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1、,机械工程测试技术,绪论,测试信号的描述与分析,测试系统的基本特性,信号变换与处理,计算机与虚拟仪器测试技术,本课程主要内容,常用传感器,随机信号分析,机械位移测量,振动测量,应变、力和扭矩测量,温度测量,压力和流量测量,课程内容与特点,通过本课程的学习，学生应掌握以下几个方面的知识： 1. 掌握信号的时域和频域描述方法，建立明确的信号频谱概念；掌握频谱分析和相关分析的基本原理和方法；了解功率谱分析原理及其应用。 2. 掌握测试装置静、动态特性的评价方法和不失真测试的条件，并能正确地运用于测试系统的分析和选择。掌握一、二阶系统的动态特性和测试方法。,第一章 绪论,3. 掌握常用传感器、中间调理
2、电路和记录仪器的工作原理和性能，并能依据测试要求进行合理的选用。 4.了解数字信号分析的基本概念及应用。 5. 对动态测试工作的基本问题有一个比较完整的概念，并能初步用来解决机械工程中某些参数的测试及其数据处理。,第一章 绪论,学好本门课程的要求: 本门课程是两强结合:强理论+强实验 （考试成绩是课堂教学+试验教学） 一. 要求: 1.学习态度: 战略上藐视,战术上重视; 2.学习方法: 提倡课前预习,课后复习,会做笔记; 3.作业要求: 整齐规范清楚; 4.相关课程: 高等数学、力学、电工学、自控原理等; 5.参考书: 参看教材参考文献 二. 教学方法 黑板板书+PPT,绪 论,一、测试技术
3、的作用和任务 二、测试技术的研究内容 三、测试过程和测试系统的一般组成 四、测试技术的发展 五、测试的相关概念 六、误差,一、测试技术的作用和任务,测试技术是一门综合性技术学科。它以物理学、电子学、自动控制和数字技术为基础，研究材料和构件的状态，检查和测量自动化生产系统中的各种工艺参数，实现模拟量和数字量之间的相互转换等。 目的：监视或控制生产过程的运行；鉴定产品的质量；为设计提供数据。 测试技术包括测量和试验两个方面。 测量把被测系统中的某种信息检测出来并加以度量。 如测量机床加工作过程中振动的大小等。位移、速度、加速度检测出来， 试验将被测系统中的某种信息用专门的装置人为的把它激发出来，以
4、便对有用信息进行测量。 如测机床某个部件的固有频率、阻尼大小等。,测试技术的内容和作用,第一章 绪论,引例,看看哪些事情与测试有关 1、大到光年级宇宙(1光年 ），如宇宙大爆炸理论，宇宙红移观测,证明了宇宙的膨胀。,第一章 绪论,月亮上看到的地球,太空看到的地球 ，应该珍惜时光，关爱生命，爱护地球，我们的家园,2. 中到km级宇宙.如火星探测,地球测量等,第一章 绪论,火星探测器,荒漠的火星,第一章 绪论,3.小到mm级测量。如火车、汽车等载运工具构件的响应测量，应力、应变谱测量，以用于疲劳和可靠性分析。再如用于人体检测的胃镜、x光照片、CT照相、核磁共振等技术。,第一章 绪论,1、常规和极端
5、工况下检测、测试 超高温、高压、超低温、真空、强磁场、超高速 2、一架飞机 3600只传感器 和监测仪器 一辆小汽车 150 只 阿波罗10 号 3300只 测试成本占总装备成本 50-70,被动检测：产品验收和废品剔除 产品验收 合格/不合格 主动检测： 质量控制 1、加工和检测同时进行：在线检测 2、产品测试：汽车整车环境试验（冲击、噪声、温度、疲劳） 3、性能测试：汽车扭矩在线检测 4、极限测试：温度、湿度、冲击、振动 5、维修诊断：探伤、监控中心,4.微到纳米级测量（1nm= ) 纳米测量，纳米制造等。微纳米尺度的几何量、表面粗糙度、表面微观形貌、MEMS材料机械特性、微应力和微应变、
