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1、机械工程测试技术基础课程教学大纲 课程代码：010131029 课程英文名称：Foundation of Mechanical Measure Engineering 课程总学时：40 讲课：32 实验：8 上机：0 适用专业：机械设计制造及其自动化，机械电子工程 大纲编写（修订）时间：2010.7 一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标 1机械工程测试技术基础课程适用于机械设计制造及自动化专业本科（四年学制），是学生的专业基础必修课。在机械制造领域，无论是在机械系统研究过程分析还是机械自动加工控制系统中，工程测试技术应用及其普遍，所以掌握必要的测试技术基础知识和技术基础，对做好机械制造专
2、业的工作尤为重要。2 课程教学内容方面侧重于测试技术基本知识、基本理论和基本方法，着重培养学生运用所学知识解决实际测量问题的实践能力。因此，本门课程的教学目标是：掌握非电量电测法的基本原理和测试技术；常用的传感器、中间变换电路及记录仪器的工作原理及其静、动态特性的评价方法；测试信号的分析、处理方法。培养学生能够根据测试目的选用合适的仪器组建测试系统及装置，使学生初步掌握进行动态测试所需的基本知识和技能；掌握位移、振动、温度、力、压力、噪声等常见物理量的测量和应用方法；掌握计算机测量系统、虚拟仪器等方面的基础知识；并能了解掌握新时期测试技术的更新内容及发展动向，为进一步研究和处理机械工程技术问题
3、打好基础。（二）知识、能力及技能方面的基本要求 1要求掌握物理学上的电磁学理论知识、控制工程基础中的系统分析方法、电工学的电路分析理论。2要求掌握电工实验独立动手能力和仪器的操作能力。3掌握测试技术基本知识、基本技能，具备检测技术工程师的基本素质与能力，能应对生产和科研中遇到的测试系统设计以及传感器的选型、调试、数据处理等方面的问题，初步形成解决科研、生产实际问题的能力。（三）实施说明 本课程是一门技术基础课，研究对象为机械工程中常见动态机械参数，主要讲授有关动态测试与信号分析处理的基本理论方法；测试装置的工作原理、选择与使用。为后续专业课、选修课有关动态量的实验研究打基础，并直接应用于生产实
4、践、科学研究与日常生活有关振动噪声、力、温度等参量的测试中。1从进行动态测试工作所必备的基本知识出发，学生学完本课程后应具备下列几方面的知识：（1）掌握信号的时域和频域的描述方法，重点阐述建立明确的频谱概念，掌握信号强度的表达式、频谱分析和相关分析的基本原理和方法，了解功率谱密度函数及应用和数字信号分析的一些基本概念。明白波形图、频谱图的含义，具备从示波器、频谱分析仪中读取解读测量信息的能力。（2）测试装置的基本特性部分:掌握系统传递函数、频响函数以及一、二阶系统的静动态特性的描述及测试方法，掌握测试装置的基本特性评价方法和不失真条件，并能正确运用于测试装置分析和选择。（3）常用传感器、信号调
5、理与记录部分:了解常用传感器、典型中间变换器和记录仪器的基本构成、工作原理。并能够针对工程问题正确地进行选用。（4）典型量测试部分:掌握振动、温度、压力、位移等常见物理量的测量方法，了解其在工业自动化、环境监测、楼宇控制、医疗、家庭和办公室自动化等领域的应用。（5）计算机测试系统部分:掌握现代检测系统的基本构成及各环节的功能、作用以及虚拟仪器技术等等。知晓用计算机测试系统进行测量的方法、步骤和应该注意的问题。（6）通过对实际动态物理量的测试，把所学的部分或大部分基础知识联系起来，使学生对动态测试工作的有关基本问题有一个较完整的概念；初步掌握机械工程中某些参数的测试方法。2教学方法和教学手段 积
6、极开展多媒体教学和实际工程案例教学，利用虚拟仪器制作信号分析仪来激发学生的学习兴趣。提高课堂效率和教学效果。3教学内容的不断更新 近年来，随着传感技术、电子技术、信号处理与计算机技术的突破性进展，使得综合运用这诸多学科的“测试技术”发生了深远的变革，推动着测试仪器、测试方法不断更新换代。本课程的特点是涉及知识面广、实践性强，实验教学是个重要的环节，知识更新快和测试装置更新换代快。同时，应该注意的是随着计算机和虚拟仪器技术在测试技术中的应用，使测试技术产生了飞跃性的发展，在今后的教学实践中应逐步将基于虚拟仪器的计算机测试系统纳入教学内容。（四）对先修课的要求 要求学生先修高等数学、概率论与数理统
