測試系統(tǒng)的構成課件

機械工程測試技術

(傳感器與測試技術基礎)TestTechnologyofMechanicalEngineering

(BaseofSensors&TestTechnology)(Tel:)參考書目：

1.周傳德.

傳感器與測試技術.重慶大學出版社,2009.62.熊詩波.機械工程測試技術基礎.機械工業(yè)出版社，2007.13.黃長藝.機械工程測試技術基礎.機械工業(yè)出版社，1995.104.秦樹人.機械測試系統(tǒng)原理與應用.科學出版社，2005.95.秦樹人.機械工程測試原理與技術.重慶大學出版社，2002.8

6.盧文祥.機械工程測試·信息·信號分析.華中科技大學出版社

實驗指導書：

二、教學基本要求（一）掌握機械測試理論及信號分析方法。（二）熟悉常用傳感器的基本特性、使用特點，能正確選用傳感器。（三）了解常用機械量的測試方法。學習要求：1．作業(yè)：（2次），占10%；2．實驗：（4次，實驗操作+實驗報告），占20%；3．考試：（閉卷），占70%。課程主要內容－理論部分

本課程主要介紹機械工程領域中常見的物理量(壓力、應變、位移、振動、溫度等）的（傳感器）測量原理、測量電路原理和信號分析方法。測試系統(tǒng)的構成

信號調理數(shù)字信號處理噪聲測試

信號分析基礎

測試系統(tǒng)的基本特征傳感器原理與應用振動測試

計算機測試系統(tǒng)機械參量測試第1章測試系統(tǒng)的構成本章學習要求1、掌握測試的概念，測試系統(tǒng)的基本組成；2、理解測試技術的發(fā)展趨勢和在工業(yè)中的應用；3、了解機械工程測試技術的研究內容和性質，課程學習的方法和要求。生活中的測試例子重量，長度，溫度，濕度，三表（電，水，氣）……汽車監(jiān)測點：50——100

飛機監(jiān)測點：3000航天飛行器監(jiān)測點：5000沒有測量就沒有科學——門捷列夫

諾貝爾物理獎，化學獎中1/4屬于測試方法和測試儀器的創(chuàng)新?！皟蓮椧恍恰钡某晒Γ瑳]有測試儀器是不可能的。

生產中“沒有測試，就沒有新產品”。大規(guī)模集成電路的生產成本中，測量成本已超過50%互相關函數(shù)為Rxy(τ)，描述了兩個信號間或信號自身不同時刻的相似程度?；ハ嚓P函數(shù)

相關原理測速原理如圖所示。沿運動物體速度方向相隔一定距離安裝兩個傳感器S1和S2如圖（a），通過S1、S2獲得運動物體的表面特征信號如圖（b）中的S1(t)和S2(t)。帶速：

求渡越時間t0，需作S1(t)和S2(t)的互相關函數(shù)，代入理想情況下S2(t)=S1(t-t0)的關系，有：在τ等于渡越時間t0時，互相關函數(shù)R取得最大值。輸出轉矩輸入功率輸出功率傳動效率1、測量（measurement）

指確定被測對象屬性量值為目的的全部操作。2、測試（measurementandtest）包含了測量(Measurement)和試驗(Test:信號分析)兩方面的含義。是指具有試驗性質的測量，或測量與試驗的綜合。3、機械工程測試的對象機械系統(tǒng)(包括各種機械零件、機構和部件)及其組成部分(包括與機械系統(tǒng)有關的電路、電氣等)。4、測試過程（1）了解和分析測試對象的特征，明確測試目的；（2）選用專門的儀器設備；（3）設計合理的實驗方法；（4）進行必要的數(shù)據(jù)處理，獲取被測對象的有關信息的量值。5、測試的基本任務（1）提供被測對象（如產品）的質量依據(jù)；（2）提供機械工程設計、制造、研究所需的數(shù)據(jù)；（3）分析研究各種因素間的相互關系和影響；（4）監(jiān)測設備運行過程和設備故障診斷；（5）許多工程問題在理論上尚不完善，可通過測試數(shù)據(jù)去發(fā)現(xiàn)和研究其規(guī)律性。

1、非電信號

隨時間變化的力、位移、速度、加速度、流量、溫度、應力等屬于非電信號；

2、電信號(electricalsignal)

