測試系統(tǒng)的構(gòu)成課件

機(jī)械工程測試技術(shù)

(傳感器與測試技術(shù)基礎(chǔ))TestTechnologyofMechanicalEngineering

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

1.周傳德.

傳感器與測試技術(shù).重慶大學(xué)出版社,2009.62.熊詩波.機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ).機(jī)械工業(yè)出版社，2007.13.黃長藝.機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ).機(jī)械工業(yè)出版社，1995.104.秦樹人.機(jī)械測試系統(tǒng)原理與應(yīng)用.科學(xué)出版社，2005.95.秦樹人.機(jī)械工程測試原理與技術(shù).重慶大學(xué)出版社，2002.8

6.盧文祥.機(jī)械工程測試·信息·信號分析.華中科技大學(xué)出版社

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書：

二、教學(xué)基本要求（一）掌握機(jī)械測試?yán)碚摷靶盘柗治龇椒?。（二）熟悉常用傳感器的基本特性、使用特點(diǎn)，能正確選用傳感器。（三）了解常用機(jī)械量的測試方法。學(xué)習(xí)要求：1．作業(yè)：（2次），占10%；2．實(shí)驗(yàn)：（4次，實(shí)驗(yàn)操作+實(shí)驗(yàn)報(bào)告），占20%；3．考試：（閉卷），占70%。課程主要內(nèi)容－理論部分

本課程主要介紹機(jī)械工程領(lǐng)域中常見的物理量(壓力、應(yīng)變、位移、振動(dòng)、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(gòu)成

信號調(diào)理數(shù)字信號處理噪聲測試

信號分析基礎(chǔ)

測試系統(tǒng)的基本特征傳感器原理與應(yīng)用振動(dòng)測試

計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)機(jī)械參量測試第1章測試系統(tǒng)的構(gòu)成本章學(xué)習(xí)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(shù)的發(fā)展趨勢和在工業(yè)中的應(yīng)用；3、了解機(jī)械工程測試技術(shù)的研究內(nèi)容和性質(zhì)，課程學(xué)習(xí)的方法和要求。生活中的測試?yán)又亓?，長度，溫度，濕度，三表（電，水，氣）……汽車監(jiān)測點(diǎn)：50——100

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

諾貝爾物理獎(jiǎng)，化學(xué)獎(jiǎng)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(chǎn)中“沒有測試，就沒有新產(chǎn)品”。大規(guī)模集成電路的生產(chǎn)成本中，測量成本已超過50%互相關(guān)函數(shù)為Rxy(τ)，描述了兩個(gè)信號間或信號自身不同時(shí)刻的相似程度?；ハ嚓P(guān)函數(shù)

相關(guān)原理測速原理如圖所示。沿運(yùn)動(dòng)物體速度方向相隔一定距離安裝兩個(gè)傳感器S1和S2如圖（a），通過S1、S2獲得運(yùn)動(dòng)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(shí)間t0，需作S1(t)和S2(t)的互相關(guān)函數(shù)，代入理想情況下S2(t)=S1(t-t0)的關(guān)系，有：在τ等于渡越時(shí)間t0時(shí)，互相關(guān)函數(shù)R取得最大值。輸出轉(zhuǎn)矩輸入功率輸出功率傳動(dòng)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(yàn)(Test:信號分析)兩方面的含義。是指具有試驗(yàn)性質(zhì)的測量，或測量與試驗(yàn)的綜合。3、機(jī)械工程測試的對象機(jī)械系統(tǒng)(包括各種機(jī)械零件、機(jī)構(gòu)和部件)及其組成部分(包括與機(jī)械系統(tǒng)有關(guān)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(shè)備；（3）設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)方法；（4）進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理，獲取被測對象的有關(guān)信息的量值。5、測試的基本任務(wù)（1）提供被測對象（如產(chǎn)品）的質(zhì)量依據(jù)；（2）提供機(jī)械工程設(shè)計(jì)、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(guān)系和影響；（4）監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行過程和設(shè)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(shí)間變化的力、位移、速度、加速度、流量、溫度、應(yīng)力等屬于非電信號；

