機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)（第3版）課件：機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)

機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)MeasurementTechnologyinMechanicalEngineering

緒論內(nèi)容概要1.1課程的目的及意義1.2測(cè)試方法的分類與系統(tǒng)組成1.3測(cè)試技術(shù)的發(fā)展1.4本課程的研究內(nèi)容重點(diǎn)：掌握測(cè)試系統(tǒng)的組成與測(cè)試技術(shù)的發(fā)展1.1課程的目的及意義相關(guān)術(shù)語測(cè)量與測(cè)試

測(cè)量MEASUREMENT：用以確定被測(cè)物屬性量值為目的的全部操作。按照一定規(guī)則，給事物的屬性指派量值（數(shù)字或符號(hào)）的過程。測(cè)量的三個(gè)要素：①事物及其屬性——測(cè)量的對(duì)象或目標(biāo)。

如：身體的溫度、桌子的高度、汽車的速度、位移的大小等。②指派數(shù)字或符號(hào)——某一事物或事物的某一屬性的量。

如：37度、0.75米、80公里/小時(shí)、5毫米等③法則、標(biāo)準(zhǔn)——測(cè)量所依據(jù)的規(guī)則和方法。

如：標(biāo)準(zhǔn)的溫度計(jì)、量尺、雷達(dá)測(cè)速器、位移計(jì)等

測(cè)試TEST：具有試驗(yàn)性質(zhì)的測(cè)量——測(cè)量和試驗(yàn)的綜合。

測(cè)試和測(cè)量緊密相關(guān)，實(shí)際使用中往往不加嚴(yán)格區(qū)分。1.1課程的目的及意義實(shí)驗(yàn)和試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)：為了檢驗(yàn)?zāi)撤N科學(xué)理論或假設(shè)而進(jìn)行某種操作或從事某種活動(dòng)；試驗(yàn)：為了察看某事的結(jié)果或某物的性能而從事某種活動(dòng)。

測(cè)試技術(shù)：Measurement&TestTechniques是指測(cè)試過程中所涉及的測(cè)試?yán)碚?、測(cè)試方法、測(cè)試設(shè)備等1.1課程的目的及意義測(cè)試的意義測(cè)試是科學(xué)研究的基本方法發(fā)現(xiàn)、表達(dá)與驗(yàn)證科學(xué)理論與規(guī)律測(cè)試技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)是三大信息技術(shù)測(cè)試是工程技術(shù)領(lǐng)域中一個(gè)重要的技術(shù)新工藝、新產(chǎn)品研制、生產(chǎn)均離不開測(cè)試裝備系統(tǒng)越先進(jìn)、自動(dòng)化和智能化程度越高、對(duì)測(cè)試技術(shù)要求越高測(cè)量成本已達(dá)到裝備成本的50%~70%

測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用：現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、基礎(chǔ)學(xué)科研究、宇宙開發(fā)、海洋探測(cè)、軍事國防、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、智能建筑、汽車、家用電器、生物工程、商檢質(zhì)檢、公共安全、甚至文物保護(hù)等。1.1課程的目的及意義機(jī)械產(chǎn)品中的應(yīng)用測(cè)試系統(tǒng)是大量高端裝備的靈魂一些裝備可以視為高性能傳感器的集合體“阿波羅10”溫度傳感器559個(gè)壓力傳感器140個(gè)信號(hào)傳感器501個(gè)遙控傳感器142個(gè)一架飛機(jī)需要3600只傳感器及其配套的監(jiān)測(cè)儀器一輛汽車需要30～150只傳感器及其配套的監(jiān)測(cè)儀器1.1課程的目的及意義工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用在各種自動(dòng)控制系統(tǒng)中，測(cè)試環(huán)節(jié)起著系統(tǒng)感官的作用，是其重要組成部分。a)機(jī)械手、機(jī)器人中的傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)/移動(dòng)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、熱覺傳感器等。b)AGV(AutomatedGuidedVehicle)自動(dòng)送貨車