隨時間變化的電流、電壓等則屬于電信號。非電信號和電信號可以借助于換能器裝置相互轉換。

二、相關的基本概念交通信號燈信息信號信息的載體是光信號紅燈亮黃燈亮綠燈亮停止通行注意單自由度振動系統(tǒng)

Xo－幅值，ω

－頻率，φ0－初相位。信號信息解方程三、測量的基本方法（1）直接測量

無需經過函數(shù)關系的計算，直接通過測量儀器得到被測量值的測量為直接測量。

(將被測量與與標準量進行比較，得到測量結果)

例：

⊙天平測物體質量

⊙用米尺測量物體長度

⊙歐姆表測量導體的電阻1、直接測量、間接測量和組合測量（2）間接測量

待測量與其他量有確定的函數(shù)關系，可以先測其他量，然后再通過已知的函數(shù)關系求得待測量，這種方法稱為間接測量法。

例：

⊙水銀溫度計測體溫⊙彈簧測物體的重量

⊙測導線的導電率ρ：（阿基米德測量皇冠的比重）

又例如，為了測量一臺發(fā)動機的輸出功率，必須首先測出發(fā)動機的轉速n及輸出轉矩M，通過公式P＝Mn可計算出其功率值。（3）組合測量

若被測量必須經過求解聯(lián)立方程組,才能得到最后結果,則稱這樣的測量為組合測量。組合測量是一種特殊的精密測量方法,操作手續(xù)復雜,花費時間長,多用于科學實驗或特殊場合。（1）接觸測量

接觸測量的敏感元件在一定測量力的作用下，與被測物體直接接觸。2、接觸測量、非接觸測量（2）非接觸測量

非接觸測量敏感元件與被測對象不發(fā)生機械接觸。雷達測速（1）離線測量

3、離線測量、在線測量產品質量檢驗（2）在線測量

在流水線上，邊加工，邊檢驗，可提高產品的一致性和加工精度。四、測試系統(tǒng)的組成1、測試系統(tǒng)的一般構成試驗裝置測量裝置數(shù)據(jù)處理顯示記錄裝置被測量1、激勵裝置(excitingdevice)：通過激勵裝置作用于被測對象，使之產生出我們要獲取的信號。2、傳感器(sensor)：是將被測信號轉換成某種電信號的器件。3、信號調理(signalconditioning)：把來自傳感器的信號轉換成更適合于進一步傳輸和處理的形式。這種信號的轉換，多數(shù)是電信號之間的轉換，如幅值放大、調制處理和濾波處理等。4、信號處理(signalprocessing)：對來自信號調理環(huán)節(jié)的信號進行各種運算和分析。5、信號顯示(display)、記錄(record)環(huán)節(jié)：是將來自信號處理環(huán)節(jié)的信號以觀察者易于觀察的形式來顯示或存貯測試的結果。6、反饋(feedback)、控制(control)環(huán)節(jié)：主要用于閉環(huán)控制系統(tǒng)中的測試系統(tǒng)。測試系統(tǒng)實例：振動教學實驗系統(tǒng)打開視頻：振動測試實驗裝置2、測試系統(tǒng)中的傳感器

傳感器是借助于檢測元件接收一種形式的信息，并按一定的規(guī)律將所獲取的信息轉換成另一種信息的裝置。傳感器轉換后的信號大多為電信號。從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉換成電信號的裝置。傳感器輸出與輸入有一定的對應關系,且應有一定的精確度。在自動控制(autocontrol)領域中，自動化程度越高，控制系統(tǒng)對傳感器的依賴性就越大，因此，傳感器對控制系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮起著決定性的作用。物理量電量常見的傳感器

測試系統(tǒng)可以簡化為處理輸入/激勵(input/excitation)x(t)、系統(tǒng)的傳輸特性(transfer

characteristics)h(t)和輸出/響應output/response)y(t)三者之間的關系。x(t)測試系統(tǒng)h(t)y(t)例如：3、測試系統(tǒng)分析中的三類問題3)預測問題(forecast)：如果輸入和系統(tǒng)特性已知，則可以推斷和估計系統(tǒng)的輸出量。

