第一章緒論-機械工程測試技術

機械工程測試技術

Measurement&TestTechniquesofMechanicEngineering

湖北工業(yè)大學機械學院丁善婷Tel:156-2390-2218QQ:448-200-671凡存在之物，必以一定的量存在。當你能測量你在談及的事物并將它用數(shù)字表達時，你對它便是有所了解的；而當你不能測量它，不能將它用數(shù)字表達時，你的知識是貧瘠的且不能令人滿意的。－－開爾文測試MeasurementandTest~，具有試驗性質的測量

測試提供了有關物理變量和過程的現(xiàn)實狀態(tài)的定量信息，測量是重新認識客觀世界的工具，是一切研究、設計、開發(fā)的基礎。

測試系統(tǒng)測試系統(tǒng)原理框圖被測對象傳感器信號調理數(shù)據顯示與記錄課程內容：

本課程主要介紹工程領域中常見物理量(應變、位移、加速度、溫度、壓力等）的測量原理和信號分析方法。緒論信號分析基礎傳感器原理測試系統(tǒng)特性信號調理電路數(shù)字信號處理綜合應用內容如下教學任務及目的任務：

使學生掌握測試技術的基本基礎理論、常用傳感器的工作原理、結構、特性及其應用、以及常見信號處理方法。目的：

1.具有選擇傳感器的能力；

2.具有組成自動測試系統(tǒng)的能力；

3.對測試系統(tǒng)中的技術問題具有一定的處理能力。實踐性強課程特點：

期望逐步解決側重課本教學中存在的一些問題：1.檢測技術應用、發(fā)展部分空洞；2.傳感器部分沒有實物對象、枯燥無味；3.信號分析理論部分深奧、難懂。教學方法：

理論教學案例教學三者結合實踐教學簡單→復雜單元→系統(tǒng)靜態(tài)→動態(tài)特殊→一般1．實驗本課程是一門工程性、應用性都非常強的課程，學生必須完成本課程規(guī)定的實驗，否則不能參加期末考試。（6學時）2．作業(yè):通過作業(yè)來加深對教材內容的理解、掌握和運用。學生應按時完成規(guī)定的作業(yè)。3．考試：學期中開卷隨堂考試期末采用閉卷考試方法，考試時間2小時。課程總成績由期中考試成績、期末考試成績和平時考查成績（作業(yè)和實驗）合成。其中考試成績占70%，平時考查成績占30%。4.出勤情況無故缺課1/3，期末取消考試資格。事、病假需提前請假。課程安排及要求參考書目名稱編著者出版社出版日期參考書傳感器原理及工程應用郁有文西安電子科技大學出版社2000參考書傳感器原理及應用王化祥天津大學出版社2000機械工程測試技術基礎參考書機械工業(yè)出版社黃長藝1984機械工程測試技術基礎（第3版）王伯雄清華大學出版社2006參考書測試技術基礎參考書熊詩波黃長藝機械工業(yè)出版社2006使用方向學習網站/gerenwww/csjs/course/index.asp華中科技大學國家精品課程

《工程測試技術》何嶺松/jpkc/gccsjs/index.htm東南大學國家精品課程

《機械工程測試與控制技術》/jmp/jpkc2006/kczd/index.htm機械工程測試技術——

緒論（2）第一章內容機械產品的發(fā)展測試目的測試系統(tǒng)組成測試技術的發(fā)展主要生產廠商重點：掌握測試系統(tǒng)的組成與測試技術的發(fā)展

測試系統(tǒng)的對象：機械產品1、機械產品的發(fā)展機械產品的靈魂是測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)的成本已經達到裝備系統(tǒng)總成本的50％～70％一架飛機需要3600只傳感器及其配套的監(jiān)測儀器一輛汽車需要30～150只傳感器及其配套的監(jiān)測儀器1、機械產品的發(fā)展中央控制“阿波羅10”有3295個檢測參數(shù)溫度傳感器559個壓力傳感器140個信號傳感器501個遙控傳感器142個高性能傳感器的集合體機械產品和測試系統(tǒng)相互促進產品對測試的需求高精度、高可靠、多功能測試對產品增值汽車、家電、機床1、機械產品的發(fā)展慣導平臺調試安裝（運載火箭）1、機械產品的發(fā)展

