測試技術(shù)第一章-緒論

中國礦業(yè)大學機電工程學院測試技術(shù)教師簡介2000年武漢大學本科畢業(yè)；2003年中國科學院研究生院碩士畢業(yè)，留中科院光電技術(shù)研究所工作兩年；2008年中國礦業(yè)大學博士畢業(yè)，留校工作。程剛，機電工程學院B205電話子郵箱：chg@

★學時：40學時。其中授課：32學時；實驗：8學時★參考文獻1.《工程測試與信息處理》，盧文祥、杜潤生，華中科大出版社，20022.《測試技術(shù)》，賈民平等，高等教育出版社，20013.《信號與測試技術(shù)》，樊尚春等，北航出版社，20024.《機械測試與信息處理》，任保才等，礦大出版社，20015.《機械工程測試技術(shù)基礎》，黃長藝等，機工版，19996.《測試技術(shù)基礎》，王伯雄主編，清華大學出版社，20037.《機械測試系統(tǒng)原理與應用》，秦樹人等，科學出版社，20058.《現(xiàn)代檢測技術(shù)與測試系統(tǒng)設計》，劉君華，西交大出版社，1999速度測量？？溫度測量？？HipSimulator髖關節(jié)模擬機課程內(nèi)容：

本課程主要介紹機械工程中常見物理量(壓力、應變、位移、加速度、溫度等）的測試與信號處理。著重測試技術(shù)的基本原理、方法、系統(tǒng)組成，以及對測試信號的分析和數(shù)據(jù)處理方法。緒論信號分析基礎測試系統(tǒng)特性傳感器原理模擬信號處理數(shù)字信號處理典型信號測量

虛擬儀器技術(shù)內(nèi)容如下測試技術(shù)

測試技術(shù)是一門與材料科學、微電子技術(shù)、信息技術(shù)密切相關的快速發(fā)展的學科。為彌補書本教材內(nèi)容滯后于學科發(fā)展的問題，在教學內(nèi)容上我們采編了很多多媒體素材和案例。測試技術(shù)學習方法：

測試技術(shù)

本課程是培養(yǎng)學生解決實際工程測量問題能力的專業(yè)基礎課，具有很強實踐性。學習時應充分利用課程所開設實驗。

理論學習、實踐學習、研究學習三元并重.課程學習要求：

機械工程測試技術(shù)是一門專業(yè)技術(shù)基礎課，通過本課程的學習，應具備下列幾方面知識：測試技術(shù)(1)掌握信號的時域和頻域描述方法，建立明確的信號頻譜的概念；掌握頻譜分析和相關分析的基本原理和方法，掌握數(shù)字信號分析中的基本概念。(2)掌握測試裝置基本特性的評價方法和不失真測試條件，并能正確運用于測試裝置的分析和選擇。掌握一階、二階線性系統(tǒng)動態(tài)特性和測試方法。(3)了解常用傳感器、常用信號調(diào)理電路和顯示、記錄儀器的工作原理和性能，并能正確選用。(4)對測試技術(shù)有一個完整的概念，并能初步應用于產(chǎn)品設計、性能評定和實驗工作中。第一章、緒論主要內(nèi)容測試技術(shù)1.1測試技術(shù)的基本概念1.2測試技術(shù)的地位和作用1.4測試技術(shù)的分類1.5測試技術(shù)的發(fā)展趨勢1.3測試系統(tǒng)的組成

測試是指在各類生產(chǎn)、科研、試驗及服務等各個領域為及時獲得被測、被控對象的有關信息而實時或非實時地對一些參量進行定性檢查和定量測量。第一章、緒論1.1測試技術(shù)的基本概念

測試技術(shù)是實驗科學的一部分，主要研究各種物理量的測量原理和測量信號分析處理方法。

測試的目的是獲得有用信息.第一章、緒論

測量把被測對象中的某種信息測試出來，并加以量度，是以確定對象的屬性和量值為目的的操作測試技術(shù)

