机械工程测试技术

1、机械工程测试技术,主讲：陈华豪,机电工程学院装控教研室,课程内容：,本课程主要介绍工业自动化,环境监测,楼宇控制,交通等领域中常见物理量(压力、应变、位移、加速度、温度等）的传感器测量原理、测量电路原理和信号分析方法。,机械工程测试技术,机械工程测试技术是一门与材料科学、微电子技术、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，在教学内容上我们采编了很多多媒体素材和案例。,学习方法：,机械工程测试技术,机械工程测试技术,本课程是培养学生解决实际工程测量问题能力的专业基础课，具有很强实践性。学习时应充分利用课程所开设实验。,理论学习、实践学习、研究学习 三元并重.,只

2、有通过足够的实验操作，才能得到应有的实际动手能力培养和更好的掌握书本知识。,传感器,zjy型振动与控制教学实验系统,多通道信号采集和实时分析系统,第一章、绪论,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.了解主要测试仪器生产厂商,机械工程测试技术,第一章、绪论,1.1 测试技术的基本概念,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。它直接将被测温度变化转化为液

3、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。,1.1 测试技术的基本概念,一、测试方法的分类：,（1）按是否直接测定被测量的原则分类：,直接测量 - 与同类基准进行简单的比较以得到被测量,线纹尺 - 物体尺寸、天平 - 物体重量,间接测量 - 被测量无法或不易进行直接测量,自变量,目标变量,负载电阻功率 = 电压 电流,（直接测量）,直接测量,间接测量,1.1 测试技术的基本概念,（2）按传感器是否与被测物接触分类：,接触测量法-

4、 传感器与被测物直接接触进行测量。,如振动测量，带磁座的压电加速度传感器直接放在所测位置进行测量。,接触测量法,非接触测量法,1.1 测试技术的基本概念,非接触测量法- 传感器与被测物没有直接接触进行测量。,如振动测量，用电涡流传感器测量振动位移。,1.1 测试技术的基本概念,（3）按被测量是否随时间变化分类：,静态测量,动态测量,这是指的是被测量值是否随时间变化来分的。,二、被测对象,在动力机械工程中，被测的基础物理量有：,位移：机床工作台的位移、自动线上工件的位移、工件的尺寸、 输送管道的挠度和伸缩量等；,压力：压缩机气缸内的压力、压力容器内、外的压力等；,力、转矩：机床切削力、机械手的夹

5、持力、塔设备所受的风力、地震力，主轴的转矩等；,应力、应变：容器壁、管壁、桥梁的应力、应变等；,温度：环境温度、裂解炉、反应器内的温度等；,流量：管道内流体输送流量、泵输送流体的流量等；,速度、转速：主轴的旋转速度、工作台的位移速度、介质对器壁的腐蚀速度等；,噪声、振动：各种动力机械工作时产生的噪声、振动以及管线、桥梁的振动等。,1.1 测试技术的基本概念,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，是信号的直接采集者，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

6、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。,1.1 测试技术的基本概念,信息转换,信息提取,三、测试系统的一般组成：,测量系统的基本特性是指系统的输入与相应输出的关系。通常将被测量称为是测量系统(传感器、仪表)的输入(激励或被测信号)，用 表示；而经过测量系统变换后的量称为是输出(响应或测出信号),用 表示, 表示测试装置的传输特性，这种特性主要通过静态 和动态 两方面来表达。,四、测试装置的基本特性(第3章),1.1 测试技术的基本概念,1、测试装置的静态特性,当被测量不随时间变化或变化非常缓慢时，系统的输出量和输入量之间的函数关系称为测量系统的静态特性。,一般情况下，测量系统的

7、基本静态特性可以用下述的代数方程来描述：,对理想测量系统，要求其静态特性曲线应该是线性的，如图1-4（a）所示。,1.1 测试技术的基本概念,在这种情况下， ，由此得到：,以静态测量条件为基础，可以定义一组性能指标来描述静态测量过程的品质。静态特性一般包括：量程、精度、灵敏度、非线性度、分辩率、回程误差、重复性、零漂、稳定性和负载效应等。,1.1 测试技术的基本概念,2、测试装置的动态特性,当被测量随时间作迅速变化时，系统的输出量和输入量之间的数学表达式称为测量系统的动态特性。,一般情况下把测量系统作为线性定常系统来处理，这样系统输出量与输入量之间的关系可用常系数线性微分方程来描述，表示为：,

8、测试装置的动态特性常用脉冲响应函数 和频率特性 来描述。,1.1 测试技术的基本概念,第一章、绪论,1.2 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。,1、工业自动化中的应用,a)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。,1.2 测试技术的工程应用,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。,密歇根大学的机械手装配模型,广州中鸣数码的机器狗,b) agv自动送

9、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。,1.2 测试技术的工程应用,香港理工agv模型,c) 生产加工过程监测,1.2 测试技术的工程应用,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,1.2 测试技术的工程应用,2、流程工业设备运行状态监控,在石油、化工、电力、冶金等流程工业中，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。,茂名石化50mw热电机组监测系统 茂名电厂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

