機械工程測試技術(shù)-緒論

測試技術(shù)與應(yīng)用主講：張雪松中原工學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院緒論第一節(jié)測試技術(shù)概況第二節(jié)測量的基礎(chǔ)知識緒論一、測試和測量系統(tǒng)

測試技術(shù)是測量和試驗技術(shù)的統(tǒng)稱。本書主要內(nèi)容是測量技術(shù)和儀器。

試驗是機械工程基礎(chǔ)研究、產(chǎn)品設(shè)計和研發(fā)的重要環(huán)節(jié)。在現(xiàn)代機電設(shè)備的研發(fā)和創(chuàng)新設(shè)計、老產(chǎn)品改造以及機電產(chǎn)品全壽命的各個過程的研究中，試驗研究是不可缺少的環(huán)節(jié)。在工程試驗中，需要進行各種物理量的測量，以得到準(zhǔn)確的定量結(jié)果。機器和生產(chǎn)過程的運行監(jiān)測、控制和故障診斷也需要在線測量。測量系統(tǒng)大多就是機器和生產(chǎn)線的重要組成部分。第一節(jié)測試技術(shù)概況第一節(jié)測試技術(shù)概況第一節(jié)測試技術(shù)概況靜態(tài)測量是指不隨時間變化的物理量的測量。例如機械制造中通過被加工零件的尺寸測量，試圖得到制成品的尺寸和形位誤差。動態(tài)測量是指隨時間變化的物理量的測量。也是本書的主要研究對象。工程測量可分為靜態(tài)測量和動態(tài)測量。在產(chǎn)品開發(fā)或其他目的試驗中，一般要在被測對象運行過程中或試驗激勵下，測量或記錄各種隨時間變化的物理量，通過隨后的進一步處理或分析，得到所要求的定量的試驗結(jié)果。在運行監(jiān)測或控制系統(tǒng)中，實時測量的各種時間變量則用于過程參數(shù)監(jiān)視、故障診斷或者作為控制系統(tǒng)的控制、反饋變量。

圖0-1中實驗及各種過程中的物理量真值、變量或測量值，若隨時間變化，通常稱為信號。第一節(jié)測試技術(shù)概況圖0-1系統(tǒng)的用途不同的用途對測量過程和結(jié)果的要求也不同，例如在反饋控制系統(tǒng)中，可能要求測量系統(tǒng)的輸出以很小的滯后（理想的情況是沒有滯后）不失真地跟蹤以一定速率變化的被測物理量。如果只要求不失真地測量和顯示物理量變化過程，則對滯后就沒有要求。因此，不同的用途和要求,測量系統(tǒng)的組成環(huán)節(jié)及其構(gòu)成方式也不同。a)產(chǎn)品開發(fā)與工程試驗過程b)過程與系統(tǒng)控制c)監(jiān)測與診斷第一節(jié)測試技術(shù)概況圖0-2測量系統(tǒng)的一般構(gòu)成圖0-2中被測物理量（或信號）作為測量系統(tǒng)的輸入，它經(jīng)傳感器變成可作進一步處理的電量，經(jīng)信號調(diào)理（放大、濾波、調(diào)制解調(diào)等）后，可以通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號，從而得到數(shù)字化的測量值，將其送入計算機（或儀器控制系統(tǒng)）進行分析與存儲，用于各種用途。

模擬信號是泛指隨時間連續(xù)變化的物理信號（各種隨時間變化的物理量），經(jīng)傳感器變換后成為電信號，但同樣還是模擬信號。這種信號在時間上是連續(xù)的，可以取任意時間值；在幅值（大?。┥弦彩沁B續(xù)的，即可以得到任意的合量值。

數(shù)字量雖然也表示隨時間變化的物理量，但在時間和幅值上都是離散的，亦即只能得到一定間隔的離散的時間和物理量序列，而幅值的變化也不是連續(xù)的，而是以某個最小量（最小量化電平）的個數(shù)來表示。

