1、工程測試技術,主講教師：來五星博士、副教授 李錫文博士、教授 實驗教師：黃弢高級工程師 辦公電話： 87557415 87559004 移動電話電子郵件： 辦公地址：新大樓東樓B305 新大樓東樓C306,工程測試技術,課件資料下載： 郵箱地址： “機械工程測試”每個字拼音的第一個字母 密碼：111111 注意下載時不要刪除原始文件,課程內容,本課程主要介紹工業(yè)自動化、環(huán)境監(jiān)測、樓宇控制、交通等領域中常見物理量(壓力、應變、位移、加速度、溫度等）的傳感器測量原理、測量電路原理、信號分析及處理方法。,學習方法,本課程是一門培養(yǎng)學生解決實際工程測

2、量問題的能力的專業(yè)技術基礎課，課程具有很強的實踐性。 學習時應充分利用課程所開設實驗和提供的仿真課件。 只有通過足夠的實驗和仿真實驗操作，才能得到應有的能力培養(yǎng)，才能更好的掌握書本知識和具備解決實際測量問題的能力。,理論學習、實踐學習和研究學習三元并重。,課程網(wǎng)絡學習資源,1. 機械工程測試技術網(wǎng)絡課件 8/jpkc/gccsjs/,2. 工程測試網(wǎng)上虛擬實驗室 8/jpkc/gccsjs/956_web_course_lab/weblab.html,3. DRVI可重構虛擬儀器實驗開發(fā)平臺

3、8/jpkc/gccsjs/94_newlab/index.html,考試,實驗單獨計分：實驗不及格不能參加期終考試，成績?yōu)?分； 平時作業(yè)和考勤：30分。 平時作業(yè) 考勤 期終考試占：70分。,第一章緒論,本章學習要點：,1.1 掌握測試技術的概念及研究內容 1.2 了解測試技術的應用情況 1.3 了解測試技術的發(fā)展動態(tài) 1.4 了解主要測試儀器生產(chǎn)廠商,1.1 測試技術的基本概念,測試技術是實驗科學的一部分，主要研究各種物理量的測量原理和測量信號分析處理方法。,測試技術是進行各種科學實驗研究和生產(chǎn)過程參數(shù)測量必不可少的手段，起著人的感官的作用。,簡單的測試系統(tǒng)可以只有一個模塊，如玻璃管溫度

4、計。它直接將被測對象溫度變化轉化液面示值。沒有電量轉換和分析處理電路，很簡單，但測量精度底，無法實現(xiàn)測量自動化。,為提高測量精度和自動化程度，以便于和其它環(huán)節(jié)一起構成自動化裝置，通常先將被測物理量轉換為電量，再對電信號進行處理和輸出。如圖所示的聲級計。,例1：熱軋設備診斷,例1熱軋設備診斷,問題及解決方法： （1）怎樣測量壓力、振動位移、電氣信號以及控制信號開關量？ （2） 信號如何傳輸？ （3） 多傳感器信息融 合處理（fusion)？ （4） 設備的管理、調度 和控制,傳感器技術,信息處理技術,計算機等技術,例2汽車防抱死制動系統(tǒng)ABS,如果剎車片抱死車輪 汽車的制動力來自輪胎與地面的摩擦

5、力，而地面與車輪間的靜摩擦系數(shù)大于滑動摩擦系數(shù)，則剎車距將增長。 前輪若抱死，前輪轉向附著力達極限，即使轉動方向盤，汽車仍會沿原方向滑行。 后輪若抱死，后輪無法轉動，如有側向力，極易發(fā)生甩尾現(xiàn)象。 ABS的任務 保持剎車時的方向穩(wěn)定性 保持轉向控制能力 提供最大制動力并縮短制動距離 減少輪胎磨損,ABS = Antilock Braking System,例2汽車防抱死制動系統(tǒng)ABS,組成和工作原理：ABS是普通制動系統(tǒng)基礎上加裝車輪速度傳感器、ABS電控單元、制動壓力調節(jié)裝置及制動控制電路等組成。工作過程分為常規(guī)制動，制動壓力保持、制動壓力減小和制動壓力增大等階段。制動中，ABS電控單元判斷

6、車輪速度信號，加以處理，分析是否有車輪即將抱死拖滑。 ABS增壓階段：如果沒有車輪即將抱死拖滑，制動壓力調節(jié)裝置不參與工作，制動主缸和各制動輪缸相通，制動輪缸中的壓力繼續(xù)增大。 ABS保壓階段：如果電控單元判斷出某個車輪（假設為左前輪）即將抱死拖滑，它即向制動壓力調節(jié)裝置發(fā)出命令，關閉制動主缸與左前制動輪缸的通道，使左前制動輪缸壓力不再增大。,ABS減壓階段：若電控單元判斷出左前輪仍趨于抱死拖滑狀態(tài)，它即向制動壓力調節(jié)裝置發(fā)出命令，打開左前制動輪缸與儲液室或儲能器的通道，使左前制動輪缸中的油壓降低。 裝有ABS的車輛在干柏油路、雨天、雪天等路面防滑性能分別達到80%90%、30%10%、15%