試驗通過某種人為的方法，把被測系統(tǒng)所存在的某種信息，通過專門的裝置，人為地把它激發(fā)出來并加以測量1.1測試技術(shù)的基本概念

第一章、緒論1.1測試技術(shù)的基本概念

第一章、緒論1.1測試技術(shù)的基本概念

測試通常是指在生產(chǎn)、實驗等現(xiàn)場，利用某種合適的測試儀器或綜合測試系統(tǒng)對被測對象進行在線、連續(xù)的測量計量是指用精度等級更高的標準量具、器具或標準儀器，對被測樣品、樣機進行考核性質(zhì)的測量，這種測量通常具有非實時、離線和標定的性質(zhì)測試與計量區(qū)別第一章、緒論1.1測試技術(shù)的基本概念

第一章、緒論1.1測試技術(shù)的基本概念

第一章、緒論1.1測試技術(shù)的基本概念

第一章、緒論

測試技術(shù)是進行各種科學實驗研究和生產(chǎn)過程參數(shù)測量必不可少的手段，起著人的感官的作用。簡單的測試系統(tǒng)可以只有一個模塊，如玻璃管溫度計。它直接將被溫度變化轉(zhuǎn)化液面示值。沒有電量轉(zhuǎn)換和分析電路，很簡單，但精度低，無法實現(xiàn)測量自動化。

為提高測量精度和自動化程度，以便于和其它環(huán)節(jié)一起構(gòu)成自動化裝置，通常先將被測物理量轉(zhuǎn)換為電量，再對電信號進行處理和輸出。如圖所示的聲級計。

1.2測試技術(shù)的地位和作用

1.2測試技術(shù)的地位和作用

1.2測試技術(shù)的地位和作用

測試技術(shù)在衛(wèi)星中的應用嫦娥一號遠望號艦艇測試技術(shù)在飛行器中的應用地動儀烏魯木齊溫度計現(xiàn)代檢測技術(shù)在衛(wèi)星中的應用紅外掃描區(qū)域大直徑電渦流探雷器

光電自動門自動門光電傳感器放大圖有效檢測區(qū)域壓電式腳踏報警器

第一章、緒論

在工程領域，科學實驗、產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)監(jiān)督、質(zhì)量控制等，都離不開測試技術(shù)。測試技術(shù)應用涉及到航天、機械、電力、石化和海洋運輸?shù)让恳粋€工程領域。

1、工業(yè)自動化中的應用

a)機械手、機器人中的傳感器

轉(zhuǎn)動/移動位置傳感器、力傳感器、視覺傳感器、聽覺傳感器、接近距離傳感器、觸覺傳感器、熱覺傳感器、嗅覺傳感器。

1.2測試技術(shù)的工程應用

在各種自動控制系統(tǒng)中，測試環(huán)節(jié)起著系統(tǒng)感官的作用，是其重要組成部分。密歇根大學的機械手裝配模型廣州中鳴數(shù)碼的機器狗b)AGV自動送貨車

超聲波測距傳感器、判斷建筑物內(nèi)人和物所在位置；紅外線色彩傳感器，運動軌跡和AGV小車位置識別；條形碼傳感器，貨品識別。1.2測試技術(shù)的工程應用

香港理工AGV模型c)生產(chǎn)加工過程監(jiān)測1.2測試技術(shù)的工程應用

切削力傳感器，加工噪聲傳感器，超聲波測距傳感器、紅外接近開關傳感器等。密歇根大學數(shù)字化工廠1.2測試技術(shù)的工程應用

2、流程工業(yè)設備運行狀態(tài)監(jiān)控

在電力、冶金、石化、化工等流程工業(yè)中，生產(chǎn)線上設備運行狀態(tài)關系到整個生產(chǎn)線流程。通常建立24小時在線監(jiān)測系統(tǒng)。石化企業(yè)輸油管道、儲油罐等壓力容器的破損和泄露檢測。揚子石化50MW熱電機組監(jiān)測系統(tǒng)陽邏電廠300MW汽輪機組監(jiān)測系統(tǒng)荊門電廠200MW機組監(jiān)測系統(tǒng)青山熱電廠生產(chǎn)信息實時查詢系統(tǒng)沙角電廠生產(chǎn)信息實時查詢系統(tǒng)寶鋼30KW以上風機監(jiān)測系統(tǒng)寶鋼精軋F2軋機網(wǎng)絡化監(jiān)測系統(tǒng)寶鋼冷軋帶鋼振動紋監(jiān)測系統(tǒng)武鋼風機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)1.2測試技術(shù)的工程應用

