河北农业大学机电学院

1、河北农业大学机电学院Mechanical Engineering Measurement Technology河北农业大学机电学院 本课程主要介绍工业自动化领域中常见物理量本课程主要介绍工业自动化领域中常见物理量(压力、压力、应变、位移、加速度、温度等应变、位移、加速度、温度等）的传感器测量原理、测量）的传感器测量原理、测量电路原理和信号分析方法。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河北农业大学机电学院课程网络学习资源：课程网络学习资源： 1.工程测试技术网络课件工程测试技术网络课件2.工程测试网上虚拟实验室工程测试网上虚拟实验室机械测试技术基础机械测试技术基础华中科技大

2、学华中科技大学东北大学、东南大学东北大学、东南大学河北农业大学机电学院工程测试技术基础工程测试技术基础网上相关学习资源网上相关学习资源河北农业大学机电学院第一章、绪论第一章、绪论本章学习要求：本章学习要求：1.1.掌握测试技术的概念及研究内容掌握测试技术的概念及研究内容2.2.了解测试技术的应用情况了解测试技术的应用情况 3.3.了解测试技术的发展动态了解测试技术的发展动态 4.4.本课程学习要求本课程学习要求机械工程测试技术机械工程测试技术河北农业大学机电学院 测试工作的任务：测试工作的任务： 解决如何解决如何获取获取有关研究对象的状态，运动和有关研究对象的状态，运动和特性等方面的特性等方面

3、的信息信息的问题。的问题。您在发烧，您在发烧，请请 测试技术的研究内容：测试技术的研究内容： 1.1 1.1 测试技术的基本概念测试技术的基本概念 河北农业大学机电学院 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。简单的测试系统可简单的测试系统可以只有一个模块，以只有一个模块，如玻璃管温度计。如玻璃管温度计。它直接将被温度变它直接将被温度变化转化液面示值。化转化液面示值。没有电量转换和分没有电量转换和分析电路，很简单，析电路，很简单，但精度底，无法实但精度底，无法实现测量自动化。现测量自动化。 为提高测量精度和为提高测量精度和自动化程度，以便自动化程度，

4、以便于和其它环节一起于和其它环节一起构成自动化装置，构成自动化装置，通常先将被测物理通常先将被测物理量转换为电量，再量转换为电量，再对电信号进行处理对电信号进行处理和输出。如图所示和输出。如图所示的声级计。的声级计。 1.2 1.2 测试系统的组成测试系统的组成河北农业大学机电学院敏感元件敏感元件转换元件转换元件适配电路适配电路显示或存储显示或存储接口接口（数字化）（数字化）计算机或计算机或控制系统控制系统分析结果分析结果反馈、控反馈、控制或诊断制或诊断传感器传感器信号调理信号调理1.2 1.2 测试系统的组成测试系统的组成信号分析处理信号分析处理河北农业大学机电学院 测试系统是指由相关的器件

5、、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。 为了为了准确准确的获得被测对象的信息，要求测试系统中的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每一个环节的输出量与输入量之间必须具有一一对应一一对应关系。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。实现不失真的测试。 1.2 1.2 测试系统的组成测试系统的组成被测对象被测对象传感器传感器信号信号调理调理信号信号处理处理数据显示数据显示与记录与记录反馈、控制反馈、控制激激 励励河北农业大学机电学院 一个被测

6、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。1.2 1.2 测试系统的组成测试系统的组成河北农业大学机电学院 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。1.2 1.2 测试系统的组成测试系统的组成河北农业大学机电学院 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

7、成电压的变化或频率的变化等等。 基本放大器信号的调制与解调1.2 测试系统的组成测试系统的组成河北农业大学机电学院 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 1.2 测试系统的组成测试系统的组成河北农业大学机电学院 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 反馈控制环节主要应用于闭环控制系统中的测试系统。1.2 测试系统的组成测试系统的组成河北农业大学机电学院机床轴承故障监测系统 报警信息控制信息执行装置河北农业大学机电学院第一章、绪论第一章、绪论1.3 1.3 测试技术的工程应用测试技术的工

8、程应用 工程技术领域工程技术领域工程研究工程研究产品开发产品开发 生产监督生产监督 质量控制质量控制 性能试验性能试验河北农业大学机电学院1 1、工业自动化中的应用、工业自动化中的应用 a)a)机械手、机器人中的传感器机械手、机器人中的传感器 1.3 1.3 测试技术的工程应用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。用，是其重要组成部分。密歇根大学的机械手装配模型密歇根大学的机械手装配模型广州中鸣数码的机器狗广州中鸣数码的机器狗 转动转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传移动位置传感器、力

9、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、嗅觉感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。传感器。河北农业大学机电学院b) AGV自动送货车自动送货车 超声波测距传感器：判断超声波测距传感器：判断建筑物内人和物所在位置；建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器：运动轨迹和红外线色彩传感器：运动轨迹和AGV小车位置小车位置识别；条识别；条形码传感器：形码传感器：货品识别。货品识别。1.3 1.3 测试技术的工程应用测试技术的工程应用 香港理工香港理工AGV模型模型Automated Guided Vehicles河北农业大学机电学院c) 生产加工过程监