10、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 茂名石化风机状态监测系统,1.2 测试技术的工程应用,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,1.2 测试技术的工程应用,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

11、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。,1.2 测试技术的工程应用,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,1.2 测试技术的工程应用,5、其他应用,航天,农业,交通,医学,1.2 测试技术的

12、工程应用,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,1.2.6 pc机中的测试技术应用,1.3 测试技术的发展趋势,第一章、绪论,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,第一章、绪论,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,1.3 测试技术的发展趋势,2、测量信号处

13、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,第一章、绪论,1.3主要传感器和测试仪器生产厂商,1.3主要测试仪器生产厂商,3、测量分析仪器,第一章、绪论,中国东方振动和噪声技术研究所（国内振动测量、声学测量领域领头羊）,http:/,课程目的,使学生掌握有关测试技术的基本理论和技术 ； 掌握对一个测试系统各部分的参数进行测量和分析的方法和手段 为进一步研究和处理工程测试技术问题打下基础。,第一章、绪论,2、教材及教学参考书：,岑汉钊编 化工机械测试技术(第一版)，北京；化学工业出版社，1989年。 王恒杰编 机械工程检测技术(第

14、一版)，北京；机械工业出版社，1997年。 罗次申编 动力机械测试技术，上海；上海交通大学出版社，2001年。 冯凯昉编 工程测试技术(第二版)，西安；西北工业大学出版社，2002年。 刘经燕编 测试技术及应用，广州；华南理工大学出版社，2001年。 黄长艺等 机械工程测试技术(第二版)，北京；机械工业出版社，2002年。,第一章、绪论,思考题：,列出你身边的测试技术应用的例子。 测量系统有哪些环节？各个环节有什么功能？ 什么叫智能传感器？,第二章、机械测试信号分析与处理,本章学习要求：,1.了解信号分类方法 2.掌握信号时域波形分析方法 3.掌握信号时差域相关分析方法 4.掌握信号频域频谱分

15、析方法 5.了解其它信号分析方法,第二章、机械测试信号分析与处理,图2.1 简谐振动信号测试系统结构框图,第二章、机械测试信号分析与处理,对于不同的被测参量，测试系统的构成及作用原理可以不同；根据测试任务的复杂程度，一个测试系统也可以有简单和复杂之分；根据不同的作用原理，测试系统可以是机械的、电的、液压的等等。 在对待属性各异的各类测试系统中，常常略去系统具体的物理上的含义，而将其抽象为一个理想化的模型，目的是为了得到一类系统共性的规律。将系统中变化着的各种物理量，如力、位移、加速度、电压、电流、光强等称为信号。 因此，信号与系统是紧密相关的。信号按一定的规律作用于系统，而系统在输入信号的作用

16、下，对它进行“加工”，并将该“加工”后的信号进行输出。通常将输入信号称为系统的激励，而将输出信号称为系统的响应。,第二章、机械测试信号分析与处理,一、信号的定义,“信号”一词最初起源于“符号”、“记号”，它表示用来作为信息向量的一个物体、一个记号、一种语言的元素、或一个特定的符号等等。 信号是信号本身在其传输的起点到终点的过程中所携带的信息的物理表现。 例如：质量弹簧系统在受到一个激励后的运动状况，可以通过系统质量块的位移时间关系来描述。反映质量块位移的时间变化过程的信号则包含了该系统的固有频率和阻尼比的信息。,第二章、机械测试信号分析与处理,2.1 信号的分类与描述,第二章、机械测试信号分析

17、与处理,二、信号的描述 物理上：信号是信息的载体形式 数学上： 信号是一个或多个变量的函数 形态上：信号表现为一种波形信号的自变量 时间、位移 周期、频率、幅度、相位,第二章、机械测试信号分析与处理,三、信号的特性 信号的时间特性：表示为随时间变化的函数。 信号的频率特性：信号可以分解为许多不同频率的正弦分量之和。,第二章、机械测试信号分析与处理,为深入了解信号的物理实质，将其进行分类研究是非常必要的，从不同角度观察信号，可以将其分为：,四、信号的分类,另外还有：,2.1 信号的分类与描述,1 确定性信号与非确定性信号,可以用明确数学关系式描述的信号称为确定性信号。不能用数学关系式描述的信号称

18、为非确定性信号。,2.1 信号的分类与描述,信号波形：被测信号信号幅度随时间的变化历程称为信号的波形。,信号的分类主要是依据信号波形特征来划分的，在介绍信号分类前，先建立信号波形的概念。,振动弦(声源),声级计,记录仪,信号波形图：用被测物理量的强度作为纵坐标，用时间做横坐标，记录被测物理量随时间的变化情况。,2.1 信号的分类与描述,周期信号：经过一定时间可以重复出现的信号 x ( t ) = x ( t + nt ),机械系统中，回转体不平衡引起的振动，往往也是一种周期性运动。例如，下图是某钢厂减速机上测得的振动信号波形(测点3)，可以近似地看作为周期信号。,2.1 信号的分类与描述,b)