一般傳感器的輸出（經(jīng)或未經(jīng)信號調(diào)理）是模擬量，而只有數(shù)字量才能被計算機所接受，才能進行各種數(shù)字計算或處理。由模擬量到數(shù)字量必須通過圖中所示的“數(shù)字化”處理，即“模/數(shù)轉(zhuǎn)換”。第一節(jié)測試技術(shù)概況現(xiàn)代生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)研究對測試技術(shù)的需求極大地推動了測試技術(shù)的發(fā)展，而現(xiàn)代物理學(xué)、信息科學(xué)、計算機科學(xué)、電子與微機械電子科學(xué)與技術(shù)的迅速發(fā)展又為測試技術(shù)的發(fā)展提供了技術(shù)支持，從而促使測試技術(shù)在近20年來得到極大的發(fā)展和廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)代工程測試技術(shù)與儀器的發(fā)展主要表現(xiàn)在以下方面:二、測試技術(shù)的發(fā)展概況第一節(jié)測試技術(shù)概況1.新原理新技術(shù)在測試技術(shù)中的應(yīng)用各種物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、微電子技術(shù)，甚至生物學(xué)原理在工程測量中得到廣泛應(yīng)用,使得可測量的范圍在不斷擴大，測量精度和效率得到很大提高。第一節(jié)測試技術(shù)概況例如在振動速度測量中，激光多普勒原理的應(yīng)用，使得不可能安裝傳感器進行測量的計算機硬盤讀寫臂與磁盤片等輕小構(gòu)件的振動測量成為可能。使用自動定位掃描激光束，使得大型客機機翼、轎車車身等大型物體的多點振動測量達到很高的效率，只需幾分鐘時間就可完成數(shù)百點的振動速度測量；高達10MHz以上采樣頻率的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實現(xiàn)伴隨金屬構(gòu)件裂紋發(fā)生與發(fā)展的脈沖聲發(fā)射信號的采集。類似的例子不勝枚舉。

利用新發(fā)現(xiàn)的材料和新發(fā)現(xiàn)的生物、物理、化學(xué)效應(yīng)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/光電量第一節(jié)測試技術(shù)概況2.新型傳感器的出現(xiàn)隨著人造晶體、電磁、光電、半導(dǎo)體與其他功能新材料的出現(xiàn)，微電子和精密、微細加工技術(shù)的發(fā)展，作為工程測量技術(shù)基礎(chǔ)的傳感器技術(shù)得到迅速發(fā)展。這種發(fā)展包括新型傳感器的出現(xiàn)、傳感器性能的提高及功能的增強、集成化程度的提高以及小型、微型化等。微電子技術(shù)的發(fā)展有可能把某電路乃至微處理器和傳感測量部分集成為一體，而使傳感器具有放大、校正、判斷和某些信號處理功能，組成所謂的“智能傳感器”。振動網(wǎng)絡(luò)傳感器嵌入式計算機智能壓力網(wǎng)絡(luò)傳感器第一節(jié)測試技術(shù)概況3.計算機測試系統(tǒng)與虛擬儀器的應(yīng)用傳感器網(wǎng)絡(luò)及儀器總線技術(shù)、Intemet網(wǎng)與遠程測試、測試過程與儀器控制技術(shù),以及虛擬儀器及其編程語言等的發(fā)展都是現(xiàn)代工程測試技術(shù)發(fā)展的重要方面。用PC機＋儀器板卡→代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器用計算機軟件→代替硬件分析電路我們的工作第一節(jié)測試技術(shù)概況測試技術(shù)在日常生活中的應(yīng)用與日俱增家用電器：數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機：自動對焦---紅外測距傳感器數(shù)字體溫計：接觸式---熱敏電阻，非接觸式---紅外傳感器自動感應(yīng)燈：亮度檢測---光敏電阻空調(diào)、冰箱、電飯煲：溫度檢測---熱敏電阻、熱電偶電話、麥克風(fēng)：話音轉(zhuǎn)換---駐極電容傳感器遙控接收：紅外檢測---光敏二極管、光敏三極管辦公商務(wù)：可視對講、可視電話：圖像獲取---面陣CCD掃描儀：文檔掃描---線陣CCD紅外傳輸數(shù)據(jù)：紅外檢測---光敏二極管、光敏三極管醫(yī)療衛(wèi)生：電子血壓計：血壓檢測---壓力傳感器血糖測試儀、膽固醇檢測儀---離子傳感器第一節(jié)測試技術(shù)概況四、課程的主要環(huán)節(jié)和本書概要

本課程的研究對象是機械工程領(lǐng)域與設(shè)計有關(guān)的試驗、控制和運行監(jiān)測中涉及到物理量及其他工程量的測量和測量裝置與系統(tǒng)的性能，包括物理量和其他工程量的測量方法測試中常用的傳感器信號調(diào)理電路及記錄顯示儀器的工作原理測量裝置基本特性的評價方法測試信號的分析和處理第一節(jié)測試技術(shù)概況學(xué)生在學(xué)完本課程后應(yīng)具有下列幾方面的知識：