超聲波測(cè)距傳感器判斷建筑物內(nèi)人和物所在位置；紅外線色彩傳感器識(shí)別運(yùn)動(dòng)軌跡和AGV小車位置；

條形碼傳感器識(shí)別貨品。1.1課程的目的及意義流程工業(yè)設(shè)備運(yùn)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(shè)備運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系到整個(gè)生產(chǎn)線流程。通常建立24小時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。石化企業(yè)輸油管道、儲(chǔ)油罐等壓力容器的破損和泄露檢測(cè)1.1課程的目的及意義產(chǎn)品質(zhì)量測(cè)量在汽車、機(jī)床等設(shè)備，電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等零部件出廠時(shí)，必須對(duì)其性能質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量和出廠檢驗(yàn)。

汽車出廠檢驗(yàn)原理框圖測(cè)量參數(shù)包括：潤滑油溫度、冷卻水溫度、燃油壓力及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等通過對(duì)抽樣汽車的測(cè)試，工程師可以了解產(chǎn)品質(zhì)量汽車扭距測(cè)量機(jī)床加工精度測(cè)量1.1課程的目的及意義樓宇控制與安全防護(hù)樓宇中應(yīng)用許多測(cè)試技術(shù)，如闖入監(jiān)測(cè)、空氣監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、電梯運(yùn)行狀況等。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(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和管理的智能化。樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)：電源管理、安全監(jiān)測(cè)、照明控制、空調(diào)控制、停車管理、水/廢水管理和電梯監(jiān)控?zé)熿F傳感器亮度傳感器紅外人體探測(cè)器1.1課程的目的及意義家庭與辦公自動(dòng)化在家電產(chǎn)品和辦公自動(dòng)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，人們大量的應(yīng)用了傳感器和測(cè)試技術(shù)來提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量。全自動(dòng)洗衣機(jī)中的傳感器：衣物重量傳感器、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(cè))等指紋傳感器透光率傳感器溫、濕度傳感器溫度傳感器1.1課程的目的及意義其它應(yīng)用航天農(nóng)業(yè)交通醫(yī)學(xué)1.1課程的目的及意義工廠實(shí)例：某工廠生產(chǎn)產(chǎn)品A,B,C，需要質(zhì)量檢驗(yàn)，檢測(cè)速度不同，必須進(jìn)行傳送帶速度檢測(cè)，以便對(duì)其進(jìn)行控制。要求:傳送帶的速度要在現(xiàn)場(chǎng)顯示出來，用于控制研究；精度和靈敏度要求不高，降低成本很重要。任務(wù):傳送帶速度檢測(cè)1.1課程的目的及意義傳感器的選擇顯示方式的選擇需要解決的問題后續(xù)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的效能分析交流旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)光電檢測(cè)器的光軸編碼器霍爾效應(yīng)傳感器動(dòng)圈式儀表示波器因此，本課程的目的就是：設(shè)計(jì)測(cè)試方案選擇測(cè)試儀器進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析1.2測(cè)試方法的分類與系統(tǒng)組成機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)——非電量測(cè)試技術(shù)非電量：位移、距離、脹差、...振動(dòng)的位移、速度、加速度、...應(yīng)力、壓力、摩擦力、...油溫、瓦溫、軸溫、氣溫、...轉(zhuǎn)速、鑒相...

在測(cè)試過程中，將被測(cè)的非電量通過相應(yīng)的傳感器變化為電信號(hào)，以便進(jìn)行傳輸、調(diào)理、分析處理和顯示記錄等。本課程主要以非電量測(cè)試技術(shù)為主！1.2測(cè)試方法的分類與系統(tǒng)組成測(cè)試方法分類按是否直接測(cè)定被測(cè)對(duì)象→按是否接觸測(cè)定被測(cè)對(duì)象

→按被測(cè)量是否隨時(shí)間變化→直接測(cè)量間接測(cè)量接觸測(cè)量非接觸測(cè)量靜態(tài)測(cè)量動(dòng)態(tài)測(cè)量1.2測(cè)試方法的分類與系統(tǒng)組成測(cè)試系統(tǒng)完成測(cè)試任務(wù)的傳感器、儀器和設(shè)備的總稱。轉(zhuǎn)速、振動(dòng)/位移傳感器＋測(cè)速、測(cè)振儀轉(zhuǎn)速控制/調(diào)節(jié)1.2測(cè)試方法的分類與系統(tǒng)組成一般測(cè)試系統(tǒng)的組成——四部分組成