19、 非周期信号：在不会重复出现的信号。,2.1 信号的分类与描述,c)非确定性信号：不能用数学式描述，其幅值、相位变化不可预知，所描述物理现象是一种随机过程。例如，汽车奔驰时所产生的振动、飞机在大气流中的浮动、树叶随风飘荡、环境噪声等。,2.1 信号的分类与描述,2 能量信号与功率信号,a)能量信号 在所分析的区间（-，），能量为有限值的信号称为能量信号，满足条件：,一般持续时间有限的瞬态信号是能量信号。,例如：在右图所示的单自由度振动系统中： 由弹簧所积蓄的弹性势能为 x2(t); 若x(t)表达为运动速度，则x2(t)反映的是系统的运动中的动能。,2.1 信号的分类与描述,b)功率信号 在所

20、分析的区间（-，），能量不是有限值此时，研究信号的平均功率更为合适。,一般持续时间无限的信号都属于功率信号。,2.1 信号的分类与描述,3 时限与频限信号,a) 时域有限信号 在时间段 (t1，t2)内有定义，其外恒等于零,b) 频域有限信号 在频率区间(f1，f2 )内有定义，其外恒等于零,2.1 信号的分类与描述,4 连续时间信号与离散时间信号,a) 连续时间信号:在所有时间点上有定义,b)离散时间信号:在若干时间点上有定义,2.1 信号的分类与描述,5 物理可实现信号与物理不可实现信号,a) 物理可实现信号：又称为单边信号，满足条件：t0时，x(t) = 0，即在时刻小于零的一侧全为零。

21、,b) 物理不可实现信号：在事件发生前(t0)就预制知信号。,6一维信号和n维信号,2.1 信号的分类与描述,第二章、信号分析基础,2.2 信号的描述与分析,一、信号的时域分析 信号的时域波形分析是最常用的信号分析手段，用示波器、万用表等普通仪器直接显示信号波形，读取特征参数。,2、周期t，频率f=1/t,3、峰值p，双峰值pp-p,2.2 信号的时域波形分析,4、均值,均值ex(t)表示集合平均值或数学期望值。,均值：反映了信号变化的中心趋势，也称之为直流分量。,2.2 信号的时域波形分析,5、均方值,工程测量中仪器的表头示值就是信号的有效值。,信号的均方值ex2(t)，表达了信号的强度；其

22、正平方根值，又称为有效值(rms)，也是信号平均能量的一种表达。,2.2 信号的时域波形分析,6、方差,方差：反映了信号绕均值的波动程度。,信号x(t)的方差定义为：,2.2 信号的时域波形分析,点击图片进入,2.2 信号的时域波形分析,7、波形分析的应用,超门限报警,2.2 信号的时域波形分析,案例：旅游索道钢缆检测,第二章、信号分析基础,二、 信号的幅域分析,1 概率密度函数,以幅值大小为横坐标，以每个幅值间隔内出现的概率为纵坐标进行统计分析的方法。它反映了信号落在不同幅值强度区域内的概率情况。,p(x)的计算方法,2.2 信号的幅域分析,2 直方图,以幅值大小为横坐标，以每个幅值间隔内出

23、现的频次为纵坐标进行统计分析的一种方法。,3、概率分布函数,概率分布函数是信号幅值小于或等于某值r的概率，其定义为：,概率分布函数又称之为累积概率，表示了落在某一区间的概率。,2.3 信号的幅值域分析,2.3 信号的幅值域分析,图谱,2.2 信号的时域波形分析,点击图片进入,第二章、信号分析基础,三、 信号的时差域相关分析,1 相关的概念,相关指变量之间的相依关系，统计学中用相关系数来描述变量x，y之间的相关性。 是两随机变量之积的数学期望，称为相关性，表征了x、y之间的关联程度。,例如，玻璃管温度计液面高度(y)与环境温度(x)的关系就是近似理想的线形相关，在两个变量相关的情况下，可以用其中

24、一个可以测量的量的变化来表示另一个量的变化。,2.2信号的时差域相关分析,2 相关函数,如果所研究的变量x, y是与时间有关的函数，即x(t)与y(t)，这时可以引入一个与时间有关的量，称为函数的相关系数 ，并有：,假定x(t)、y(t)是不含直流分量(信号均值为零)的能量信号。分母常量，分子是时移的函数，反映了二个信号在时移中的相关性，称为相关函数。,2.2 信号的时差域相关分析,计算时，令x(t)、y(t)二个信号之间产生时差，再相乘和积分，就可以得到时刻二个信号的相关性。,*,图例,2.2 信号的时差域相关分析,相关函数的性质,相关函数描述了两个信号间或信号自身不同时刻的相似程度，通过相

