石大机械工程测试技术讲义

检测与转换技术基础(讲稿)李江全石河子大学机电学院电气工程教研室目录一、检测与转换技术概述1、检测技术的含义2、检测与转换技术在国民经济中的地位和作用3、现代信息技术4、检测技术的应用5、检测系统中常见信号类型6、信号的传递形式7、工业生产过程检测的目的8、检测与转换技术的发展方向二、课程教学的几点说明1、本课程研究的内容及性质2、教学目的3、教学内容4、教学基本要求5、教学手段与教学方法6、几点说明7、测试内容与方式一、检测与转换技术概述1、检测技术的含义检测技术比测量定义有更加广泛的含义，它是指下述的全面过程：按照被测量的特点，选用合适的检测装置与实验方法，通过测量和数据处理及误差分析，准确得到被测量的数值，并为进一步提高测量精度，改进实验方法及测量装置性能提供可靠的依据。检测是利用传感器把被测信息检取出来，并转换成测量仪表或仪器所能接受的信号，再进行测量以确定量值的过程；或转换成执行器所能接受的信号，实现对被测物理量的控制。在特定情况下，检测信号可由模拟被测物理量的信号发生装置产生。2、检测与转换技术在国民经济中的地位和作用人类步入信息社会的今天，人们对信息的提取、处理、传输以及综合等要求愈加迫切。作为信息提取的功能器件——仪表及传感器与人类的关系愈来愈密切。例如，用电压表对电压进行监视，用一氧化碳气敏传感器对煤气溢出进行监视等等。采用自动测试系统实时测量及分析产品性能，采用自动控制系统对产品加工过程实时控制，是提高产品质量的现代方法。近年来，由于计算机技术的迅猛发展，促使控制系统的功能不断完善：仪器仪表的智能化不断增强。这就对作为“感觉器官”的检测技术提出了更高的要求。如果感觉器官失灵，再聪明的大脑也无济于事。没有检测，即没有信息，也就无法控制。因此检测技术对于计算机技术的推广应用以及自动控制技术的发展具有重要意义。目前，检测与转换技术已成为一些发达国家最重要的热门技术之一，其主要原因是它可以给人们带来巨大的经济效益和社会效益。可以说，一个国家的现代化水平是用自动化水平来衡量的，而自动化水平是用仪表及传感器的种类和数量多少来衡量的。由此看来，检测与转换技术在国民经济中占有极其重要的地位和作用。3、现代信息技术1）信息技术的地位当前，世界上正面临着一场新的技术革命，这场革命的主要基础就是信息技术。信息技术的发展给人类社会和国民经济的各个部门及各个领域带来了巨大的、广泛的、深刻的变化，并且正在改变着传统工业的生产方式，带动着传统产业和其他新兴产业的更新和变革，是当今人类社会发展的强大动力。当前，传感技术（信息的采集技术）、通信技术（信息的传输技术）和计算机应用技术（信息的处理技术）可以说是现代电子信息技术信息技术的三大支柱，其中，计算机和通信技术发展相当迅速，而传感技术发展有些滞后，因此，我国和世界各国都视传感技术为现代电子信息技术的关键技术之一。所谓信息的采集是指从自然界中、生产过程中或科学实验中获取人们需要的信息。信息的采集是通过检测技术实现的，因此检测技术实质上也就是信息采集技术。显而易见，在现代信息技术的三大环节中，“采集”是首要的基础的一环，没有“采集”到的信息，通信“传输”就是“无源之水”，计算机“处理”更是“无米之炊”。2）信息的性质由信息的定义，可以概括出信息具有以下一些重要的性质：(1)信息来源于物质运动，又不等同于物质；(2)信息与能量息息相关，又互相异质，获得信息需要能量；控制能量又需要信息；(3)信息可以识别，可以通过人的感官直接识别，也可以通过各种探测器间接识别；(4)信息可以转换，可以从一种形态转换成另一种形态，如语言、文字、图像，图表等信号形式，可以转换成计算机代码及广播、电视等电信号，而电信号和代码又可以转换成语言、文字、图像等；(5)信息可以存储，人用脑神经细胞存储信息(称作记忆)；计算机用内存储器和外存储器存储信息：录音机；录像机用磁带存储信息等；(6)信息可以传输，人与人之间的信息传输依靠语言，表情、动作，社会信息的传输借助报纸、杂志、广播，工程中的信息则可以借助机械、光，声，电等传输。一般说来，信息是比较抽象的。虽然它很抽象，却可以被观察者(包括人、生物以及人造的仪器设备)所感知、检测，提取，识别、存储、传输、显示、分析、处理和利用；且为众多的观察者所共享．它是决策的依据，控制的基础和管理的保证。信号中虽然携带着信息，但是信号并非就是信息．信号中既包含着我们所需要的信息，也常常含有大量不感兴趣的信息，后者统称为干扰。所以信号可分为“有用”信号和“干扰”信号。但这是相对的，在某种场合中，我们认为是干扰的信号，在另外一种场合却可能是有用的信号．例如齿轮噪声，对工作环境是一种“污染”．但是齿轮噪声是齿轮副传动缺陷的一种表现，因此可以用来评价齿轮副的运行并用作故障诊断．对故障诊断来说，就是有用信号．从复杂的信号中提取出有用信息，这也是测试中非常重要的工作。3）信息系统的组成由信息提取、信息转换、信息处理、信息传输等部分组成。信息提取：是指用组成的测试系统，从自然界诸多的被检查与测量量(物理量、化学量、生物量与社会量)中提取出有用的信息(一般都是电信号)。信息转换：是将所提取的有用信息，根据下一单元的需要，在幅值，功率及精度等方面进行处理和转换。信息的显示：将转换后的信息在显示记录仪上显示出来，以供观测分析。信息处理：的任务，视输出环节的需要，将变换后的电信号进行数字运算、A／D变换等处理。信息处理是测试的真正目的，是指人们把已经获得到的信息进行加工、运算、分析或综合，以便进行预报，报警、检测、计量、保护、控制、调度和管理等，以期达到预防自然灾害、防止事故发生、提高劳动生产率、正确计量、改善产品质量、顺利进行科学实验、进行文明生产和科学管理等目的。信息反馈：将信息送回到被测对象，以改变被控信号的大小。信息传输：的任务是，在排除干扰的情况下经济地、准确无误地把信息进行传递。4、检测技术的应用在人类的各项生产活动和科学实验中，为了了解和掌握整个过程的进展及其最后结果，经常需要对各种基本参数或物理量进行检查和测量，从而获得必要的信息，做为分析判断和决策的依据，可以认为检测技术就是人们为了对被测对象所包含的信息进行定性的了解和定量的掌握所采取的一系列技术措施。随着人类社会进入信息时代，以信息的获取、转换，显示和处理为主要内容的检测技术已经发展成为一门完整的技术科学，在促进生产发展和科技进步的广阔领域内发挥着重要作用。其主要应用如下：1)检测技术是产品检验和质量控制的重要手段。借助于检测工具对产品进行质量评价是人们十分熟悉的。这是检测技术重要的应用领域．但传统的检测方法只能将产品区分为合格品和废品，起到产品验收和废品剔除的作用。这种被动检测方法，对废品的出现并没有预先防止的能力。在传统检测技术基础上发展起来的主动检测技术或称之为在线检测技术使检测和生产加工同时进行，及时地用检测结果对生产过程主动地进行控制，使之适应生产条件的变化或自动地调整到最佳状态。这样检测的作用已经不只是单纯的检查产品的最终结果而且要过问和干预造成这些结果的原因，从而进入质量控制的领域。，2)检测技术在大型设备安全经济运行监测中得到广泛应用。电力、石油、化工、机械等行业的一些大型设备通常在高温、高压，高速和大功率状态下运行，保证这些关键设备安全运行在国民经济中具有重大意义。为此，通常设置故障监测系统以对温度、压力，流量、转速，振动和噪声等多种参数进行长期动态监测，以便及时发现异常情况，加强故障预防，达到早期诊断的日的。这样做可以避免严重的突发事故，保证设备和人员安全，提高经济效益。即使设备发生故障也可以从监测系统提供的数据中找出故障原因，缩短检修周期，提高检修质量。另外，在日常运行中，这种连续监测可以及时发现设备故障前兆，采取预防性检修。随着计算机技术的发展，这类监测系统已经发展到故障自诊断系统。可以采用计算机来处理检测信息，进行分析，判断，及时诊断出设备故障并自动报警或采取相应的对策。