典型組成：傳感器、信號(hào)調(diào)理、信號(hào)處理、顯示與記錄測(cè)試對(duì)象傳感器信號(hào)調(diào)理

電源數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理激勵(lì)系統(tǒng)信號(hào)處理顯示/記錄1.2測(cè)試方法的分類與系統(tǒng)組成傳感器一種能把特定的信息（物理、化學(xué)、生物）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)（通常是電信號(hào)）輸出的器件和裝置常用的渦流探頭＋前置器加速度傳感器力傳感器智能式壓力變送器1.2測(cè)試方法的分類與系統(tǒng)組成信號(hào)調(diào)理對(duì)（傳感器輸出的）信號(hào)進(jìn)行變換、隔離、濾波、放大、驅(qū)動(dòng)等，以便進(jìn)一步傳輸和處理。高阻輸入、低阻輸出規(guī)范輸出

B&K

測(cè)量放大器2525放大、自動(dòng)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1.2測(cè)試方法的分類與系統(tǒng)組成信號(hào)處理對(duì)來自信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)的信號(hào)，進(jìn)行各種運(yùn)算、分析，并輸出結(jié)果。模擬信號(hào)處理運(yùn)算：微分、積分、對(duì)數(shù)、V-I、I-V、V-F數(shù)字信號(hào)處理信號(hào)量化

編程處理：信號(hào)分析1.2測(cè)試方法的分類與系統(tǒng)組成顯示記錄以觀察者易于識(shí)別的形式來顯示測(cè)量的結(jié)果，或者將測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)。1.2測(cè)試方法的分類與系統(tǒng)組成自動(dòng)控制中的測(cè)試系統(tǒng)

將測(cè)量結(jié)果輸入到控制計(jì)算機(jī)中進(jìn)行控制運(yùn)算，并通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)生產(chǎn)過程或設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其運(yùn)行于預(yù)期的狀態(tài)。執(zhí)行單元計(jì)算機(jī)(數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理）測(cè)控對(duì)象傳感器信號(hào)調(diào)理

電源信號(hào)處理顯示/記錄控制器問題：產(chǎn)品狀態(tài)檢測(cè)中的測(cè)試系統(tǒng)與自動(dòng)控制中的測(cè)試

系統(tǒng)的基本組成是否相同？1.3測(cè)試技術(shù)的發(fā)展測(cè)試技術(shù)與科學(xué)研究、工程實(shí)踐密切相關(guān)。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得測(cè)試技術(shù)的發(fā)展也非常迅速，主要體現(xiàn)兩個(gè)方面：①傳感器技術(shù)的自身發(fā)展②計(jì)算機(jī)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展1.3測(cè)試技術(shù)的發(fā)展①傳感器技術(shù)的自身發(fā)展傳感器技術(shù)是測(cè)試系統(tǒng)中必不可少的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)20世紀(jì)80年代以來，國際上出現(xiàn)“傳感器熱”日本將傳感器技術(shù)列為80年代十大技術(shù)之首美國把傳感器技術(shù)列為90年代22項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一傳感器技術(shù)在以下三方面發(fā)展最為引人注目物性型傳感器的大量涌現(xiàn)集成、智能化傳感器的開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)傳感器的迅速發(fā)展1.3測(cè)試技術(shù)的發(fā)展物性型傳感器的大量涌現(xiàn)定義：依靠敏感材料本身的物理屬性隨被測(cè)量的變化來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的測(cè)量壓電效應(yīng)渦流效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)：導(dǎo)體材料光電效應(yīng)霍爾效應(yīng)壓阻效應(yīng)：半導(dǎo)體材料的壓阻轉(zhuǎn)換熱電效應(yīng)┅物性型傳感器的開發(fā)實(shí)質(zhì)上是新材料的開發(fā)。1.3測(cè)試技術(shù)的發(fā)展集成、智能化傳感器的開發(fā)集成化傳感器

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）——微型化微型傳感器＋信號(hào)處理——一體化多敏感元件、多參數(shù)測(cè)量、運(yùn)算、補(bǔ)償、變換