10、测生产加工过程监测 1.3 1.3 测试技术的工程应用测试技术的工程应用 切削力传感器，加切削力传感器，加工噪声传感器，超工噪声传感器，超声波测距传感器、声波测距传感器、红外接近开关传感红外接近开关传感器等。器等。密歇根大学数字化工厂密歇根大学数字化工厂河北农业大学机电学院1.3 1.3 测试技术的工程应用测试技术的工程应用 2、流程工业设备运行状态监控、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。通常建立设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在小时在线监测系统。线监测系统。

11、 石化企业输石化企业输油管道、储油管道、储油罐等压力油罐等压力容器的破损容器的破损和泄露检测。和泄露检测。河北农业大学机电学院1.3 1.3 测试技术的工程应用测试技术的工程应用 3、产品质量测量、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，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。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。通过对抽样汽车的压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程

12、师可以了解产品质量。测试，工程师可以了解产品质量。汽车扭距测量汽车扭距测量机床加工精度测量机床加工精度测量河北农业大学机电学院风机性能自动测试系统风机性能自动测试系统1.3 1.3 测试技术的工程应用测试技术的工程应用 河北农业大学机电学院1.3 1.3 测试技术的工程应用测试技术的工程应用 4、家庭与办公自动化、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。了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。指纹传感器指纹传感器1、全自动洗衣机中应检测那些物理量？、全自动洗衣机中应检测那些物理量？

13、2、举出一些生活中常见的家电几办公自动化产品应用、举出一些生活中常见的家电几办公自动化产品应用传感器的例子传感器的例子想一想想一想河北农业大学机电学院1.3 1.3 测试技术的工程应用测试技术的工程应用 5、其他应用、其他应用航天航天农业农业交通交通医学医学河北农业大学机电学院农业工程中的应用农业工程中的应用你还能举出一些农业工程中应用测试技术的例子吗？你还能举出一些农业工程中应用测试技术的例子吗？河北农业大学机电学院1.2 1.2 测试技术的工程应用测试技术的工程应用 鼠标鼠标:光电位移传感器光电位移传感器摄象头摄象头:CCD传感器传感器声位笔声位笔:超声波传感器超声波传感器麦克风麦克风:电

14、容传声器电容传声器声卡声卡:A/D卡卡 + D/A卡卡软驱软驱:速度速度,位置伺服位置伺服6、PC机中的测试技术应用机中的测试技术应用河北农业大学机电学院测控实验测控实验DIY1.鼠标测位移实验鼠标测位移实验2.麦克风测声音麦克风测声音2.声卡声卡 采样频率采样频率 信号分析信号分析 频率合成与分解频率合成与分解3.简易声级计制作简易声级计制作4.CCD图象分析图象分析. 个人测试实验室个人测试实验室河北农业大学机电学院1.4 测试技术的发展趋势测试技术的发展趋势第一章、绪论第一章、绪论1、传感器方面、传感器方面 a)利用新发现的材料和新发现的生物、物理、化学效利用新发现的材料和新发现的生物、

15、物理、化学效应开发出的新型传感器应开发出的新型传感器光纤流速传感器光纤流速传感器荧光材荧光材料制作料制作的电子的电子鼻传感鼻传感器器生物酶血样分析传感器生物酶血样分析传感器热热/光光电量电量河北农业大学机电学院第一章、绪论第一章、绪论b)传感器传感器+嵌入式计算机嵌入式计算机 智能传感器智能传感器 振动网络传感器振动网络传感器嵌入式计算机嵌入式计算机智能压力网络智能压力网络传感器传感器智能智能倾角倾角RS232RS232传感器传感器IC总线数字温度总线数字温度传感器传感器河北农业大学机电学院结构型传感器结构型传感器智能型传感器智能型传感器物性型传感器物性型传感器河北农业大学机电学院1.4 1.

16、4 测试技术的发展趋势测试技术的发展趋势2、测量信号处理方面、测量信号处理方面 计算机虚拟仪器技术计算机虚拟仪器技术 用用PC机仪器板卡机仪器板卡 代替传统仪器代替传统仪器用计算机软件用计算机软件 代替硬件分析电路代替硬件分析电路优优点点我们的工作我们的工作河北农业大学机电学院第一章、绪论第一章、绪论思考题：思考题： 1. 1. 列出你身边的测试技术应用的例子。列出你身边的测试技术应用的例子。河北农业大学机电学院1.5 测量的基础知识机械测试技术机械测试技术 测量方法测量方法1. 直接测量直接测量 （绝对测量、相对测量）（绝对测量、相对测量） 直接测量：直接将直接测量：直接将被测量被测量与与标