25、关分析可以发现信号中许多有规律的东西。,（1）自相关函数是 的偶函数，rx()=rx(- )； （2）当 =0 时，自相关函数具有最大值。 （3）周期信号的自相关函数仍然是同频率的周期信号， 但不保留原信号的相位信息。 （4）两周期信号的互相关函数仍然是同频率的周期信 号，且保留原了信号的相位信息。 （5）两个非同频率的周期信号互不相关。 （6）随机信号的自相关函数将随 的增大快速衰减。,2.2 信号的时差域相关分析,点击图片进入,2.2 信号的时差域相关分析,相关分析的工程应用,案例：机械加工表面粗糙度自相关分析,被测工件,相关分析,性质3，性质4：提取出回转误差等周期性的故障源。,2.2

26、信号的时差域相关分析,案例：自相关分析测量转速,理想信号,干扰信号,实测信号,自相关系数,性质3，性质4：提取周期性转速成分。,2.2 信号的时差域相关分析,案例：地下输油管道漏损位置的探测,案例： agv小车定位，声位笔定位,2.4 信号的时差域相关分析,案例：互相关测速,四 信号的频域分析,第二章、信号分析基础,信号频域分析是采用傅立叶变换将时域信号x(t)变换为频域信号x(f)，从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。,傅里叶变换,1 频域分析的概念,131hz,147hz,165hz,175hz,频域参数对应于设备转速、固有频率等参数，物理意义更明确。,电子琴,2.2 信号的频域分析

27、,时域分析只能反映信号的幅值随时间的变化情况，除单频率分量的简谐波外，很难明确揭示信号的频率组成和各频率分量大小。,图例：受噪声干扰的多频率成分信号,2.2 信号的频域分析,2.2 信号的频域分析,信号的频谱x(f)代表了信号在不同频率分量处信号成分的大小，它能够提供比时域信号波形更直观，丰富的信息。,时域分析与频域分析的关系,2 周期信号的频谱分析,周期信号是经过一定时间可以重复出现的信号，满足条件： x ( t ) = x ( t + nt ) 任何周期函数，都可以展开成正交函数线性组合的无穷级数，如三角函数集 的傅里叶级数。,傅里叶级数的表达形式：,2.2 信号的频域分析,式中:,傅里叶

28、级数的复数表达形式：,t周期， t=2/0； 0基波圆频率； f0= 0 /2,2.2 信号的频域分析,频谱图的概念,工程上习惯将计算结果用图形方式表示，以fn ( 0)为横坐标，bn 、an为纵坐标画图，称为实频虚频谱图；以fn为横坐标， an、 为纵坐标画图，则称为幅值相位谱；以fn为横坐标， 为纵坐标画图，则称为功率谱。,图例,2.2 信号的频域分析,例子：方波信号的频谱展开,2.2 信号的频域分析,波形合成与分解,周期信号都可以用三角函数sin(2nf0t), cos(2nf0t) 的组合表示,也就是说，可以用一组正弦波和余弦波来合成任意形状的周期信号。,点击图片进入,2.2 信号的频

29、域分析,3 非周期信号的频谱分析,非周期信号是时间上不会重复出现的信号，一般为时域有限信号，具有收敛可积条件，其能量为有限值。这种信号的频域分析手段是傅立叶变换。,或,2.2 信号的频域分析,与周期信号相似，非周期信号也可以分解为许多不同频率分量的谐波和，所不同的是，由于非周期信号的周期t，基频fdf，它包含了从零到无穷大的所有频率分量，各频率分量的幅值为x(f)df，这是无穷小量，所以频谱不能再用幅值表示，而必须用幅值密度函数描述。,另外，与周期信号不同的是，非周期信号的谱线出现在0,fmax的各连续频率值上，这种频谱称为连续谱。,2.2 信号的频域分析,典型信号的频谱分析,点击图片进入,2

30、.2 信号的频域分析,4 傅立叶变换的性质,a. 奇偶虚实性 b. 线性叠加性 若 x1(t) x1(f)，x2(t) x2(f) 则：c1x1(t)+c2x2(t) c1x1(f)+c2x2(f) c. 对称性 若 x(t) x(f)，则 x(-t) x(-f) d. 时间尺度改变性 若 x(t) x(f)，则 x(kt) 1/kx(f/k) e. 时移性 若 x(t) x(f)，则 x(tt0) ej2ft0 x(f) f. 频移性 若 x(t) x(f)，则,2.2 信号的频域分析,例子：求下图波形的频谱,2.2 信号的频域分析,5 频谱分析的应用,频谱分析主要用于识别信号中的周期分量，

31、是信号分析中最常用的一种手段。,案例：在齿轮箱故障诊断 通过齿轮箱振动信号频谱分析，确定最大频率分量，然后根据机床转速和传动链，找出故障齿轮。,案例：螺旋浆设计 可以通过频谱分析确定螺旋浆的固有频率和临界转速，确定螺旋浆转速工作范围。,2.2 信号的频域分析,谱阵分析：设备启/停车变速过程分析,2.2 信号的频域分析,第4章 测量误差分析,一、测量误差存在的绝对性,测量值与真实值之差称为误差。,在任何测量中都存在误差，这是绝对的，不可避免的。这就是“误差公理”,4.1测量误差,测量值与真值 (或准确值)相差的程度与所选择的测量方法、所使用的仪器、所处的环境条件以及测试人员的水平有关。测量误差分