現(xiàn)代機械產品發(fā)展高速/效化柔性化自動化大/微型化精密化“極端制造”綜合集成

信息化集成化綜合化模塊化智能化網絡化數(shù)字化“極端制造”方向：高、大（微）、精、專（柔）高效化與高速化高速化是許多機械設備的發(fā)展趨向——提高工作效率例如：高速列車、高速電機、高速機床轉速壁厚1、機械產品的發(fā)展高速切削(HighSpeedCutting)

表面加工質量高，省去后續(xù)的精加工工序切削力相應變小，可加工薄壁德國第三代高速列車時速300公里22500rpm/2MW750kg/0.75M3“極端制造”方向：高、大（微）、精、專（柔）大型化、微型化設備的大型化是目前機械的一個主要發(fā)展方向工程機械：建筑、橋梁、隧道大型盾構/掘進機開挖切削、輸送碴料、拼裝隧道襯砌、測量導向糾偏集機、電、液、傳感、信息技術于一體地層穩(wěn)定控制檢測技術、液壓推進與導向技術微型化、微機電系統(tǒng)（MEMS）、納米加工微型機器人：如微型醫(yī)用機器人微機電系統(tǒng)（MEMS）微加速度計:重0.5克、靈敏度15mv/g微壓力傳感器：埋置在汽車輪胎中，節(jié)省10%的汽油1、機械產品的發(fā)展“極端制造”方向：高、大（微）、精、專（柔）精密化產品工作的需要沒有足夠精度的產品，對它的結構性能（它的工作壽命）工作性能（工作穩(wěn)定性）都會產生不同程度的影響小尺寸零部件的需要沒有足夠的精度，就無法完成所要求的工作。如芯片的加工，已經達到納米級的要求1、機械產品的發(fā)展高速精密機械式主軸加工工程中自動測量厚度就是芯片誤差和砂輪盤的損耗量引起的偏差可以自動計算，并能保證±1um以內的精密度

信息化自動化可以提高勞動者手工勞動難以獲得的準確程度，從而可以提高工作效率或避免人工操作過程中可以產生的意外失誤向更高的水平發(fā)展：自組織、自維護和自修復1、機械產品的發(fā)展自動貼片機裝配機器人對月球、火星等地質、表面、資源等進行考察、分析、取樣的專用車輛信息化智能化：產品發(fā)展的主導方向——融入人的處理方法智能化產品自然較一般產品更能滿足人們的要求通過對產品的主要工作參數(shù)和工作過程實現(xiàn)智能控制與優(yōu)化，有目的地使產品獲得優(yōu)良的工作性能。1、機械產品的發(fā)展能夠在特制的水箱中游來游去，避開障礙物并對周圍環(huán)境做出相應反應。這些魚都是通過傳感裝置控制并自動導航的信息化網絡化：協(xié)同手段、發(fā)展的道路協(xié)同/并行設計和制造、遠程設計與制造資源共享

波音787方向舵轉包中國協(xié)同設計1、機械產品的發(fā)展敏捷設計和敏捷制造快速響應和滿足市場需求信息化數(shù)字化：信息化的核心信息精確、信息安全、信息容量大。制造領域：數(shù)字工廠、數(shù)字制造、數(shù)字裝備。大大提高設備的精確度：數(shù)字化加工設備的加工精確度也較一般加工設備高1、機械產品的發(fā)展數(shù)控定位分辨率1微米，仿形及數(shù)字化加工精度15微米刀具半徑、長度補償；螺距誤差、反向間隙補償自動生成數(shù)控加工指令、比例縮放加工、鏡像加工、陰陽模配對加工等現(xiàn)代信息技術帶動機械產品的發(fā)展電子、控制、信號處理測試系統(tǒng)實現(xiàn)機械的信息驅動程序、傳感、網絡測試系統(tǒng)使得機械產品更加完美人性化、智能化實用化1、機械產品的發(fā)展現(xiàn)代大工業(yè)生產質量監(jiān)控自動檢測過程控制四大參量：流量、壓力、溫度、液位2、測試目的