3)检测技术和装置是自动化系统中不可缺少的组成部分。任何生产过程都可以看作是由“物流”和“信息流”组合而成，反映物流的数量、状态和趋向的信息流则是人们管理和控制物流的依据。人们为了有目的地进行控制，首先必须通过检测获取有关信息，然后才能进行分析判断以便实现自动控制。所谓自动化，就是用各种技术工具与方法代替人来完成检测、分析、判断和控制工作。一个自动化系统通常由多个环节组成，分别完成信息获取，信息转换、信息处理、信息传送及信息执行等功能。在实现自动化的过程中，信息的获取与转换是极其重要的组成环节，只有精确及时地将被控对象的各项参数检测出来并转换成易于传送和处理的信号，整个系统才能正常地工作．固此，自动检测与转换是自动化技术中不可缺少的组成部分。4)检测技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步。人们在自然科学各个领域内从事的研究工作，一般是利用已知的规律对观测，试验的结果进行概括、推理，从而对所研究的对象取得定量的概念并发现它的规律性，然后上升到理论。因此，现代化检测手段所达到水平在很大程度上决定了科学研究的深度和广度。检测技术达到的水平愈高，提供的信息愈丰富、愈可靠，科学研究取得突破性进展的可能性就愈大。此外，理论研究的一些成果，也必须通过实验或观测来加以验证，这同样离不开必要的检测手段。从另一方面看，现代化生产和科学技术的发展也不断地对检测技术提出新的要求和课题，成为促进检测技术向前发展的动力。科学技术的新发现和新成果不断应用于检测技术中，也有力地促进了检测技术自身的现代化。近年来，由于计算机技术的迅猛发展，促使控制系统的功能不断完善：仪器仪表的智能化不断增强。这就对作为“感觉器官”的检测技术提出了更高的要求。如果感觉器官失灵，再聪明的大脑也无济于事。没有检测，即没有信息，也就无法控制。因此检测技术对于计算机技术的推广应用以及自动控制技术的发展具有重要意义。检测技术与现代化生产和科学技术的密切关系，使它成为一门十分活跃的技术学科，几乎渗透到人类的一切活动领域，发挥着愈来愈大的作用。5、检测系统中常见信号类型作用于测量装置输入端的被测信号，通常要转换成以下几种便于传输和显示的信号：1）位移信号位移信号包括：直线位移和角位移两种形式，它属于一种机械信号。在测量力、压力、重量、振动等物理量时，通常都首先要把它们转换成位移量，然后再做进一步处理。例如，当被测参数是力或压力时，可以通过适当的弹性元件转换成位移。在测量系统中，位移信号可利用杠杆、齿轮副等机构进行机械放大和传送，也可以利用—定的元件变换为气压信号(如喷嘴挡板机构)，或者转换为电信号(如变极距型电容传感器)。2）压力信号压力信号包括气压信号和液压信号，工业检测中主要应用气压信号。在气动检测系统中，以净化的恒压空气作为能源，气动传感器(变送器)将被测参数转换为与之相应的气压信号。在测量系统中，气压信号可以通过气动功率放大器放大，也可通过气动计算单元进行加，减、乘、除、开方、乘方等数学运算，还可输送给显示单元进行指示、记录、报警，或用于自动调节。采用气—电转换器，可将气压信号转换成电信号。3）电气信号常用的电气信号有电压信号、电流信号、阻抗信号和频率信号等。电气信号可以远距离传递，便于和电子计算机联结，易于实现检测自动化，而且响应速度快。因此，将被测的非电参数转换成电信号进行测量，在检测技术中应用越来越广，并已逐渐形成一个重要的分支——非电量电测技术。将被测参数的变化直接或间接地转换成电信号的传感器，近年来发展很快。4）光信号光信号包括光通量信号、干涉条纹信号、衍射条纹信号、莫尔条纹信号等等。随着激光、光导纤维和计量光栅等新兴技术的发展，光学检测技术也得到了很大的发展，特别是在高精度。非接触测量方面，占有十分重要的地位。利用各种光学元件构成的光学系统可将光信号进行传递，放大和处理。在非电量电测技术中，利用光电元件可以将光信号转换成电信号。光信号和电气信号的形式，既可以是连续的，又可以是断续(脉冲式)的。6、信号的传递形式从传递信号连续性的观点来看，在检测系统中传递的信号形式可以分为模拟信号，数字信号和开关信号。1）模拟信号在时间上是连续变化的，亦即在任何瞬时都可以确定其数值的信号，称为模拟信号。生产过程中常遇到的各种连续变化的物理量和化学量皆属于模拟信号。模拟信号变换为电信号就是平滑地、连续地变化的电压或电流信号。例如，连续变化的温度信号可以利用热电偶转换成与它呈比例的连续变化的电压信号。2）数字信号数字信号是一种以离散形式出现的不连续信号，通常用二进制数0和1组合的代码序列来表示，数字信号变换成电信号就是一连串的窄脉冲和高低电平交替变化的电压信号。连续变化的工业参数(模拟信号)可以通过数字式传感器直接转换成数字信号。然而，大多数情况是首先把这些参数变换成电参量的模拟信号，然后再利用模数(A／D)转换技术把电模拟量转换成数字量。将一个模拟信号转换为数字信号时，必须用一定的计量单位使连续参数整量化，亦即用最接近的离散值(数字量)来近似表示连续量的大小。由于数字量只能增大或减小一个单位，因此，计量单位越小，整量化所造成的误差也就越小。3）开关信号用两种状态或用两个数值范围表示的不连续信号叫做开关信号。例如，用水银触点温度计来检测温度的变化时，可利用水银触点的“闭合”与“断开”来判断温度是否达到给定值。在自动检测技术中，利用开关式传感器(如干簧管，电触点式传感器等)可以将模拟信号变换成开关信号。7、信号的标准化在自动检测与自动控制系统中，往往需要同时应用多种自动化仪表，为了便于仪表之间的互相通讯，必须采用统一标准信号。例如，在单元组合式自动化仪表中，常用的标准电气信号为0～10mA或4～20mA的直流电流信号。8、工业生产过程检测的目的工业检测的主要目的可归纳为以下几个方面：1）控制生产过程的运行工业生产过程是将原材料投入生产设备，加以必要的动力、热能或人力，通过各种物理的、化学的操作来产出合格的产品的过程．为了保证产品的质量，提高产量，降低消耗和防止生产事故的发生，就必须严格执行科学的工艺规程，控制生产过程中的运行条件．例如，在制浆造纸生产过程中，要控制纸浆的流量、浓度等参数；在发酵工业生产中．要控制温度，压力、pH值和溶解氧的浓度等一系列参数．在应用饱和热汽作为二次能源的生产过程中，由于锅炉汽包的水位是安全生产的重要因素，因此必须严格控制水位的高低．应当指出，目前许多工艺过程尚不能实现完全有效的控制，其中一个主要障碍就是由于缺乏合适的检测手段．例如，由于缺乏能无菌地插入发酵系统中用以检测浓度和细胞活性的探测器，使得目前所能实现的发酵过程控制往往具有很大的局限性．然而，一旦解决了检测的方法和手段．那么该生产过程的自动化也就有了实现的可能．我们知道，工业生产过程的运行状态最佳化需要反馈控制，但是如果生产过程中的信息不能检测出，那么也就无法实现反馈控制．由此可见，检测是实现生产过程自动控制的重要手段和条件。2）检定产品质量为了使产品质量达到预定的要求，必须进行严格的检定．例如，在造纸工业中，水分、定量，厚度、透气度，机械特性．光学特性和电学绝缘特性等，都属于纸页和纸板的质量指标．至于检定哪个质量指标，则视产品的用途和品种而定．例如，厚度的稳定对于打字纸等特殊用途的纸页来说具有重要意义，而透气度则是包装纸的主要特性之一，对于电容器纸则必须检定其电气绝缘特性。3）成本计量企业生产为了加强经济管理、提高经济效益，必须对生产过程中所消耗的原材料和能源以及所生产出的半成品和成品的数量进行准确的计量，以便为进行成本核算提供科学的依据．4）公害与污染监测为了确保人民身体健康和保护生态系统，工业生产部门必须对生产过程中所产生的废水、废气，烟尘、废渣和噪声等公害进行监测，以便有的放矢地采取必要的防治措施，使各类公害和污染控制在法定的排放标准以内。5）科研与试验检测为了研究新工艺，开发新产品和改进产品的设计，必须借助于各种检测手段，获取实验结果和有效的经验数据．