6、微位移、速度和加速度、振动、声和超声等典型物理量的测量技术应用。 纳米测量展望 ,它的研究主要向两个方向发展： 一是在传统的测量方法基础上，应用先进的测试仪器解决应用物理和微细加工中的纳米测量问题,分析各种测试技术,提出改进的措施或新的测试方法； 二是发展建立在新概念基础上的测量技术，利用微观物理、量子物理中最新的研究成果,将其应用于测量系统中,它将成为未来纳米测量的发展趋向。,第一章 绪论,二、测试技术的研究内容,测试的目的是从客观事物中获取有用的信息。测试技术则是研究怎样从客观事物中获取有用信息的一门技术。主要包括测试手段与方法的研究；信号处理方法的研究等。 具体地，本课程主要研究如下几个
7、方面的内容： 机械工程动态测试中常用的传感器 信号调理电路及记录仪器的工作原理 测量装置基本特性的评价方法 测试信号的分析和处理 常见物理量的测量方法等,本书重点讨论机械工程中的测试技术，主要包括以下内容 1、工程过程的实验分析与参数测量 如材料的强度试验，振动物体的固有频率、阻尼比以及振型等参数的测试，动载构件的应力、应变谱测试等。,第一章 绪论,第一章 绪论,2、过程监视与故障诊断 如数控机床自动加工中刀具磨损和断裂监视、加工精度检测；柴油机、发动机运行中的 故障诊断；火车脱轨、轴温的在线检测，卷扬机、电梯跟踪检测等。,如玻璃管温度计,如图所示的声级计,第一章 绪论,切削力传感器，加工噪声
8、传感器，超声波测距传感器、红外接近开关传感器等。,生产加工过程监测,密歇根大学数字化工厂,第一章 绪论,3、作为自动化或控制系统中的一个环节 主要用于闭环系统中的反馈控制环节。在各种自动控制系统中，测试环节起着系统感官的作用，是其重要组成部分。如真空焊接炉的温度控制，再如机械手的动作控制等,密歇根大学的机械手装配模型,第一章 绪论,产品质量测量例,在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。,图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。,汽车扭距测量,机床加工精度测
9、量,4、生成产品的质量评价，如抽样检测,第一章 绪论,1.2 测试工作的任务,测试工作的任务就是为了获取有关研究对象的状态、运动和特征等方面的信息 。 就像物质和能量是客观存在一样，信息也是反映事物运动状态和特征的客观存在。信息可以产生，也可以消失，同时还可以被携带、存贮和处理。信息是可以度量的。对信息的获取、处理与度量过程就是对事物的认识过程。例如，转子的动不平衡是引起旋转机械振动的主要原因，如何去消除这种动不平衡呢？可以用传感器及其测试系统检测出支承处的动反力以及转子的振动量，并对它进行分析和处理就可以获得转子动不平衡的大小和方位的信息，进而采取相应的消除措施。,第一章 绪论,1、信息与信
10、号的关系 信息总是通过某些物理量的形式表现出来，这些物理量则称之为信号。信号是信息的载体，信息存在于信号之中。如从载波中提取音频信号。如对于单自由度振动系统，所测得的质量块位移信号中就包含着我们所感兴趣的固有频率和阻尼比的信息。 2、有用信号与干扰信号 信号中虽然携带着信息，但是其中既含有我们所需要的有用信息，也含有大量不需要的干扰，测试工作的任务之一就是从复杂的信号成分中提取有用信息。不过，需要指出，“干扰”和“有用”是对立统一的，在一定的条件下可以互相转化。例如齿轮噪声是人们不希望的干扰信号，对工作环境造成污染，但另一方面又可作为有用信号来判断齿轮副的运转,第一章 绪论,3、信号的调理与传
11、输 为了在外界干扰的情况下，能够提取和辨识出信号中所包含的有用信息，常常需要把信号作必要的调理处理。这与我们熟知的声音和图像发射和接收的道理一样，如下图所示。,4、电信号的运用 信号有机械信号（力信号、声信号）、电信号、光信号（光纤通讯）等，但从信号的获取、调理、传输、显示和控制等方面看，以电量形式表示的电信号最为方便，故本书中所说的信号，一般都是指随时间变化的电信号。,第一章 绪论,三、 测试系统的组成及其发展,1、一般测试系统 从具体应用角度来讲，测试工作包括激励方式，信号的检测、调理、处理、分析以及显示、记录或数据输出等。与之相对应的测试系统框图如下图所示。,第一章 绪论,测试系统组成,