1)掌握信號的時域和頻域的描述方法，建立明確的信號頻譜結(jié)構(gòu)的概念；掌握頻譜分析和相關(guān)分析的基本原理和方法，掌握數(shù)字信號分析中的一些基本概念。

2)掌握測試裝置基本特性的評價方法和不失真測試條件，并能正確地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)特性及其測定方法。3)了解常用傳感器、常用信號調(diào)理電路和記錄、顯示儀器的工作原理和性能，并能較合理地選用。4)對動態(tài)測試的基本問題有一個比較完整的概念，并能初步運用于機械工程中某些參量的測量和產(chǎn)品的試驗。第一節(jié)測試技術(shù)概況在機械（或機電）系統(tǒng)試驗、控制和運行監(jiān)測中，需要測量各種物理量（或其它工程參量）及其隨時間變化的特性。這種測量需通過各種測量裝置和測量過程來實現(xiàn)。

測量裝置和過程在總體上需滿足什么樣的要求，才能準(zhǔn)確測量到這些物理量及其隨時間的變化是我們關(guān)心的問題。

為使測量結(jié)果具有普遍的科學(xué)意義需具備一定的條件：

首先，測量過程是被測量的量與標(biāo)準(zhǔn)或相對標(biāo)準(zhǔn)量的比較過程。作為比較用的標(biāo)準(zhǔn)量值必須是已知的，且是合法的，才能確保測量值的可信度及保證測量值的溯源性。

其次，進行比較的測量系統(tǒng)必須進行定期檢查、標(biāo)定，以保證測量的有效性、可靠性，這樣的測量才有意義。第二節(jié)測量的基礎(chǔ)知識第二節(jié)測量的基礎(chǔ)知識一、量與量綱

量是指現(xiàn)象、物體或物質(zhì)可定性區(qū)別和定量確定的一種屬性。不同類的量彼此可以定性區(qū)別，如長度與質(zhì)量是不同類的量。

同一類中的量之間是以量值大小來區(qū)別的。

1.量值

量值是用數(shù)值和計量單位的乘積來表示的。它被用來定量地表達被測對象相應(yīng)屬性的大小，如3.4m、15kg、40℃等。其中，3.4、15、40是量值的數(shù)值。顯然，量值的數(shù)值就是被測量與計量單位之比值。

第二節(jié)測量的基礎(chǔ)知識3.量綱和量的單位

“量綱”代表一個實體(被測量)的確定特征，而量綱單位則是該實體的量化基礎(chǔ)。例如，長度是一個量綱，而厘米則是長度的一個單位；時間是一個量綱，而秒則是時間的一個單位。

一個量綱是惟一的，然而一種特定的量綱——比如說長度——則可用不同的單位來測量，如英尺、米、英寸或英里等等。

2.基本量和導(dǎo)出量

在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中存在著許許多多的量，它們彼此有關(guān)。為此專門約定選取某些量作為基本量，而其他量則作為基本量的導(dǎo)出量。量的這種特定組合稱為量制。在量制中，約定地認為基本量是相互獨立的量，而導(dǎo)出量則是由基本量按一定函數(shù)關(guān)系來定義的。第二節(jié)測量的基礎(chǔ)知識在國際單位（SI）制中，基本量約定為：長度、質(zhì)量、時間、溫度、電流、發(fā)光強度和物質(zhì)的量等七個量。它們的量綱分別為：L、M、T、θ、I、N和J表示。導(dǎo)出量的量綱可用基本量量綱的冪和乘積來表示。例如，導(dǎo)出量—力的量綱是LMT-2，電阻的量綱是L2MT-3I-2。工程上會遇到無量綱量，其量綱中的冪都為零，實際上它是一個數(shù)?；《龋╮ad）就是這種量。第二節(jié)測量的基礎(chǔ)知識二、法定計量單位

1．基本單位根據(jù)國際單位制(SI)，七個基本量的單位分別是：長度——米(Metre)、質(zhì)量——千克(Kilogram)、時間——秒(Second)、溫度——開爾文(Kelvn)、電流——安培(Ampere)、發(fā)光強度——坎德拉(Candela)、物質(zhì)的量——摩爾(mol)。它們的單位代號分別為：米(m)、千克(kg)、秒(s)、開(K)、安(A)、坎(cd)、摩(mol)。第二節(jié)測量的基礎(chǔ)知識

法定計量單位是強制性的，各行業(yè)、各組織都必須遵照執(zhí)行，以確保單位的一致。我國的法定計量單位是以國際單位制（SI）為基礎(chǔ)并選用少數(shù)其他單位制的計量單位組成的。國際單位制(SI)的基本單位的定義為：