例如，在研制一个新品种的自行车时，利用各种测试设备，可以在一周内，获得相当于自行车骑行一年的磨损和破坏数据，为决定是否投入批量生产提供了依据，也大大地缩短了研制周期。9、检测与转换技术的发展方向科学技术的迅猛发展，为检测技术的现代化创造了条件，主要表现在以下几个方面：1）研制新型传感器人们研究新原理、新材料和新工艺所取得的成果将产生更多品质优良的新型传感器．例如光纤传感器、液晶传感器，以高分子有机材料为敏感元件的压敏传感器、微生物传感器等。另外，代替视觉、嗅觉、味觉和听觉的各种仿生传感器和检测超高温、超高压、超低温和超高真空等极端参数的新型传感器也是今后传感器技术研究和发展的重要方向．新型传感器技术除了采用新原理，新材料和新工艺之外，还向着高精度小型化和集成化的方向发展．2）自动检测与在线检测随着工业生产的发展，对于产品质量和生产效率都提出了更高的要求，因此，要求相应地提高检测的速度和可靠性．例如，在大批量生产中，对于某些质量指标采用人工抽检的办法，极易造成漏检或错检．如果对全部产品逐个进行检查，不但需要占用大量的劳动力，而且速度和准确性也难以满足现代化生产的要求．因此，自动检测是工业检测的一个发展趋势．一般落后的工业检测往往是消极被动的，亦即在产品(或半成品)加工完成之后，再去检测．这样难免会造成一定数量的废品损失．如前所述，检测的目的不仅在于了解产品的质量，更重要的是要控制生产工艺条件，使产品的质量符合规定的要求．这就需要在生产线上进行自动检测(即所谓‘在线检测”)，并将所获得的信息用于反馈控制．例如，在造纸机上安装纸页厚度检测仪麦，利用测得值对于厚度给定值之间的偏差信号即可自动调节纸页厚度．总之，工业检测正在向自动操作，自动控制的方向发展．在这样的发展阶段，检测已不仅是生产活动的辅助方法手段，而成为整个生产过程的必不可少的组成部分，成为生产过程自动化的基本要素．3）新的检测方法的开发随着科学技术的发展，新技术、新材料、新工艺不断涌现，新的检测方法也不断得到开发，例如，激光、微波、超声波、红外线、放射性同位素等非接触检测技术，近年来都得到了较大的发展．随着半导体陶瓷、光导纤维以及其他新型材料的出现，新型传感器不断出现；此外，仿生传感学作为一门新兴学科也正在得到迅速发展．为了测量工艺过程中的极端参数值(超高压、高温，超低温等)，人们正在探讨新的测量原理和研制新的检测仪表。4）多参数的综合测量在工业生产中，为了达到控制产品质量的目的，往往需要同时检测几个彼此相关的参数．例如，在造纸生产中，纸页定量(所谓定量，即每平方米的纸的重量)的波动将会影响纸页水分的测量，而水分的波动对测量纸页的定量也有很大影响．这种相互影响可以用综合测量的方法来消除．亦即，同步测量纸页定量和水分，并将水分计的输出信号引入定量测量仪，而将后者的输出信号引入水分计，以相互校正测量误差，从而可以提高这两个参数的测量精确度．在这种综合测量装置中，一般包含有计算机构，或者与计算机联用以实现生产过程的自动控制．随着电子计算机的普及和发展，复杂的综合测量装置将会得到进一步发展，这是工业检测的一个新的发展动向．采用多种及多个仪表或传感器去探索测试某一物理量的线的、面的和体的空间参数及综合参数，以构成特殊的自动测试系统。例如，温度场的自动测试；复杂机械零件的形状和位置误差的自动测试；粮食、烟草，酒类以及药材等产品质量综合参数的自动测试等等。5）集成化、数字化、智能化随着半导体技术的发展，将检测元件和测量电路合在一起，制成混合集成电路元件，不但可以提高抗干扰能力，而且可以使整个检测装置构造简单、体积小．使用方便，有利于改善性能与降低成本．目前，国内也已研制出这种元件。此外，采用数字式传感器直接输出数字量，也是检测技术的发展动向之一．这样可以省掉模-数转换环节，便于和计算机衔接．微电子技术、微型计算机技术与仪表和传感器相结合可以构成新一代的智能化测试系统，可使测量精度、自动化和多功能水平进一步提高。在检测仪表中，采用以大规模集成电路为基础的微处理器或单片微型计算机，可以使仪表具有自校准、自调零、自选量程、自动测试与分选，以及信息变换、统计处理数据等多种功能，从而实现智能化。带有微处理机的各种智能化仪表已经出现，这类仪表选用微处理机做控制单元，利用计算机可编程的特点，使仪表内的各个环节自动地协调工作，并且具有数据处理和故障诊断功能，成为一代崭新仪表，把检测技术自动化推进到一个新水平。二、对《检测与转换技术》课程教学的几点说明1、本课程研究的内容及性质检测与转换技术是自动检测技术和自动转换技术的总称，是信息技术的重要组成部分。它是以研究自动检测系统中的信息提取、信息转换以及信息处理的理论和技术为主要内容的一门应用技术学科。虽然检测与转换技术服务的领域非常广泛，但是从这门课程的研究内容来看，不外乎是电工仪表及传感器技术、误差理论及数据处理、自动测试系统组成技术。综上所述．检测与转换技术是既一门综合性很强，又是在物理学、电工学于学、计算机、自动控制等先修课的基础上开设的一门重要技术基础课。2、教学目的本课程的任务在于使学生掌握检测与转换技术的基本概念、基本理论和常用传感器的结构、工作原理、性能特点、测量电路，以及用这些传感器测量诸如力、压力、温度、位移、物位、转速和振动等非电物理量的方法。本课程的任务是使电气工程及其自动化专业的学生在传感器技术方面具有较广的知识，使该专业毕业生在工作中具有正确选用传感器并用它们组建各种自动检测与控制系统的能力。3、教学内容本课程的讲授内容基本涵盖了大纲所规定的内容，它们是：检测与转换的基本概念，系统组成，基本工作原理；传感器的基本知识；常用传感器的基本结构、工作原理、测量电路、特点及应用。4、教学基本要求检测与转换技术是电气工程及其自动化专业的一门必修技术基础课。从进行测试工作所必备的基本条件出发，学生在学完本课程后应具有下列几方面的知识：1）掌握各种常用传感器的结构、测量原理、特性和应用；2）了解工程检测中的测量电路、测量仪器的原理和使用方法；3）初步掌握自动检测与控制系统的组成方法，并能处理应用中的一些技术问题。5、教学手段与教学方法1）讲授：充分利用多媒体CAI课件等教学资料，采用理论讲授、举例、讨论、提问等方法，注重理论联系实际，丰富课堂内容。2）自学：布置一定的自学内容来锻炼学生的自学能力；3）实验：学生自己动手操作和教师演示相结合，增强学生实践能力；4）参观：组织学生到石市一些现代化工厂参观电测技术的应用实例，调动学生学习积极性；5）制作：教师制作或让学生参与制作一些测试装置，开发测控应用软件，以丰富课程实践内容，增强课程先进性；6、几点说明1）学习本课程的前序课：本课程涉及的知识面较宽，学习本课程之前学生应具有高等数学、普通物理学、工程力学、电工技术、电子技术、电气测量等学科知识。2）本课程实践性很强，实验课是达到本课程教学要求和使学生经受工程技术训练必不可少的环节，故必须开设一定数量的教学实验才能确保本课程的教学质量。如果条件允许，可以减少讲课学时，多开设一些动手实验与演示性实验，以培养学生实验技能，使学生初步具有处理实际测试工作的能力。3）本课程在内容上应尽量联系实际，在讲解上着重物理概念的阐述。讲清结构、原理、特性；不进行复杂的数学推导，必要时直接引用公式。力求做到重点突出，由浅入深，便于学生理解、掌握和选用。4）多介绍几种实际检测与控制的例子，使学生对传感器有一个实用的概念。对于更深入的问题，学生可参阅有关参考资料。7、测试内容与方式1）测试内容以大纲中规定的教学内容，包括课堂讲授内容和实验内容为重点，适当测试课外自学部分的内容。2）测试方式可采用开卷和闭卷两种形式，以闭卷考试为主。实验成绩和平时成绩按一定比例计入总分。