2、電信號(electricalsignal)

隨時(shí)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(zhuǎn)換。

二、相關(guān)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(dòng)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(jīng)過函數(shù)關(guān)系的計(jì)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(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，得到測量結(jié)果)

例：

⊙天平測物體質(zhì)量

⊙用米尺測量物體長度

⊙歐姆表測量導(dǎo)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(guān)系，可以先測其他量，然后再通過已知的函數(shù)關(guān)系求得待測量，這種方法稱為間接測量法。

例：

⊙水銀溫度計(jì)測體溫⊙彈簧測物體的重量

⊙測導(dǎo)線的導(dǎo)電率ρ：（阿基米德測量皇冠的比重）

又例如，為了測量一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，必須首先測出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n及輸出轉(zhuǎn)矩M，通過公式P＝Mn可計(jì)算出其功率值。（3）組合測量

若被測量必須經(jīng)過求解聯(lián)立方程組,才能得到最后結(jié)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(fù)雜,花費(fèi)時(shí)間長,多用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(jī)械接觸。雷達(dá)測速（1）離線測量

3、離線測量、在線測量產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)（2）在線測量

在流水線上，邊加工，邊檢驗(yàn)，可提高產(chǎn)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(gòu)成試驗(yàn)裝置測量裝置數(shù)據(jù)處理顯示記錄裝置被測量1、激勵(lì)裝置(excitingdevice)：通過激勵(lì)裝置作用于被測對象，使之產(chǎn)生出我們要獲取的信號。2、傳感器(sensor)：是將被測信號轉(zhuǎn)換成某種電信號的器件。3、信號調(diào)理(signalconditioning)：把來自傳感器的信號轉(zhuǎn)換成更適合于進(jìn)一步傳輸和處理的形式。這種信號的轉(zhuǎn)換，多數(shù)是電信號之間的轉(zhuǎn)換，如幅值放大、調(diào)制處理和濾波處理等。4、信號處理(signalprocessing)：對來自信號調(diào)理環(huán)節(jié)的信號進(jìn)行各種運(yùn)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(jié)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(shí)例：振動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)打開視頻：振動(dòng)測試實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。傳感器轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成電信號的裝置。傳感器輸出與輸入有一定的對應(yīng)關(guān)系,且應(yīng)有一定的精確度。在自動(dòng)控制(autocontrol)領(lǐng)域中，自動(dòng)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(lì)(input/excitation)x(t)、系統(tǒng)的傳輸特性(transfer

characteristics)h(t)和輸出/響應(yīng)output/response)y(t)三者之間的關(guān)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(yù)測問題(forecast)：如果輸入和系統(tǒng)特性已知，則可以推斷和估計(jì)系統(tǒng)的輸出量。

1)系統(tǒng)辨識(systemidentification)：當(dāng)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(dāng)系統(tǒng)特性已知，輸出可測量，可以通過它們推斷導(dǎo)致該輸出的輸入量。五、測試技術(shù)的工程應(yīng)用

在工程領(lǐng)域，科學(xué)實(shí)驗(yàn)、產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)監(jiān)督、質(zhì)量控制等，都離不開測試技術(shù)。測試技術(shù)應(yīng)用涉及到航天、機(jī)械、電力、石化和海洋運(yùn)輸?shù)让恳粋€(gè)工程領(lǐng)域。1、工業(yè)自動(dòng)化(industrialautomation)中的應(yīng)用

1)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、嗅覺傳感器。

在各種自動(dòng)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(xué)的機(jī)械手裝配模型廣州中鳴數(shù)碼的機(jī)器狗2)AGV(AutomatedGuidedVehicles)自動(dòng)送貨車