米(m)是光在真空中，在1/299792458s的時間間隔內(nèi)所經(jīng)路程的長度。千克(kg)是質(zhì)量單位，等于國際千克原器的質(zhì)量。秒(s)是銫-133原子基態(tài)的兩個超精細能級間躍遷對應(yīng)的輻射9192631770個周期的持續(xù)時間。安(A)是電流單位。在真空中，兩根相距1m的無限長、截面積可以忽略的平行圓直導(dǎo)線通過等量恒定電流時，若導(dǎo)線間相互作用力在每米長度上為2×10-7N，則每根導(dǎo)線中的電流為1A。開爾文(K)是熱力學(xué)溫度單位，等于水的三相點熱力學(xué)溫度1/273.16。摩爾(mol)是一系統(tǒng)的物質(zhì)的量，該系統(tǒng)中所包含的基本單元與0.012kg碳-12的原子數(shù)目相等。使用摩爾時，基本單元可以是原子、分子、離子、電子及其他粒子，或是這些粒子的特定組合?？驳吕?cd)是一光源在給定方向上的發(fā)光強度，該光源發(fā)出頻率為540×1012Hz的單色輻射，且在此方向上的輻射強度為1/683W/sr。第二節(jié)測量的基礎(chǔ)知識2．輔助單位在國際單位制中，平面角的單位——弧度和立體角的單位——球面度未歸入基本單位或?qū)С鰡挝?，而稱之為輔助單位。輔助單位既可以作為基本單位使用，又可以作為導(dǎo)出單位使用。它們的定義如下：弧度（rad）是一個圓內(nèi)兩條半徑在圓周上所截取的弧長與半徑相等時，它們所夾的平面角的大小。

球面度（Sr）是一個立體角，其頂點位于球心，而它在球面上所截取的面積等于以球半徑為邊長的正方形面積。

3．導(dǎo)出單位在選定了基本單位和輔助單位之后，按物理量之間的關(guān)系，由基本單位和輔助單位以相乘或相除的形式所構(gòu)成的單位稱為導(dǎo)出單位。第二節(jié)測量的基礎(chǔ)知識三、測量、計量、測試

測量：以確定被測對象的量值為目的而進行的實驗過程。

計量：如果測量涉及實現(xiàn)單位統(tǒng)一和量值準(zhǔn)確可靠則被稱為計量。研究測量、保證測量統(tǒng)一和準(zhǔn)確的科學(xué)被稱為計量學(xué)。計量一詞只用做某些專門術(shù)語的限定語，如計量單位、計量管理、計量標(biāo)準(zhǔn)等。所組成的新術(shù)語都與單位統(tǒng)一和量值準(zhǔn)確可靠有關(guān)。

測試：指具有試驗性質(zhì)的測量，或測量和試驗的綜合。一個完整的測量過程必定涉及到被測對象、計量單位、測量方法和測量誤差。它們被稱為測量四要素。第二節(jié)測量的基礎(chǔ)知識四、基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)

基準(zhǔn)：是用來保存、復(fù)現(xiàn)計量單位的計量器具。它是具有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)所能達到的最高準(zhǔn)確度的計量器具?；鶞?zhǔn)通常分為國家基準(zhǔn)、副基準(zhǔn)和工作基準(zhǔn)三種等級。它們所處的位置是逐級降低的。

計量標(biāo)準(zhǔn)：是指用于檢定工作計量器具的計量器具。工作計量器具是指用于現(xiàn)場測量而不用于檢定工作的計量器具。一般測量工作中使用的絕大部分就是這一類計量器具。第二節(jié)測量的基礎(chǔ)知識五、量值的傳遞和計量器具檢定

量值傳遞：通過對計量器具實施檢定或校準(zhǔn)，將國家基準(zhǔn)所復(fù)現(xiàn)的計量單位量值經(jīng)過各級計量標(biāo)準(zhǔn)傳遞到工作計量器具，以保證被測對象量值的準(zhǔn)確和一致。

計量器具檢定：是指為評定計量器具的計量特性，確定其是否符合法定要求所進行的全部工作。所有的計量器具都必須實施相應(yīng)的檢定。第二節(jié)測量的基礎(chǔ)知識六、測量方法

1.直接測量第二節(jié)測量的基礎(chǔ)知識

測量的基本形式是比較，即將被測量與標(biāo)準(zhǔn)量進行比對?？筛鶕?jù)測量的方法、手段、目的、性質(zhì)等對測量進行分類。這里僅介紹常見的按測量值獲得的方法進行分類，把測量分為直接測量、間接測量和組合測量。

