机械工程测试技术基础绪论.ppt

1、Mechanical Engineering Testing Technique,门捷列夫 (1834-1907),科学始于测量,没有测量，便没有精密的科学。,门捷列夫,当你能够测量你所关注的事物，而且能够用数量来描述他的时候，你就对其有所认识；当你不能测量他，也不能将其量化的时候，你对他的了解就是贫乏和不深入的。,开尔文,开尔文（1824-1907）,钱学森,信息技术包括测量技术、计算机技术和通信技术，测量技术是信息技术的关键和基础。,钱学森(1911- ),课程内容,本课程主要介绍机械工程、工业自动化,环境监测,车辆动力、交通等领域中常见物理量(位移、振动、力、流量等）的传感器测量原理、测

2、量电路原理和信号分析方法。,机械工程测试技术基础,绪 论,本章学习要求：,1.掌握测试技术的概念及研究内容 2.了解测试技术的应用情况 3.了解测试技术的发展动态 4.掌握测量的基础知识以及测量数据处理 的基本方法,测试和测量系统,测试技术是具有试验性质的测量，即测量和试验技术的统称。测试技术是实验科学的一部分，主要研究各种物理量的测量原理和测量信号的分析处理方法，是人类认识客观世界的手段，是科学研究的基本方法。工程测试：以工程中物理量为研究对象的测试,简单的测试系统可以只有一个模块，如玻璃管温度计。它直接将被温度变化转化液面示值。没有电量转换和分析电路，很简单，但精度底，无法实现测量自动化。

3、,为提高测量精度和自动化程度，以便于和其它环节一起构成自动化装置，通常先将被测物理量转换为电量，再对电信号进行处理和输出。如图所示的声级计。,1.测试技术的基本概念,第一节 测试技术概况,测试系统中传感器为加速度计，它负责将机床轴承振动信号转换为电信号；,机床轴承故障监测系统,机床轴承故障监测系统,带通滤波器用于滤除传感器测量信号中的高、低频干扰信号和对信号进行放大; A/D信号采集卡用于对放大后的测量信号进行采样，将其转换为数字量； FFT分析软件则对转换后的数字信号进行FFT变换，计算出信号的频谱； 最后由计算机显示器对频谱进行显示。,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

4、三部分组成。,传感器将被测物理量检出并转换为电量器件。包括敏感器和转换器部分 敏感器:是将被测量如温度、压力、位移、振动、噪声、流量等转换成某 种容易检测的信号; 转换器:是将这种信号变成某种易于传输、记录、处理的电信号; 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； 显示记录装置则测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。,信息转换,信息提取,二. 测试技术的工程应用,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、产品质量测量,在汽车、机床等设

5、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,2、工业自动化中的应用,a)机械手、机器人 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

6、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,(Automated Guided Vehicle，简称AGV),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,3、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。,4、其他,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)

7、 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,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:电容传感器,声卡:A/D卡 + D/A卡,软驱:速度,位置伺服,航天,农业,交通,医学,三. 测试技术的发展趋势,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,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,2、测量信号处理方面,计算机虚拟仪器技术,用PC机仪

8、器板卡 代替传统仪器 用计算机软件 代替硬件分析电路,优点,第二节 测量的基础知识,误差:ERROR,误差,测得值,真值,真值（True Value）：观测一个量时，该量本身所具有的真实大小。 分类： 理论值 约定真值,三角形内角之和恒为180,一个整圆周角为360,国际千克基准 1Kg,3、测量误差,误差是针对真值而言的，真值一般都是指约定真值。,误差,绝对 误差,相对 误差,粗大 误差,系统 误差,随机 误差,表示形式,性质特点,绝对误差（Absolute Error）,绝对误差,被测量的真值，常用约定真值代替,测得值,特点：,1) 绝对误差是一个具有确定的大小、符号及单位的量。 2) 给

9、出了被测量的量纲，其单位与测得值相同。,LLL0,绝对误差,测得值,真值,定义,被测量的真值，常用约定真值代替，也可以近似用测量值 L 来代替 L0,相对误差,特点：,1） 相对误差有大小和符号。 2） 无量纲，一般用百分数来表示。,绝对误差,相对误差（Relative Error）： 绝对误差与被测量真值之比,相对误差,绝对误差和相对误差的比较,用1m测长仪测量长度： 测量0.01m长的工件，其绝对误差为0. 6m；用来测量1m长的工件，其绝对误差为10.5m。,前者的相对误差为 后者的相对误差为,用绝对误差不便于比较不同量值、不同单位、不同物理量等的准确度。,引用误差（Fiducial E

10、rror of a Measuring Instrument）,定义,该标称范围（或量程）上限,引用误差,仪器某标称范围（或量程）内的最大绝对误差,引用误差是一种相对误差，而且该相对误差是引用了特定值，即标称范围上限（或量程）得到的，故该误差又称为引用相对误差、满度误差。,【例】,检定一只2.5级、量程为100V的电压表，发现在50V处误差最大，其值为2V，而其他刻度处的误差均小于2V，问这只电压表是否合格？,该电压表的引用误差为,由于,所以该电压表合格。,【解】,、,引用误差的最大值：引（/）100；称为电工仪表的等级，共7级：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。使用级精

11、度仪表时可保证：,误差与测量,测量误差的分类,系统误差：对某一参数在相同条件下进行多次重复测量时，以确定的规律影响各次测量值的误差。 随机误差：对某一参数在相同条件下进行多次重复测量，误差的符号及大小变化无规律，呈现随机性的误差。 粗大误差：一种明显超出规定条件下预期误差范围的误差。是由于某种不正常的原因造成的。,4、测量精度和不确定度,测量不确定度：被测量真值不能肯定的误差范围的一种评定。表示对测量值不能肯定的程度,测量结果被测量的估计值不确定度,测量精度：泛指测量结果的可信程度；描述可信程度用以 下3个术语： 精密度：用标准差评定，说明测定值的分散程度（指随机 误 差）。 正确度：算术平均

12、值偏离真值的程度（指系统误差）。 准确度：测量结果与真值之间的一直程度。（系统和随机 误差综合）,测量不确定度根据评定方法归为两类：,A类分量：通过对一系列观测数据的统计分析 来评定,B类分量：基于经验或其他信息所认定的概率 分布来评定,测量不确定度与误差,联系：,测量结果的精度评定参数；,所有的不确定度分量都用标准差表征，由 随机误差或系统误差引起；,误差是不确定度的基础。,区别：,误差以真值或约定真值为中心，不确定度以被 测量的估计值为中心；,误差一般难以定值，不确定度可以定量评定；,误差有三类，界限模糊，难以严格区分；测量 不确定度分两类，界限分明，分析方法简单。,5、测量结果的表达方式,(1)算术平均值,在n次测量的等精度测量列中，算术平均值的标准差为单次测量标准差的 ,当n愈大，算术平均值越接近被测量的真值，测量精度也愈高。,(2)总体标准差,(4)对