机械工程测试.doc

_绪论第一节 测试技术概要1.测试技术及其重要性随着科技的发展，测试技术已经形成了一门专门的技术科学。人们通过测试获得客观事物的定量概念，以掌握其运动规律。在某种意义上来说，“没有测试，就没有科学。” 因为人类的各种活动领域中都离不开测试。测试技术是测量和试验技术的统称，也可称作是具有试验性质的测量。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程；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性的认识过程。 测试是人们依靠一定的科学技术手段来定量地获取被研究对象原始信息的过程，属于信息科学的范畴。信息一般可理解为消息、情报或知识，从物理学观点出发，信息不是物质，也不是能量，是物质所固有的，是物质存在或运动的状态和方式。信息蕴含于信号之中，信号是传输信息的载体，由于信号易于传输，易于测量或感知，因此，人类获取信息主要借助于信号的传播。测试技术就是对信号的获取、加工、处理、分析及显示记录的过程。测试技术的基本任务是通过测试手段，对被研究对象相关的信息作出比较客观、准确的描述，使人们对其有一个客观全面的认识，并达到进一步改造和控制被研究对象的目的。从复杂信号中提取有用的信息则是测试技术的首要任务。测试是人类认识客观世界的手段，是科学研究的基本方法。科学探索需要测试技术，用定量关系和数学语言来表达科学规律和理论需要测试技术，检验科学理论和规律的正确性也需要测试技术，可以认为，精确的测试是科学技术研究的根基。在工程技术领域中，工程研究、产品开发、生产监督、质量控制和性能试验都离不开测试技术。特别是近代自动控制技术已经越来越多地运用测试技术，测试装置已成为控制系统的重要组成部分。测试工作不仅能为产品的质量和性能提供客观的评价，为生产技术的合理改进提供基础数据，而且是进行一切探索性的、开发性的、创造性的和原始的科学发现或科技发明的手段。测试技术的先进性已是一个国家、一个地区科技发达程度的重要标志之一，也是一个企业、一个国家参与国内、国际市场竞争的一项重要基础技术。可以肯定，测试技术的作用和地位在今后将更加重要和突出。因此，测试技术是机械工程技术人员必须掌握的一门实践性很强的技术，也是从事生产和科学研究的有力手段。2测试的基本概念（1）测量、计量、测试测量、计量、测试是三个密切关联的术语。测量（Measurement）是指以确定被测对象的量值为目的进行的实验过程。如果测量涉及实现单位统一和量值准确可靠则被成为计量。因此研究测量、保证测量统一和准确的科学被称为计量学（Metrology）。具体地说，计量学将研究可测的量、计量单位、计量基准、标准的建立、复现、保存及量值传递、测量原理与方法及其准确度、观察者的测量能力，物理常量及常数、标准物质、材料特性的准确确定，以及计量的法制和管理。实际上，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。测量的意义则更为广泛、更为普遍。测试（Measurement and test）是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测试对象、计量单位、测量方法、和测量误差。它们被称为测量四要素。（2） 信息和信号信息是事物运动的状态和方式，是物质的一种属性。可以分为两种，一种是物质所固有，客观存在或运动状态的特征。第二种是非物质，不具有能量，传输依靠物质和能量。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。信号是物质具有能量，是信息的载体，信息蕴含于信号之中。3.测试技术在工程领域的应用在工程领域，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。1、工业自动化中的应用 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。（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。 （2）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。（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。 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。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。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。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。4.测试技术研究的主要内容测试技术研究的具体内容包括信号的描述、测量原理、测量方法、测试系统及其数据处理等。信号的描述揭示信号的组成及其内在变化规律，时域描述和频域描述及其相互变换和映射关系。傅里叶级数和傅里叶变换是测试技术研究信号的理论基础。（1）测量原理测量原理实质上就是传感器的工作原理。被测量种类繁多、性质千差万别，因此采用怎样的原理去感受被测量是测试技术研究的内容之一。要确定和选择好测量原理，除了要有物理学、化学、电子学、生物学、材料学等基础知识和专业知识之外，还需要对被测量的测量范围、性能要求和环境条件有充分的了解和分析。