测试技术基础(讲稿)李江全石河子大学机电学院电气工程教研室目录一、测量测量的历史2、测量的定义3、测量对象4、测量的目的5、测量方法与种类6、测量过程7、测量方法的选择8、测量学科的发展特点9、现代测量技术补充问题1、测量、计量、检测和测试2、测量装置的量程和测量范围3、测试技术的作用和任务4、动态测试发展的原因二、试验 1、试验的定义2、试验的意义3、试验的目的4、试验的种类补充问题1、机械产品的试验过程2、农机试验的特点测试是测量和试验的综合一、测量1、测量的历史及其重要性人类在自身的社会发展中创造并发展了测量学科。在远古时代，人类为进行生产活动，本能地进行一些原始性的测量，例如对狩猎对象远近的估测，为了确定季节而进行的天文观测。随着人类社会的形成和发展，生产、农业、贸易以及战争等方面活动的开展，较多地出现了测量活动、测量工具及简单的测量仪器，如土地丈量、漏壶记时、计里数车、指南车以及逐步统一的度量衡器，随之而来也出现一些初步的测量理论。随着人类文明时代的到来，科学技术和生产活动的大规模开展及一系列重大突破，催生并发展了实验科学，在这一学科的研究工作中绝对离不开较精密的测量。同时，由于测量工具、技术和理论的发展又反过来促进了生产和科技的发展。在一定意义上来说，没有测量就没有科学。世界科技史上大量的科技成就都是通过实验、量测积累准确、完整的数据，最终获得成功。而忽视实验和量测，过于相信主观臆断酿成灾难也不乏其例。科学理论和生产技术与测量科学、技术相辅相成、互相促进。测试是科学技术发展的一个基本部分，是人们对客观事物观察，认识的一个重要手段，通过测试为生产过程和科学研究提供准确、可靠的依据，而科学技术的发展也为测试技术提供新的方法和途径．所以测试技术水平也反映了科学技术发展的水平。2、测量的定义关于测量的定义有下面几种：1）测量是指按照被测对象的特点，采用某种方法、并通过某种测量系统和仪器获取被测量数值的全过程。测量工作就是以确定被测参数的数值为目的的一系列试验操作。2）测量是指人们用实验的方法，借助于一定的仪器或设备，将未知的被测量与已知的同性质的单位标准量进行直接或间接的比较，以确定被测量大小的过程。亦即测量过程实质上是一个比较的过程。选定的标准量应该是国际上或国家特定机构所指定的，其性能是足够稳定的，称为测量单位。也就是说：单位是一个选定的参考量，一旦确定，所有同类物理量都可以用它来表示。3）测量是借助于专用的仪器或设备，采用一定的方法对被测量取得定性或定量信息的认识过程。测量的结果包括数值大小和测量单位两部分。数值的大小可以用数字表示，也可以是曲线或者图形、图表。无论表现形式如何，在测量结果中必须注明单位。否则，测量结果是没有意义的。有时需对测量结果进行数据处理与误差分析。3、测量对象根据被测对象和测量参数性质的不同，测量对象可分为两大类：1）电磁量（1）反映电和磁特征：电流、电压、电功率、电能、电导率、磁通量、磁导率、电场强度、磁场强度、磁感应强度等（2）反映电路、磁路特征：电阻、电容、电感、阻抗、品质因数、功率因素、磁通、磁阻、磁势、磁滞和涡流损耗等；（3）反映电和磁变化规律的物理量：信号波形、频率、相位、时间常数等也可将上述电磁量区分为电量和磁量两大类。对电磁量进行测量称为电气（电工）测量。2）非电量（1）力学量：包括应力、应变、力（拉、压力）、质量、荷重（重量）、扭矩、力矩、弯矩等；（2）运动量：包括位移、速度、转速、加速度、振动、噪声、角速度、角位移等；（3）热工量：包括温度、流体压力、流量、液位（物位）等；（4）状态几何量：包括颜色、透明度、磨损量、裂纹、缺陷、表面光洁度、形状、尺寸（长、宽、厚）等；（5）物性成分量：包括气液体化学成分、酸碱度、浓度、粘度、湿度、硬度、比重等；（6）感觉量：即依赖于人的感觉的工业检测量称为感觉量或称心理量。许多工业产品(尤其是轻纺工业品)是人们使用的对象，对其使用质量的评价往往取决于人的感觉．例如：纺织品的“手感”、食品和饮料的“味感”、用圆珠笔书写时的”滑感“等等，都是根据人的知识、经验和感觉功能来鉴定的．如何采用科学的检测方法来客观地评定这些感觉量，是检测技术所面临的一个难题。对于感觉量的评价．通常采用产品的”好“与“不好”，这种二者择一的办法；或者依次分为几个等级，例如；一等品．二等品；甲级香烟，乙级香烟；以及用1H，2H来表示铅笔的硬度等等。用电工电子仪表对非电量进行测量称为非电量电测法。4、测量的目的测量的目的是为了在限定的时间内尽可能正确地收集关于被测对象的未知信息，以便掌握被测对象的特性、规律或控制某个过程，对某件事情作出决策。通过测量可以定量地认识客观事物，从而达到认识客观事物的本质和揭示自然规律的目的。凡需要考察事物的状态、变化和特征等，并要对它进行定量描述时，都离不开测量工作。在工业生产过程中对物质状态进行测量的目的是：1）定量确定被测参数的量值，如重量、温度等；（需要一定精度等级的测量仪器）2）定性了解被测对象的某个状态，如管道是否漏气、零件是否有缺陷等；3）检测被测对象的某一参数，控制它在一定的范围内，但不必测出它的具体数值，如室温控制。机械参数测量的目的：（1）零部件性能试验研究；（2）产品的质量检验；（3）生产过程监测；（4）生产过程控制；（5）机器故障诊断；（6）生产安全保护等。5、测量方法与种类测量方法是实现测量过程所采用的具体方法。对同一物理量的测量，可采用不同的方法，如：电阻，可用欧姆表直接测得，可用电压表、电流表间接测量，也可用电桥测出。应当根据被测量的性质、特点、测量条件和测量任务对准确度的要求来选择适当的测量方法。有下面几种分类方法：1）按是否获取被测量数值大小，划分为：（1）定性测量是指通过测量大致判断出被测量存在与否，或者在某一个数量范围内。如管道是否漏气，产品是否有缺陷。（2）定量测量是指用一定精度等级的测量仪器确定出被测量比较精确的数值大小。如管道温度、压力测量。2）按获得被测量结果的过程，划分为：（1）直接测量通过测量仪器，将被测量直接与同一性质的标准量相比较；或用事先经过标准量具校正的测量仪器（已刻好度数）进行测量，从而直接从仪器或量具上读出被测量参数的数值。采用直接测量法的仪器中可分为直读式和比较式：直读式：直接由仪器的指示器读出数据：如用尺子测量长度；使用水银温度计测量房间温度；用电流表、电压表测量电流、电压用弹簧称测量物体的重量（荷重）等。比较式：将被测量与已知量进行比较，根据仪器的平衡条件即可由已知量得到被测量之值。如用电桥测量电阻；直接测量是工程技术中大量采用的方法，其优点是直观、简便、读数迅速，但不易达到很高的测量精度。（2）间接测量如果被测量不便于直接测定或直接测量很复杂、很困难或直接测量不够准确，那么可通过直接测量与被测量有确定函数关系的另一个或几个量，然后通过求解函数关系来确定被测量参数数值。如测量导体的电阻系数ρ，可先测出导体的电阻R、长度L和截面积S，然后通过计算公式求得ρ。又如用伏安法测量电阻R：先测量电阻两端的电压U和流过的电流I，然后通过计算公式求得R。其它：用电桥测量未知电阻等。间接测量手续多，花费时间长，一般间接测量法的误差比直接法大。当被测量不便于直接测量或测量很复杂或没有相应直接测量的仪表或直接测量误差较大时才采用。（3）组合测量测量中被测量有多个，先直接测量与被测量有一定函数关系的某些量，然后联立求解这些函数关系式，以此确定被测量的大小。例如测量标准电阻铂电阻的电阻温度系数α和β：因为铂电阻在不同温度t下的电阻值Rt为：所以，为求α和β数值的大小，应在20℃、t1和t2三个温度下分别测出R20、Rt1、Rt2，然后联立求解下列方程组，即可求得温度系数α和β：3）按仪表产生（读取）测量数值的方法，划分为：（1）偏位法（偏差式测量）也称直读法，即利用直接指示的仪器仪表读取被测量数值，而无需度量器的直接参与比较，但它们的刻度已经事先用标准量具进行了检定。根据仪表指示偏离零位的大小或显示的数值直接读取被测量的数值。在测量过程中，利用测量仪表指针相对于刻度初始点的位移(即偏差)来决定被测量的测量方法称为偏差式测量。