7、计、大学物理、工程数学、理论力学、材料力学、电工学、机械工程控制基础和单片计算机原理等课程，并达到这些课程的基本要求。（五）对习题课、实践环节的要求 1课外习题 本课程涉及内容多，需要培养综合解决问题的能力。必须通过作业来加深对教材内容的理解、掌握和运用。习题内容要多样化，要有典型性、代表性。习题作业要能起到巩固理论、掌握计算方法和技巧，提高分析问题、解决问题的能力的作用。学生必须独立、按时完成课外作业，作业完成情况作为评定成绩的一部分。2本课程实践性很强，所以必须设置教学实验和工程实训环节使学生接受工程技术训练，才能确保本课程的教学质量，达到本课程教学要求。要求学生能独立完成实验系统的搭建和
8、测量系统的标定,对测量结果能有准确的认识并会分析测试系统的测量精度。在 40 学时中实验课不宜少于8 学时。为了增强学生的感性认识，共设计10 个实验，要求每学年从中选择开设四个实验（共8 学时），实验课以培养学生实验技能为主，因此，分组人数不宜过多，以保证学生的动手机会。工程实训课程是利用实际的工程目标，采用先进的工业仪器对学生进行实际的工程培训。使学生具备解决实际工程问题的能力和测量仪器的操作与分析的能力。（六）课程考核方式 1考核方式：考试。2考核目标：在考核学生对信号分析、测试装置特性和传感器原理、信号调理与处理知识的基础上，重点考核学生的信号分析能力、传感器应用能力及实际物理量检测系
9、统设计能力。3 成绩构成：课程总成绩由期末考试成绩、平时考查成绩（包括中期考试、作业、小测验、提问等）和实验环节考核成绩的总和。考试成绩占70%，实验成绩占20%。、平时成绩占10%。（七）参考书目 机械工程中的测试技术基础，熊诗波编，机械工业出版社，2006 传感器与测试技术，叶湘滨编，国防工业出版社，2007 传感器，强锡富编，机械工业出版社，2004 传感器原理及应用，王化祥编，天津大学出版社，2007 智能检测技术与系统，胡向东等编，高等教育出版社，2008。二、中文摘要 机械工程测试技术基础课程是机械专业本科学生的一门专业基础课程。该课程是一个多个学科融合、综合性较强的课程。主要包括
10、信号分析的基础知识、测试系统特性分析与描述、传感器的原理及应用、数字信号处理的基础知识、典型测试系统的搭建等等。课程实践性很强，需要配合实验环节，以加强学生对课程内容的理解。三、课程学时分配表 序号 教学内容 学时 讲课 实验 上机 1 绪论 2 2 2 信号及其描述 6 6 2.1 信号描述及分类 2 2.2 周期信号与离散频谱 2 2.3 非周期信号与连续频谱 2 3 测试装置的基本特性 8 6 2 3.1 测试系统特性及其描述方法 2 3.2 典型测试装置的动态特性 2 3.3 系统实现不失真测试的条件 2 状态变量滤波器动态响应特性测试 2 4 常用传感器及敏感元件 10 6 4 4.
11、1 传感器概述 2 4.2 电阻、电感、电容传感器 2 4.3 压电及其它传感器 2 金属箔式应变片实验 2 超声波、PSD 实验 2 5 信号的调理与记录 4 4 5.1 电桥及调制解调 2 5.2 滤波及放大 2 6 信号处理初步 2 2 7 典型量测试 6 4 2 7.1 振动、位移测试 2 7.2 温度、压力及应力测试 2 电机动平衡综合测试 2 8 计算机测试系统与虚拟仪器 2 2 合计 40 32 8 四、教学内容及基本要求 第 1 部分 绪论 总学时(单位：学时):2 讲课:2 实验:0 上机:0 具体内容：1)测试技术在机械工业中的作用和地位，测试工作的任务和组成。2)测试工作
12、的基本内容和基本步骤，学习方法等。重 点：测试系统的概念建立、基本组成。第 2 部分 信号及其描述 总学时(单位：学时):6 讲课:6 实验:0 上机:0 第 2.1 部分 信号描述及分类（讲课2 学时）具体内容:1)掌握信号分类的基本知识。2)掌握时域描述与频域描述。第 2.2 部分 周期信号与离散频谱（讲课2 学时）具体内容:1)周期信号与傅氏级数。2)周期信号的离散频谱（付立叶级数的三角函数展开式和典型周期信号的频谱）。3)周期信号的强度表达。第 2.3 部分 非周期信号与连续频谱（讲课2 学时）具体内容:1)非周期信号与傅氏变换。2)非周期信号的连续频谱（付立叶变换的主要性质和典型信号