超聲波測距傳感器，判斷建筑物內(nèi)人和物所在位置；紅外線色彩傳感器，運(yùn)動(dòng)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(xué)AGV模型2、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。揚(yáng)子石化50MW熱電機(jī)組監(jiān)測系統(tǒng)陽邏電廠300MW汽輪機(jī)組監(jiān)測系統(tǒng)荊門電廠200MW機(jī)組監(jiān)測系統(tǒng)青山熱電廠生產(chǎn)信息實(shí)時(shí)查詢系統(tǒng)沙角電廠生產(chǎn)信息實(shí)時(shí)查詢系統(tǒng)寶鋼30KW以上風(fēng)機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)寶鋼精軋F(tuán)2軋機(jī)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測系統(tǒng)寶鋼冷軋帶鋼振動(dòng)紋監(jiān)測系統(tǒng)武鋼風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)汽輪壓縮機(jī)組工況監(jiān)視與故障診斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)的管理 定時(shí)保存最近三天的機(jī)組原始監(jiān)測數(shù)據(jù)、當(dāng)天的機(jī)組運(yùn)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(dòng)峰-峰值或各分頻幅值給出顏色，指明異常振動(dòng)測點(diǎn)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(shí)域分析：時(shí)域波形，軸心軌跡，振動(dòng)棒圖，自相關(guān)函數(shù)，互相關(guān)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(jī)聯(lián)鎖信號分析七大主要功能：報(bào)警與門限值 峰-峰值報(bào)警 譜峰報(bào)警趨勢分析與預(yù)報(bào)

峰-峰值趨勢分析與預(yù)報(bào) 各主要分頻和倍頻幅值趨勢分析與預(yù)報(bào)打印功能

打印各種分析圖形系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)及監(jiān)視方式的編輯 對啟停采樣轉(zhuǎn)速間隔、采樣時(shí)間間隔、傳感器靈敏度系數(shù)、報(bào)警門限等進(jìn)行修改或重新設(shè)置，適應(yīng)不同的應(yīng)用場合3、產(chǎn)品質(zhì)量(productquality)測量

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)，必須對其性能質(zhì)量進(jìn)行測量和出廠檢驗(yàn)。圖示為汽車出廠檢驗(yàn)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等。通過對抽樣汽車的測試，工程師可以了解產(chǎn)品質(zhì)量。汽車扭距測量4、樓宇控制與安全防護(hù)

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(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和管理的智能化。在樓宇中應(yīng)用了許多測試技術(shù)，如闖入監(jiān)測、空氣監(jiān)測、溫度監(jiān)測、電梯運(yùn)行狀況。圖示為某公司樓宇自動(dòng)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(diào)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(dòng)化(officeautomation,OA)

在家電產(chǎn)品和辦公自動(dòng)化產(chǎn)品中，人們大量的應(yīng)用了傳感器和測試技術(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，衣質(zhì)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)。指紋傳感器透光率傳感器溫濕度傳感器溫度傳感器鼠標(biāo):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(fēng):電容傳聲器聲卡:A/D卡+D/A卡軟驅(qū):速度,位置伺服6、PC(PersonalComputer)機(jī)中的測試技術(shù)應(yīng)用7、其他應(yīng)用航天農(nóng)業(yè)交通醫(yī)學(xué)六、測試技術(shù)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(jī)測試系統(tǒng)分布式測試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)儀器、虛擬儀器二十世紀(jì)四十年代二十世紀(jì)九十年代二十世紀(jì)七十年代二十世紀(jì)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(shù)(VI,VirtualInstrument)

用計(jì)算機(jī)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(yīng)用仿真實(shí)驗(yàn)3、隨機(jī)信號分析儀－LabVIEW4、VMIDS虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)七、測試標(biāo)準(zhǔn)體系

1、測試標(biāo)準(zhǔn)體系的主要功能和作用

利用測試的有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、部門標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)就可以說明我們的測試結(jié)果，從而提取所需要的信息。（1）統(tǒng)一全國的術(shù)語、符號、標(biāo)志、信息分類編碼及技術(shù)制圖等，為各個(gè)行業(yè)提供準(zhǔn)確一致的技術(shù)語言。（2）統(tǒng)一規(guī)定涉及到國計(jì)民生