3、產(chǎn)品質(zhì)量測量

在汽車、機床等設備，電機、發(fā)動機等零部件出廠時，必須對其性能質(zhì)量進行測量和出廠檢驗。

圖示為汽車出廠檢驗原理框圖，測量參數(shù)包括潤滑油溫度、冷卻水溫度、燃油壓力及發(fā)動機轉(zhuǎn)速等。通過對抽樣汽車的測試，工程師可以了解產(chǎn)品質(zhì)量。汽車扭距測量機床加工精度測量1.2測試技術(shù)的工程應用

4、樓宇控制與安全防護

為使建筑物成為安全、健康、舒適、溫馨的生活、工作環(huán)境，并能保證系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和管理的智能化。在樓宇中應用了許多測試技術(shù)，如闖入監(jiān)測、空氣監(jiān)測、溫度監(jiān)測、電梯運行狀況。

圖示為某公司樓宇自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為：電源管理、安全監(jiān)測、照明控制、空調(diào)控制、停車管理、水/廢水管理和電梯監(jiān)控。煙霧傳感器亮度傳感器紅外人體探測器1.2測試技術(shù)的工程應用

5、家庭與辦公自動化

在家電產(chǎn)品和辦公自動化產(chǎn)品設計中，人們大量的應用了傳感器和測試技術(shù)來提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量。全自動洗衣機中的傳感器：衣量傳感器，衣質(zhì)傳感器，水溫傳感器，水質(zhì)傳感器，透光率光傳感器(洗凈度)，液位傳感器，電阻傳感器(衣物烘干檢測)。指紋傳感器透光率傳感器溫濕度傳感器溫度傳感器1.2測試技術(shù)的工程應用

5、其他應用航天農(nóng)業(yè)交通醫(yī)學汽車與傳感器

高級轎車需要用傳感器對溫度、壓力、位置、距離、轉(zhuǎn)速、加速度、濕度、電磁、光電、振動等進行實時準確的測量，一般需要30～100種傳感器。1.2測試技術(shù)的工程應用

鼠標:光電位移傳感器攝象頭:CCD傳感器聲位筆:超聲波傳感器麥克風:電容傳聲器聲卡:A/D卡+D/A卡軟驅(qū):速度,位置伺服6、PC機中的測試技術(shù)應用

一般說來，測試系統(tǒng)由傳感器、中間變換裝置和顯示記錄裝置和激勵裝置四部分組成。

傳感器將被測物理量(如噪聲,溫度)檢出并轉(zhuǎn)換為電量，中間變換裝置對接收到的電信號用硬件電路進行分析處理或經(jīng)A/D變換后用軟件進行信號分析，顯示記錄裝置將測量結(jié)果顯示出來，提供給觀察者或其它自動控制裝置。

1.3測試系統(tǒng)的組成

信息轉(zhuǎn)換信息提取激勵裝置人為地模擬某種條件，把被測對象中地某種信息激發(fā)出來以便檢測

根據(jù)測試任務復雜程度的不同，測試系統(tǒng)中傳感器、中間變換裝置和顯示記錄裝置等每個環(huán)節(jié)又可由多個模塊組成。例如，下圖所示的機床軸承故障監(jiān)測系統(tǒng)中的中間變換裝置就由帶通濾波器、A/D變換和計算機中的FFT分析軟件三部分組成。

1.3測試系統(tǒng)的組成

測試系統(tǒng)的組成通常以信號傳遞的流程來劃分。通常由各種傳感器將非電被測量轉(zhuǎn)換成電信號，然后經(jīng)信號調(diào)理（信號放大、信號濾波、信號轉(zhuǎn)換等）、數(shù)據(jù)采集、信號處理后顯示并輸出。以上設備加上系統(tǒng)所必需的交、直流穩(wěn)壓電源和必要的輸入設備（如開關、按鈕、撥盤、鍵盤等）便組成一個完整的檢測系統(tǒng)，其各部分關系如下圖所示。1.3測試系統(tǒng)的組成（舉例）

