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1、机械工程测试技术基础本讲稿第一页，共二十七页*l教学目的和要求教学目的和要求 测试技术是工科院校机械类各专业本科生一门重测试技术是工科院校机械类各专业本科生一门重要的技术基础课，内容包括传感器、测量电路、测试要的技术基础课，内容包括传感器、测量电路、测试系统的特性，信号分析与数据处理系统的特性，信号分析与数据处理 。通过本课程的学习：通过本课程的学习：l掌握传感器的原理、特点及应用，常用测试系掌握传感器的原理、特点及应用，常用测试系统和测量电路以及信号分析的基本原理和分统和测量电路以及信号分析的基本原理和分析方法。为后续课程打好基础。析方法。为后续课程打好基础。本讲稿第二页，共二十七页*课程内
2、容l第一章第一章 绪论绪论l第二章第二章 信号及其描述信号及其描述l第三章第三章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性l第四章第四章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件l第五章第五章 信号的调理与记录信号的调理与记录l第六章第六章 信号处理初步信号处理初步l第七章第七章 测试技术的工程应用测试技术的工程应用本讲稿第三页，共二十七页*第一章 绪论l了解测试的基本概念l掌握信号和信息的关系l理解测试的基本内容与任务l理解测试系统的组成及各环节功能l掌握信号的分析方法l了解测试信息处理技术的发展方向本章要点本章要点：本讲稿第四页，共二十七页*一、测试的重要作用和意义l 随着科技的发展，测试技术
3、已经形成了一门专门的技术科学。人们通过测试获得随着科技的发展，测试技术已经形成了一门专门的技术科学。人们通过测试获得客观事物的定量概念，以掌握其运动规律。客观事物的定量概念，以掌握其运动规律。l 在某种意义上来说，在某种意义上来说，“没有测试，就没有科学没有测试，就没有科学。”因为人类的各种活动领域中因为人类的各种活动领域中都离不开测试。都离不开测试。l测试包含着测量和试验两大内容。测试包含着测量和试验两大内容。l测量就是把被测系统中的某种信息提出，并加以度量，为确定量值而进行的试验测量就是把被测系统中的某种信息提出，并加以度量，为确定量值而进行的试验过程；过程；l试验就是通过某种人为的方法，
4、把被测系统所在的许多信息中的某种信息，用专门的装置人试验就是通过某种人为的方法，把被测系统所在的许多信息中的某种信息，用专门的装置人为地把它激发出来，加以测量。它是对未知事物探索性的认识过程。为地把它激发出来，加以测量。它是对未知事物探索性的认识过程。因此，测试工作是人们认识客观事物、掌握其内在规律，从而利用并改造世界的重要因此，测试工作是人们认识客观事物、掌握其内在规律，从而利用并改造世界的重要手段。手段。本讲稿第五页，共二十七页*二、测试的基本概念测试：具有试验性的测量 试验：对未知事物探索性的认识过程 测量：为确定量值而进行的试验过程计量：实现单位统一和量值准确可靠为目的。计量：实现单位
5、统一和量值准确可靠为目的。本讲稿第六页，共二十七页*三、信息和信号1.信息l物质所固有，客观存在或运动状态的特征l非物质，不具有能量，传输依靠物质和能量 2.信号l信息的载体。信息蕴含于信号之中。l信号是物质具有能量。本讲稿第七页，共二十七页*四、测试技术的内容1.测试技术的内容l测量原理：实现测量所依据的物理、化 学、生物等现象及有关定律。l测量方法：分为直接或间接测量、接触 或非接触测量、破坏或非破坏测量l测量系统l数据处理本讲稿第八页，共二十七页*五、测试系统的组成l 测试过程：测试过程：首先首先利用酒精（敏感元件）检测出被测对象温度变利用酒精（敏感元件）检测出被测对象温度变化并将其转换
6、成自身体积的变化（热胀冷缩），然后经过等截化并将其转换成自身体积的变化（热胀冷缩），然后经过等截面的中空玻璃管（中间变换器）再转换成高度的变化（分析处面的中空玻璃管（中间变换器）再转换成高度的变化（分析处理），最后由外面的刻度线显示出测试结果（显示、记录）并理），最后由外面的刻度线显示出测试结果（显示、记录）并提供给观察者或输入后续的控制系统。提供给观察者或输入后续的控制系统。被测对象被测对象信号信号输入输入输出输出观察者观察者显示结果：显示结果：刻度线刻度线变换：变换：V HV H玻璃管玻璃管敏感元件：敏感元件：酒精酒精本讲稿第九页，共二十七页*五、测试系统的组成本讲稿第十页，共二十七页*五