在使用这种测量方法的仪表内并没有标准量具，只有经过标准量具教准过的标尺或刻度盘。测量时，利用仪表指针在标尺上的示值，读取被测量的数值．它以间接方式实现被测量和标准量的比较。如用电压表、电流表（模拟式、数字式）测量电压、电流；用直尺测量长度；用水银温度计测量温度等；另外，使用记录仪表记录被测量的大小或变化规律也可归入偏位法，如用电子示波器记录电压波形，用光线示波器记录动态压力曲线等。偏差式测量仪表在进行测量时，一般利用被测量产生的力或力矩，使仪表的弹性元件变形，从而产生一个相反的作用，并一直增大到与被测量所产生的力或力矩相平衡时，弹性元件的变形就停止了，此变形即可通过一定的机构转变成仪表指针相对标尺起点的位移，指针所指示的标尺刻度值就表示了被测量的数值。偏差式测量简单、迅速、方便，但精度不高，这种测量方法广泛应用于工程测量中。（2）比较法在测量过程中需要标准量具的直接参与，并通过比较仪器来确定被测量数值的方法。根据被测量与标准量比较的方式不同，比较法又分为三种：a、零值法（平衡法、零位式测量）用已知的、可调的标准量A与被测量x在比较仪器中进行比较，通过调节A使指示仪表指零机构平衡（指零），从而判定被测量值等于已知标准量的方法（x=A），称做零位式测量。例如：用天平测量物体质量；用电桥测量电阻等。在零位式测量中，标准量具处于测量系统中，它提供一个可调节的标准量，被测量能够直接与标准量相比较，测量误差主要取决于标准量具的误差。因此，可获得比较高的测量精度．另外，指零机构愈灵敏，平衡的判断愈准确，愈有利于提高测量精度。但是这种方法需要平衡操作，测量过程较复杂，花费时间长，即使采用自动平衡操作，反应速度也受到限制，因此只能适用于变化缓慢的被测量，而不适于变化较快的被测量。根据具体的测量要求，可选择磁电式电流表、电压表、光电检流计、耳机、扬声器及电子示波器等作为零指示器。b、差值法通过测量已知量A与被测量x的差值α，然后通过简单计算求得被测量：x=A+α。例如用电位差计测电势：已知E0，用电位差计测出Ex与E0的差值δ，则：差值法有较高的测量准确度。c、替代法用已知的标准量A代替被测量x，且通过改变标准量A使仪器的指示值恢复到原来读数状态，这时被测量与标准量相等，即：x=A。如：用标准电阻箱和比较仪器测量电阻。替代法的准确度主要取决于标准量的准确度和测量装置的灵敏度。使用比较法进行测量时，由于标准量具直接参与，所以比直读法有更高的准确度和灵敏度。但比较法对测量仪器和测量条件要求较高，操作比较麻烦，测量速度也比较慢，故通常在准确度要求较高时采用。4）按被测对象的性质及采用的仪表类型，划分为：（1）非电测量法被测对象是非电量，采用的仪器仪表为机械式、液压式、光学式（即非电仪表）等。如测量温度采用水银温度计，测量荷重采用弹簧称，测量转速采用机械式离心表，测量偏心（位移）采用千分表等。（2）电测量法被测对象有电量和非电量两种，采用的仪表均为电工电子仪表，因此电测量法分为两种情况：若采用电工电子仪表对电量进行测量，则称为电气测量法。如用电压表测量电压，电流表测量电流，用电桥测量电阻等。若采用电工电子仪表对非电量进行，则称为非电量电测法。如用热电偶测量温度，用电子称测量荷重，用光电传感器测量转速，用涡流传感器测量偏心（位移）等。5）按被测量是否随时间变化，划分为：（1）静态测量测量那些不随时间变化或变化很缓慢(准静态)的物理量。如测量恒温下物体的尺寸、质量等。（2）动态测量测量那些随时间迅速变化的物理量。如测量机床的振动，发动机的噪声等。6）按测量条件是否发生变化，划分为：（1）等精度测量指在测量过程中，影响测量误差的各因素（条件）不改变（在相同的环境条件下，由同一个测量人员，在同一台仪器上，采用同样的方法），对同一被测量进行一系列重复测量称为等精度测量。（2）不等精度测量在多次测量中，如对测量结果精确度有影响的一切条件不能完全维持不变称为不等精度测量。此外，根据测量仪表是否与被测对象直接接触，可区分为接触式测量和非接触式测量。6、测量过程测量过程有三要素：测量对象、测量单位、测量方法（包括测量工具、仪器）。测量对象，就是被测之量；测量单位，在工程上通常是以物质形式来体现的，即具体地制成量值大小为测量单位若干倍的基准器具或标准器具，如刻度盘、尺等；测量方法，指进行测量失所采用的方法和所使用的仪器、工具等。一切测量过程都包括比较、示差、平衡和读数等四个步骤。例如，用钢卷尺测量棒料长度时，首先将卷尺拉出与棒料平行紧靠在一起，进行“比较”，然后找出卷尺与棒料的长度差别，即“示差”，进而调整卷尺长度使二者长度相等，达到“平衡”，最后从卷尺刻度上读出棒料的长度，即“读数”。测量过程的核心是比较，但被测量能直接与标准量比较的场合并不多，大多数情况下，是将被测量和标准量变换成双方易于比较的某个中间变量来进行的。例如，用弹簧秤称重。被测重量通过弹簧按比例伸长，转换为指针位移，而标准重量转换成标尺刻度。这样，被测量和标准量都转换成位移这一中间变量，可以进行直接比较。此外，为了提高测量精度，并且能够对变化快、持续时间短的动态量进行测量，通常将被测量转换为电压或电流信号，利用电子装置完成比较、示差、平衡和读数的测量过程。因此，转换是实现测量的必要手段，也是非电量电测的核心。一般包括三个阶段：1)准备阶段：首先要明确“被测量”的性质及测量所要达到的目的,然后选定测量方式，选择合适的测量方法及相应的测量仪器(表)。2)测量阶段：建立测量仪器所需要的测量条件(含测量环境)，慎重地进行测量操作，认真记录测量数据。3)数据处理阶段：考虑测量条件的实际情况，整理和处理所记录的测量数据，确定测量结果和测量误差。可见，研究一个完整的测量过程，首先必须研究如下几个方面的问题：1)测量对象和测量任务(有几个被测量?各自要求达到的准确度?影响测量的因素?测量环境与条件的要求与改善?能否直接测量等)；2）测量方式和具体测量方法的选择与设计；3)测量设备：包括对作为测量单位复制品的度量器和测量仪器(表)的选择，了解其功能，使用方法及注意事项等。简言之，依据测量任务，确定测量方法，选择测量仪器。7、测量方法的选择这个问题大致可以从下面几方面讨论：1）从被测量本身的特点来考虑：如按照被测量的性质可以分为时域测量、频域测量、数据域测量和随机测量四种。被测量的性质不同，采用的测量仪器和测量方法当然也不同。又如对被测对象的情况要了解清楚，被测参数是否线性?数量级如何?对波形和频率有何要求?对测量过程的稳定性有无要求?有无抗干扰要求?其他要求等等。2)从测量所需要的精确度和灵敏度来考虑：工程测量和精密测量对此二者的要求有所不同，要注意选择仪器仪表的准确度等级，还要选择测量误差满足要求的测量技术。如果属于精密测量，还要按照误差理论的要求进行比较严格的数据处理。3)还要考虑到测量环境是否符合要求，所具有测量设备和测量技术状况，注意尽量减少仪器(表)对被测电路状态的影响。4）测量方法简便可靠，测量原理科学，尽量减少原理性误差。在测量之前，必须先综合考虑以上诸方面的情况，恰当选择测量仪器仪表及设备，采用合适的测量方法和测量技术，才能较好地完成测量任务。否则，可能出现以下几种情况：1)测量数据误差过大，不可信。例如用电压表测量某电路两端的电压时，若电压表的内阻和待测电路的等效电路的内阻接近时，会造成不能允许的测量误差。2)损坏元器件或被测设备。在测量元器件或电路参数时，若未考虑仪器加入后的影响，往往会产生过大的电流或电压造成被测件的损坏。例如，用万用表的R*1挡测试晶体管发射电阻，会烧坏晶体三极管。3)损坏测量仪器、仪表。在测量中若被测量的幅值超出测量仪器仪表的量程，易损坏测量仪器仪表。总之，合理选择测量仪器设备及恰当地运用测量手段是测量中的基本问题。8、测量学科的发展特点近代科学和工业化的发展，使测量学科向以下几个方面发展：1）测量对象的多样性与测量领域的广泛性测量对象由简单的几何量扩展为力学量、运动量、物性成分量以及感觉量；测量领域由农业、工业、国防扩展到交通、环保、生物、家电等领域，可以说任何领域都离不开测量工作。