1.3.1傳感器

傳感器是測試系統(tǒng)與被測對象直接發(fā)生聯(lián)系的器件或裝置。

作用：感受指定被測參量的變化，并按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成一個相應的便于傳遞的輸出信號。1.3測試系統(tǒng)的組成

電渦流位移傳感器外形壓電式振動加速度傳感器橫向振動測振器縱向振動測振器1.3測試系統(tǒng)的組成（傳感器）傳感器的分類傳感器的分類按被測參量分類法

按傳感器工作原理分類法

按輸出信號分類法

如溫度傳感器、濕度傳感器、位移傳感器、加速度傳感器等

如電阻式、電容式、電感式、壓電式、霍爾式等

模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器1.3測試系統(tǒng)的組成（傳感器）準確性

穩(wěn)定性12其他4靈敏度3傳感器的輸入、輸出的單值函數(shù)關系最好不隨時間和溫度而變化，受外界其他因素的干擾影響很小，重復性要好如耐腐蝕性好、低能耗、輸出阻抗小、經(jīng)濟性等傳感器的輸出信號必須準確地反應其輸入量，即被測量的變化即要求被測量較小的變化即可使傳感器獲得較大的輸出信號

通常對傳感器有如下要求：1.3.2信號調(diào)理

作用：對傳感器輸出微弱信號進行再加工，以便顯示或供進一步處理。是最簡單的信號調(diào)理，比如對電壓信號進行放大（或衰減）1針對傳感器的非線性特性的信號調(diào)理，其作用是盡可能擴大傳感器響應特性的線性范圍1線性化電平調(diào)整1濾除信號種的冗余成分，減小由于傳感器內(nèi)阻或傳輸線阻抗等因素帶來的測量誤差，達到提高測量精度的目的濾波及阻抗調(diào)整信號形式變換指將傳感器輸出信號從一種形式變換為另一種形式，如電壓-電流變換、電流-電壓變換等1.3測試系統(tǒng)的組成（信號調(diào)理）對信號調(diào)理電路的一般要求是：

(1)能準確轉(zhuǎn)化、穩(wěn)定放大、可靠地傳輸信號；

(2)信噪比高（信噪比越高說明混在信號里的噪聲越?。垢蓴_性能要好。1.3測試系統(tǒng)的組成（數(shù)據(jù)采集）1.3.3數(shù)據(jù)采集

作用：對信息調(diào)理后的連續(xù)模擬信號進行離散化并轉(zhuǎn)換成與模擬信號電壓幅度相對應的一系列數(shù)值信息，同時以一定的方式把這些轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)及時傳遞給微處理器或依次自動存儲。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要性能指標是

：

(1)輸入模擬電壓信號范圍；

(2)轉(zhuǎn)換速率；

(3)分辨率，通常以模擬信號輸入為滿度時的轉(zhuǎn)換值的倒數(shù)來表征；

(4)轉(zhuǎn)換誤差，通常指實際轉(zhuǎn)換數(shù)值與理想A/D轉(zhuǎn)換器理論轉(zhuǎn)換值之差。1.3測試系統(tǒng)的組成（數(shù)據(jù)處理）1.3.4數(shù)據(jù)處理信號處理模塊是現(xiàn)代測試儀表、測試系統(tǒng)和各類控制的中樞環(huán)節(jié)，其作用和人的大腦相似。信號處理模塊通常以各種型號的單片機、微處理器為核心來構(gòu)建，對高頻信號和復雜信號的處理有時需增加數(shù)據(jù)傳輸和運算速度快、處理精度高的專用高速數(shù)據(jù)處理器（DSP）或直接采用工業(yè)控制計算機。對測試信號處理環(huán)節(jié)只要能滿足用戶對信號處理的要求，則是愈簡單、愈可靠、成本愈低愈好。虛擬儀器labVIEW軟件界面1.3測試系統(tǒng)的組成（信號顯示）1.3.5信號顯示1指示式顯示2數(shù)字式顯示3屏幕顯示被測量數(shù)值大小由指示器或指針在標尺上的相對位置來表示直接以數(shù)字形式給出被測量的數(shù)值大小結(jié)合了上述兩種顯示方式的優(yōu)點，具有形象性和易于讀數(shù)的優(yōu)點