（2）测量方法测量方法是指用什么方法去获得被测量，按照是否直接测量被测量，可分为直接测量与间接测量 。直接测量是指将被测量直接与标准量进行比较，或用预先标定好的测量仪器进行测量，无需对所获取的数值进行运算的测量方法。如用万用表测量电压，温度计测量温度等。间接测量是指通过测量与被测量有确定函数关系的相关参量，然后经过计算得到被测量的测量方法。如要测量一台发动机的输出功率，必须首先测出发动机的转速n及输出扭矩M,然后通过公式P=Mn，可计算得到输出功率P。按照是否接触被测对象，测量方法可分为接触式测量和非接触式测量。接触式测量是指测量仪器可直接接触被测对象的测量，例如，测量振动时可将带有磁座的加速度计直接固定在振动物体的适当位置上进行测量。非接触式测量是指测量仪器不接触被测对象的测量，也称无损检测，可避免被测对象受到磨损，例如，用超声测速仪测量汽车行驶时是否超速就属于非接触式测量。按照被测量是否随时间变化，测量方法可分为静态测量和动态测量。静态测量是指对静止不变或缓慢随时间变化的物理量的测量。动态测量是指随时间变化的物理量的测量，在动态测量中，需要确定被测量的瞬时值随时间变化的规律。（3）测试系统测试系统是指被测对象、测量仪器和装置有机组成的具有获取某种信息功能的整体。测试系统的组成如图0.1所示。 图0.1 测试系统的组成一般说来，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。传感器将被测物理量（如噪声，温度）检出并转换为电量，中间变换装置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，显示记录装置则测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。 传感器将被测试量转换为同种或别种量值输出电信号。信号调理电路的作用是将传感器输出的信号进行加工、变换和处理，将信号转换成合适传输和处理的形式，如信号变换、放大、调制与解调、滤波和模数转换等。信号分析与处理的作用是对调理后的信号进行各种运算和分析，如数字滤波、时域分析、频谱分析和相关分析等。显示记录的作用是显示和存储测量结果。当测试系统用于闭环控制系统时，除以上提到的组成部分之外，还应包括反馈和激励装置。测试系统可分为模拟测试系统与数字测试系统。在模拟测试系统中，获取、传输和输出的信号均为模拟信号；而数字测试系统中，通过传感器和信号调理电路部分的信号仍为模拟信号，当经过模数转换之后，模拟信号就变为数字信号，由计算机对数字信号进行分析、处理、显示和存储。由于数字信号具有抗干扰能力强、运算速度快、精度高等特点，越来越多的测试任务采用数字测试系统来实现。（4）数据处理通过测试系统获取的信号中携带着有用的信息，只有通过信号的分析与处理，对所获得的数据进行科学的分析和运算，才能够得到客观准确的测试结果。数据处理包括滤波、变换、识别和估值等过程，以便削弱信号中的干扰分量，增强有用分量。信号分析包括分析信号的类别、构成以及特征参数计算等，以便提取特征值，更准确地获取有用信息。由计算机对信号进行分析和处理是测试技术处理信号的主流。5.测试技术的发展动向从专业角度看，测试技术应包括传感器技术、信号处理技术和仪器仪表技术三个方面。从学科关系看，测试技术是综合运用多学科原理和技术，同时也直接为各专业学科服务的一门技术学科。各专业学科的发展不断地向测试技术提出新的要求，推动测试技术的发展，同时，测试技术也在迅速吸取各学科的新成就中得到发展。测试信息处理技术的迅速发展主要体现在以下几个方面：1.传感器：新型、微型、智能化。2.测试：多功能、集成化、智能化；静态测试向动态测试发展。3.信息处理：高在线实时能力、高精度、专用功能、小型化、性能标准化和低价格。机械工程测试技术的发展趋势：1.测量方式多样化包括： （1）动态测量 （2）虚拟仪器 （3）便携式测量仪器 （4）组合式测量方式 （5）多传感器融合技术在制造过程中的应用2.视觉测试技术视觉测试技术是建立在计算机视觉研究基础上的一门新兴测试技术。与计算机视觉研究的视觉模式识别、视觉理解等内容不同，视觉测试技术重点研究物体的几何尺寸及物体的位置测量，如三维面形的快速测量，大型工件同轴度测量，共面性测量等。它可以广泛应用于在线测量、逆向工程等主动、实时测量过程。3.两个极端发展两个极端就是指相对于现在测量尺寸的大尺寸和小尺寸，通常尺寸的测量已被广为注意，也开发了多种多样的测试方法。今年来，由于国民经济的快速发展和迫切需要，使得很多方面的生产和工程中测试的要求超过了我们所能测试的范围，如飞机外形的测量、大型机械关键部件测量、高层建筑电梯导轨的准确测量、油罐车的现场校准等都要求能进行大尺寸测量；微电子技术、生物技术的快速发展，探索物质微观世界的需求，测量精度的不断提高，又要求进行微米、纳米测试。纳米测量也多种多样，有光干涉测量仪、量子干涉仪、电容测微仪、X射线干涉仪、频率跟踪式法珀标准量具、扫描电子显微镜（SEM）、扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）、分子测量机M3(molecular measuring machine)等。6.课程的基本要求工程测试是一门专业技术基础课，通过本课程的学习，能获得下列几方面知识（1）掌握信号的时域和频域描述方法，建立频谱的概念；掌握时域分析和频域分析的基本原理和方法。