工程测试技术 绪论.ppt

1、工程测试技术,Measurement Technology of Mechanical Engineering,1,教材：冯凯昉主编。工程测试技术（第2版），西北工业大学出版社，2002,教材与参考书推荐,参考书目： 1、严普强主编. 机械测试技术基础. 机械工业出版社，1990 2、熊诗波等编. 机械工程测试技术（第3版）. 机械工业出版社, 2006 3、孔德仁等编. 工程测试技术（第二版）. 科学出版社，2009 4、王伯雄等编. 工程测试技术. 清华大学出版社，2006 5、河道清等编. 传感器与传感器技术（第二版）. 科学出版社， 2008,2,课程简介,内容如下,本课程研究机械工程

2、领域与设计有关的试验、控制和运行监测中涉及到物理量及其他工程量的测量和测量装置与系统的性能。包括物理量和其他工程量的测量方法、测试中常用的传感器、信号调理电路及记录、显示仪器的工作原理，测量装置基本特性的评价方法、测试信号分析和处理。,信 号 及 描 述,常 用 传 感 器,信 号 调 理 及 记 录,虚 拟 仪 器,. ,测 试 装 置 基 本 特 性,绪 论,3,课程特点,测试技术是一门综合性技术 集机电于一体，软硬件相结合的，具有智能化、自动化的系统。涉及传感技术、微电子技术、控制技术、计算机技术、信号处理技术、精密机械设计技术等众多技术。 要求有深厚的多学科知识，如力学、电学、信号处理

3、、自动控制、机械振动、计算机、数学等。,4,通过本课程的学习，要求大家能做到： 掌握测试技术的基本理论，包括信号时域和频域的描述方法、频谱分析的原理和方法、信号调理和信号处理基本概念和方法; 熟练掌握各类典型传感器、记录仪器的基本原理和适用范围； 具有测试系统的机、电、计算机方面的总体设计能力；,5,主要学习内容,第三章 常用传感器与敏感元件,信号的分类及描述，信号的频谱分析，随机信号,第一章 信号分析基础,第四章 信号的调理与记录,第二章 测试系统特性,6,绪论,测试系统的静态和动态特性，不失真测试的条件,电阻应变式、电感应变式、电容应变式、压电式和光电 式传感器,第五章 虚拟仪器,0、绪论

4、,第一节 测试技术概况,第二节 测量的基础知识,第三节 测量的误差分析,7,第一节 测试技术概况,测量单位 测量的意义 测量技术的应用 测量技术发展趋势 主要传感器和测试仪器生产厂商,8,1.基本单位,七个基本量的单位：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,平面角的单位弧度; 立体角的单位球面度未归入基本单位或导出单位。,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

5、称为导出单位。,一、测量单位,9,二、测量的意义,认识客观世界的手段 科学技术发展 科学研究的基本方法。,10,测试技术的任务(5方面) ： 设备设计中，通过对新旧产品进行模型试验或现场实测，为产品质量和性能提供客观的评价，为技术参数的优化和效率的提高提供基础数据。 设备改造中，为了挖掘设备的潜力，以便提高产量和质量，经常需要实测设备或零件的载荷、应力、工艺参数和电机参数，为设备强度校验和承载能力的提高提供依据。,11,在工作和生活环境的净化及监测中，测量振动和噪声的强度及频谱，分析找出振源，并采取相应的减振、防噪措施。 科学规律的发现和新的定律、公式的诞生都离不开测试技术。从实验中可以发现规

6、律，验证理论研究结果，实验与理论可以相互促进，共同发展。 在工业自动化生产中，通过对工艺参数的测试和数据采集，实现对设备的状态监测、质量控制和故障诊断。,12,1、工业自动化中的应用,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。,a)机械手、机器人中的传感器,机械手装配模型,机器狗,13,三、测量技术的应用,有轨和无轨自动小车,采用激光导航技术，保证了AGV快速运行，精确定位，实现了工作区域内全方位自由行走，自动安全避让等功能，已大规模应用于汽车装配柔性生产系统。,水下扫雷机器人,爬壁机器人,特种机器人,军用昆虫机器人,爬缆索机器人,切削力传感器，加工噪声传感器，超声波