2）新技术的不断应用电子技术的广泛应用使测量技术在五十年代发生了一次革命性变化（“电测法”开始应用）；随着计算机在测量中的应用，使测量技术发生了又一次新的飞跃（计算机辅助测试技术、自动测量技术、智能化测量技术）。目前激光技术、半导体技术、光导纤维、通信技术以及近代物理、数理统计、控制论、信息论等都广泛应用于测量技术。3）静态测量向动态测量的发展静态测量在20世纪前占主导地位，但是动态测试，自进入20世纪以来发展愈来愈快。在本世纪六十年代动态测试的比重已超过50%优势，现已占了很大的优势。4）手工测量向自动测量的发展。随着电子技术、计算机技术的发展，手工测量逐渐被自动测量所取代。5）测量方法由非电测量法向电测法发展。9、现代测量技术1）非电量电测技术2）无线电遥测技术3）计算机辅助测试技术检测与转换技术（现代测试技术）：检测对象：非电量；检测方法：电测法；检测工具：传感器；转换工具：电子电路补充问题1、测量、计量、检测和测试当我们涉足于检测领域时，常常见到检测、测量、测试、计量等术语，尽管文字和含义有所不同，但它们都包含了测量的过程．为避免混淆，有必要加以说明。一般认为：测量是以确定客观事物的量值为目的，借助于一定的工具和设备，用实验的方法取得被测量数据的过程，它包括数据处理、显示或记录等步骤。计量是指实现单位统一和量值准确可靠的测量；它是以获得标准为目的的测量．它包括基准器的研制、量值的传递、量值单位的定义和管理以及精密测量等，其规程具有一定的法律性和权威性。计量是人们为保证测量量值的准确统一和具有法制效力而进行的全部活动。如统一单位，测量基准和标准的建立，测量方法的研究，测量活动的监督与管理，统称为计量。它的三个主要特征是统一性、准确性和法制性。计量是测量工作的管理体系，测量是计量工作的具体实施，通过测量可以对计量水平进行检验、修正和发展计量工作；但测量数据的准确可靠又要求计量予以保证。检测是利用传感器把被测信息检取出来，并转换成测量仪表或仪器所能接受的信号，再进行测量以确定量值的过程；或转换成执行器所能接受的信号，实现对被测物理量的控制。测试是具有试验性质的测量，也可理解为测量和试验的综合。2、测量装置的量程和测量范围测量装置的示值范围的上、下限之代数差，称为量程。测量范围是指测量装置的误差处于允许极限内（正常工作时）它所能测量的被测量值的范围。通常以测量范围的下限值和上限值来表示，如某温度计的测量范围是-20℃至+200℃。给出测量范围即给出了被测量的上下限，也就给出了量程。测量范围增大往往使灵敏度下降。对于用于动态测量的装置还标明在允许误差极限内所能测量的频率范围。3、测试技术的作用和任务人类对客观世界的认识和改造离不开测试技术。特别是科学技术迅速发展的今天，在日常生活，商品流通、机械工程，交通运输、电子通信、军事技术以及宇宙科学等领域中都离不开测试技术。当今的时代是以电子计算机、自动控制、激光，生物技术、海洋开发，新材料，新能源和信息工程等为主要标志的时代。由于近代多种学科的新技术成就已经渗透到机械产品中来，致使机械产品成为多学科的技术集成，而且向着精密、高速、大型，重载的方向发展。机械产品的动态特性，可靠性。精度保持性和噪声等性能，以及测试技术和数据处理等已日益为人们所重视。在机械工程中，通过对有关物理量(如位移、速度、加速度，力，力矩，功率，机械振动、噪声、温度等)的测量，不仅能够对产品的质量提供客观的评价，而且还能够为生产、科研提供可靠的数据和反馈信息，成为探索、开发，创造和实现生产自动化的一种重要手段。测试技术的主要任务有以下四个方面：1）对产品的质量进行检定，确保机械产品质量达到预定的规格。其中包括对原材料的质量进行测试，检查其物理性能和力学性能，如对金属材料的金相组织分析。对各类机械、仪器产品的性能进行测试，检查其产品性能是否达到了产品标准规定的指标，如对机床，汽轮机主轴回转误差的测定，内燃机的转速、功率、耗油量的测定，各种机械量测量仪器的准确性的鉴定等等。2)生产过程和设备运行的监测。保证生产过程正常运行。例如，随时测定与运行条件有关的机械量，经过适当的转换，由记录指示装置进行监视。一般地说，运行中的被测量大多是动态参数，因此又往往涉及动态测量。由测量装置反映出生产过程或设备目前的工艺状况(如压力，流量，温度等)和机械性能(如应力，转速振动，噪声等)，这是测量装置的最基本用途。3）生产过程和设备运行的控制。要达到对生产过程和设备的控制，必须首先由测量装置测量出当前的各种物理量数值，然后和希望控制的数值比较，再调节影响物理量变化的参数使生产过程和设备能达到希望的物理量值。4）工程问题实验分析。许多复杂的机械结构仅凭已有的理论公式或经验公式进行计算是不够的。有时甚至没有理论公式或经验公式可以作依据，往往要以模拟模型经过试验来寻找或判断最佳条件，在这个过程中都涉及机械量的测试工作。这既可以对工程问题用实验分析来验证有关理论分析的正确与否，也可以对还没有理论分析解的问题，由实验分析而得到可供于相似条件下使用的经验关系公式，或是通过对某些现象的实验分析而用来发展理论。科学研究项目中，测试工作也都占有很重要的地位，如气象学，地震学、海洋学的研究都是和测试分不开的。至于人造地球卫星的发射与回收、宇宙空间的探测、航天工程等尖端技术的科学研究则更是与测试技术紧密相关的。因此，测试技术是机械工业发展乃至一切科学技术发展的一项重要基础技术。4、动态测试发展的原因与带来的变化是什么？动态测试之所以有较迅建的发展，其主要原因是：1）在科学研究领域内人类巳进入研究过程发展的时代，也就是从客观事物发展过程的观测中去揭露其本质，尤其是近代动态过程实验研究的大规模开展都促进了动态测试学科的发展，并与之不断相互推动。2）在工业上，动态运行下的工业结构的响应与内应力远非静态工作状态所能比拟，疲劳破坏很容易达到。过去以静态计算为主要依据的设计，或适当加以动态校核，补救的方法已远不能满足近代化工业发展的需要，甚至出现愈加固愈糟糕的情况，这就要求加强结构系统的动态研究，以指导设计，实验研究工作。3）现代化工业流程及设备的大型化、连续化、自动化及高速化的发展要求对工业生产过程作运行中的连续监测，以便作动态控制，以保证处于最佳状态运行，并能诊断设备的潜在故障，防止其恶化导致严重事故。4）许多静态测量逐步转化为动态测试。例如路轨宽度、高差的测量，高精度圆度的测量等，过去均属静态测量范畸，但近代采用运动连续电测方法，可精确、快速地测出大量所需数据。但是采用动态连续测量后就必须面对动态测试中所存在的一切特殊问题。5）工业产品检验指标的扩展。现代大量工业产品不但有静态技术指标，而且为满足需要还有不少动态技术指标，这样就需配备以相应的动态测试手段和技术队伍，以及权威性的标准。6）传统学科以及新兴学科诸如数学、物理学、电子学、控制工程、力学、机械学、材料学、计算机科学以至于信息论、生物科学等基础科学及应用科学的发展为动态测试的出现与发展提供了必要的理论，技术手段以至新工艺，新材料，促使动态测试迅速发展。由于动态测试的发展，给传统的测量学科带来了一系列的观念，方法和技术等方面的更新。首先是观念上的变化。虽然作为测量学科的任务都是以测量系统的输出去估价被测物理量，即测量系统的输入。从信息论的观点上来说即是此点复现彼点的信息。但在静态与动态测量中所面对的物理量性质是不同的。在静击测量中，测量系统的输入与输出是数值上的对应关系；而在动态测试中，则是输入与输出信号上的对应关系，因为动态测试是测量物理量随时间变化的过程，是所谓的信号。由于这种基本差别的存在，所以对两种测量的有效性，优劣性的评价就很不相同了。例如静态测量中对数值误差上的分析很重视，而在动态调试中则以信号的不失复现分析作为基础。这样，对用于静态和动态测量的系统的要求也就有了本质上的差别。