32、析就是研究在测量中所产生误差的大小、性质及产生的原因，以便对测量精度作出评价。,二、误差的表达形式,1、真值的定义,被测量值在一定条件下，有一个真正反映它的大小的量值，这个量值是客观存在的，它就是被测量的真实值，简称“真值”，记作：,由“误差公理” ，真值是不可知的。,（1）、绝对误差（测量误差）,测量值x与被测量的真值(或准确值)x0之差称为绝对误差，即：测量值偏离真值的绝对大小，记作：,（2）、相对误差,绝对误差与真值之比，即：测量值偏离真值的绝对程度，记作：,2、测量误差的定义,（3）、引用误差（精度）,将绝对误差折合成测量装置（仪表）测量范围（满量程范围）的百分数。,x上 仪表的测量上

33、限； x下仪表的测量下限； a仪表的满量程（x上x下）。,“残差” ：, 例题 4-1,例题4-1：质量g1=50g，误差x=2g；质量g2=2kg，误差x =50g，问：哪一个测量效果好？,解:,g2的测量效果较好, 例题 4-2,例题4-2：若被测介质的实际温度为500，仪表的指示值为495，仪表的量程为01000，试确定绝对误差、相对误差、引用误差。,解: 绝 对 误 差: x= x x0 = 495500=5 相 对 误 差: ex = x x0 100% =5/500100%=1% 引用 误 差: a= x （x上 x 下） 100% =0.5%,三、测量误差的分类,1、系统误差（s

34、ystem error）,在测量过程中，出现某些规律性的以及影响程度由确定的因素所引起的误差。,由于可以确知这些因素的出现规律，从而可以对它们加以控制，或者根据它们的影响程度对测量结果加以修正，因此在测量中有可能消除系统误差。,2、随机(偶然)误差（random error）,对同一被测量进行多次测量时，由于受到某些未知的或微小的随机因素的影响，多次测量的误差的绝对值时大时小，符号时正时负地变化，没有一定规律，并且无法估计。这类误差称为随机误差，又称偶然误差。,3、粗大误差(非法、过失误差) （abnormal error）,过失误差是一种显然与事实不符的误差，它主要由于测量者粗枝大叶、过度疲

35、劳或操作不正确等引起。,此类误差无规则可寻，只要多方注意，细心操作，过失误差就可以避免。含有过失误差的测量值称为坏值，这类数据是不能采用的，必须剔除。,四、测量的精度,检测系统的基本内容,不同场合 测量精度要求不同。,例：服装裁剪（身长/胸围） 半厘米； 发动机活塞直径 微米级。,精度高 系统复杂 造价高,系统误差大小的反映,测量精度按误差原因可分为：, 准确度：表征测量结果接近真值的程度。, 精密度：反映测量结果的分散程度（针对重复测量而言）。,表示随机误差的大小, 精度：表征测量结果与真值之间的一致程度。,系统误差和随机误差的综合反映，精度高意味着准确度和精密度都好。,“精度等级” 将仪表

36、允许的引用误差号及%号去掉，和国家规 定的精度等级比较后，确定仪表的精度等级。,国家规定的精确度等级有：,高 精度等级 低 0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0 标准用表 准确测量用表 工业上用表,例4.3：现有1.5级精度，满量程刻度为5mpa及1.5级精度，满量程刻度为10mpa的两个压力表，测得某压力容器的压力均为5mpa。请选择，使用哪个压力表较好。, 例题 4-3,对1.5级精度，满量程刻度为5mpa的压力表，测量中可能产生的最大绝对误差为：,测量的真值为：,对1.5级精度，满量程刻度为10mpa的压力表，测量中可能产生的最大

37、绝对误差为：,测量的真值为：,4.2系统误差的消除, 测量方法 避免出现系统误差, 找出规律 修正值,防止系统误差出现的最基本办法。,1）分析系统误差产生的原因,测量前 对可能产生的误差因素进行分析，采取相应措施。,2）引入修正值进行校正,3）检测方法上消除或减小,- 现有仪器设备取得更好的效果（提高测量准确度）。,- 已出现的系统误差,理论分析/专门的实验研究 系统误差的具体数值和变化规律,- 确定修正值（温度、湿度、频率修正等）,- 修正表格、修正曲线、修正公式 按规律校正,- 实际测量中，采取有效的测量方法。,随机误差无法在测量过程中加以控制和排除 。,4.3随机误差分析,但在等精度(用

38、同一仪器、按同一方法、由同一观测者进行测量)条件下，对同一测量参数作多次测量，若测量次数足够多，则可发现随机误差完全服从统计规律：,绝对值小的误差比大的误差出现的机会多，即误差的概率与误差的大小有关；,大小相等，负号相反的正负误差出现的机会相等 ；,绝对值大的正负误差出现的机会很小，绝对值很大的误差概率接近于零 ；,随着测量次数的无限增加，随机误差的算术平均值趋于零，即,具有上述四个特性的随机误差服从正态分布，分布曲线如图所示:,以下式表达上述特性，称高斯正态分布密度函数，亦称误差方程或或然率方程:,标准误差（或称均方根误差）：,图示为误差方程在不同 值时的误差正态分布曲线：说明小误差出现的概