7、测距传感器、红外接近开关传感器等。,数字化工厂,b) 生产加工过程监测,17,2、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。,18,3、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。,汽车出厂检验：测量润滑油温度、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,20,在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位 ,检查轴承 滚珠是否脱漏,检查容器内的液位,21,4、楼宇控制与安全防护,为使

8、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。,公司楼宇自动化系统：电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、消防报警、水、废水管理和电梯监控等。,22,5、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,23,鼠标:光电位移传感器,摄像头:C

9、CD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,24,7、测试技术在汽车中的应用,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。,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。,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、图象

10、等。,25,26,8、测试技术在军事及国防上的应用,夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术,激光测距仪：可精确地定位目标。在发射20mm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，以精确地设定引爆时间。,27,美国国家导弹防御计划-NMD,监测系统: 探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；,拦截器：能识别真假弹头，敌友方,28,9、测试技术在航天领域的应用,飞行器测控 - 检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵,火箭测控 - 检测火箭状况、姿态、轨迹,29,“阿波罗10”：,火箭部分-2077个传感器,飞船部分-1218个传感器,检测参数-加速度、温度、压力、 振动

11、、流量、 应变、 声学等。,神州飞船：,185台(套)测试仪器装置,30,10、测试技术在日常生活中的应用,家用电器：,数码相机、数码摄像机：自动对焦-红外测距传感器,数字体温计：接触式-热敏电阻，非接触式-红外传感器,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,办公商务：,可视对讲、可视电话：图像获取-面阵CCD,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

12、传感器,31,11、其他应用,32,安全检查,面部识别技术,可拍照的手机,气象接收及发射天线,振动压力传感器,6000m海底,浮标,深海地沟,33,发动机性能参数测量,内燃机学科是试验性的学科；测试对象、测试仪表种类繁多； $台架试验：转速、扭矩、功率、油耗、各种温度； $研究试验：排放、噪声、燃烧过程 ； $车辆指示：车速、里程 。,发动机的进步离不开测试手段的进步(电喷机空燃比控制、点火控制等)。,34,35,在机器人中的应用,36,涵道式无人机,抗风飞行实验,山区搜救模拟实验,四旋翼无人机,39,微机械惯组,微机械惯组测试姿态演示,1、传感器方面,a)利用新发现的材料和新发现的生物、物理

13、、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,四、测量技术发展趋势,43,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,44,2、测量信号处理方面,计算机虚拟仪器技术,用PC机仪器板卡 代替传统仪器 用计算机软件 代替硬件分析电路,我们的工作,45,高精度,数字电压、欧姆表,将量程切换到2V时，最小显示值为1V,高可靠性,46,网络化,47,五、主要传感器和测试仪器生产厂商,48,3、测量分析仪器,49,第二节 测量的基础知识,测量的基本概念 测量方法

14、 测量系统的用途 测量系统的组成 测量仪器的性能指标,50,一、测量的基本概念, 通过试验手段将被测物理量与另一同名的作为单位的物理量比较，以确定两者之间的比值。也即确定一个数值未知的物理量的过程。,例：确定某人的身高,通常采用标准长度的米尺(一个预定标准)对其进行测量，通过被测量与预定标准之间的定量比较，从而得到此人实际的身高(被测对象的数值结果)。,51,1）热工量： 温度t（ 、K、 ）、 压力（压强）p（Pa）、压 差 p 、 真空度、流量q（m3）、流速 v（m/s）、 物位、液位 h（m） 2）机械量： 直线位移x（m）、角位移、速度、加速度 a（ m/s2） 、 转速 n（r/m