动态测试重点研究的是测试系统的动态响应，信号的不失传递、噪声的耦合和消除等等与信号有关的一系列问题。在技术手段方面，动态测试需解决的是信号的获取，信号的加工，信号的处理与分析以及信号的记录等等一系列信号必要的流程所依存的系统和环节，包括硬件和软件以及他们组合的系统。二、试验 1、试验的定义为了观察某事的结果或某物的性能而从事的某项活动称为试验。实验是指为了检验某种科学理论或假设而进行的某种操作或从事的某种活动。一般来说，实验的结果是已知的，试验的结果是未知的。2、试验的意义答：试验是开展科学研究工作必不可少的手段。一项科学研究往往需要通过多次反复的试验工作才能获得足够数量的数据和信息，在对这些实验数据和信息进行科学处理和分析研究之后，才能对所研究事物的本质及内在规律、相互关系和影响逐步有所认识，最后才能得到可靠有用的结论。3、试验的目的机械新产品试验的目的是：1）为机械理论研究和产品设计提供科学依据；2）评定机械产品（整机或部件）的制造质量（是否符合设计技术要求）；3）评定机械产品的工作质量（能否满足生产技术要求）；4）评定机械产品的经济效益（确定生产效率、功率消耗等）；5）评定机械产品的结构强度以及使用耐久性等。4、试验的种类1）根据测试项目的不同，分为：（1）性能试验它的目的是为了测出机器的工作质量、生产率、功率消耗等性能参数。如测定谷物联合收获机的谷粒损失率、破碎率；发动机的功率消耗、耗油率等。（2）结构试验它的目的是为了测定机器零部件的强度、使用耐久性等。如测量传动轴的传递钮矩、刀具的抗弯强度等。2）根据试验条件的不同，分为：（1）室内试验它是在人工控制的室内条件下对机器整机或部件进行的性能或结构试验。该方法的优点是不受自然条件的限制，可连续进行试验以缩短试验时间；在可控的条件下容易实现“单因子”试验，因而便于进行精确的测量和研究；便于接近和观察受试的对象；便于反复再现试验的控制程序和控制量。不过，室内模拟室外工作条件有一定困难，因而这类试验有一定局限性，一般具有科学研究的性质。室内试验最典型的代表是台架（试验台）试验：如试验链条、三角皮带等零件耐久性试验台；发动机性能试验台等。试验中广泛应用计算机控制，随机负荷加载以及数据采集、记录、分析处理系统。（2）室外试验它是在多变的、不可控制的室外条件下对整台机器进行性能和结构试验。试验环境一般都要经过选择，使其具有典型性或代表性。室外试验一般采用自车法和遥测法。自车法是将全部试验仪器设备直接配置在被测机器上进行室外试验的方法，该方法机动性和工作效率高；遥测法是利用流动遥测接收站（遥测车），可在数公里的范围内同时接收多达数十个通道的电测模拟信号，配备磁带记录器和实时计算机系统，可在室外进行试验数据的处理和分析，能立即获得测试结果。3）根据试验目的的不同，分为：（1）质量检查试验对目前生产的机器产品定期进行质量检查试验，以鉴定产品质量的稳定性，及时检查出产品存在的问题。（2）新产品定型试验（鉴定试验）在新产品投产以前，，首先按规程对整台机器进行全面性试验，同时应在不同地区进行适应性和使用性试验。在定型试验中，重点一般放在性能方面，不允许出现重大损坏、性能恶劣及维修频繁等情况。（3）科研性试验为了改进现有产品或开发研制新产品，必须对机器的新部件、新结构，采用的新材料、新工艺等进行广泛深入地研究试验。试验常采用较先进的仪器设备。4）根据试验对象的不同，分为：（1）整机试验试验的目的是考核评定整机的主要技术性能，测出各项技术性能指标，如动力性、经济性、通过性等。此外，整机基本参数的测定也包括在内。（2）机构及总成试验该试验主要考核机构及总成的工作性能和耐久性。如变速器效率及发动机的输出功率等。（3）零件试验该试验主要考核零件设计和工艺的合理性，测试其刚度、强度、磨损和疲劳寿命以及研究材料的选用是否合适。5）其它试验技术：（1）强化试验对试验对象的工况，如负荷大小、循环频率和试验环境条件实行人工强化。如对发动机的吸气系统和曲轴箱按一定的方法添加人工磨料，以进行快速的耐磨性试验。（2）模拟试验模拟室外真实的载荷条件下，在实验室内对机器进行快速试验，以大大减少试验所需的人力、物力。（3）计算机辅助试验就是由电子计算机按一定的程序来控制整个试验的进行，完成必要的运转，并由计算机采集数据、存储数据、处理数据，实现试验过程的自动化，最后作出试验结论。（4）计算机模型试验（虚拟试验）它可在无需实际试验对象参与的情况下，在计算机中建立机器的数学模型，利用这些模型通过计算机即可进行任何特定条件下的“实际”试验。它允许试验人员用改变模型输入参数的方法来研究各种环境参数和动力参数对机器性能的影响。如汽车碰撞试验可利用计算机来完成。方法是：在计算机中建立汽车、人员、墙壁等实物的数学模型，设定各种参数，由计算机控制各种模型来完成碰撞过程，并获取各种碰撞结果，通过分析研究碰撞对人、汽车等模型造成的损害，从而为实际碰撞提供参考。补充问题1、机械产品的试验过程机械产品的试验是一项技术性较强的工作，必须周密计划与组织。试验过程可分为试验准备、试验实施和试验总结三个阶段：一、试验准备阶段1．制定试验大纲试验大纲是指导试验的重要技术文件，它关系到试验的好坏与成败。根据试验任务提出的要求，按相应的国家试验标准编制试验大纲，经讨论、审批后实施。试验大纲包括下列内容：(1)试验目的和任务明确规定试验必须完成的任务(如解决的技术问题，测取的数据及观察的现象等)以及要求达到的目的．试验的目的决定了试验的类型、试验的规模与内。．(2)试验内容与条件为了完成试验任务所需的试验内容、试验程序以及试验工作量，对每项试验内容和条件应作简要说明，必要时应附有试验原理图。(3)试验项目和测量参数大纲中应根据试验内容，详细列出必须进行的试验项目和每个项目中必须测量的参数，并说明由测量参数求得最后性能指标的方法，附必要的计算公式。(4)试验仪器根据试验项目和测量参数，选择试验仪器设备，并提出其精度要求。(5)试验技术和方法大纲中规定的试验有关技术事项和试验的方法和步骤，对试验人员的正确操作、检测数据及确保试验成功是十分重要的。特别要遵守标准的或法规规定的试验程序和方法。(6)人员组织和分工参加试验人员按专业水平和工作需要进行分工，使每个人都有明确的职责，组成试验组织系统。(7)试验进度计划根据试验任务和目的以及各个项目进行的次序，确定进度日程计划，以便使试验工作协调和有计划地进行。2．仪器设备准备根据试验大纲要求，准备好所需仪器设备。例如对整车试验，则应准备好各种传感器和记录仪器等。对室内台架试验，则要准备好各种辅助支架、连接件、测量仪器、动力设备以及测功设备等。所有测试仪器与设备都应满足试验的测量范围、容量和精度的要求。试验前应对各种传感器、测试仪器进行定度，定度的数据应记录并填人试验报告中。3．人员配备和记录表格准备根据试验项目和测试数据，配备参加试验人员，明确每人的任务和相互间的配合，熟练掌握仪器设备的操作方法，并拟定试验记录表格和数据处理表格．对自动打印或记录的测试系统，要设计好打印格式、记录图形的方式与规格．二、试验实施阶段试验实施阶段一般经历以下几个过程：起动预热、工况监测、采样读数和校核数据。不论是整车试验还是总成，部件试验，除另有规定外(如汽车冷起动)，都必须经过起动预热过程，使试验设备和被试车辆或总成都达到正常工作状态，一般负荷由小到大，转速由低到高进行试验。试验进行中，必须随时监测车辆和设备的运转工况(如发动机水温、机油温度等)，检查测试仪器的工作状况。按试验大纲规定，在指定工况下采样读数和记录。在稳态试验中，要读取或记录在一定时间内的稳定值。在动态瞬时试验中，要使被试件的动作和记录同步。如采用自动采样记录系统，可快速记录大量数据，并由计算机计算出所需要的参数，画出关系曲线或图形。在试验结束后，应立即汇总主要测试数据，检查，校核各参数测定值，及时作出试验是否有效的判断。若发现数据遗漏，偏差过大或数据互相矛盾，明显不合理，则要分析原因，采取改进措施，重新进行试验。