指無需經(jīng)過函數(shù)關(guān)系的計算，直接通過測量器具的測量得到被測值的測量。如溫度計測水溫、卷尺測量靶距等。根據(jù)被測量與標(biāo)準(zhǔn)量的量綱是否一致，直接測量可分為直接比較和間接比較。直接比較是直接把被測物理量和標(biāo)準(zhǔn)量作比較的測量方法。如卷尺測量靶距，利用惠斯通電橋來比較兩只電阻的大小等。直接比較的一個顯著特點是待測物理量和標(biāo)準(zhǔn)量是同一物理量。

間接比較則是利用儀器把原始形態(tài)的待測物理量的變化變換成與之保持已知函數(shù)關(guān)系的另一種物理量的變化，并以人的感官所能接受的形式在測量儀器上顯示出來。例如用水銀溫度計測體溫是根據(jù)水銀熱脹冷縮的物理規(guī)律，事先確定水銀柱的高度和溫度之間的函數(shù)關(guān)系，從而可以用水銀柱的高度作為被測溫度的度量。這里是通過熱脹冷縮的規(guī)律把溫度的高低轉(zhuǎn)化為水銀柱的高度，然后根據(jù)水銀柱高度間接得出被測溫度的大小。第二節(jié)測量的基礎(chǔ)知識直接測量按測量條件不同又可分為等精度（等權(quán)）直接測量和不等精度（不等權(quán)）直接測量兩種。對某被測量進行多次重復(fù)直接測量，如果每次測量的儀器、環(huán)境、方法和測量人員都保持一致或不變則稱之為等精度測量。若測量中每次測量條件不盡相同，則稱之為不等精度測量。第二節(jié)測量的基礎(chǔ)知識2.間接測量如測導(dǎo)線的導(dǎo)電率ρ：指在直接測量值的基礎(chǔ)上，根據(jù)已知函數(shù)關(guān)系，計算出被測量的量值的測量。如通過測定某段時間內(nèi)火車運動的距離來計算火車運動的平均速度就屬于間接測量。3.組合測量

指將直接測量值或間接測量值與被測量值之間按已知關(guān)系組合成一組方程(函數(shù)關(guān)系)，通過解方程組得到被測值的方法。組合測量實質(zhì)是間接測量的推廣，其目的就是在不提高計量儀器準(zhǔn)確度的情況下，提高被測量值的準(zhǔn)確度。第二節(jié)測量的基礎(chǔ)知識七、測量裝置

測量裝置(測量系統(tǒng))是指為了確定被測量值所必需的器具和輔助設(shè)備的總體。1．傳感器它是直接作用于被測量，并能按一定規(guī)律將被測量轉(zhuǎn)換成同種或別種量值輸出的器件。2．測量變換器

提供與輸入量有給定關(guān)系的輸出量的測量器件。顯然，當(dāng)測量變換器的輸入量為被測量時，該測量變換器實際上就是傳感器；反過來，傳感器也就是第一級的測量變換器。當(dāng)測量變換器的輸出量為標(biāo)準(zhǔn)信號時，它就被稱為變送器。在自動控制系統(tǒng)中，經(jīng)常用到變送器。3．檢測器用以指示某種特定量的存在而不必提供量值的器件或物質(zhì)。在某些情況下，只有當(dāng)量值達到規(guī)定的閾值時才有指示。化學(xué)試紙就是一種檢測器。4．測量器具的示值由測量器具所指示的被測量值。示值用被測量的單位表示。第二節(jié)測量的基礎(chǔ)知識5．準(zhǔn)確度等級用來表示測量器具的等級或級別。每一等級的測量器具都有相應(yīng)的計量要求，用來保持其誤差在規(guī)定極限以內(nèi)。6.標(biāo)稱范圍

也稱為示值范圍。測量器具標(biāo)尺范圍所對應(yīng)的被測量示值的范圍。例如溫度計的標(biāo)尺范圍的起點示值為-30℃，終點示值為+20℃，其標(biāo)稱范圍即為-30～+20℃。7．量程

標(biāo)稱范圍的上下限之差的模。上例的量程就是50℃。8．測量范圍

在測量器具的誤差處于允許極限內(nèi)的情況下，測量器具所能測量的被測量值的范圍。9．漂移

測量器具的計量特性隨時間的慢變化。第二節(jié)測量的基礎(chǔ)知識x=x–x0八、測量誤差

1、測量誤差的定義：測量誤差=測得值-真值