15、in）、应变 （m/m ） 力矩 T（Nm）、 振动、噪声、质量（重量）m（kg、t） 3）几何量 长度、厚度、角度、直径、间距、形状、粗糙度、 硬度、 材料缺陷等。,工程测试涉及的内容,52,4）物体的性质和成分量： 空气的湿度（绝对、相对）、气体的化学成分、 浓度、液体的粘度、浊度、透明度、物体的颜色 5）状态量： 工作机械的运动状态（启停等）、生产设备的异 常状态（超温、过载、泄漏、变形、磨损、堵塞 断裂等） 6) 电工量 （U、I、f、R、Z、E、B 在电工、电子等课 程中讲 授，大多数不属于本课程的范围。）,53,无需经过函数关系的计算，直接通过测量仪器得到被测值的测量。如温度计测水

16、温、卷尺测量靶距等。,1.直接测量,二、测量方法,按测量手段分为直接测量、间接测量和组合测量。,54,2间接测量 被测量不能直接从测量仪器上读得，需将直接测量经过函数运算，得到被测量的数值。,55,内燃机功率的测量,3组合测量 各未知量以不同组合形式出现，根据直接测量或间接测量所得数据，通过求解联立方程组求得未知量的数值。,56,三、测量系统的用途,57,汽包液位人工控制,锅炉汽包水位自动控制示意图,58,液位变送器,59,一般说来，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。,四、测量系统的组成,非电量电测法的测试系统框图,60,测量系统的组成,现代计算机测试系统,62,CAT组

17、成:由微机加插卡式硬件和采集分析软件组成。 计算机化测试系统的优点： 能够对信号进行复杂的分析处理； 高精度、高分辨率和高速实时分析处理； 性能可靠、稳定、维修方便； 能够以多种形式输出信息； 多功能； 自动测试和故障监控。,计算机辅助测试CAT-Computer Assisted Testing,63,平板式工作站（带触摸屏）,军用便携式工作站,一体化工作站,数据采集便携式工控整机,64,底板上的扩展槽用于 插接各种数据采集卡,PCI 扩展槽,ISA扩展槽,工业级底板,65,USB接口盒及接口线,利用USB扩展插头可配接多个接口盒,信号输入,笔记本电脑数据采集整机,66,基于总线技术的测试系

18、统,连接功能部件或系统的一组公用信号线，它具有很强的兼容性和扩展能力，便于灵活组建测控系统。,67,基于虚拟仪器VI(Virtual Instruments)的测试系统,虚拟仪器：以计算机和测试模块的硬件为基础、以计算机软件为核心所构成的，并且在计算机显示屏幕上虚拟的仪器面板，以及由计算机所完成的仪器功能，都可由用户软件来定义的计算机仪器。,传统仪器,PXI机箱和模块,68,虚拟示波器,虚拟数字电压表,基于虚拟仪器的温度检测与控制,Labview应用：化工生产流量测控,69,70,网络化测试系统,总线式仪器、虚拟仪器等对远程和复杂测控显得不足。 基于Web的虚拟仪器(VI)：把VI技术和面向I

19、nternet的Web技术二者有机结合。,虚拟仪器与WWW结合模型,71,72,1.精度,测量结果与真值一致的程度。为仪器满量程时所允许的最大相对误差的百分数，即,为仪器精度或允许误差；,为允许的最大绝对误差；,分别为仪器刻度的上限和下限值；,五、测量仪器的性能指标,73,仪器多次重复测量时，其指示值的稳定程度。,2恒定度,迟滞误差：当仪器指针上升(正行程)与下降(反行程)时，由于仪器内部有阻尼、传动系统中有摩擦和间隙，对同一被测量所得读数之差。,74,仪器指针的线位移或角位移与引起这些位移的被测量的变化值之间的比值S,3灵敏度,为指针的线位移或角位移；,为被测量的变化值；,a. 线性检测系统：灵敏度为常数；,b. 非线性检测系统：灵敏度为变数；,说明：,75,从被测参数发生变化到仪器指示出该变化值所需的时间，又称时滞。 时滞主要由仪器的惯性引起，如机械式仪器中运动件的质量、电测仪器中的电感或电容、传热式仪器中的热容量等。时滞无法避免。,4.指示滞后时间,76,零点漂移与灵敏度漂移,5漂移(零点和灵敏度) 传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的、不需要的变化。,77,第三节 测量的误差介绍,误差的来源与误差的概念 误差测量的分类,78,一、误差