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1、机械工程测试技术(传感器与测试技术基础),主讲：文成,重庆科技学院机械与动力工程学院,参考书目：1.周传德.传感器与测试技术.重庆大学出版社,2009.62.熊诗波.机械工程测试技术基础.机械工业出版社，2007.1 3.黄长艺.机械工程测试技术基础.机械工业出版社，1995.104.秦树人.机械测试系统原理与应用.科学出版社，2005.95.秦树人.机械工程测试原理与技术.重庆大学出版社，2002.8 6.卢文祥.机械工程测试信息信号分析.华中科技大学出版社,实验指导书：,机械工程测试技术教学大纲,一、课程概况 机械工程测试技术课程是机械设计制造及其自动化专业的一门专业平台课。本课程的任务是
2、：通过本课程教学，使学生掌握测试的相关理论知识、传感器的正确选用及其在机械工程中的典型应用，培养学生利用测试技术基础知识来分析和解决工程实际问题的初步能力，为学生学习后续故障诊断技术、数控技术、机械振动基础等课程，并为将来工作打下基础。本课程的先修课程主要有机械原理、高等数学、电工与电子技术基础等。本课程的后续课程主要有故障诊断技术、机械振动基础、数控技术等。,二、教学基本要求（一）掌握机械测试理论及信号分析方法。（二）熟悉常用传感器的基本特性、使用特点，能正确选用传感器。（三）了解常用机械量的测试方法。,学习要求：,1作业：（2 次），占 10%；2实验：（4 次，实验操作+实验报告），占
3、20%；3考试：（闭卷），占 70%。,课程主要内容理论部分,本课程主要介绍机械工程领域中常见的物理量(压力、应变、位移、振动、温度等）的（传感器）测量原理、测量电路原理和信号分析方法。,测试系统的构成,信号调理,数字信号处理,噪声测试,信号分析基础,测试系统的基本特征,传感器原理与应用,振动测试,计算机测试系统,机械参量测试,实验1：传感器综合实验 实验2：电桥和差特性 实验3：单自由度系统自由衰减振动及其固有频 率和阻尼比的测定实验4：隔振实验 实验5：振动信号分析实验6：转速测量实验实验7：传感器的标定,实践环节,第1章 测试系统的构成,本章学习要求,1、掌握测试的概念，测试系统的基本组
4、成；2、理解测试技术的发展趋势和在工业中的应用；3、了解机械工程测试技术的研究内容和性质，课程学习 的方法和要求。,生活中的测试例子,重量，长度，温度，湿度，三表（电，水，气）,汽车监测点：50100,飞机监测点：3000,航天飞行器监测点：5000,没有测量就没有科学门捷列夫,诺贝尔物理奖，化学奖中1/4属于测试方法和测试仪器的创新。,“两弹一星”的成功，没有测试仪器是不可能的。,生产中“没有测试，就没有新产品”。大规模集成电路的生产成本中，测量成本已超过50%,机械工程测试案例,案例1、相关理论测量带速,互相关函数为Rxy()，描述了两个信号间或信号自身不同时刻的相似程度。,互相关函数,相
5、关原理测速原理如图所示。沿运动物体速度方向相隔一定距离安装两个传感器S1和S2 如图（a），通过S1、S2获得运动物体的表面特征信号如图（b）中的S1(t)和S2(t)。,带速：,求渡越时间t0，需作S1(t)和S2(t)的互相关函数，代入理想情况下S2(t)=S1(t-t0)的关系，有：,在等于渡越时间t0时，互相关函数R取得最大值。,案例2、齿轮-V带传动系统机械效率测试,一、测试技术的基本概念,测试技术是实验科学的一部分，研究的主要内容为：被测量的测量原理、测量方法、测量系统以及数据处理四个方面。,简单的测试系统,比较复杂的测试系统,1、测量（measurement）指确定被测对象属性量
6、值为目的的全部操作。2、测试（measurement and test）包含了测量(Measurement)和试验(Test:信号分析)两方面的含义。是指具有试验性质的测量，或测量与试验的综合。3、机械工程测试的对象 机械系统(包括各种机械零件、机构和部件)及其组成部分(包括与机械系统有关的电路、电气等)。,4、测试过程（1）了解和分析测试对象的特征，明确测试目的；（2）选用专门的仪器设备；（3）设计合理的实验方法；（4）进行必要的数据处理，获取被测对象的有关信息的量值。5、测试的基本任务（1）提供被测对象（如产品）的质量依据；（2）提供机械工程设计、制造、研究所需的数据；（3）分析研究各种因
7、素间的相互关系和影响；（4）监测设备运行过程和设备故障诊断；（5）许多工程问题在理论上尚不完善，可通过测试数据去发现和研究其规律性。,1、非电信号 随时间变化的力、位移、速度、加速度、流量、温度、应力等属于非电信号；2、电信号(electrical signal)随时间变化的电流、电压等则属于电信号。非电信号和电信号可以借助于换能器装置相互转换。,二、相关的基本概念,3、信号(signal)物理现象的表征，是信息的载体，是信息的表现形式，如运动、能量、速度等。是物质，具有能量。信号的来源：物理和自然现象（如地震）；人为产生（如调幅信号）。信号可以用数学模型来描述，如函数（连续信号）、序列（离散
