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1、机械工程测试技术,Mechanical Engineering Measurement Technology,课程内容：,本课程主要介绍工业自动化领域中常见物理量(压力、应变、位移、加速度、温度等）的传感器测量原理、测量电路原理和信号分析方法。,机械工程测试技术,课程网络学习资源：,1.工程测试技术网络课件,2.工程测试网上虚拟实验室,机械测试技术基础,华中科技大学,东北大学、东南大学,工程测试技术基础,传感器世界http:/ 仪表技术与传感器网http:/www.i- 中国传感器网http:/ 北京中科泛华测控技术有限公司http:/ 自动化博览http:/ 2.了解测试技术的应用情况 3.
2、了解测试技术的发展动态 4.本课程学习要求,机械工程测试技术,测试工作的任务：,测试技术是实验科学的一部分，主要研究各种物理量的测量原理和测量信号的分析处理方法。,解决如何获取有关研究对象的状态，运动和特性等方面的信息的问题。,您在发烧，请,测试技术的研究内容：,1.1 测试技术的基本概念,测试技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数测量必不可少的手段，起着人的感官的作用。,简单的测试系统可以只有一个模块，如玻璃管温度计。它直接将被温度变化转化液面示值。没有电量转换和分析电路，很简单，但精度底，无法实现测量自动化。,为提高测量精度和自动化程度，以便于和其它环节一起构成自动化装置，通常先将被测物
3、理量转换为电量，再对电信号进行处理和输出。如图所示的声级计。,1.2 测试系统的组成,敏感元件,转换元件,适配电路,显示或存储,接口 （数字化）,计算机或控制系统,分析结果,反馈、控制或诊断,传感器,信号调理,1.2 测试系统的组成,信号分析处理,测试系统是指由相关的器件、仪器和测试装置有机组合而成的具有获取某种信息之功能的整体。如下图所示。,为了准确的获得被测对象的信息，要求测试系统中的每一个环节的输出量与输入量之间必须具有一一对应关系。而且，其输出的变化能够准确地反映出其输入的变化，即实现不失真的测试。,1.2 测试系统的组成,被测对象,传感器,信号 调理,信号处理,数据显示与记录,反馈、
4、控制,激 励,激励装置,一个被测对象的信息总是通过一定的物理量信号所表现出来。有些信息可以在被测对象处于自然状态时所表现出的物理量中显现出来，而有些信息却无法显现或显现的不明显。在后一种情况下，需要通过激励装置作用于被测对象，使之产生出我们要获取的信息载于其中的一种新的信号。,1.2 测试系统的组成,传感器,传感器是将被测信息按一定规律转换成同种或别种量值输出的装置。这种输出量通常是电信号。,1.2 测试系统的组成,调理环节,信号的调理环节是把来自传感器的信号转换成更适合于进一步传输和处理的形式。这种信号的转换，多数是电信号之间的转换。如幅值放大，将阻抗的变化转换成电压的变化或频率的变化等等。
5、,基本放大器,信号的调制与解调,1.2 测试系统的组成,信号处理环节,信号处理环节对来自信号调理环节的信号进行各种运算、滤波和分析,四种滤波器的幅频特性,1.2 测试系统的组成,显示记录环节,信号显示、记录环节是将来自信号处理环节的信号以观察者易于观察的形式来显示或存贮测试的结果。,光线示波器,反馈、控制环节,反馈控制环节主要应用于闭环控制系统中的测试系统。,1.2 测试系统的组成,机床轴承故障监测系统,报警信息,控制信息,执行装置,第一章、绪论,1.3 测试技术的工程应用,1、工业自动化中的应用,a)机械手、机器人中的传感器,1.3 测试技术的工程应用,在各种自动控制系统中，测试环节起着系统
6、感官的作用，是其重要组成部分。,密歇根大学的机械手装配模型,广州中鸣数码的机器狗,转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。,b) AGV自动送货车,超声波测距传感器：判断建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器：运动轨迹和AGV小车位置识别；条形码传感器：货品识别。,1.3 测试技术的工程应用,香港理工AGV模型,Automated Guided Vehicles,c) 生产加工过程监测,1.3 测试技术的工程应用,切削力传感器，加工噪声传感器，超声波测距传感器、红外接近开关传感器等。,密歇根大学数字化工厂,1.3 测试技术的
7、工程应用,2、流程工业设备运行状态监控,在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在线监测系统。,1.3 测试技术的工程应用,3、产品质量测量,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,机床加工精度测量,风机性能自动测试系统,1.3 测试技术的工程应用,1.3 测试技术的工程应用,4、家庭与办公自动化,在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用