39、率大，大误差出现的概率小。,总体期望：无限次测量（不可能实现） 有限次测量代替 t分布,4.5粗大误差的判定与剔除,一、多次测量结果的算术平均值、标准误差和真值范围的估计,1、算术平均值：,最小二乘法原理：在具有同一精密度的许多测量值中，最佳值乃是能使各测量值的误差的平方和为最小的那个值。当测量的误差符合正态分布时，算术平均值就是这个最佳值(真值的估计值)。,2、总体标准(误)差：,总体方差：,均方根(误)差 ：,当测量次数有限时，取算术平均值代替真值。即以样本来估计总体。样本方差的估计为,样本标准（误）差的估计为：,标准差反映了测定值在其真值周围散布程度。它对测量中的较大或较小误差反映比较灵

40、敏，是表示测量精密度的较好方法。,3、真值的可能范围 ：,算术平均值与真值间的标准差为：,当测量次数n30时：,当测量次数较少时：,例2-1对某一物理量进行了50次测量得出下列测量值，求其算术平均值、样本标准差。,1931；1957；1927；1928；1921；1892；1906；1910；1930；1912；1903；1933；1921；1912；1923；1884；1925；1947；1900；1910；1923；1918；1906；1925；1924；1916；1879；1883；1934；1935；1927；1891；1932；1919；1934；1956；1902；1967；192

41、1；1920；1911；1926；1936；1891；1956；1940；1939；1928；1945；1937。, 按(2-8)式求算术平均值： 按(2-12)式求样本标准差：,二、粗大误差的判定与剔除,在实际测量中，有时会发现在相同条件下进行同一量值的多次测量时个别的测量值较其它多数测量值差异较大，这表明其绝对误差特别大。从随机误差的性质可知，大误差出现的概率是很小的。这类个别特大误差的测量值，多半是由过失或疏忽所引起的误差，称为粗大误差。,粗大误差主要由于测量者粗枝大叶、过度疲劳或操作不正确等引起，例如读错刻度值、记录错误、计算错误等。此类误差无规则可寻，只要多方注意，细心操作，过失误差

42、就可以避免，但过失或疏忽有时是难免的。含有粗大误差的测量值称为坏值，这类数据是不能采用的，必须剔除。,剔除可疑数据的准则： (1)拉依达准则,当测量数据呈正态分布，且测量次数n10时，误差大于3的概率仅为0.0027。 如果测量次数有限，测量误差(残差)大于3，则该测量数据要剔除。,用拉依达准则剔除可疑数据步骤：,根据测量值求出：,计算最大、最小数据残差：,比较,若 ，则该数值要舍弃。,剔除可疑数据的准则： (2)格罗布斯准则,根据测量值求出：,计算最大、最小数据残差：,比较,若 ，则该数值要舍弃。,其中 ，由表4-2查取；,一般,重复计算上述各步骤，直至粗大误差全部剔除为止。,例4-4：对某

43、零件进行应变测量，同一状况下对某点测取10个数据(单位为此)：310；308；322；292；304；298；336；292；300；366。试用拉依达准则和格罗布斯准则分析某些数据是否应舍弃(p=95%)。,：求算术平均值： 求样本标准差： 最大数据的残差： 最小数据的残差：, 例题 4-4,用拉依达准则剔除可疑数据步骤：,各数据都为有效数据。,用格罗布斯准则剔除可疑数据步骤：,n=10，由表4-2可得：,则：,显然,故，366应剔除。,舍弃366后余下9个数字(n9)，求出：,故余下9个数据均为有效数据。,n=9，由表4-2可得：,则：,习 题,本节作业,4-3、4-9,第5章、信号的获取

44、与调理,本章学习要求：,1.了解传感器的分类 2.掌握常用传感器测量原理 3.了解传感器测量电路,机械工程测试技术,第5章、信号的获取与调理,5.1 传感器,1. 传感器定义,传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。,物理量,电量,2. 传感器的构成,传感器一般由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。,5

45、.1 传感器,5.1 传感器,例: 大吨位电容式称重传感器,被测非电量： 敏感元件： 有用非电量： 传感元件： 有用电量：,电容量c,弹性体,外界压力,极板间距变化,电容传感器,5.1 传感器,3. 传感器的分类,电容式、电感式、热电式传感器,位移、力、速度、温度传感器,模拟式、数字式传感器,结构型、物性型传感器,半导体传感器,集成传感器、智能传感器 仿生传感器、机器人传感器,前两种分类方法最常用。,a 物性型与结构型传感器 物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换. 例如:水银温度计,压电测力计. 结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. 例如:电容式和电感式传感器.,

