机械工程测试技术章绪论

机械工程测试技术（检测传感技术）机械与储运工程学院张蓬中油大厦南楼623室89733762参考教材熊诗波

《机械工程测试技术基础》√李玮华

《机械工程测试技术基础》学习指导、典型题解析与习题解答√

贾民平《测试技术》√

许同乐《机械工程测试技术》√

李世义

《动态测试技术基础》

其它

《非电量电测》、《信号与系统》等

先修课程

《大学物理》、《工程数学》、

《电工电子学》、《微机原理》等本课程在机械专业课程体系中所处的地位中国工程教育认证标准（2016年9月27日下载）

机械设计制造及其自动化专业应包含：机械原理、机械设计、机械制造技术基础、机械工程控制基础、微机原理、工程测试技术基础等相关科目。机械设计制造及其自动化专业应包含：机械设计原理与方法，机械制造工程原理与技术，机械系统中的传动与控制，计算机应用技术等知识领域。工程教育认证标准（2015版）（中国工程教育专业认证协会2015年3月修订）1.3专业基础类课程1.3专业基础类课程课程结构检测与传感技术基础测试系统性质传感器技术信号分析与处理技术测试技术应用实例本课程共48学时，分配如下：讲授：32学时实验：14学时（上机4学时）考试：2学时。（第8周周5随堂考试)

课时安排上课要求及考试方式总成绩=（平时成绩

20%+期末成绩

80%）70%+实验成绩30%：注意：1、旷课占总学时的1/4及以上不能参加期末考试。2、实验课不能旷课，有1次旷课即不能参加期末考试实验占总成绩：30分。期末考试(闭卷)

。注意课堂纪律-不要玩手机第0章绪论

Introduction0.1测量和测量系统（Measurementandmeasurementsystems）0.2测量的基础知识（MeasurementBasicConcept）0.3测试技术的工程应用（Measurementprojectandapplication）0.4课程的学习要求（DemandofCourse）本章学习要求：1、了解测试技术的地位和作用2、掌握测试技术的基本概念3、掌握测试系统的基本构成4、掌握测试的基本方法及分类5、了解现代测试技术的发展方向和趋势0.1测试技术概况（MeasurementContentandTask）一、测试和测量测试的基本任务是获取有用的信息。

测试技术属于信息科学范畴，是信息技术三大支柱(测试控制技术、计算技术和通信技术)之一。

测量、测试和计量测量(Measurement)是指以确定被测对象的量值为目的而进行的实验过程。测试是具有试验性质的测量，测试技术是测量和试验技术的统称（测量+试验）。计量：如果测量涉及实现单位统一和量值准确可靠则被称为计量。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)。本教材的主要内容是测量技术和仪器，试验技术不作讨论。测量系统的一般构成：检测信号---处理-----结果----给观测者或其他信息处理装置、控制系统

组成传感器处理观测⑴信息的提取

⑵信息转换存储与传输

⑶信息的显示和记录

⑷信号的处理与分析二、测量的过程激励

装置被测对象非电量电量A/D转换（ComponentofMeasurementSystem）放大、滤波、调制解调等力位移速度加速度压力流量温度电阻式电容式电感式压电式热电式光电式磁电式电桥放大器滤波器调制器解调器运算器阻抗变换器笔式记录仪光线示波器磁带记录仪电子示波器半导体存储器显示器磁卡数据处理器频谱分析仪FFT实时信号分析仪电子计算机被测对象传感器中间变换测量装置显示及记录装置实验结果处理装置激发装置测量系统每个环节的知识点：

举例，轴承测试系统，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：测量轴承的振动，并转换为电量信号；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：将测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。

信息转换信息提取测试的任务就是获取研究对象的有用信息，（非全部信息）即研究被测对象的状态、变化和特征等。在机械工程测试中，常见的被测量有：力、压力、应力、应变、位移、速度、加速度、角度、温度、时间等。测试的基本任务：三、测试的基本方法与分类（1）按被测量不同：直接测量（绝对测量和相对测量）、间接测量