8、信号）等。信号分析处理的目的是揭示事物的本质，即获取信息。4、信息(information)信息是信号的本质，信息是通过特征值来反映。信息本身不是物质，也不具有能量，但它的传输必须依赖于物质和能量（信号）。信息可以识别、转换、存储和传输。其传输依靠物质信号来完成。,交通信号灯,信息,信号,信息的载体是光信号,红灯亮,黄灯亮,绿灯亮,停止,通行,注意,单自由度振动系统,Xo幅值，频率，0 初相位。,信号,信息,解方程,5、噪声(noise)叠加在有用信号中的无用信号，如工频噪声。6、干扰(disturbance)对电子线路或对电子设备产生具体不良后果的噪声看成干扰，如收音机杂音。噪声和干扰最终将
9、以误差的形式表现出来；在有噪声背景的情况下提取有用信息；采取抗干扰措施。,7、干扰与噪声的关系 噪声是干扰之因，干扰是噪声之果；干扰存在是相对的，噪声存在是绝对的；干扰在一定的条件下可以消除，而噪声则只能降低，难以完全消除；线性电路中，噪声可以看作干扰。8、信噪比SNR(signal noise ratio)有用信号与无用信号之比。9、系统(system)由各个相关联的部分，为了一个共同的目的而组成的整体，如应变测试系统。,三、测量的基本方法,（1）直接测量 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。(将被测量与与标准量进行比较，得到测量结果)例：天平测物体质量 用
10、米尺测量物体长度 欧姆表测量导体的电阻,1、直接测量、间接测量和组合测量,（2）间接测量 待测量与其他量有确定的函数关系，可以先测其他量，然后再通过已知的函数关系求得待测量，这种方法称为间接测量法。例：水银温度计测体温 弹簧测物体的重量 测导线的导电率：,（阿基米德测量皇冠的比重）,又例如，为了测量一台发动机的输出功率，必须首先测出发动机的转速n及输出转矩M，通过公式PMn可计算出其功率值。,（3）组合测量,若被测量必须经过求解联立方程组,才能得到最后结果,则称这样的测量为组合测量。组合测量是一种特殊的精密测量方法,操作手续复杂,花费时间长,多用于科学实验或特殊场合。,（1）接触测量 接触测量
11、的敏感元件在一定测量力的作用下，与被测物体直接接触。,2、接触测量、非接触测量,（2）非接触测量,非接触测量敏感元件与被测对象不发生机械接触。,雷达测速,（1）离线测量,3、离线测量、在线测量,产品质量检验,（2）在线测量,在流水线上，边加工，边检验，可提高产品的一致性和加工精度。,四、测试系统的组成,1、测试系统的一般构成,1、激励装置(exciting device)：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号。2、传感器(sensor)：是将被测信号转换成某种电信号的器件。3、信号调理(signal conditioning)：把来自传感器的信号转换成更适合于进一步传输和处理
12、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、调制处理和滤波处理等。4、信号处理(signal processing)：对来自信号调理环节的信号进行各种运算和分析。5、信号显示(display)、记录(record)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。6、反馈(feedback)、控制(control)环节：主要用于闭环控制系统中的测试系统。,测试系统实例：振动教学实验系统,打开视频：振动测试实验装置,2、测试系统中的传感器,传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。传感器转换后的信号大
13、多为电信号。从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。传感器输出与输入有一定的对应关系,且应有一定的精确度。在自动控制(autocontrol)领域中，自动化程度越高，控制系统对传感器的依赖性就越大，因此，传感器对控制系统功能的正常发挥起着决定性的作用。,物理量,电量,常见的传感器,测试系统可以简化为处理输入/激励(input/excitation)x(t)、系统的传输特性(transfercharacteristics)h(t)和输出/响应output/response)y(t)三者之间的关系。,例如：,3、测试系统分析中的三类问题,3)预测问题(forecast)：如果输
14、入和系统特性已知，则可以推断和估计系统的输出量。,1)系统辨识(system identification)：当输入、输出是可测量的(已知)，可以通过它们推断系统的传输特性。,2)反求问题：当系统特性已知，输出可测量，可以通过它们推断导致该输出的输入量。,五、测试技术的工程应用,在工程领域，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。测试技术应用涉及到航天、机械、电力、石化和海洋运输等每一个工程领域。,1、工业自动化(industrial automation)中的应用,1)机械手、机器人中的传感器 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