在试验实施中，必须遵守下列原则：1)试验现场不得临时改变项目或内容，以避免考虑不周、准备不足而发生意外事故：2)试验中发现车辆、设备及仪器出现故障，应停止试验，进行检修．3)试验大纲中规定的允许最大负荷、最高转速、最大压力及最大车速等极限值，试验人员应明确，任何情况下不得超过。4)测试数据应随时观察，及时汇总处理，发现问题及时在试验中解决．5)试验中，对确保人身安全必须作出明确规定，同时还要采取相应的安全措施。三、试验总结阶段试验完成后的总结工作，包括对试验中观察到的现象和发现的问题进行定性的分析研究对测得的数据进行处理，获取必要的信息和参数，以确定实测所得的性能指标和参数间的关系：在强度，疲劳及磨损试验完毕后，对试件的损坏情况进行分析，检查与测量，取得必要的试验数据。在完成上述工作后，对试验数据和资料再进一步归纳上升至理论高度，得出规律，对被试件作出评价，并作出结论，写出试验报告。试验报告内容一般包括，①问题的提出和简要测试方案．②试验条件描述，如地面状况、测试工况、气温、风向和风速等。它便于试验结果比较和应用结果时参考。③试验方案设计与试验方法。④测试系统仪器选配。⑤传感器定度。⑥数据处理方法，处理结果与误差范围。⑦试验结果分析。⑧结论。⑨存在问题和进一步的改进意见。⑩附录，如典型试验记录曲线、数据处理结果表，试验规律曲线及工况照片等。2、农机试验的特点鉴于农机工作的特殊性，农机试验也必然具有其相应的特点：1）在试验中，要注意测定各种环境因素的特性。由于农机的主要作业对象是土壤和作物，它们之间有着密切的关系，因此必须注重土壤和作物的物理—机械性质的研究。每次试验前要对试验田进行全面的调查，对机器作业有影响的各种因素如土壤坚实度、土壤湿度、作物湿度、植株密度等都要进行详细的测定。2）要加强试验的计划准备工作。由于农机作业的季节性很强，其运用必须配合农时，许多农机具每年的田间试验时间很短（往往只有几天或者十几天）。在这样短促的时间内要得到大量的、充分的、可靠的试验数据，必须有很高的试验工作效率。为了抢时间，在进行试验之前应做好周密的计划，很好地组织人力、物力，尽可能加快试验的进度，以缩短农机的研究和设计周期。3）要加强对比试验。在试验中，由于不同地区、不同地形和不同时间的情况有很大的变化，所以试验中所测出的数值离散度很大，这就要求增加试验的重复次数。4）试验装置要能适应田间的恶劣作业条件。农机试验仪器应尽可能满足防尘、抗震、坚固、轻便，性能稳定可靠，使用、调整方便以及不使用工业电源、耗电量少等项要求。

非电量电测法(讲稿)李江全石河子大学机电学院电气工程教研室目录一、"非电量电测法"的含义和工作原理1、含义2、基本工作原理3、对非电量的测量采用非电测量法的局限性二、非电量电测系统的组成1、三个环节和三个功能模块2、电测系统各部分的作用3、几种电测系统4、三个环节所遵循的基本原则三、非电量电测法的优点四、非电量电测技术的发展五、非电量电测技术在各个领域的应用1、在机械工程领域中的应用2、在工业生产过程中的应用3、在现代农业中的应用4、在家电领域中的应用5、在安全保护、防盗报警、环境保护中的应用补充问题：1、“电五官”2、常见的信号调理电路3、常用的显示记录方式及相应的仪器4、机械制造业的三个发展阶段5、手动控制与自动控制的比较一、"非电量电测法"的含义和工作原理1、含义具体地讲：先将待测的非电量转换为电量，通过测量该电量来达到间接测量非电量的一种测量方法称为非电量电测法。简单地讲：用电子仪器来测量非电量的一种方法。简称“电测法”非电量的电测法通常包括以下几个部分：首先用传感器感受如温度，湿度，流量等非电量的变化并将其变换为电量，然后用电测仪器如电桥、电位差计等对相应的电量变化进行测量，最后用显示器如电磁仪表，示波器等显示出测量结果。非电量电测法涉及两个基本问题：一是怎样用传感器将非电量转换为电量，二是怎样对电量进行测量。因此非电量电测法同传感器技术、电子测量技术是紧密联系不可分割的。2、“电测法”的基本工作原理用传感器将所需测定的非电量转换为电量，然后通过一定的测量电路及仪表对此电量进行测量，测得了电量，就可知与之成比例的非电量。“电测”法的测量系统由传感器、中间转换电路、显示或记录仪表、电源等组成。对非电量的测量采用电测法是为了克服非电测量方法的一些局限性。3、对非电量的测量采用非电测量法的局限性对非电量的测量采用机械、液压、光学等非电测量法应用非常广泛，但随着生产技术、社会的发展，在很多场合显示出一定的局限性，甚至有时无法采用。这些局限性是：1）准确度、灵敏度低，反应速度慢，测量范围窄；2）无法进行动态，尤其是瞬态测量；3）无法实现运距离、集中测量；4）测量信号（数据）无法自动保存，无法实现自动化测量；5）对环境的适应性差，如在高温、腐蚀性、有毒环境下无法进行测量。二、非电量电测系统的组成完成非电信号的检测与转换以及对信号的各种处理，最后显示出被测量数值的系统称为非电量电测系统（自动检测系统）。最简单的非电量测试系统是什么？如果所要测量的非电量正好是某传感器能转换的那种非电量，而该传感器转换出来的电量又正好能为后面的显示记录电路所利用，那么，由传感器和显示仪表便可构成一个最简单的非电量测量系统。例如热电偶测温度时产生的热电势可以驱动动圈式毫伏计，那么热电偶、导线、毫伏电压表就构成了一个最简单的温度测试系统。一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、调理电路和显示记录装置等部分组成，分别完成信息获取，转换，显示和处理等功能。当然其中还包括电源和传输通道等不可缺少的部分。举例：电子称、容器液位测量1、三个环节检测单元检测单元转换单元输出单元结果非电信号电信号电信号三个功能模块传感器传感器调理电路显示记录仪结果非电信号电信号电信号2、电测系统各部分的作用1）传感器：从广义上讲，传感器就是能感受外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置；从狭义上讲，传感器就是能将外界信息转换成电信号的装置。作用：实现信号的检测与转换。功能：（a）能感受非电量；（b）可将非电量转换为电量；传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的部分。它是获得信息的手段，在整个测试系统中占有首要地位。它处于被测对象和检测系统的接口位置，构成了信息输入的主要窗口，为检测系统提供必需的原始信息。它是整个检测系统关键环节，检测系统获取信息的质量往往是由传感器的性能一次性确定的，因为检测系统的其它环节无法添加新的检测信息并且不易消除传感器所引入的误差。有人把计算机比喻为人的大脑的延续，称之为电脑；而把传感器比喻为人的感觉器官的延续，称之为“电五官”（视、听、味、嗅、触）。没有“电五官”就不能实现自动化，没有检测与转换技术就不能有自动保护、自动报警和自动诊断系统，就不能组成自动控制系统，就不能实现自动计量和自动管理。近来，随着测量、控制及信息技术的发展，传感器作为这些领域里的一个重要构成因素，被视为90年代的关键技术之一受到了普遍重视。深入研究传感器的原理和应用，研制新型传感器，对于社会生产、经济交往、科学技术和日常生活中自动测量和自动控制的发展，以及人类观测研究自然界的深度和广度都具有重要的实际意义。一个国家的现代化水平是用自动化水平来衡量的，而自动化水平是用采用传感器的种类多少和数量来衡量的。由此可见传感器的重要地位和作用。2）信号调理电路作用：对传感器输出的电信号进行加工和处理，转换成便于输送、显示和记录的电信号（电压或电流）。根据变换及测量装置的类型和测量结果的要求不同，有时进行必要的信号变换，如传感器输出信号是微弱的，就需要由调理电路加以放大，以满足显示记录装置的要求；低频信号或近似直流信号，为了传输方便，需要将其调制成高频信号；有时为了与计算机接口方便