直接测量：直接将被测量与同类标准量进行比较得到被测量

线纹尺——物体尺寸，天平——物体质量测量结果：20.1mm特点：简单、直观、明了；测量精度不高标准量标准计量单位（如米尺、光栅尺、激光、……）

——绝对测量定值标准量（如某一固定尺寸）——相对测量举例：或：将被测量直接与基准量比较，得到偏差值基准量：20.00mm测量值：+0.08mm结果：20.08mm特点：精度高；复杂、成本高、要求高

间接测量：被测量无法或不易进行直接测量，被测量是与实测量有一定函数关系的参量，被测量由实测量计算获得再如测导线的导电率ρ：

自变量目标变量负载电阻功率

=电压

电流（关系）（直接测量）3）差分法——对称结构的两个传感器，被测量反对称作用在两个传感器上（常见检测结构形式-运算放大器）1）偏移法——完全从被测量中获得信号转换所需能量，利用测量仪表的指针相对于刻度的偏差位移直接表示测量的数值。（弹簧秤）2）零位法——不从信号源获得能量，利用指零机构的作用，使用被测量和已知标准量两者达到平衡，根据指零机构示值为零来确定被测量等于标准量值。（天平秤）作用：消除干扰的影响测量原理线性化、提高灵敏度（2）按测量值的获得方式：偏移法测量、零位法测量、差分式测量特点：简单、直观、明了；测量精度不高特点：复杂、成本高、要求高；精度高反馈测量：传感器输入量x输出量y放大反馈传感器开环测量：传感器输入量x输出量y（3）按测量值是否反馈：开环式测量、闭环式测量——智能化检测的标志之一主动探索与信息反馈自适应能力——改变传感器的工作温度——传感器的灵敏度被测对象传感器信息处理检测结果自学习能力——神经网络模拟某种非线性映射——信号特征辨析通过学习不断提取信号强度——问题最优解——调整对象的位置、姿态使检测结果具有确定性现代测量系统：（6）按测量仪器的性质：机械法测试：方便、简单、精度较低（7）光学测试法：精度高、响应快、系统结构复杂、环境适应力差（8）电测试法：应用最广、信号处理容易、系统不太复杂、本课主要讲授内容

三、测试的基本方法与分类（1）按被测量不同：直接测量（绝对测量和相对测量）、间接测量（2）按测量值的获得方式：偏移法测量、零位法测量、差分式测量（4）按传感器与被测对象是否直接接触：接触式测量、非接触式测量（5）按被测对象变化的特点：静态测量、动态测量静态测试：被测参数不随时间变化或变化缓慢（特例）动态测试：被测参数随时间变化（大多数情况）（3）按测量值是否反馈：开环式测量、闭环式测量0.2测量的基础知识（MeasurementBasicConcept）1、量值一、量与量纲量值是用数值和计量单位的乘积来表示的。量值的数值就是被测量与计量单位之比值。2、基本量和导出量基本量是相互独立的量，而导出量是由基本量按一定函数关系来定义的。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。他们的量纲分别为：L、M、T、θ、I、N和J表示。3、量纲和量的单位量纲代表一个实体的确定特征。量纲单位是该实体的量化基础。1、基本单位二、法定计量单位根据国际单位制（SI），七个基本量的单位分别是：长度——米（Metre）、质量——千克（Kilogram）、时间——秒（Second）、温度——开尔温（Kelvn）、电流——安培（Ampere）、发光强度——坎德拉（Candela）、物质的量——摩尔（Mol）。2、辅助单位3、导出单位在国际单位制中，平面角的单位——弧度和立体角的单位——球面度未归入基本单位或导出单位，而称之为辅助单位。在选定了基本单位和辅助单位之后，按物理量之间的关系，由基本单位和辅助单位以相乘或者相除所构成的单位称为导出单位。三、基准和标准基准是用来保存、复现计量单位的计量器具。