15、感器、热觉传感器、嗅觉传感器。,在各种自动控制系统中，测试环节起着系统感官的作用，是其重要的组成部分。,密歇根大学的机械手装配模型,广州中鸣数码的机器狗,2)AGV(Automated Guided Vehicles)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。,香港理工大学AGV模型,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。,扬子石化50MW热电机组监测系统阳逻电厂300MW汽轮机组监测系统荆门电厂200MW
16、机组监测系统青山热电厂生产信息实时查询系统沙角电厂生产信息实时查询系统宝钢30KW以上风机监测系统宝钢精轧F2轧机网络化监测系统宝钢冷轧带钢振动纹监测系统武钢风机状态监测系统,汽轮压缩机组工况监视与故障诊断系统,数据的管理定时保存最近三天的机组原始监测数据、当天的机组运行趋势数据、至少一年的历史趋势数据。状态识别通过振动峰-峰值或各分频幅值给出颜色，指明异常振动测点信号分析与处理启停过程分析：Bode图，三维瀑布图，轴心轨迹时域分析：时域波形，轴心轨迹，振动棒图，自相关函数，互相关函数，趋势分析等；频域分析：FFT分析，互谱分析，倒谱分析等事故停机联锁信号分析,七大主要功能：,报警与门限值峰-
17、峰值报警谱峰报警趋势分析与预报峰-峰值趋势分析与预报各主要分频和倍频幅值趋势分析与预报打印功能打印各种分析图形系统运行参数及监视方式的编辑对启停采样转速间隔、采样时间间隔、传感器灵敏度系数、报警门限等进行修改或重新设置，适应不同的应用场合,3、产品质量(product quality)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,4、楼宇控制与安全防护,为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的工作生活环
18、境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。,图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监控。,5、家庭与办公自动化(office automation,OA),在家电产品和办公自动化产品中，人们大量的应用了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。,全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器(洗净度)液位传感器，电阻传感器(衣物烘干检测)。,指纹传感器,透光率传感器,鼠标:光电位移传感器,摄象头:CCD传感器,
19、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(Personal Computer)机中的测试技术应用,7、其他应用,航天,农业,交通,医学,六、测试技术的发展趋势,硬件化仪器,软件化仪器,单参量测试系统,多参量测试系统,单机测试系统,分布式测试系统,网络仪器、虚拟仪器,测试仪器的发展历程,digital instrument,intelligent instrument,analog instrument,virtual instrument,虚拟仪器技术(VI,Virtual Instrument),用计算机软件(software)代替硬
20、件(hardware)分析电路,我们的工作,模拟示波器,数字示波器,虚拟示波器演示1、记忆示波器newwave2、示波器原理及应用仿真实验3、随机信号分析仪LabVIEW4、VMIDS虚拟仪器开发系统,七、测试标准体系,1、测试标准体系的主要功能和作用,利用测试的有关国家标准、部门标准、行业标准就可以说明我们的测试结果，从而提取所需要的信息。,（1）统一全国的术语、符号、标志、信息分类编码及技术制图等，为各个行业提供准确一致的技术语言。（2）统一规定涉及到国计民生的基本生产和生活的产品质量标准，为国民经济的有序发展和人民群众的正常生活提供有力的保障。（3）统一规定各类企事业单位和人们活动的基本
21、规范，以防止欺诈行为和假冒伪劣商品侵入。（4）节约人力和资源、保护生态环境，确保我国可持续发展，建立和谐社会。,2、标准的分类,（5）保障我国广大人民群众身体健康和财产安全，保护动植物生命健康。（6）保卫国家安全。,（1）按行业分类：57大类（2）按标准性质分类：技术标准、管理标准和工作标准（3）按标准的功能分类：基础标准、产品标准、方法标准、安全标准、卫生标准、环保标准和管理标准,汽车定置噪声限值(GB 16170-1996 1997-01-01实施),城市区域环境噪声标准(GB 3096-93 1994-03-01实施),建筑施工场界噪声测量方法(GB 12524-90 1991-03-01实施),城市区域环境振动测量方法(GB 10071-88 1989-07-01实施),八、主要测试产品生产厂商,3、虚拟仪器技术,美国国家仪器公司(NI)，LabView，LabWindows等软件和各种总线的数据采集、控制、测量等软硬件，PC仪器，虚拟仪器系统。,