12、传感器-信息采集-感官 信息处理技术-信息加工-甄别 计算机技术-信息综合-大脑 网络技术-信息传输-神经,3、注解 其中传感器是一种能把被检测的物理量变换为可测信号（通常为电信号）的装置，它是测试系统的首要环节。 信号调理装置是将来自传感器的电信号进行调理和处理，如放大、调制、解调、滤波等，使之变为既保留了原始被测信号中的有用信息，又便于不失真地传输、显示和记录以及有利于后续处理的信号。,第一章 绪论,信号处理装置是对测试结果（曲线或数据）进行处理、运算和分析的装置。数据处理包含回归分析、频谱分析、相关分析、功率谱分析等，其方法也有模拟量分析法和数字量分析法之别。 显示与记录装置是把经调理后
13、的电信号不失真地记录和显示出来，以便观测、分析和处理。记录和显示的方式一般有模拟和数字两种，前者记录的是模拟信号，而后者则是数字信号。 试验激发装置是人为地模拟某种条件把被测系统中的某种信息激发出来，以便检测。如激振器、振动试验台等。,第一章 绪论,2、计算机测试系统 随着计算机技术的飞速发展，计算机已被广泛地应用于各个领域。由传感器与计算机结合起来组成的新型测试系统如图1-3所示。这种测试方法是先用传感器及其测量电路将某种物理量变换成所需的电信号，再由A/D转换器（模/数转换器）将模拟信号变换为数字信号，然后通过计算机或数字信号处理器将大量数据进行高速处理，从而获得各种需要的输出。,第一章
14、绪论,计算机测试系统,第一章 绪论,总 结,古老测量方法机械测量方法非电量的电 测方法计算机测试技术（CAT）,科学实验、产品开发、生产监督、质量控制等，都离不开测试技术。测试技术应用涉及每一个工程领域。,不同的学科、专业，其测试目的和规模、试验研究的对象， 以及使用的仪器设备都会有一定的差异。操作者所关心的问题 和使用的方法都有很大的相似性，即都关心测试理论、测试方 法、测试系统的架构、测试信号及实验数据的分析处理方法； 都关心如何控制实验条件，减少干扰因素的影响；都关心如何 选择测量系统，以获得较大的测试效费比。 代价小 测得准 信息量大,发展:,四 、测试技术的发展,（1） 传感器向新型
15、、微型、智能型方向发展； （2） 测试仪器向高精度、多功能、小型化、在线监测、性能标准化和低价格发展； （3） 参数测量与数据处理以计算机为核心，使测量、分析、处理、打印、绘图、状态显示及故障预报向自动化、集成化、网络化发展。,第一章 绪论,a)传感器+嵌入式计算机 智能传感器 (smart),振动网络传感器,嵌入式计算机,智能压力网络传感器,智能倾角RS232传感器,IC总线数字温度传感器,4、测试技术的发展,第一章 绪论,b)测量信号处理方面,计算机虚拟仪器技术,我们的工作,用PC机仪器板卡 代替传统仪器 用计算机软件 代替硬件分析电路,优点,第一章 绪论,五、测量的相关概念 1）测量的定
16、义 为确定被测对象的量值而进行的实验过程称为测量。 2）测量的最基本形式 比较将待测的未知量和予定的标准作比较。 3）量值 由测量所得到的被测对象的量值表示为数值和计量单位的乘积。 4）测量的分类 直接测量和间接测量。P= Mn * n P=F * v 无需经过函数关系的计算，直接通过测量仪器得到 被测量值的测量为直接测量。,5）测试方法：,传统机械式仪表 被测量弹性元件变形-机构放大、传递-指针偏转、移动,非电量电测法 优点： 连续测量、自动记录、反馈控制 电量放大器实现微量测量 可测静态量、动态量、瞬时量 有线、无线传输实现远距离测量 计算机自动测试、分析、处理测试数据,要使测量具有普遍科学意义的条件 1、作比较的标准必须是精确已知的，得到公认的； 2、进行比较的测量系统必须工作稳定，经得起检验。,非电量电测系统的组成 1、非电量测量的基本思想 首先要将输入物理量转换成电量，然后再进行必要的调节、