產品檢驗和質量控制

產品檢驗：產品驗收和廢品剔除合格、不合格被動檢測質量控制檢測和加工同時進行——在線檢測對生產過程主動進行控制2、測試目的

航空發(fā)動機產品檢驗和質量控制

維護管理質量控制2、測試目的

汽車監(jiān)測管理質控大量點檢巡視報告裝配、調試

2、測試目的

發(fā)電機宇航飛機產品測試

2、測試目的

整車綜合環(huán)境試驗沖擊噪聲（機械、風）溫度疲勞...性能測試汽車扭距在線測量，儀保證發(fā)動機的裝配質量

極限測試溫度、濕度沖擊振動設備安全經濟運行監(jiān)測

2、測試目的

水輪發(fā)電機組壓縮機組火力發(fā)電機組監(jiān)控中心裝置自動化——裝備的一部分

2、測試目的

機器人裝箱檢測——定位——動作ＭＡＳ－３型磁懸浮列車（懸浮10mm、推進、導向）基礎學科研究

科學規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和新的定律、公式的誕生都離不開測試技術。從實驗中可以發(fā)現(xiàn)規(guī)律，驗證理論研究結果，實驗與理論可以相互促進，共同發(fā)展；

常規(guī)工況下的檢測、測試

振動、速度、溫度、壓力、流量、...極端工況下的檢測、測試

超高溫、超高壓、超低溫、超高真空超強磁場超高速2、測試目的

試驗研究

2、測試目的

軍用機器人地面軍用機器人

排爆、掃雷、偵察金屬探測器；紅外傳感水下軍用機器人

水下無人潛器(遙控、半自治及自治型)

海上資源的勘探和開發(fā)，海戰(zhàn)探雷機器人、掃雷機器人、偵察機器人。

精確定位、目標識別、信息收集空中機器人又叫無人機中低空偵察及戰(zhàn)場監(jiān)視，電子干擾，戰(zhàn)果評估，目標定位，氣象資料搜集，散發(fā)傳單以及營救飛行員飛機自動空中防撞位置測量速度測量運動預測協(xié)調策略逃避控制維修診斷

2、測試目的

遠程維修探傷檢測探傷檢測轉子、鋼繩、管道、容器、...鐵道、航空、軍工、機械、汽摩配件、壓力容器、礦山機械等行業(yè)智能建筑3A樓宇自動化系統(tǒng)BAS通訊自動化系統(tǒng)CAS辦公自動化系統(tǒng)OAS

BAS

空調制冷、給水排水、變配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電梯等控制（溫度、濕度、液位、流量、壓差、空氣壓力等檢測）。

安全防護：防盜、放火、防燃氣泄露

CCD（電子眼）監(jiān)視器、煙霧傳感器、氣體傳感器、紅外傳感器、玻璃破碎傳感器

自動識別——門禁管理系統(tǒng)（感應式IC卡識別、指紋識別）；遠程抄收與管理系統(tǒng)（水、電、氣、熱量的遠程傳感及處理）2、測試目的

測試技術應用領域

現(xiàn)代大工業(yè)生產、基礎學科研究、宇宙開發(fā)、海洋探測、軍事國防、環(huán)境保護、資源調查、醫(yī)學診斷、智能建筑、汽車、家用電器、生物工程、商檢質檢、公共安全、甚至文物保護等等

2、測試目的

測試

被測量和同類標準量進行比較的一個實驗過程同類標準量位移、振動，轉速、溫度，壓力，...比較：參與方式，可以是直接、間接壓力儀表測量壓力溫度傳感器測量溫度振動儀測量位移、振動3、測試系統(tǒng)組成測試

被測量和同類標準量進行比較的一個實驗過程測試結果測量結果X數(shù)字值{X}測量單位

x0——物理屬性、數(shù)字值大小示例：位移x＝100μmx＝0.100mm

壓力p＝0.5MPa3、測試系統(tǒng)組成測試系統(tǒng)