计量标准是指用于检定工作计量器具的计量器具。四、量值的传递和计量器具检定量值的传递：通过对计量器具实施检定或校准，将国际基准所复现的计量单位量值经过各级计量标准传递到工作计量器具，以保证被测对象量值的准确和一致。计量器具检定：计量器具检定是指为评定计量器具的计量特性，确定其是否符合法定要求所进行的全部工作。五、测量装置名词它是直接作用于被测量，并能按一定规律将被测量转换成同种或别种量值输出的器件。1、传感器2、测量变换器3、检测器提供与输入量有给定关系的输出量的测量器件。用以指示某种特定量的存在而不必提供量值的器件或物质。4、测量器具的示值由测量器具所指示的被测量值。5、准确度等级用来表示测量器具的等级或级别。标称范围也称为示值范围。测量器具标尺范围所对应的被测量示值范围。6、标称范围7、量程8、测量范围标称范围的上下限之差的模。在测量器具的误差处于允许极限内的情况下，测量器具所能测量的被测量值的范围。9、漂移测量器具的计量特性随时间的慢变化。六、测量误差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1、测量误差定义真值：指在某一时刻和某一位置的某个物理量客观存在的真实值。真值x0是一个理想的概念，不能确切获知。在特定条件下用某种仪器和方法可以测得一系列测量值（≠真值）。真值通常无法测得，只能测得真值的近似值。1m=1650763.73

①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如：米-

米制长度基准

-

氪-86的2p10-5d5能级间跃迁在真空中的辐射波长。-光在真空中1s时间内传播距离的1/299792485。②理论真值：设计时给定或用数学、物理公式计算出的给定值.③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。262、误差的分类（1）

系统误差（systemerror）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：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向变化着的误差仪器、环境、动力源变化、人为因素再现性-

偏差（deviation）理论分析/实验验证－>原因和规律－>减少/消除（2）

随机误差（randomerror）因许多不确定性因素而随机发生。偶然性（不明确、无规律）。概率和统计性处理（无法消除/修正）。（3）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。异常误差－>混为系统误差和偶然误差－>测量结果失去意义分离－>防止3、误差表示：绝对误差、相对误差。绝对误差=测量值-真值客观真实值（未知）（1）

绝对误差：

x=x–x0（2）相对误差：测量的绝对误差与被测量的真值之比。定义：相对误差=100%绝对误差真值

=100%

xx0绝对误差很小表示：百分数（%）-

分子分母量纲相同相对误差=100%绝对误差测量值

=100%

xx确切反映测量效果：被测量的大小不同-

允许的测量误差不同被测量的量值小-允许的测量绝对误差也越小。测量仪表的精度等级分为7级：0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5.0。某仪表为0.5级表示该仪表的最大相对误差不大于0.5%。用量程为150V的0.5级电压表和量程为30V1.5级电压表测量25V电压，问哪一个测量准确度高？（3）引用误差：计量器具的绝对误差与引用值之比。引用值：计量器具的标称范围的最高值或量程P书9页实例

（4）分贝误差：一种特殊形式的相对误差。在数值上与相对误差有着一定的关系。分贝误差=20×lg（测量值÷真值）分贝的误差单位为dB，分贝误差本质上无量纲，是一种相对误差。在数值上分贝误差和相对误差有一定的联系。图0-3测量误差和其分布特征量的关系图0-3（5）误差和误差的特征量如图0-3所示x0：被测量真值xi：第i次的测量值µ：测量值概率分布的期望（平均值）σ：测量值概率分布的标准偏差δi：第i次测量的误差值δrl：第i次测量的随机误差值δs：系统误差七、测量结果的评价检测系统的基本内容不同场合-

检测精度要求不同。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按误差原因：①正确度：表征测量结果接近真值的程度。②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③准确度：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表示对被测量真值不能肯定的误差范围的评定。-是误差量值分散性指标④测量不确定度八、测量器具的误差