智能化傳感器

組成：傳統(tǒng)的傳感器＋微處理器特征：具備通信總線接口、兼有信息

監(jiān)測(cè)、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(qiáng)大的軟件，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行智能化，如非線性自動(dòng)校正、自校零、自校準(zhǔn)、自補(bǔ)償、自檢驗(yàn)、噪聲抑制等

XCE-062高溫超小型IS壓力傳感器(-55℃到273℃)

智能壓力傳感器/變送器1.3測(cè)試技術(shù)的發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)傳感器的迅速發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)可分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。感知層是由各種傳感器構(gòu)成，除了應(yīng)具備必需的傳感功能之外，更重要的是應(yīng)該具備對(duì)外的通信接口。射頻識(shí)別RFID二維碼標(biāo)簽紅外感應(yīng)器激光掃描器讀寫器攝像頭GPS…1.3測(cè)試技術(shù)的發(fā)展②計(jì)算機(jī)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，測(cè)試系統(tǒng)中也越來越多地融入了計(jì)算機(jī)技術(shù)。出現(xiàn)了以計(jì)算機(jī)為中心的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)既能實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的檢測(cè)，又能對(duì)所獲得信號(hào)進(jìn)行分析處理以求得有用信息。計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)包括：一般計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)嵌入式測(cè)量系統(tǒng)虛擬儀器1.3測(cè)試技術(shù)的發(fā)展一般計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)傳感器1傳感器2傳感器3信號(hào)調(diào)理2信號(hào)調(diào)理3信號(hào)調(diào)理1數(shù)據(jù)采集卡(板)計(jì)算機(jī)繪圖、顯示、打印計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的基本形式與一般測(cè)試系統(tǒng)組成的異同點(diǎn)？1.3測(cè)試技術(shù)的發(fā)展網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)組成：數(shù)據(jù)采集（傳感與調(diào)理）、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)表達(dá)當(dāng)將這三個(gè)位于不同地理位置的部分由網(wǎng)絡(luò)連起來從而完成測(cè)試任務(wù)的時(shí)候，就形成網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)儀器的特點(diǎn)：有危險(xiǎn)的、環(huán)境惡劣的數(shù)據(jù)采集工作可實(shí)行遠(yuǎn)程采集使測(cè)試人員不受時(shí)間和空間的限制可以實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化、智能化資源共享

與一般計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)組成的異同點(diǎn)？1.3測(cè)試技術(shù)的發(fā)展嵌入式測(cè)試系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)有時(shí)稱為嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是和現(xiàn)實(shí)的物理世界相結(jié)合的、控制著某些特定的硬件的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。包括硬件和軟件兩部分：硬件包括嵌入式處理器、控制器、存儲(chǔ)器及外設(shè)器件、輸入輸出端口、圖形控制器等。軟件部分包括應(yīng)用軟件和嵌入式操作系統(tǒng)。應(yīng)用軟件控制著系統(tǒng)的運(yùn)作和行為；操作系統(tǒng)控制著應(yīng)用程序與硬件的交互作用。1.3測(cè)試技術(shù)的發(fā)展嵌入式測(cè)試系統(tǒng)必須具備以下四個(gè)特性:執(zhí)行特定功能以微處理器及其外圍設(shè)備為核心嚴(yán)格的時(shí)序與高穩(wěn)定性全自動(dòng)操作循環(huán)嵌入式系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)“量身定做”的原則，基于某一種特殊用途開發(fā)出特定的系統(tǒng)，因此當(dāng)把一個(gè)具體測(cè)試對(duì)象與嵌入式系統(tǒng)結(jié)合起來，就構(gòu)成了一個(gè)嵌入式測(cè)量系統(tǒng)。振動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳感器傳感器+嵌入式計(jì)算機(jī)

智能傳感器1.3測(cè)試技術(shù)的發(fā)展虛擬儀器虛擬儀器的發(fā)展虛擬儀器普通儀器智能儀器實(shí)際工作原理圖1.3測(cè)試技術(shù)的發(fā)展虛擬儀器的開發(fā)1.3測(cè)試技術(shù)的發(fā)展虛擬儀器的另一種表達(dá)：1.3測(cè)試技術(shù)的發(fā)展未來發(fā)展方向傳感器技術(shù)：開發(fā)新材料，發(fā)展、利用新效應(yīng)——