17、准量标准量进行比较进行比较标准量标准量标准计量单位（如米尺、光栅尺、标准计量单位（如米尺、光栅尺、激光、激光、） 绝对测量绝对测量定值标准量（如某一固定尺寸）定值标准量（如某一固定尺寸） 相对测量相对测量河北农业大学机电学院- 绝对测量：绝对测量：采用仪器、设备、手段测量被测量，直接得到测量值采用仪器、设备、手段测量被测量，直接得到测量值测量结果：测量结果：20.1 mm- 相对测量：相对测量：将被测量直接与基准量比较，得到偏差值将被测量直接与基准量比较，得到偏差值特点：特点：简单、直观、明了；简单、直观、明了； 测量精度不高测量精度不高基准量：基准量：20.00 mm测量值：测量值：+0.0

18、8 mm结结 果：果：20.08 mm特点：特点：精度高；复杂、成本高、要求高精度高；复杂、成本高、要求高1.5 测量的基础知识测量的基础知识河北农业大学机电学院1.3 测量的基础知识测量的基础知识2.间接测量间接测量如测导线的导电率如测导线的导电率： 测量与被测量有一定函数关系的参量，被测量与被测量有一定函数关系的参量，被测量由计算获得测量由计算获得Rdl24河北农业大学机电学院 与测量装置相关的术语与测量装置相关的术语标称范围：标称范围：测量器具标尺范围所对应的被测量示值的范围。测量器具标尺范围所对应的被测量示值的范围。量量 程：程：标称范围的上下限之差的模。标称范围的上下限之差的模。测量

19、范围：测量范围：是指测试装置能是指测试装置能正常测量正常测量最小输入量和最大输入最小输入量和最大输入量之间的范围。（量之间的范围。（测量仪器的误差处在规定极限内测量仪器的误差处在规定极限内）稳定性：稳定性：是指在一定工作条件下，当输入量不变时，输出是指在一定工作条件下，当输入量不变时，输出量随时间变化的程度。量随时间变化的程度。河北农业大学机电学院 测量误差测量误差1、测量误差的定义：、测量误差的定义：测量误差测量误差 = 测得值测得值 - 真值真值客观真实值（未知）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

20、 相对真值：标准仪器的测得值或用来作为测量标准用的标准器的值相对真值：标准仪器的测得值或用来作为测量标准用的标准器的值如：米如：米 - 公制长度基准公制长度基准测量所得数据与其相应的真值之差测量所得数据与其相应的真值之差 - 1）绝对误差）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光在真空中1s时间内传播距离的时间内传播距离的1/299792485河北农业大学机电学院按误差来源：按误差来源：装置误差、环境误差、方法误差、人员误差装置误差、环境误差、方法误差、人员误差按特性规律：按特性规律：系统误

21、差、随机误差、粗大误差系统误差、随机误差、粗大误差2、测量误差的分类：、测量误差的分类： 系统误差（系统误差（System error）由特定原因引起、具有一定因果关系并按确定规律产生由特定原因引起、具有一定因果关系并按确定规律产生 - 有规律可循有规律可循装置、环境、动力源变化、人为因素装置、环境、动力源变化、人为因素再现性再现性 - 偏差（偏差（Deviation）理论分析理论分析/实验验证实验验证 - 原因和规律原因和规律 - 减少减少/消除消除河北农业大学机电学院 随机误差（随机误差（Random error）因许多不确定性因素而随机发生因许多不确定性因素而随机发生偶然性（不明确、无规

22、律）偶然性（不明确、无规律）概率和统计性处理（无法消除概率和统计性处理（无法消除/ /修正）修正） 粗大误差（粗大误差（Abnormal error）检测系统各组成环节发生异常和故障等引起检测系统各组成环节发生异常和故障等引起异常误差异常误差 - 混为系统误差和偶然误差混为系统误差和偶然误差 - 测量结果失去意义测量结果失去意义分离分离 - - 防止防止 河北农业大学机电学院3、误差的表示方法：、误差的表示方法：1 1）绝对误差：）绝对误差：测量某量所得值与其真值（约定真值）之差。测量某量所得值与其真值（约定真值）之差。 2 2）相对误差：）相对误差：绝对误差与约定真值之比。用百分数表示。绝对

23、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。相对误差越小，测量精度越高。 3 3）引用误差：）引用误差：装置示值绝对误差与装置量程之比。装置示值绝对误差与装置量程之比。 例如，测量上限为例如，测量上限为100克的电子秤，秤重克的电子秤，秤重60克的标准重量时，其示克的标准重量时，其示值为值为60.2克，则该测量点的引用误差为：（克，则该测量点的引用误差为：（60.2-60）100=0.2%4 4）分贝误差：）分贝误差： 分贝误差分贝误差=20lg(测量结果真值测量结果真值)河北农业大学机电学院 测量精度和不确定度测量精度和不确定度一、精度一、精度： 测量结果与真值吻合程度测量结果与真值吻合程度定性概念定性概念 a）精密度）精密度 b）正确度）正确度 c）准确度）准确度 . . .precisionaccuracy河北农业大学机电学院精度等级：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。规定的极限范围内。 工程上常采用工程上常采用作为判断精度等级的尺度。以允许引用误差值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