01 工程测试技术 第一章.ppt

1、Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 1工程测试技术工程测试技术主讲教师：来五星博士、副教授李锡文博士、教授实验教师：黄弢高级工程师办公电话： 87557415 87559004移动电话：13349831325, 18971072799电子邮件： 办公地址：新大楼东楼B305 新大楼东楼C306Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 2工程测试技术工程测试技术课件资料下载：课件资料下载：邮箱地址：邮箱地址： “机械工程测试机械工程测试”每个字拼音的第一个字母每个字拼音的第一个字母 密码：密码：111111注意下载时不要删除原始文件注意下载时不要删除

2、原始文件 Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 3课程内容课程内容本课程主要介绍工业自动化、环境监测、楼宇控制、交通等领域中常见物理量(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、信号分析及处理方法。内容如下内容如下Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 4学习方法学习方法本课程是一门培养学生解决实际工程测量问题的能力的专业技术基础课，课程具有很强的实践性。学习时应充分利用课程所开设实验和提供的仿真课件。只有通过足够的实验和仿真实验操作，才能得到应有的能力培养，才能更好的掌握书本知识和具备解决实际测量问题的能力。 理论学习、实

3、践学习和研究学习三元并重。理论学习、实践学习和研究学习三元并重。Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 5课程网络学习资源课程网络学习资源 1. 机械工程测试技术网络课件机械工程测试技术网络课件 http:/202.114.4.28/jpkc/gccsjs/2. 工程测试网上虚拟实验室工程测试网上虚拟实验室 http:/202.114.4.28/jpkc/gccsjs/956_web_course_lab/weblab.html3. DRVI可重构虚拟仪器实验开发平台可重构虚拟仪器实验开发平台 http:/202.114.4.28/jpkc/gccsjs/94_newla

4、b/index.htmlDr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 6考试考试 实验单独计分：实验不及格不能参加期实验单独计分：实验不及格不能参加期终考试，成绩为终考试，成绩为0分；分； 平时作业和考勤平时作业和考勤：30分。 平时作业 考勤 期终考试占：70分。 Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 7第一章绪论第一章绪论本章学习要点：本章学习要点：1.1 掌握测试技术的概念及研究内容1.2 了解测试技术的应用情况 1.3 了解测试技术的发展动态 1.4 了解主要测试仪器生产厂商 Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 81.1

5、 测试技术的基本概念测试技术的基本概念 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分析处理方法。 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简单的测试系统可以只有一个模块，如玻只有一个模块，如玻璃管温度计。它直接璃管温度计。它直接将被测对象温度变化将被测对象温度变化转化液面示值。没有转化液面示值。没有电量转换和分析处理电量转换和分析处理电路，很简单，但测电路，很简单，但测量精度底，无法实现量精度底，无法实现测量自动化。测量自动化。 为提高测量精度和为提高测量精度和自动化程度，以便自动化程度，以便于和其它环节一起

6、于和其它环节一起构成自动化装置，构成自动化装置，通常先将被测物理通常先将被测物理量转换为电量，再量转换为电量，再对电信号进行处理对电信号进行处理和输出。如图所示和输出。如图所示的声级计。的声级计。 Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 9例1：热轧设备诊断Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 10例例1热轧设备诊断热轧设备诊断问题及解决方法：（1）怎样测量压力、振动位移、电气信号以及控制信号开关量？（2） 信号如何传输？（3） 多传感器信息融 合处理（fusion)？（4） 设备的管理、调度 和控制传感器技术信息处理技术计算机等技术Dr. Xiw

7、en Li & Wuxing Lai Page 11例例2汽车防抱死制动系统汽车防抱死制动系统ABS 如果刹车片抱死车轮 汽车的制动力来自轮胎与地面的摩擦力，而地面与车轮间的静摩擦系数大于滑动摩擦系数，则刹车距将增长。 前轮若抱死，前轮转向附着力达极限，即使转动方向盘，汽车仍会沿原方向滑行。 后轮若抱死，后轮无法转动，如有侧向力，极易发生甩尾现象。 ABS的任务 保持刹车时的方向稳定性 保持转向控制能力 提供最大制动力并缩短制动距离 减少轮胎磨损 ABS = Antilock Braking SystemDr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 12例例2汽车防抱死制动系统