（2）掌握测试装置基本特性的分析方法和不失真测试条件，掌握一阶、二阶线性系统动态特性和测试方法。（3）掌握常用传感器的工作原理和性能；掌握信号调理电路的工作原理，并能正确选用传感器及其测量电路。（4）对测试系统有一个完整的概念，并能结合产品设计、性能评定和实验工作合理地选择测试系统。本课程具有很强的实践性，学习理论课的同时，只有通过足够和必要的试验，受到应有的实验能力的训练，才能真正掌握有关理论，初步具有处理实际测试工作的能力。第二节 测量的基础知识 在机械（或机电）系统实验、控制和运行监测中，需要测量各种物理量（或其他工程参量）及其随时间变化的特性。这种测量需要通过各种测量装置和测试过程来实现。于是，测试装置和过程在总体上满足什么样的要求，才能准确测量到这些物理量及其随时间的变化是我们关心的问题。为使测量结果具有普遍的科学意义需具备一定的条件：首先，测量过程是被测量的量与标准或相对标准的比较过程。作为比较用的标准量值必须是已知的，且是合法的，才能确保测量值的可信度及保证测量值的溯源性。其次，进行比较的测量系统必须进行定期检查、标定，以保证测量的有效性、可靠性、这样的测量才有意义。 本节讨论与此相关的一些基本概念。 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。不同类的量彼此之间可定性区别，如长度和质量是不同种类的量。同一类中的量之间是以量值大小来区别的。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，如3.4m、15kg等。其中，3.4、15是量值的数值。显然，量值的数值就是被测量与计量单位之比值。2.基本量和导出量在科学技术领域中存在着许许多多的量，它们彼此有关。为此专门约定选取某些量作为基本量，而其他量则作为基本量的导出量。量的这种特定组合称为量制。在量制中，约定地认为基本量是相互独立的量，而导出量则是由基本量按一定函数关系来定义的。3.量纲和量的单位“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。一个量纲是唯一的，然而一种特定的量纲，比如说长度，则可用不同的单位来测量，如英尺、米、英寸或英里等等。不同的单位制必须被建立和认同，亦即这些单位制必须被标准化。由于存在着不同的单位制，在不同单位制的转换基础方面也必须有协议。在国际单位（SI）制中，基本量约定为：长度、质量、时间、温度、电流、发光强度和物质的量等七个量。它们的量纲分别用：L、M、T、Q、I、N和J表示。导出量的量纲可用基本量量纲的幂的乘积来表示。工程上会遇到无量量纲，其量纲中的幂都为零，实际上它是一个数。弧度（rad）就是这种量。二基准和标准为了确保量值的统一和准确，除了对计量单位作出严格的定义外，还必须有保存、复现和传递单位的一整套制度和设备。 基准是用来保存、复现计量单位的计量器具，是最高准确度的计量器具。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。 国家基准是指在特定计量领域内，用来保存、复现该领域计量单位并具有最高计量特性，经国家鉴定、批准作为统一全国量值最高依据的计量器具。 副基准是指通过与国家基准对比或校准来确定其量值，并经国家鉴定、批准的计量器具。 工作基准是通过与国家基准或副基准对比或校准，用来检定计量标准的计量器具 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。三测量误差测量结果总是有误差的。误差自始至终存在于一切科学实验和测量过程中。1. 测量误差定义 测量结果与被测量真值之差称为测量误差，即 测量误差=测量结果真值 （0-1）并常简称为误差。此定义联系三个量，显然只需已知其中的两个量，就能得到第三个量。但是，在现实中往往只知道测量结果，其余两个量却是未知的。这就带来许多问题，例如：测量结果究竟能不能代表被测量、有多大的可置信度、测量误差的规律是怎样的、如何评估它等等。（1） 真值x。 是被测量在被观测时所具有的量值。从测量的角度来看，真值是不能确切获知的，是一个理想概念。在测量中，一方面无法获得真值，而另一方面又往往需要运用真值。因此引用了所谓的“约定真值”。约定真值是指对给定的目的而言，它被认为充分于接近真值，因此可以代替真值来使用的量值。在实际测量中，被测量的实际值、已修正过的算术平均值，均可作为约定真值。实际值是指高一等级的计量标准器具所复现的量值，或测量实际表明它满足规定准确度要求，用来代替真值使用的量值。（2） 测量结果 由测量所得的被测量值。在测量结果的表述中，还应包括测量不确定度和有关影响量的值。2. 误差分类如果根据误差的统计特征来分，可以将误差分为：（1）系统误差 在对同一被测量进行多次测量过程中，出现某种保持恒定或按确定的方式变化着的误差，就是系统误差。在测量偏离了规定的测量条件时，或测量方法引入了会引起某种按确定规律变化的因素时就会出现此类误差。通常按系统误差的正负号和绝对值是否已经确定，可将系统误差分为已定系统误差和未定系统误差。在测量中，已定系统误差可以通过修正来消除。应当消除此类误差。（2）随机误差 当对同一量进行多次测量中，误差的正负号和绝对值以不可预知的方式变化着，则此类误差成为随机误差。测量过程中有着众多的、微弱的随机影响因素存在，它们是产生随机误差的原因。随机误差就其个体而言是不确定的，但其总体却有一定的统计规律可循。随机误差不可能被修正。但在了解其统计规律性之后，还是可以控制和减少它们对测量结果的影响