它是指测量器具的示值与被测量真值之差。1、测量仪器的示值误差2、基本误差3、允许误差

指测量仪器在标准条件下所具有的误差，也称为固有误差。

指技术标准、检定规程等对测量仪器所规定的允许的误差极限值。表示对被测量真值所处量值范围的评定。4、测量不确定度测量器具的重复性是指在规定的使用条件下，测量器具重复接受相同的输入，并给出非常相似输出的能力。测量器具的重复性误差就是测量器具造成的随机误差分量。5、测量器具的重复性和重复性误差6、回程误差7、误差曲线回程误差也称为滞后误差，是指在相同条件下，被测量值不变。测量器具形成方向不同时，其示值之差的绝对值。表示测量器具误差与被测量之间的函数关系的曲线。表示被测量的实际值与测量器具示值之间函数关系的曲线。8、校准曲线一、产品开发与性能实验●新产品开发必须经过设计、试验、市场检验、批量生产等过程。●产品零部件、整机的性能试验，是检验设计正确与否的唯一依据。●许多产品都要经过“设计--建立--测试”循环，即使已定型的产品，在生产过程中也需要对每一产品或其部份抽样作性能试验，以便控制产品质量。●产品的性能试验结果是用户验收产品的主要依据。0.3测试技术的工程应用（Measurementprojectandapplication）二、机械故障诊断1、机械设备监测与故障诊断技术被广泛应用于电力、石油化工、冶金等行业的大型、高速旋转机械。

2、机械系统故障诊断系统划分为：

机械测量监视与保护数据采集振动状态分析数据传输

3、机械故障诊断意义●机械发生故障，将导致整个生产停顿，造成巨大的经济损失。●在设备的运行状态下，要了解、掌握其内部状况（如温升、振动、噪声、应力应变、润滑油状况、异味等）。●保证设备的安全运行，预防和减少恶性事故的发生，消除故障隐患，保障人身和设备安全，提高生产率。●机械故障诊断能够满足机器设备及其零件的高可靠性和高利用率要求。三、产品质量控制与生产检测

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。

图示为汽车制造厂发动机检验原理框图，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。四、

测试技术的工程应用举例

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。

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。香港理工AGV模型c)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。密歇根大学数字化工厂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。石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测。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测试技术在工业生产领域的应用——确保产品质量在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位….离线检测：零件参数、尺寸与形位公差、品质参数作用：现代工程装备中，检测环节的成本约占50%

70%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。烟雾传感器亮度传感器红外人体探测器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温湿度传感器温度传感器测试技术在日常生活中的应用与日俱增家用电器：数码相机、数码摄像机：自动对焦——红外测距传感器自动感应灯：亮度检测——光敏电阻空调、冰箱、电饭煲：温度检测——热敏电阻、热电偶电话、麦克风：话音转换——驻极电容传感器遥控接收：红外检测——光敏二极管、光敏三极管可视对讲、可视电话：图像获取——面阵CCD办公商务：扫描仪：文档扫描——线阵CCD红外传输数据：红外检测——光敏二极管、光敏三极管医疗卫生：电子血压计：血压检测——压力传感器血糖测试仪、胆固醇检测仪——离子传感器6、

社会生活中的物化法官

检查产品质量

监测环境污染

识别指纹假钞

查服违禁药物

侦破刑事案件……教学实验、气象预报、大地测绘、灾情预报、交通指挥、……涵盖吃穿用、农轻重、陆海空7、其他应用航天农业交通医学鼠标: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8、PC机中的测试技术应用8、PC机中的测试技术应用测控实验DIY1.鼠标测位移实验2.麦克风测声音2.声卡采样频率信号分析频率合成与分解3.简易声级计制作4.CCD图象分析……..

个人测试实验室9、测试技术在汽车中的应用日新月异发动机：向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息，对发动机工作状况进行精确控制温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容

普通轿车：约安装几十到近百只传感器，豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。底盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温车身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等美军研制的未来单兵作战武器——OICW

夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确定位目标。在发射20毫米高爆弹时，激光测距仪可将目标的距离信息自动传输至高爆弹的爆炸引信，以便精确设定引爆时间。10、武器装备11、检测技术在航天领域举足轻重火箭测控——检测火箭状况、姿态、轨迹飞行器测控——检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵“阿波罗10”：火箭部分---2077个传感器飞船部分---1218个传感器神州飞船：185台（套）仪器装置检测参数---加速度、温度、压力、振动、流量、应变、声学参数等传感器：新型、微型、智能型测试仪器：高精度、多功能、小型化、在线监测、性能标准化和低价格参数测量与数据处理：计算机、自动化、集成化、网络化五、

测试技术的发展趋势（MeasurementTrend）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热/光电量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智能化传感器2、测量信号处理方面计算机虚拟仪器技术用PC机＋仪器板卡代替传统