8、汽车防抱死制动系统ABS组成和工作原理组成和工作原理：ABS是普通制动系统基础上加装车轮速度传感器、车轮速度传感器、ABS电控单元、制动压力电控单元、制动压力调节装置及制动控制电路调节装置及制动控制电路等组成。工作过程分为常规制动，制动压力保持、制动压力减小和制动压力增大等阶段。制动中，ABS电控单元判断车轮速度信号，加以处理，分析是否有车轮即将抱死拖滑。ABS增压阶段：增压阶段：如果没有车轮即将抱死拖滑，制动压力调节装置不参与工作，制动主缸和各制动轮缸相通，制动轮缸中的压力继续增大。ABS保压阶段：保压阶段：如果电控单元判断出某个车轮（假设为左前轮）即将抱死拖滑，它即向制动压力调节装置发出命

9、令，关闭制动主缸与左前制动轮缸的通道，使左前制动轮缸压力不再增大。ABS减压阶段：减压阶段：若电控单元判断出左前轮仍趋于抱死拖滑状态，它即向制动压力调节装置发出命令，打开左前制动轮缸与储液室或储能器的通道，使左前制动轮缸中的油压降低。装有ABS的车辆在干柏油路、雨天、雪天等路面防滑性能分别达到80%90%、30%10%、15%20%。 Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 13ABS工作原理：轮速传感器+电子控制模块+执行器图电子控制模块轮速传感器制动踏板黄色-速度传感器通道蓝色-液压管路ECU制动压力调节器Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page

10、14例3电机故障诊断图图 电动机在线识别电动机在线识别在某电动机生产线上，利用频谱诊断技术实现电动在某电动机生产线上，利用频谱诊断技术实现电动机在线自动识别、分类的过程。机在线自动识别、分类的过程。Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 15例：电机故障诊断实验步骤例：电机故障诊断实验步骤 具体检测步骤如下： （1）将装有微型加速度计的测头接触传送带上运送的电动机； （2）检测电动机的振动信号，经放大器后输入FFT分析仪； （3）将检测得的振动频谱与预先在分析仪中设定的判别谱进行比较； （4） 进行合格与否判断，输出判断信号。Dr. Xiwen Li & Wuxing L

11、ai Page 16例：电机故障诊断实验结果例：电机故障诊断实验结果 上图分别为典型合格品与废品的振动频谱。上图分别为典型合格品与废品的振动频谱。 图中可看出，废品的频谱图中往往在某一频率有较图中可看出，废品的频谱图中往往在某一频率有较大的幅值。大的幅值。Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 17三个实际问题的启示三个实际问题的启示 机、电、液、气技术相结合； 传感器、信息处理、计算机技术的综合运用； 相关学科的整体发展才可能有某一项技术的提高。 测试技术是解决这类问题的第一步。Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 18 本课程的研究对象 （机械

12、）工程 中的 动态 物理量 广义的 随时间而变化的 静态 物理量 不随时间而变化的 g的测量的测量、电子半径（1964 MIT和Harvard 1966丁肇中） 1*10e-17m 1*10e-24m G目前测量最高精度是目前测量最高精度是13个个ppm，角加速度法测量，角加速度法测量 Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 19测试技术定义 测试技术涵义是研究客观事物变化规律的方法（手段），是从客观事物中摄取有关信息的认识过程。运用专门的设备，通过合适的实验方法和必要的数据处理，求得所研究的有关信息的量值。 测试定义： 是具有 试验 性质的 测量。为确定被测对象量值(V