7、、测试系统的组成1 1、信号检出部分、信号检出部分传感器（传感器（SensorSensor）-执行检出功能的器件执行检出功能的器件信号提取（被测量）、传输（信号变换部分）信号提取（被测量）、传输（信号变换部分）选择：测量精度要求、被测量变化范围、被测对象所处的环境条件选择：测量精度要求、被测量变化范围、被测对象所处的环境条件 以及对传感器体积和整个检测系统的成本等的限制以及对传感器体积和整个检测系统的成本等的限制检测系统中形式最多样、与被测对象关联最密切的部分检测系统中形式最多样、与被测对象关联最密切的部分 本讲稿第十一页，共二十七页*五、测试系统的组成2 2、信号变换部分、信号变换部分检出信
8、号检出信号适合于分析和处理的信号适合于分析和处理的信号信号调理电路信号调理电路阻抗变换阻抗变换-输出阻抗很高时；输出阻抗很高时；电压电压/电流（电流（V/AV/A）转换）转换-需要电流输出时；需要电流输出时；信号放大信号放大-输出信号微弱时；输出信号微弱时；噪声抑制噪声抑制-信号淹没在噪声中；信号淹没在噪声中；模拟模拟/数字（数字（A/DA/D）转换）转换-需要输出数字信号时需要输出数字信号时本讲稿第十二页，共二十七页*五、测试系统的组成3 3、分析处理部分、分析处理部分功能：管理不同系统之间的数据、状态和控制信息的传输和交换功能：管理不同系统之间的数据、状态和控制信息的传输和交换不断注入新内
9、容不断注入新内容-检测系统的研究中心检测系统的研究中心4 4、通信接口与总线部分、通信接口与总线部分计算机系统计算机系统-强大问题分析能力、复杂系统的实时控制强大问题分析能力、复杂系统的实时控制自动化、智能化自动化、智能化接口接口-分系统和上位机之间分系统和上位机之间/分系统之间交换信息分系统之间交换信息本讲稿第十三页，共二十七页*五、测试系统的组成l2 2、测试过程和测试系统的组成、测试过程和测试系统的组成l 根据测试任务复杂程度的不同，测试系统中传感器、根据测试任务复杂程度的不同，测试系统中传感器、中间变换装置和显示记录装置等每个环节又可由多个模块中间变换装置和显示记录装置等每个环节又可由
10、多个模块组成。例如，下图所示的机床轴承故障监测系统中的中间组成。例如，下图所示的机床轴承故障监测系统中的中间变换装置就由带通滤波器、变换装置就由带通滤波器、A/DA/D变换和计算机中的变换和计算机中的FFTFFT分析分析软件三部分组成。软件三部分组成。本讲稿第十四页，共二十七页*环环 节节 装装 置置 作作 用用激励环节激励环节激励装置激励装置使被测对象处于测试状态使被测对象处于测试状态输入环节输入环节传感器传感器检测并转换被测信号检测并转换被测信号处理环节处理环节中间变换器中间变换器分析、处理、变换信号分析、处理、变换信号输出环节输出环节显示记录装置显示记录装置显示、记录并输出结果显示、记录
11、并输出结果注意：注意：测试系统各个环节的输出量与输入量之间应保持一一对测试系统各个环节的输出量与输入量之间应保持一一对应和尽量不失真的关系（线性关系），并尽可能地减少或消应和尽量不失真的关系（线性关系），并尽可能地减少或消除各种干扰除各种干扰。五、测试系统的组成本讲稿第十五页，共二十七页*六、测试、信息处理的发展状况测试信息处理技术的发展具体体现在：l传感器传感器：新型、微型、智能化l测试测试：多功能、集成化、智能化；静态测试向动态测试发展l信息处理信息处理：高在线实时能力、高精度、专用功能、小型化、性能标准化和低价格测试技术测试技术重要手段重要手段相关学科：物理、化学、数学、生物学、材料科学
12、等等相关学科：物理、化学、数学、生物学、材料科学等等新的检测理论、方法和技术手段新的检测理论、方法和技术手段科学研究科学研究形成形成推动实验研究和发展推动实验研究和发展本讲稿第十六页，共二十七页*六、机械工程测试技术的发展趋势1.测量方式多样化 包括：（1）动态测量 （2）虚拟仪器 （3）便携式测量仪器 （4）组合式测量方式 （5）多传感器融合技术在制造过程中的应用2.视觉测试技术3.测量尺寸继续向两个极端方向发展本讲稿第十七页，共二十七页*七、测试技术在工程技术领域中的应用领域：工业、农业、航天、军事等领域：工业、农业、航天、军事等(1)(1)零件的识别与定位零件的识别与定位1 1、工业检测
