1机械工程测试技术绪论32

刘洪山副教授（电子工程系）Email:Hugoliu@Phone械工程测试技术§1.1测量的基本认识一方面要采用各种方法获得客观事物的量值，这个任务称之为“测量”一方面要采用各种方法支配或约束某一客观事物的进程结果，这个任务称之为“控制”。

没有测量难以认识世界，没有控制便难以改造世界

§1.1测量的基本认识测量

知识的获取往往从测量开始

测量是以确定被测物属性为目的的全部操作§1.1测量的基本认识没有测量就没有科学，至少是没有真正意义上的科学（门捷列夫）当你能测量你所谈及的事物并将它用数字表达时，你对它便是有所了解的；而当你不能测量它，不能将它用数字表达时，你的知识是贫瘠的且不能令人满意的。（达尔文）

新技术革命的关键技术是信息技术。信息技术由测量技术、计算机技术和通信技术三部分组成。测量技术则是关键和基础。（钱学森）§1.1测量的基本认识被测的量必须有明确的定义；测量标准必须通过协议事先确定

对事物实施测量必须要满足如下两个前提条件：

国际计量大会（CGPM）定义了七个基本标准（国际单位SI）：长度（L,m）、质量（M,kg）、时间（T,s）、温度（

,K）、电流（I,A）、光强（J,cd）和原子物理中的物质的量（N,mol）§1.1测量的基本认识计量通常只用精度等级较高的标准量具或仪器对被测样机、样品或仪表进行考核性质的测量

检测则是指生产、实验现场利用某种合适的检测仪器或系统对被测对象进行在线实时的测量

测试一般指实验与测量的整个过程，可以是定量的，也可以是定性的。具有试验性质的测量

在测量技术的发展过程中，由于技术的进步，被测对象和和范畴不断扩大，出现了不同性质的测量过程，相应出现了一些密切相关的术语：

§1.1测量的基本认识测试技术属信息科学技术学科领域，是研究信息的获取和预处理，以及对相关要素进行控制的理论与技术；是电子、光学、精密机械、计算机技术与信息技术多学科互相渗透而形成的一门高新技术密集型综合学科。它作为信息的源头技术和核心高新技术之一，是一个国家科学技术发展水平的重要标志。

§1.2测试技术的基本认识定义检测技术是人们认识客观事物中的重要工具，是从客观事物中取得有关信息的认识过程。在这过程中，借助于专门的设备，通过合适的试验和必要的数学处理，求得所研究对象的有关信息。

电工量：电压,电流,电阻,频率,磁通密度等热工量：温度,热量,热流,压力,流量,流速等机械量：位移,力,应力,重量,振动,噪声等

物性和成分量：气体成分,液体成分,酸碱度,浓度,密度状态量：颜色,透明度,表面粗糙度,裂纹等§1.2测试技术的基本认识§1.3测试系统的一般构成

一般说来，测试系统的核心部分由传感器、信号调理和信号分析与处理装置三部分组成。被测对象传感器信号调理信号分析与处理物理量电量§1.3测试系统的一般构成根据测试任务复杂程度的不同，测试系统中传感器、中间变换装置和显示记录装置等每个环节又可划分为多个模块组成。

机床轴承故障监测系统

信号调理部分

传感器在测试系统中处于前端，它的性能如何将直接影响整个系统的工作状态与质量。传感器在信息社会中的作用非同一般。被测对象传感器信号调理信号分析与处理§1.4传感器的基本认识传感器是IT时代三大支柱技术之一。（IT行业人士语）§1.4传感器的基本认识传感器是什么？IT行业的三大支柱技术计算机技术传感器技术通信技术大脑

神经系统五官

被誉称为“电五官”,是人类五官的补充和扩展§1.4传感器的基本认识§1.4.1传感器定义广义上说：能感知某一物理量、化学量、生物量等的信息，并能按一定规律将其转化为可以加以利用的信息的装置。狭义上说：传感器就是能感知被测量，并能按一定规律将其转化为电量的装置。根据中华人民共和国国家标准(GB7665.87)《传感器通用术语》，传感器(Transducer/Sensor)的定义是：能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。物理量电量通常传感器由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件(Sensingelement)是指传感器中能直接感受被测量的部分；转换元件(Transitionelement)是指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。§1.4.2传感器的一般构成被测信息敏感元件转换元件辅助电源信号调理电路输出信息§1.4.2传感器的一般构成F敏感元件转换元件应变效应：金属导体或半导体在受到外力作用时会产生相应的应变，其电阻也会随之发生变化。§1.4.2传感器的一般构成敏感元件转换元件应变式压力传感器结构简图§1.4.2传感器的一般构成被测信息敏感元件转换元件辅助电源信号调理电路输出信息有些被测非电量可以直接被变换为电量，这时候传感器中的敏感元件和转换元件就合二为一了。

有些国家和有些学科领域，将传感器称为变换器、探测器或检测器等§1.4.3传感器的分类1)按被测物理量分类机械量:

长度、厚度、位移、速度、加速度、旋转角、转数、质量、重量、力、压力、真空度、力矩、风速、流速、流量化学量：湿度、PH值声:

声压、噪声磁:

磁通、磁场温度:

温度、热量、比热光：亮度、色彩适用于使用者2)按传感器工作原理分类应变式、压电式、光电式、红外式、光纤式、电阻式、电容式、电感式等适用于专业人士§1.4.3传感器的分类3)按能量关系分类能量转换型（无源型）: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（有源型）: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.振动式地音入侵探测器4)敏感元件与被测对象之间关系物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如:光敏电阻。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§1.4.3传感器的分类结构型传感器物性型传感器主要优点结构简单，使用方便。性能稳定，使用寿命长。灵敏度和分辨率高。便于远距离和自动化测量输出功率大。结构精简、体积小。适用于多维测量。性能稳定，使用寿命长。灵敏度高，响应速度快。常用于非接触式测量动态性能好。

缺点频率响应低。不宜作快速动态测量。易受外界环境影响。通常需要外部电源。工作原理相对复杂。传感技术的发展经历了三个阶段，即结构型传感器、物性型传感器和智能型传感器。结构型传感器物性型传感器智能型传感器§1.4.3传感器的分类§1.5测试技术的工程应用

在工程技术领域中，工程研究、产品开发、生产监督、质量控制和性能实验等，都离不开测试技术。测试技术几乎涉及任何一项工程领域：工业、农业、航空航天、军事、生物、海洋、气象、地质、雷达、通信以及机械、电子等工程……航天农业医学军事2008年世界传感器市场情况§1.5测试技术的工程应用我国已成为继美国、日本、德国后世界第四大传感器市场的国家，且近年市场总量在持续增加。§1.5测试技术的工程应用§1.5测试技术的工程应用测试技术在日常生活中的应用有哪些？§1.5测试技术的工程应用机械手§1.5测试技术的工程应用车速测量管道检漏§1.5测试技术的工程应用§1.5测试技术的工程应用传感器的发展有近两百年的历史，近二十年来发展十分迅速，目前，据统计目前全世界约有40个国家从事传感器的研制、生产和开发，研发机构6000余家。其中以美、日、俄等国实力较强，美、日、俄等国建立了包括物理量、化学量、生物量三大门类的传感器产业，产品20000多种，大企业的年生产能力达到几千万支到几亿支。

§1.6测试技术的发展趋势70年代研制出扩散硅力敏器件、砷化稼霍尔元件50年代末研制出热敏电阻60年代研制出应变计、霍尔器件和离子电极80年代又研制出新型扩散硅力敏传感器、PN结温度传感器我国传感器发展昆山双桥宝鸡麦克上海威尔泰发展趋势智能化多功能传感器微型化传感器网络§1.6测试技术的发展趋势据中华人民共和国工业和信息化部发布的《物联网“十二五”发展规划》预测，2011年我国传感器年产量达24亿只，市场规模超过900亿元。2012年传感器销售额1142.7亿元，预计2013年突破1300亿元。传感器在工业过程控制领域的应用正变得越来越广泛。工业领域应用的传感器主要包括:各种测量工艺变量(如温度、液位、压力、流量等)传感器;测量电子特性(电流、电压等)和物理量(运动、速度、负载以及强度)传感器，以及应用广泛的接近/定位/位移传感器等。在各类传感器中，压力传感器、光电传感器、电感传感器、视觉传感器、电容传感器、超声波传感器等在工业自动化领域有着广阔的应用前景§1.6测试技术的发展趋势2013年2月18日，由中华人民共和国工业和信息化部、科技部、财政部和国家标准化管理委员会，组织制定了《加快推进传感器及智能化仪器仪表产业发展行动计划》。该计划提出了传感器、智能化仪器仪表产业发展的指导思想，总体思路，目标，具体行动即技术创新工程、产品升级工程、产业和企业转型升级工程、产业化应用工程，保障措施等重要内容。该行动计划的发布，是我国传感器业界的利好消息，是我国首次由政府部门四部一委，对传感器和仪器仪表的产业发展传达中央的声音，也许能引发我国传感器产业发展的第二次高潮，对推动我国物联网的应用具有很好的技术支撑作用，从而迎来我国传感器发展的重要战略机遇期。§1.6测试技术的发展趋势自动化网络化智能化§1.6测试技术的发展趋势催生测试技术迅猛发展的的土壤计算机技术微电子技术纳米技术微机电系统………什么是MEMS？Micro(small)微型化Electro(electriccomponents/functionality)电气元件Mechanical(mechanicalcomponents/functionality)机构和机械装置Systems(integrated,system-likefunctionality)集成模块化MEMS微加速度计应用于汽车安全气囊系统中国MEMS传感器市场被西门子、博世、霍尼韦尔、欧姆龙、精量电子等国际传感器供应商巨头占据大半江山，在国际传感器巨头纷纷进入的激烈竞争环境下，中国传感器产业仍将面临严峻的挑战。§1.6测试技术的发展趋势无线网络化测试技术微尘传感器§1.6测试技术的发展趋势虚拟仪器NationalInstrument公司提出的计算机虚拟仪器

七十年代，美国国家仪器公司NI提出“软件即是仪器”的概念，推出了LabVIEW直观的流程图编程风格的软件开发和运行平台，引发了测控技术领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，开启了虚拟仪器（VI）的先河。§1.6测试技术的发展趋势在通用计算机上添加几种带共性的基本仪器硬件模块，通过软件组合成各种功能的仪器或系统仪器；（仪器=A/D+CPU+软件）通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起来，用户可通过友好的图形界面来操作这台计算机，就像在操作自己定义、自己设计的一台单个仪器一样，从而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据存储等。§1.7课程安排绪论信号的获取课堂讨论测试装置的基本特性振动测试

力学量测量实验内容如下

机械工程测试技术是机械制造及其自动化、农业机械及其自动化等专业主要的专业课程，主要培养学生对机械工程领域相关非电量进行测试的理