7、20%。,ABS工作原理：輪速傳感器+電子控制模塊+執(zhí)行器,圖,電子控制模塊,輪速傳感器,制動踏板,黃色-速度傳感器通道 藍色-液壓管路 ECU,制動壓力調節(jié)器,例3電機故障診斷,圖 電動機在線識別,在某電動機生產(chǎn)線上，利用頻譜診斷技術實現(xiàn)電動機在線自動識別、分類的過程。,例：電機故障診斷實驗步驟,具體檢測步驟如下： （1）將裝有微型加速度計的測頭接觸傳送帶上運送的電動機； （2）檢測電動機的振動信號，經(jīng)放大器后輸入FFT分析儀； （3）將檢測得的振動頻譜與預先在分析儀中設定的判別譜進行比較； （4） 進行合格與否判斷，輸出判斷信號。,例：電機故障診斷實驗結果,上圖分別為典型合格品與廢品的振動

8、頻譜。 圖中可看出，廢品的頻譜圖中往往在某一頻率有較大的幅值。,三個實際問題的啟示,機、電、液、氣技術相結合； 傳感器、信息處理、計算機技術的綜合運用； 相關學科的整體發(fā)展才可能有某一項技術的提高。 測試技術是解決這類問題的第一步。,本課程的研究對象 （機械）工程 中的 動態(tài) 物理量 廣義的 隨時間而變化的 靜態(tài) 物理量 不隨時間而變化的 g的測量、電子半徑（1964 MIT和Harvard 1966丁肇中） 1*10e-17m 1*10e-24m G目前測量最高精度是13個ppm，角加速度法測量,測試技術定義,測試技術涵義 是研究客觀事物變化規(guī)律的方法（手段），是從客觀事物中攝取有關信息的認

9、識過程。運用專門的設備，通過合適的實驗方法和必要的數(shù)據(jù)處理，求得所研究的有關信息的量值。 測試定義： 是具有 試驗 性質的 測量。,為確定被測對象量值(Value)而進行的實驗過程,對未知事物的探索性認識過程(Process)，是一個動態(tài)過程而非靜止,Measurement & Test,測試的意義 測試是人類認識自然、掌握自然規(guī)律的實踐途徑之一，是科學研究中獲得感性材料、接受自然信息的途徑，是形成、發(fā)展和檢驗科學理論的實踐基礎。 測試屬于信息科學范疇，因而被稱為信息探測工程學。,信息 (Information),較為典型和著名的幾個定義： 美國科學家維納(N. Wiener)在1948年出版

10、的奠基性著作控制論-動物和機器中的通信與控制問題一書中指出：“信息就是信息，不是物質，也不是能量?！?美國科學家山農(C. E. Shanon)在1948年“通信的數(shù)學理論”一文中定義為：“能夠用來消除不定性的東西?！?意大利學者郎格(G. Longer)在1975年出版的信息論：新趨勢和未決問題一書中定義為：“事物之間的差異，而不是事物本身?！?信息 (Information),較為典型和著名的幾個定義： 唐李中詩暮春懷故人，“夢斷美人沉信息，目穿長路倚樓臺”，“信息”兩個字出現(xiàn)。 南宋哲學家、詩人陳亮詩梅花：“欲傳春信息，不怕雪埋藏” 唐杜牧 寄遠，“塞外音書無信息，道傍車馬起塵?！薄?宋

11、李清照-上樞密韓肖胄詩，“不乞隋珠與和壁，只乞鄉(xiāng)關新信息”。,信息-信息的定義,從純客觀的角度，信息定義為： 事物 運動 的 狀態(tài) 和 方式,廣義的,廣義的,相對穩(wěn)定,運動變化,事物運動的兩個基本側面,注意：信息是客觀存在的，但本身不是物質，不具有能量。“不是東西”。,信息的基本性質,信息的基本性質 可識別（可獲取）； 可轉換； 可存儲； 可傳輸； 信息的傳輸依靠物質能量，一般來說，傳輸信息的載體稱為信號(Signal)。 信息 信號 如：古代的烽火；防空警笛；門鈴；啞語。,信號 (Signal),信號是事物運動狀態(tài)和方式的表現(xiàn)。 信號是物理性的，是物質，具有能量，它以各種形式存在。 機械振動

12、信號 心電圖信號 光電信號 圖像信號 本課程研究的是信號，是信息的一種載體。,信號實例,自然和物理信號 例如：語音、圖象、地震信號、生理信號等 實例：雨聲、地震信號,信號實例,自然和物理信號 例如：語音、圖象、地震信號、生理信號等 實例：人的心音、弓頭鯨發(fā)出聲音,圖 正常心音時域波形圖,圖 房室隔缺損病人心音時域波形圖,信號實例,人工產(chǎn)生的信號 例如：雷達信號、通訊信號、醫(yī)用超聲信號、機械探傷信號等 實例：雷達信號、機械聲音,測試技術的基本內容,測試技術的內容相當廣泛。 例如：醫(yī)生給病人看病。 病情 信息的獲取 處理,人,病灶,觀察 簡單檢查 儀器檢查,診斷,治療,典型信號處理過程 信息 信息