8、了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。,指纹传感器,1、全自动洗衣机中应检测那些物理量？,2、举出一些生活中常见的家电几办公自动化产品应用传感器的例子,想一想,1.3 测试技术的工程应用,5、其他应用,航天,农业,交通,医学,农业工程中的应用,你还能举出一些农业工程中应用测试技术的例子吗？,1.2 测试技术的工程应用,鼠标:光电位移传感器,摄象头:CCD传感器,声位笔:超声波传感器,麦克风:电容传声器,声卡:A/D卡 + D/A卡,软驱:速度,位置伺服,6、PC机中的测试技术应用,个人测试实验室,1.4 测试技术的发展趋势,第一章、绪论,1、传感器方面,a)利用新发现的材料和新发现的生物、物
9、理、化学效应开发出的新型传感器,光纤流速传感器,荧光材料制作的电子鼻传感器,生物酶血样分析传感器,第一章、绪论,b)传感器+嵌入式计算机 智能传感器,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,结构型传感器,智能型传感器,物性型传感器,1.4 测试技术的发展趋势,2、测量信号处理方面,计算机虚拟仪器技术,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,我们的工作,第一章、绪论,思考题：,1. 列出你身边的测试技术应用的例子。,1.5 测量的基础知识,机械测试技术, 测量方法,1. 直接测量 （绝对测量、相对测量）,直
10、接测量：直接将被测量与标准量进行比较,标准量,标准计量单位（如米尺、光栅尺、激光、）绝对测量,定值标准量（如某一固定尺寸）相对测量,- 绝对测量：,采用仪器、设备、手段测量被测量，直接得到测量值,测量结果：20.1 mm,- 相对测量：,将被测量直接与基准量比较，得到偏差值,特点：简单、直观、明了； 测量精度不高,基准量：20.00 mm,测量值：+0.08 mm,结 果：20.08 mm,特点：精度高；复杂、成本高、要求高,1.5 测量的基础知识,1.3 测量的基础知识,2.间接测量,如测导线的导电率：,测量与被测量有一定函数关系的参量，被测量由计算获得, 与测量装置相关的术语,标称范围：测
11、量器具标尺范围所对应的被测量示值的范围。,量 程：标称范围的上下限之差的模。,测量范围：是指测试装置能正常测量最小输入量和最大输入量之间的范围。（测量仪器的误差处在规定极限内）,稳定性：是指在一定工作条件下，当输入量不变时，输出量随时间变化的程度。, 测量误差,1、测量误差的定义：,测量误差 = 测得值 - 真值,客观真实值（未知）, 约定真值：世界各国公认的几何量和物理量的最高基准的量值, 相对真值：标准仪器的测得值或用来作为测量标准用的标准器的值,如：米 - 公制长度基准,测量所得数据与其相应的真值之差,- 1）绝对误差,x = x x0, 理论真值：设计时给定或用数学、物理公式计算出的给
12、定值,光在真空中1s时间内传播距离的1/299792485,按误差来源：装置误差、环境误差、方法误差、人员误差,按特性规律：系统误差、随机误差、粗大误差,2、测量误差的分类：, 系统误差（System error）,由特定原因引起、具有一定因果关系并按确定规律产生,- 有规律可循,再现性 - 偏差（Deviation）,理论分析/实验验证 - 原因和规律 - 减少/消除, 随机误差（Random error）,因许多不确定性因素而随机发生,偶然性（不明确、无规律）,概率和统计性处理（无法消除/修正）, 粗大误差（Abnormal error）,检测系统各组成环节发生异常和故障等引起,异常误差
13、- 混为系统误差和偶然误差 - 测量结果失去意义,分离 - 防止,3、误差的表示方法：,1）绝对误差：测量某量所得值与其真值（约定真值）之差。 2）相对误差：绝对误差与约定真值之比。用百分数表示。 相对误差越小，测量精度越高。,3）引用误差：装置示值绝对误差与装置量程之比。,例如，测量上限为100克的电子秤，秤重60克的标准重量时，其示值为60.2克，则该测量点的引用误差为：（60.2-60）100=0.2%,4）分贝误差：,分贝误差=20lg(测量结果真值), 测量精度和不确定度,一、精度：,测量结果与真值吻合程度,定性概念,precision,accuracy,精度等级：用来表达装置在符合
14、一定的计量要求情况下，能保持其误差在规定的极限范围内。 工程上常采用引用误差作为判断精度等级的尺度。以允许引用误差值作为精度级别的代号。工业仪表常见的精度等级有0.1级，0.2级，0.5级，1.0级，1.5级，2.0级，2.5级，5.0级。精度密度和精确度等级为1.0的仪表，在使用时它的最大引用误差不超过1.0，也就是说，在整个量程内它的绝对误差最大值不会超过其量程的1。,在具体测量某个量值时，相对误差可以根据精度等级所确定的最大绝对误差和仪表指示值进行计算。,显然，精度等级已知的测量仪表只有在被测量值接近满量程时，才能发挥它的测量精度。因此，使用测量仪表时，应当根据被测量的大小和测量精度要求，合理地选择仪表量程和精度等级，只有这样才能提高测量精度。,同学们，记住吧！,二、不确定度 Uncertainty ：意味着对测量结果可信性、有效性的怀疑程度或不肯定程度，是定量说明测量结果的质量的一个参数。,所得的被测量值具有分散性，即每次测得的结果不是同一值，而是以一定的概率分散在某个区域内的许多个值。,测量不确定度就是说明被测量之值分散性的参数，它不说明测量结果是否接近真值。,测量不确定度用标准偏差表示，这时称其为标准不确定度。,