46、b 能量转换型和能量控制型传感器 能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化. 例如:电阻应变片.,3. 传感器的分类,5.1 传感器,4. 常见的被测物理量,第5章、信号的获取与调理,5.2、参数式传感器的信号获取与调理,参数式传感器是把被测量转换为电量变化的一种传感器, 按转换的电量变化可分为：变阻、电容、电感三大类。,一、电阻式传感器及调理电路,电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器, 按工作的原理可分为：电阻应变式、热敏效应式、电位器式等。,5.2、参数式传感器的信号获取与调理

47、,1. 电阻应变式传感器电阻应变片,金属电阻应变片的工作原理是基于弹性敏感元件(金属导体)的应变效应，即弹性敏感元件在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。,5.2.1 电阻式传感器及调理电路,(一)、信号获取原理,1) 金属应变计,金属应变计有: 丝式 箔式 优点:稳定性和温度特性好. 缺点:灵敏度系数小.,5.2.1 电阻式传感器及调理电路,(1)、分类：,2) 半导体应变计,优点：应变灵敏度大;体积小;能制成具有一定应变电阻的元件. 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。,5.2.1 电阻式传感器及调理电路,(2)、 电阻应变片工作

48、原理,金属应变片的电阻r为：,5.2.1 电阻式传感器及调理电路,式中：r电阻（）； 金属的导线电阻率（mm2/m）； l导体的长度（m）； a导体的截面积（mm2）。,(2)、 电阻应变片工作原理,对：,改变长度l，则可形成滑动触点式变阻器或电位计； 改变l、a和则可做成电阻应变片； 改变，则可形成热敏电阻、光导性光检测器、压阻 应变片、以及电阻式温度检测器。,其中： 为材料的轴向线应变，单位：1=110-6m/m。,根据材料的泊松比定律：轴向线应变 与径向线应变 有如下关系(其中为泊松比)：,(2)、 电阻应变片工作原理,设a=r2，r为电阻丝半径，则,(2)、 电阻应变片工作原理,由于,

49、所以,应变片灵敏度,或,(2)、 电阻应变片工作原理,(3) 应变片的主要参数,1）几何参数：表距l和丝栅宽度b，制造厂常用bl 表示。 2）电阻值：应变计的原始电阻值。 3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。 4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。,5.2.1 电阻式传感器及调理电路,(4) 电阻应变片式传感器的使用,1）应变片的粘贴要求： 2）电阻应变片传感器的温度补偿,5.2.1 电阻式传感器及调理电路,案例：桥梁固有频率测量,原理 在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车经过时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁

50、固有频率。,5.2.1 电阻式传感器及调理电路,(5) 应用,案例：电子称,原理 将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。,5.2.1 电阻式传感器及调理电路,结构的应力和应变分析 ； 用于制成力、位移、压力、力矩和加速度等测量传感器。,图3.10 粘贴应变计的力和力矩传感器 （a）拉力杆 （b）压力杆 （c）弯曲悬臂 （d）扭矩轴,5.2.1 电阻式传感器及调理电路,(二)、直流电桥的调理作用,5.2.1 电阻式传感器及调理电路,1、电桥电路的作用：,是将传感器输出的电参量(电阻、电容、电感等参数)的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路。,2、电桥分类：,按其所采用的激

51、励电源类型分：直流电桥、交流电桥；,按照输出方式分：平衡桥式电路、不平衡桥式电路；,按其工作原理可分：归零法、偏值法。,5.2.1 电阻式传感器及调理电路,1、直流电桥工作原理,是利用四个桥臂中的一个或数个的阻值变化而引起电桥输出电压的变化，因此桥臂可采用电阻式敏感元件组成并接入测量系统。,电桥输出端开路警方，其输出电流为零，此时有：,5.2.1 电阻式传感器及调理电路,a-b之间与a-d之间的电位差分别为：,由此可得输出电压(ubd)：,5.2.1 电阻式传感器及调理电路,可得直流电桥的平衡公式:,或,表明：对臂电阻乘积相等，或者邻臂电阻之比相等。,由输出电压,5.2.1 电阻式传感器及调理

52、电路,为使电桥灵敏度最大，实践中常设相邻桥臂的阻值相等，亦即：,当四个桥臂的阻值变化同号时，即：,得：,5.2.1 电阻式传感器及调理电路,又有,所以，输出电压为：,2、直流电桥的基本类型,在测试技术中，一般根据工作中电阻值参与变化的桥臂数可分为：半桥单臂式、半桥双臂式和全桥连接式联接：,5.2.1 电阻式传感器及调理电路,5.2.1 电阻式传感器及调理电路,半桥单臂式,在工作时仅有一个桥臂电阻值随被测量变化，设该电阻为r1，其变化量为r，则,5.2.1 电阻式传感器及调理电路,半桥双臂式,在工作时有两个桥臂(一般为相邻桥臂)电阻值随被测量变化，设该电阻为 ， 其变化量 ，则,5.2.1 电阻