作用：顯示被測參量的瞬時值、累積值或其隨時間的變化情況

分類：1.3測試系統(tǒng)的組成（信號顯示）指示式顯示（模擬式顯示）1.3測試系統(tǒng)的組成（信號顯示）數(shù)字式顯示LED：亮度高、耐振動LCD：耗電省、集成度高1.3測試系統(tǒng)的組成（信號顯示）屏幕顯示1.3測試系統(tǒng)的組成（信號輸出）1.3.6信號輸出

作用：把測量值及時傳送給控制計算機、可編程控制器（PLC）或其它執(zhí)行器、打印機、記錄儀等，從而構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)或?qū)崿F(xiàn)打?。ㄓ涗洠┹敵?。測試系統(tǒng)常用的記錄設備有打印機、磁帶和記錄儀等。

1.4測試系統(tǒng)的分類顏色、透明度、磨損量、裂紋、泄露、表面質(zhì)量等電壓、電流、電功率、電阻、電容、頻率、磁場強度、磁通密度等

按被測參量分類溫度、熱量、比熱容、熱流、熱分布、壓力、壓差、真空度、流量、流速、物位、液位、界面等

氣體成分、液體成分、固體成分、酸堿度、鹽度、濃度、粘度、粒度、密度、比重等位移、形狀、力、應力、力矩、重量、質(zhì)量、轉(zhuǎn)速、線速度、振動、加速度、噪聲等

光強、光通量、光照度、輻射能量等

(1)按被測參量分類電工量熱工量機械量光學量物性和成分量狀態(tài)量1.4測試系統(tǒng)的分類

(2)按被測參量的測試轉(zhuǎn)換方法分類其它能/電轉(zhuǎn)換

聲/電轉(zhuǎn)換（超聲波式）、輻射能/電轉(zhuǎn)換（X射線式、射線式、射線式）、化學能/電轉(zhuǎn)換（各種化學轉(zhuǎn)換）等

光電轉(zhuǎn)換

光電式、激光式、紅外式、光柵、光導纖維式等電磁轉(zhuǎn)換

電阻式、應變式、壓阻式、熱阻式、電感式、互感式、電容式、阻抗式、磁電式、熱點式、壓電式、霍爾式、振頻式、感應同步器、磁柵等

1.4測試系統(tǒng)的分類(3)按使用性質(zhì)分類工業(yè)用表是長期適用于實際工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的測試儀表與系統(tǒng)實驗室表多用于各類實驗室中

標準表是專門用與精確計量、校準送驗樣品和樣機的標準儀器1.5測試系統(tǒng)的發(fā)展趨勢測試技術(shù)重要手段相關學科：物理、化學、數(shù)學、生物學、材料科學等等新的測試理論、方法和技術(shù)手段科學研究形成推動實驗研究和發(fā)展不斷拓展測量范圍，努力提高測試精度和可靠性1傳感器逐漸向集成化、組合式、數(shù)字化方向發(fā)展

2重視非接觸式測試技術(shù)研究

3測試系統(tǒng)智能化

、系統(tǒng)化、標準化4

測試系統(tǒng)虛擬化、網(wǎng)絡化

5第一章、緒論1、傳感器方面

a)利用新發(fā)現(xiàn)的材料和新發(fā)現(xiàn)的生物、物理、化學效應開發(fā)出的新型傳感器光纖流速傳感器熒光材料制作的電子鼻傳感器生物酶血樣分析傳感器熱/光電量第一章、緒論b)傳感器+嵌入式計算機智能傳感器振動網(wǎng)絡傳感器嵌入式計算機智能壓力網(wǎng)絡傳感器智能傾角RS232傳感器IC總線數(shù)字溫度傳感器2、測量信號處理方面1965年，美國庫利和圖基提出了快速傅里葉變換（FFT）計算方法，使計算離散傅里葉變換（DFT）的復數(shù)乘法次數(shù)從N2減少到Nlog2N次，從而大大減少了計算量。1968年美國雷德提出數(shù)論變換FFT算法（NFFT）；1976年美國威諾格蘭德提出了一種傅里葉變換算法（WFTA），用它計算DFT所需的乘法次數(shù)僅為FFT算法乘法次數(shù)的1/3；1977年法國努斯鮑默提出了一種多項式變換傅里葉變換算法（PFTA