13、獲取 信號分析 信號處理 對象 （靜態(tài)） （動態(tài)）,信 號 源,傳感器,信號分析,中間變換,記 錄,相關的概念 信息獲取 從傳感器等一次敏感元件獲得初始信息，再用一定設備手段進行分析處理和信息提煉的過程。 信號分析 研究信號的構成和特征值，對信號本身的信息結構沒有影響。 信號處理 把信號經(jīng)過必要的加工變換，以期獲得有用信息的過程。 信號分析方法 時域分析和頻域分析（譜分析）。,一般說來，測試系統(tǒng)由傳感器、中間變換裝置和顯示記錄裝置三部分組成。,傳感器將被測物理量(如噪聲,溫度) 檢出并轉換為電量。 中間變換裝置對接收到的電信號用硬件電路進行分析處理或經(jīng)A/D變換后用軟件進行信號分析。 顯示記錄

14、裝置則測量結果顯示出來，提供給觀察者或其它自動控制裝置。,信息轉換,信息提取,1.1 測試技術的基本概念,1.2 測試技術的工程應用,在工程領域，科學實驗、產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)監(jiān)督、質量控制等，都離不開測試技術。測試技術應用涉及到航天、機械、電力、石化和海洋運輸?shù)让恳粋€工程領域。,1、工業(yè)自動化中的應用,a) 機械手、機器人中的傳感器 轉動/移動位置傳感器、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，是其重要組成部分。,b) AGV自動送貨車,超聲波測距傳感器、判斷建筑物內人和物所在位置；紅外線色彩傳感器運

15、動軌跡和AGV小車位置識別；條形碼傳感器，貨品識別。,AGV=Automatic Guided Vehicle,c) 生產(chǎn)加工過程監(jiān)測,切削力傳感器，加工噪聲傳感器，超聲波測距傳感器、紅外接近開關傳感器等。,2、流程工業(yè)設備運行狀態(tài)監(jiān)控,在電力、冶金、石化、化工等流程工業(yè)中，生產(chǎn)線上設備運行狀態(tài)關系到整個生產(chǎn)線流程。通常建立24小時在線監(jiān)測系統(tǒng)。,揚子石化50MW熱電機組監(jiān)測系統(tǒng) 陽邏電廠300MW汽輪機組監(jiān)測系統(tǒng) 荊門電廠200MW機組監(jiān)測系統(tǒng) 青山熱電廠生產(chǎn)信息實時查詢系統(tǒng) 沙角電廠生產(chǎn)信息實時查詢系統(tǒng) 寶鋼30KW以上風機監(jiān)測系統(tǒng) 寶鋼精軋F2軋機網(wǎng)絡化監(jiān)測系統(tǒng) 寶鋼冷軋帶鋼振動紋監(jiān)測系

16、統(tǒng) 武鋼風機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),3、產(chǎn)品質量測量,在汽車、機床等設備，電機、發(fā)動機等零部件出廠時，必須對其性能質量進行測量和出廠檢驗。,圖示為汽車出廠檢驗原理框圖，測量參數(shù)包括潤滑油溫度、冷卻水溫度、燃油壓力及發(fā)動機轉速等。通過對抽樣汽車的測試，工程師可以了解產(chǎn)品質量。,汽車扭距測量,機床加工精度測量,4、樓宇控制與安全防護,為使建筑物成為安全、健康、舒適、溫馨的生活、工作環(huán)境，并能保證系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和管理的智能化。在樓宇中應用了許多測試技術，如闖入監(jiān)測、空氣監(jiān)測、溫度監(jiān)測、電梯運行狀況。,圖示為某公司樓宇自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為：電源管理、安全監(jiān)測、照明控制、空調控制、停車管理、水/廢水管理和電梯

17、監(jiān)控。,5、家庭與辦公自動化,在家電產(chǎn)品和辦公自動化產(chǎn)品設計中，人們大量的應用了傳感器和測試技術來提高產(chǎn)品性能和質量。,全自動洗衣機中的傳感器：衣物重量傳感器，衣質傳感器，水溫傳感器，水質傳感器，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,6、其他應用,航天,農業(yè),交通,醫(yī)學,鼠標: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:電容傳聲器,聲卡:A/D卡 + D/A卡,軟驅:速度,位置伺服,7、PC機中的測試技術應用,1.3 測試技術的發(fā)展趨勢,1、傳感器方面,a) 利用新發(fā)現(xiàn)的材料和新發(fā)現(xiàn)的生物、物理、化學效應開發(fā)出的新型傳感器,光纖流速傳感器,熒光材料制作的電子鼻傳感器,生物酶血樣分析傳感器,b) 傳感器+嵌入式計算機 智能傳感器,振動網(wǎng)絡傳感器,嵌入式計算機,智能壓力網(wǎng)絡傳感器,智能傾角RS232傳感器,IC總線數(shù)字溫度傳感器,2、測量信號處理方面,計算機虛擬儀器技術,用PC機儀器板卡 代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器 用計算機軟件 代替硬件分析電路,優(yōu)點,1.4 主要傳感器和測