完成測試任務的傳感器、儀器和設備的總稱3、測試系統(tǒng)組成轉速、振動/位移傳感器＋測速、測振儀轉速控制/調節(jié)測試系統(tǒng)直接獲取被測設備上的信息位移、距離、脹差、...振動、速度、加速度應力、壓力、摩擦力、...油溫、瓦溫、軸溫、氣溫、...轉速、鑒相...3、測試系統(tǒng)組成CaseExpansion/ValvePosition

測試系統(tǒng)間接獲取被測設備上的信息功率：發(fā)動機轉速n、輸出扭矩M，P＝M.n

切削速度V、切削力Fz，P＝Fz.V喘振：壓縮機進出口流量、壓力感知：視覺、聽覺、味覺、...故障：信息融合...3、測試系統(tǒng)組成機械電子系統(tǒng)組成：三層信息流：

三層控制層：處理主信息流

實現(xiàn)“目的功能”監(jiān)測診斷層

保障和監(jiān)視“目的功能”、提高系統(tǒng)可靠性人機交互/網絡測控層

緊急處理、遠程監(jiān)控、信息交流3、測試系統(tǒng)組成計算機系統(tǒng)電氣系統(tǒng)機械系統(tǒng)測試系統(tǒng)基本結構

3、測試系統(tǒng)組成測試對象傳感器信號調理數(shù)據采集

顯示數(shù)據處理控制驅動執(zhí)行單元電源測試系統(tǒng)信號處理傳感器

一種能把特定的信息（物理、化學、生物）按一定規(guī)律轉換成某種可用信號輸出的器件和裝置3、測試系統(tǒng)組成常用的渦流探頭＋前置器加速度傳感器力傳感器智能式壓力變送器信號調理

對（傳感器輸出的）信號進行變換、隔離、濾波、放大、驅動等，以便進一步傳輸和處理高阻輸入、低阻輸出規(guī)范輸出3、測試系統(tǒng)組成B&K

測量放大器2525放大、自動量程低通和高通濾波器（用戶自定義）通道：1輸入電荷量：≤104pC增益：1-1000mV/pC輸出：±5V濾波單元信號處理

對來自信號調理環(huán)節(jié)的信號，進行各種運算、分析，并輸出結果模擬信號處理運算：微分、積分、對數(shù)

數(shù)字信號處理信號量化編程處理：信號分析3、測試系統(tǒng)組成顯示記錄以觀察者易于識別的形式來顯示測量的結果，或者將測量結果存儲3、測試系統(tǒng)組成測試技術測量MEASUREMENT按照一定的規(guī)則，給事物的屬性指派量值（數(shù)字或符號）的過程測量的三個要素：①事物及其屬性——

測量的對象或目標身體溫度、桌子高度（客觀特征）、英語聽力（心理特征）②指派數(shù)字或符號——

某一事物或事物的某一屬性的量

37度、0.75米、87分③法則、標準——測量所依據的規(guī)則和方法，公認、關鍵溫度計、量尺、考卷4、測試技術的發(fā)展測試技術計量METROLOGY

（史稱“度量衡”）以技術和法制手段保證量值準確可靠、單位統(tǒng)一的測量實現(xiàn)單位統(tǒng)一、量值準確可靠為目的的測量現(xiàn)代十大計量：長度、溫度、力學、電磁學、光學、聲學、化學、無線電、時間頻率、電離輻射，形成了一門獨立的學科日常計量：電子秤、水表、電表、煤氣表，出租計價器，加油機，醫(yī)用體溫計、血壓計、眼壓計市質量技術監(jiān)督局：貿易結算、安全防護、醫(yī)療衛(wèi)生和環(huán)境監(jiān)測等上千萬臺件工作強檢計量器的強制檢定4、測試技術的發(fā)展測試技術測試TEST具有試驗性質的測量；測量和試驗的綜合測試對象測試方法測試設備測試和測量緊密相關，實際使用中往往不加嚴格區(qū)分4、測試技術的發(fā)展測試技術傳感器技術

信息采集——“感官”

信號處理技術信息加工——“甄別”計算機技術信息綜合——“大腦”網絡技術信息傳輸——“神經”