13、的频谱）。重 点:信号的分类、信号的频域描述、周期信号及其离散频谱 难 点:信号的描述方法、信号的频谱分析 习 题:周期信号及其离散频谱的练习，典型非周期信号频谱 第 3 部分 测试装置的基本特性 总学时(单位：学时):8 讲课:6 实验:2 上机:0 第 3.1 部分 测试系统特性及其描述方法（讲课2 学时）具体内容:1)测试系统特性概论：测试装置的基本要求及描述方法、线性系统及其主要性质。2)测试装置的静态特性。3)测试装置的动态特性的数学描述 第 3.2 部分 典型测试装置的动态特性（讲课2 学时）具体内容:1)一阶系统动态特性及对典型输入的响应。2)二阶系统动态特性及对典型输入的响应。
14、第 3.3 部分 系统实现不失真测试的条件（讲课2 学时）具体内容:1)系统实现不失真测试的条件。2)一阶系统和二阶系统特性参数的选择。重 点:测试装置静态特性及求取、测试装置的动态特性描述方法及其传递函数的性质、测试装置的实现不失真测试的条件。难 点:测试装置动态特性的数学描述及其分析方法、一、二阶测试装置的频率响应特性。习 题:频率响应函数的应用。实 验:状态变量滤波器动态响应特性测试（2 学时）第 4 部分 常用传感器及敏感元件 总学时(单位：学时):10 讲课:6 实验:4 上机:0 第 4.1 部分 传感器概述（讲课2 学时）具体内容:1)传感器的定义、组成、作用、分类、发展趋势及其
15、主要技术要求。2)常用的传感器的变换原理及性能、应用特点和典型结构 第 4.2 部分 电阻、电感、电容传感器（讲课2 学时）具体内容:1)电阻（应变片）传感器工作原理及典型应用。2)电容传感器工作原理及典型应用。3)电感式传感器工作原理及典型应用。第 4.3 部分 压电及其它传感器（讲课2 学时）具体内容:1)压电传感器工作原理及典型应用。2)磁电式传感器工作原理及典型应用。3)其他传感器工作原理及典型应用，传感器的选用原则及举例。重 点:常用传感器的变换原理、类型、主要特点、输入输出关系及应用。习 题:电感式传感器、电容式传感器特性，压电式传感器频率响应函数的应用。实 验:金属箔式应变片电桥
16、的性能及应用实验（2 学时）以下实验选做一个（2 学时）：超声波测距实验、PSD 位置传感器位置测量实验 热电偶测温及冷端温度补偿实验 多种传感器综合实验演示 霍尔转速传感器测速实验 第 5 部分 信号的调理与记录 总学时(单位：学时):4 讲课:4 实验:0 上机:0 第 5.1 部分 电桥及调制解调（讲课2 学时）具体内容:1)电桥。2)调制解调。第 5.2 部分 滤波及放大（讲课2 学时）具体内容:1)滤波器。2)信号放大。重 点:调制与解调技术。难 点:信号滤波技术。习 题:电桥练习、调制与解调技术练习、滤波器练习。第 6 部分 信号处理初步 总学时(单位：学时):2 讲课:2 实验:
17、0 上机:0 具体内容:1)信号数字化出现的问题、采样定理、信号的泄漏及加窗处理。2)相关分析及其应用。重 点:信号的数字化；相关分析的应用；谱分析应用。难 点:信号的相关分析；信号的功率谱分析。第 7 部分 典型量测试 总学时(单位：学时):6 讲课:4 实验:2 上机:0 第 7.1 部分 振动、位移测试（讲课2 学时）具体内容:1)振动量的测量原理及测试系统构建方法。2)位移量的测量原理及测试系统构建方法。第 7.2 部分 温度、压力及应力测试（讲课2 学时）具体内容:1)温度、压力的测量方法。2)应力的测量方法。重 点:振动量检测。难 点:振动测量系统的搭建。实 验:以下实验选做一个（2 学时）：典型振动量检测系统设计实验 电机动平衡综合测试 小位移传感器测量实验 压力和流量测量实验 工程信号频谱分析 第 8 部分 计算机测试系统与虚拟仪器 总学时(单位：学时):2 讲课:2 实验:0 上机:0 具体内容:1)计算机化检测系统的组成、基本设计方法。2)典型测试系统介绍。重 点:计算机化检测系统的组成、基本设计方法。编写人：慕 丽 王欣威 丛培田 审核人：慕 丽 批准人：丁 茹