13、、工业检测 自动连接引线、对准芯片和封装；自动连接引线、对准芯片和封装；自动安装部件，自动焊接或自动切割加工、自动浇注系统等。自动安装部件，自动焊接或自动切割加工、自动浇注系统等。(2)(2)零件尺寸的在线测量零件尺寸的在线测量钢板厚度的在线测量钢板厚度的在线测量(3)(3)零件外观及内部缺陷检测零件外观及内部缺陷检测(4)(4)产品分类、分组产品分类、分组苹果分级、分色、配色苹果分级、分色、配色本讲稿第十八页，共二十七页*七、测试技术在工程技术领域中的应用(5)(5)产品标识、编码识别产品标识、编码识别商品条码、印鉴、标签商品条码、印鉴、标签“手手-眼眼”定位：定位：两个摄像机两个摄像机-两
14、幅平面图像两幅平面图像-三维场景信息三维场景信息 用于：目标识别、道路识别、障碍物判断、主动导航、自动视觉导航用于：目标识别、道路识别、障碍物判断、主动导航、自动视觉导航 无人驾驶汽车、无人驾驶飞机、无人战车、探测机器人无人驾驶汽车、无人驾驶飞机、无人战车、探测机器人2 2、机器人导航、机器人导航本讲稿第十九页，共二十七页*七、测试技术在工程技术领域中的应用交通交通-车辆识别、牌照识别、车型判断、车辆监视、交通流量检测车辆识别、牌照识别、车型判断、车辆监视、交通流量检测安全安全-指纹判别与匹配、面孔与眼底识别、安全检查（飞机、海关）指纹判别与匹配、面孔与眼底识别、安全检查（飞机、海关）监视监视
15、-超市、商店防盗、银行监控，停车场、电梯闭路电视超市、商店防盗、银行监控，停车场、电梯闭路电视4 4、监控、安防、交通管理：、监控、安防、交通管理：3 3、遥感图像分析：、遥感图像分析：航空摄影图像航空摄影图像-（多目成象（多目成象-大地测量、测绘）大地测量、测绘）卫星遥感图像卫星遥感图像-气象卫星（红外成象气象卫星（红外成象-云图云图-气象状况）气象状况）资源卫星（多光谱成象资源卫星（多光谱成象-地质、矿藏、森林、灾害）地质、矿藏、森林、灾害）海洋卫星（合成孔径雷达成象海洋卫星（合成孔径雷达成象-海洋、海浪、海滩）海洋、海浪、海滩）本讲稿第二十页，共二十七页*七、测试技术在工程技术领域中的应
16、用6 6、办公与家电：、办公与家电：办公设备办公设备-数码复印机、扫描仪、传真机、绘图仪数码复印机、扫描仪、传真机、绘图仪家用电器家用电器-数码摄像机、数码照相机、可视电话、可视门铃数码摄像机、数码照相机、可视电话、可视门铃5 5、军事与国防：、军事与国防：超低空雷达、超视距雷达、导弹制导、导弹导航、地形匹配、超低空雷达、超视距雷达、导弹制导、导弹导航、地形匹配、单兵作战系统、战场遥测、夜视仪、声纳成象单兵作战系统、战场遥测、夜视仪、声纳成象本讲稿第二十一页，共二十七页*测量的基础知识测量结果可信必须具备的两个条件：l测量过程是被测量的量与标准或相对标准量的比较过程。作为比较用的标准量值必须是
17、已知的，且是合法的，才能确保测量值的可信度及保证测量值的溯源性。l进行比较的测量系统必须进行定期检查、标定，以保证测量的有效性、可靠性，这样的测量才有意义。本讲稿第二十二页，共二十七页*测量的基础知识一、量与量纲 量是指现象、物体或物质可定性区别和定量确定的一种属性。不同类的量可定性区别 同类的量可以量值大小区别1、量值 量值是用数值和计量单位的乘积来表示的。它被用来定量地表达被测对象相应属性的大小。本讲稿第二十三页，共二十七页*测量的基础知识2、基本量和导出量 基本量：长度、质量、时间、温度、电流、发 光强度、物质的量 导出量：由基本量按一定函数关系来定义的本讲稿第二十四页，共二十七页*测量
18、的基础知识3、基准与标准 基准：用来保存、复现计量单位的计量器具，是最高准确度的计量器具。国家基准、副基准和工作基准 计量标准：用于检定工作计量器具的计量器具 工作计量器具是指用于现场测量而不用检定工作的计量器具。本讲稿第二十五页，共二十七页*测量的基础知识4、测量误差 测量误差=测量结果 真值 （1）误差分类：系统误差、随机误差、粗大误差 （2）误差表示方法 绝对误差 相对误差：误差/测量结果 引用误差：只用于表示计量器具特性的情况中。是计量器具的绝对误差与引用值之比。本讲稿第二十六页，共二十七页*思考题思考题1 1、什么是测试技术？、什么是测试技术？2 2、测试系统由哪些环节和装置组成？各有、测试系统由哪些环节和装置组成？各有何作用？何作用？3 3、简述测试系统的工作过程。、简述测试系统的工作过程。4 4、举例说明测试技术的应用。、举例说明测试技术的应用。本讲稿第二十七页，共二十七页