4、測試技術的發(fā)展一體化傳感器智能傳感器網絡化傳感器傳感器技術

研究傳感器的新材料和新工藝實現(xiàn)傳感器的智能化

測試、控制系統(tǒng)的感知環(huán)節(jié)——核心準確傳遞和檢測出某一形態(tài)的信息，并將其轉換成另一形態(tài)的信息

4、測試技術的發(fā)展傳感器技術材料科學

依靠敏感材料本身的物性隨被測量的變化來實現(xiàn)信號的變化壓電效應渦流效應應變效應：導體材料光電效應霍爾效應壓阻效應：半導體材料的壓阻轉換4、測試技術的發(fā)展一氧化碳傳感器傳感器技術材料科學——新材料

利用物理現(xiàn)象、化學反應和生物效應設計制作各種用途的傳感器

依據材料特性設計敏感元件光導纖維：傳光、感光

陶瓷：彈性元件、絕緣材料傳感器要求合成所需材料

新型材料：通過人工設計和合成化合物的結構來控制材料的性能，從而得到各種各樣的功能材料——可控材料性能利用納米技術，可獲得高活性的氣敏陶瓷材料

4、測試技術的發(fā)展瓦斯報警酒精傳感器傳感器技術集成化傳感器

微機電系統(tǒng)（MEMS）——小、微型化

微機械和微電路集成微型傳感器＋信號處理——一體化多敏感元件、多參數(shù)測量運算、補償、變換

集成式加速度傳感器：三只隔離剪切型高靈敏度加速度傳感器三只電荷放大器

4、測試技術的發(fā)展·靈敏度：700mV/g·頻率范圍：0.1-1000Hz·重量：260g·量程：7gXCE-062高溫超小型IS壓力傳感器(-55℃到273℃)

傳感器技術智能化傳感器

組成：傳統(tǒng)的傳感器＋微處理器(或微計算機)特征：具備通信總線接口、兼有信息監(jiān)測、信息處理和信息傳輸智能：通過存放于微處理器中的功能強大的軟件，對系統(tǒng)進行智能化，如非線性自動校正、自校零、自校準、自補償、自檢驗、噪聲抑制等。

4、測試技術的發(fā)展智能壓力傳感器/變送器信號處理技術數(shù)字分析方法——速度、分辨力核心：快速傅里葉變換（FastFourierTransform，F(xiàn)FT）計算卷積，用于人造衛(wèi)星、宇航探測及通訊、雷達...焦點：減少運算次數(shù)例如：當采樣點N=1000時DFT算法為200萬次FFT算法為1.4萬次NFFT算法為0.8萬次WFTA算法為0.35萬次PFTA算法為0.3萬次

4、測試技術的發(fā)展信號處理技術信號處理芯片——DSP

一種用于快速處理信號的器件，加快信號處理的實時能力例如：TI的TMS320C25芯片，數(shù)字·信號處理混合信號處理芯片

模擬、數(shù)字信號混合處理

例如：ADI的

ADSP-2199x——高性能工業(yè)控制專用處理芯片

聲音、視頻濾波、放大...SoC芯片：片上系統(tǒng)4、測試技術的發(fā)展計算機技術使得測試儀器微機化、智能化

數(shù)字信號處理方法、計算機技術和信息處理技術的迅速發(fā)展，使測試儀器發(fā)生了根本性的變革：以微處理器為核心測試系統(tǒng)精度速度測試能力工作效率可靠性

4、測試技術的發(fā)展數(shù)字式測溫計數(shù)字式超聲波探傷儀數(shù)字式測振儀AR848

計算機技術虛擬儀器：以計算機為核心、開放式標準接口總線模塊化邏輯決斷、模塊識別軟件定義功能、用戶定義功能4、測試技術的發(fā)展網絡技術網絡變遷：以太網接口：一方面在不斷發(fā)展，10/100/1000

，另一方面是100%向后兼容網絡化傳感器——分布式測控網絡在智能傳感器基礎上，把TCP／IP協(xié)議作為一種嵌入式應用，嵌入現(xiàn)場智能傳感器的ROM中，從而使信號的收、發(fā)都以TCP／IP方式進行，如此，網絡化傳感器像計算機一樣成為了測控網絡上的節(jié)點登臨網絡，并具有網絡節(jié)點的組態(tài)性和互操作性。4、測試技術的發(fā)展未來發(fā)展方向