1)系統(tǒng)辨識(systemidentification)：當輸入、輸出是可測量的(已知)，可以通過它們推斷系統(tǒng)的傳輸特性。2)反求問題：當系統(tǒng)特性已知，輸出可測量，可以通過它們推斷導致該輸出的輸入量。五、測試技術的工程應用

在工程領域，科學實驗、產品開發(fā)、生產監(jiān)督、質量控制等，都離不開測試技術。測試技術應用涉及到航天、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(industrialautomation)中的應用

1)機械手、機器人中的傳感器

轉動/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。

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，是其重要的組成部分。密歇根大學的機械手裝配模型廣州中鳴數(shù)碼的機器狗2)AGV(AutomatedGuidedVehicles)自動送貨車

超聲波測距傳感器，判斷建筑物內人和物所在位置；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。香港理工大學AGV模型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，生產線上設備運行狀態(tài)關系到整個生產線流程。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)青山熱電廠生產信息實時查詢系統(tǒng)沙角電廠生產信息實時查詢系統(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)汽輪壓縮機組工況監(jiān)視與故障診斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)的管理 定時保存最近三天的機組原始監(jiān)測數(shù)據(jù)、當天的機組運行趨勢數(shù)據(jù)、至少一年的歷史趨勢數(shù)據(jù)。狀態(tài)識別 通過振動峰-峰值或各分頻幅值給出顏色，指明異常振動測點信號分析與處理

啟停過程分析：Bode圖，三維瀑布圖，軸心軌跡 時域分析：時域波形，軸心軌跡，振動棒圖，自相關函數(shù)，互相關函數(shù)，趨勢分析等； 頻域分析：FFT分析，互譜分析，倒譜分析等 事故停機聯(lián)鎖信號分析七大主要功能：報警與門限值 峰-峰值報警 譜峰報警趨勢分析與預報

峰-峰值趨勢分析與預報 各主要分頻和倍頻幅值趨勢分析與預報打印功能

打印各種分析圖形系統(tǒng)運行參數(shù)及監(jiān)視方式的編輯 對啟停采樣轉速間隔、采樣時間間隔、傳感器靈敏度系數(shù)、報警門限等進行修改或重新設置，適應不同的應用場合3、產品質量(productquality)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)動機轉速等。通過對抽樣汽車的測試，工程師可以了解產品質量。汽車扭距測量4、樓宇控制與安全防護

為使建筑物成為安全、健康、舒適、溫馨的工作生活環(huán)境，并能保證系統(tǒng)運行的經濟性和管理的智能化。在樓宇中應用了許多測試技術，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5、家庭與辦公自動化(officeautomation,OA)

在家電產品和辦公自動化產品中，人們大量的應用了傳感器和測試技術來提高產品性能和質量。全自動洗衣機中的傳感器：衣物重量傳感器，衣質傳感器，水溫傳感器，水質傳感器，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:速度,位置伺服6、PC(PersonalComputer)機中的測試技術應用7、其他應用航天農業(yè)交通醫(yī)學六、測試技術的發(fā)展趨勢硬件化儀器軟件化儀器單參量測試系統(tǒng)多參量測試系統(tǒng)單機測試系統(tǒng)分布式測試系統(tǒng)網(wǎng)絡儀器、虛擬儀器二十世紀四十年代二十世紀九十年代二十世紀七十年代二十世紀末模擬儀器數(shù)字儀器智能儀器虛擬儀器測試儀器的發(fā)展歷程digitalinstrumentintelligentinstrumentanaloginstrumentvirtualinstrument虛擬儀器技術(VI,VirtualInstrument)

用計算機軟件(software)代替硬件(hardware)分析電路我們的工作模擬示波器數(shù)字示波器

虛擬示波器演示1、記憶示波器newwave2、示波器原理及應用仿真實驗3、隨機信號分析儀－LabVIEW4、VMIDS虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)七、測試標準體系

1、測試標準體系的主要功能和作用

利用測試的有關國家標準、部門標準、行業(yè)標準就可以說明我們的測試結果，從而提取所需要的信息。（1）統(tǒng)一全國的術語、符號、標志、信息分類編碼及技術制圖等，為各個行業(yè)提供準確一致的技術語言。（2）統(tǒng)一規(guī)定涉及到國計民生