53、式传感器及调理电路,全桥式,工作时有四个桥臂的电阻值均随被测量变化 ，设该电阻为 ， ， ， ，其变化量 ，则,第5章、信号的获取与调理,二、电容式传感器,1.变换原理:,将被测量的变化转化为电容量变化,两平行极板组成的电容器,它的电容量为:,当被测量d、s或发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。,二、电容式传感器,圆筒形电容器,2 分类, 电容式传感器,a) 极距变化型,s、不变，当极板距离有一微小变化量dd时，引起电容的变化为：, 电容式传感器,传感器的灵敏度：,由于灵敏度s随极

54、距d而变化，将引起线性误差。为减少此误差，通常限定极间距在较小范围内变化，一般取极距变化范围为：这样可获得近似的线性关系。,b)、差动式变极距型电容传感器,可将传感器灵敏度提高一倍。并且线性误差也可大大减少。可用于动态非接触式测量，对被测系统的影响小，灵敏度高，适用于测量小位移（0.01m数百m）。, 电容式传感器, 电容式传感器,b)面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型.,输出与输入成线性关系。,、角位移变面积型,极板覆盖面积为：,灵敏度为：, 电容式传感器,、平面线位移变面积型,呈线性关系, 电容式传感器,d,、圆柱体线位

55、移变面积型,在初始位置（即l0时）,输出与输入成线性关系。, 电容式传感器,综合以上分析可知：变面积型电容传感器的输入与输出呈线性关系，灵敏度为常数，可用于测量角位移和较大的线位移。, 电容式传感器,c）变介质型电容传感器,例：测定材质温度、湿度或厚度。,原理：利用极板间介质变化时引起介电常数的变化，电容量也随之变化。,当d保持不变，c与有关，而又随介质的温度、湿度变化，故可测介质温度、湿度。,当保持不变，c与d有关，故可测介质厚度。, 电容式传感器,d,4 应用, 电容式传感器,案例：电容传声器,案例:液面高度测量, 电容

56、式传感器,电容式称重传感器,弹性钢体上高度相同处打一排圆孔，在孔内形成一排平行的平板电容。输出反映的结果是平均作用力的变化，测量误差大大减小(误差平均效应)。,例：电容式转速传感器,定极板与齿顶相对时电容量最大，与齿隙相对时，电容量最小，齿轮转动时，电容传感器产生周期信号，以测量电路转换为脉冲信号，用频率计显示齿轮转速。, 电容式传感器,噪声测量（声级计）, 电容式传感器, 电感式传感器,电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。,第5章、信号的获取与调理, 电感式传感器,1 自感型-可变磁阻式,a)可变导磁面积

57、型,b）差动型,c）单螺管线圈型,d）双螺管线圈差动,原理：电磁感应,(1)变气隙式自感传感器工作原理动画演示, 电感式传感器,(2)变面积式自感传感器工作原理动画演示, 电感式传感器, 电感式传感器,(3)、双螺管线圈差动型传感器及测量电路,上述三种自感式传感器，由于线圈电流的存在，衔铁上始终作用有电磁吸力，影响测量准确度；而且易受电源电压、频率的波动与温度变化等外界干扰的影响，因此不适合精密测量。为了克服上述缺点，所以大都采用差动式。, 电感式传感器,涡流式,原理:涡流效应,原线圈的等效阻抗z变化：,金属板置于一只线圈的附近，它们之间

58、相互的间距为为，当线圈输入一交变电流i时，便产生交变磁通量金属板在此交变磁场中会产生感应电流i1，这种电流在金属体内是闭合的，所以称之为涡电流或涡流。,发射线圈1和接收线圈2分别置于被测金属板材料g的上、下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频(音频范围)电压e1加到线圈1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料g,使线圈2产生感应电动势e2。, 电感式传感器,优点：接构简单，使用方便，不受油污、介质影响。 应用：位移、力、振动测量，ndt，测厚,材质判别,案例： 连续油管的椭圆度测量,原理：, 电感式传感器,案例： 无损探伤,原理 裂纹检测，缺陷造成涡流变

59、化。,火车轮检测,油管检测, 电感式传感器,案例： 测厚,案例： 零件计数, 电感式传感器,2 互感型-差动变压器,工作原理:互感现象.,初级线圈,次级线圈 (反极性串联), 电感式传感器,测量电路, 电感式传感器,应用: 厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,压缩,垂直度; 压力,流量,液位;张力,重力,负荷量;扭矩, 应力,动力;气压,温度;振动,速度,加速度;等.,信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。,5.2.3 信号的调制与解调,一、信号调理的目的,二 信号放大,2 分类,放大器,直流放大器,交流放大器,电荷放大器,时间域 频率域 幅

60、度增大 低频保留,高频截止 幅度增大 高频保留,低频截止 电荷增大 z v,1 目的,电桥,5.2.3 信号的调制与解调,三、调制与解调,1 目的,解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。,先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，然后利用交流放大器进行放大，最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号。,5.2.3 信号的调制与解调,2 种类,调制信号x(t),载波信号,a)调幅 (am),b)调频 (fm),c)调相 (pm),5.2.3 信号的调制与解调,3 调幅(am),调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化,5.2.3 信号的调制