值为10.5V，用电压表乙测量50V电压，指示值为51V。请比较哪只表的测量准确度更高? 解：用甲表测量的绝对误差为： 用甲表测量的相对误差为： 甲 用乙表测量的绝对误差为： 用乙表测量的相对误差为：乙 故用乙表比用甲表测量更准确。 相对误差可用来比较两种测量结果的精确程度，但不能用来衡量不同仪表的质量。因为同一台仪表在整个测量范围内的相对误差不是定值，随着被测量的减小，相对误差增大。因此，在工程应用中，确定仪表精确等级常用引用误差来表示。,43,我国规定电工仪表精确度等级有0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七级。0.1级即表示引用误差是0.1%,其他类推。,3）引用误差m 是指仪表示值的最大绝对误差与仪表 的测量上限值或量程之比。也就是仪表最大读数时的相对误差。 式中 -测量仪器的引用误差； x-测量仪器的绝对误差，一般指的是测量仪器的示值绝对误差； xm-测量仪器的满度值，一般又称为引用值，通常是测量仪器的量程。 以上计算式取绝对值去掉%就是我们看到的精度等级了.,44,由于通常仪表的误差是用引用误差表示，因此不宜选用大量程仪表来测量较小的量值，否则会使测量误差增大，一般应尽量避免让仪表在小于1/3量程范围内工作。引用误差可用于评价某些测量仪器的准确度高低。 其最大引用误差不超过仪器精度等级指标a百分数， 即 a%。 例如，精度为l.0级、读数为0100mA的电流表，就是指在全量程100mA内绝对误差I不超过 I Im 100mA1.0%1mA 应当注意，如果用该表来测10mA以内的电流，其相对误差可能超过10%，而若用该表来测90mA的电流，则其相对误差只有1.1%(即1/90)。可见，在使用以引用误差来表征精度等级的仪器时，应当避免在全量程(对某个使用量程而言)的1/3以下量程范围内工作，以免产生较大的相对误差。,45,*例1-*2用1.5级量限20A的电流表甲、0.5级量限150A的电流表乙分别测量某电流，读数皆为10A，试比较两次测量结果的准确度。 解：甲表的最大绝对误差： Im甲=mIm甲=1.5%2