13、alue)而进行的实验过程对未知事物的探索性认识过程(Process)，是一个动态过程而非静止Measurement & TestDr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 20 测试的意义 测试是人类认识自然、掌握自然规律的实践途径之一，是科学研究中获得感性材料、接受自然信息的途径，是形成、发展和检验科学理论的实践基础。 测试属于信息科学范畴，因而被称为信息探测工程学。Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 21信息信息 (Information) 较为典型和著名的几个定义： 美国科学家维纳(N. Wiener)在1948年出版的奠基性著作控制论-动物

14、和机器中的通信与控制问题一书中指出：“信息就是信息，不是物质，也不是能量。” 美国科学家山农(C. E. Shanon)在1948年“通信的数学理论”一文中定义为：“能够用来消除不定性的东西。” 意大利学者郎格(G. Longer)在1975年出版的信息论：新趋势和未决问题一书中定义为：“事物之间的差异，而不是事物本身。”Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 22信息信息 (Information) 较为典型和著名的几个定义： 唐李中诗暮春怀故人，“梦断美人沉信息，目穿长路倚楼台”，“信息”两个字出现。 南宋哲学家、诗人陈亮诗梅花：“欲传春信息，不怕雪埋藏” 唐杜牧 寄

15、远，“塞外音书无信息，道傍车马起尘埃”。 宋李清照-上枢密韩肖胄诗，“不乞隋珠与和壁，只乞乡关新信息”。Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 23信息信息-信息的定义信息的定义 从纯客观的角度，信息定义为： 事物 运动 的 状态 和 方式广义的广义的相对稳定运动变化事物运动的两个基本侧面注意：信息是客观存在的，但本身不是物质，不具有能量。“不是东西”。Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 24信息的基本性质信息的基本性质 信息的基本性质 可识别（可获取）； 可转换； 可存储； 可传输； 信息的传输依靠物质能量，一般来说，传输信息的载体称为信号(S

16、ignal)。 信息 信号 如：古代的烽火；防空警笛；门铃；哑语。Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 25信号信号 (Signal) 信号是事物运动状态和方式的表现。 信号是物理性的，是物质，具有能量，它以各种形式存在。 机械振动信号 心电图信号 光电信号 图像信号 本课程研究的是信号，是信息的一种载体。Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 26信号实例信号实例 自然和物理信号 例如：语音、图象、地震信号、生理信号等 实例：雨声、地震信号Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 27信号实例信号实例 自然和物理信号 例如：语

17、音、图象、地震信号、生理信号等 实例：人的心音、弓头鲸发出声音图图 正常心音时域波形图正常心音时域波形图图图 房室隔缺损病人心音时域波形图房室隔缺损病人心音时域波形图 Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 28信号实例信号实例 人工产生的信号 例如：雷达信号、通讯信号、医用超声信号、机械探伤信号等 实例：雷达信号、机械声音Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 29测试技术的基本内容 测试技术的内容相当广泛。 例如：医生给病人看病。 病情 信息的获取 处理人病灶观察简单检查仪器检查诊断治疗Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page

18、 30典型信号处理过程 信息 信息获取 信号分析 信号处理 对象 （静态） （动态）信号源传感器信号分析中间变换记 录Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 31相关的概念 信息获取从传感器等一次敏感元件获得初始信息，再用一定设备手段进行分析处理和信息提炼的过程。 信号分析研究信号的构成和特征值，对信号本身的信息结构没有影响。 信号处理把信号经过必要的加工变换，以期获得有用信息的过程。 信号分析方法时域分析和频域分析（谱分析）。Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 32一般说来，测试系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三部分组成。传感器将被测物

19、理量(如噪声,温度) 检出并转换为电量。中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经A/D变换后用软件进行信号分析。显示记录装置则测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。 信息转换信息转换信息提取信息提取1.1 测试技术的基本概念测试技术的基本概念 Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 331.2 测试技术的工程应用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。 Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 341、工业自

20、动化中的应用、工业自动化中的应用 a) 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，是其重要组成部分。Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 35b) 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。AGV=Automatic Guided VehicleDr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 36c) 生产加工过程监测 切削

21、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。Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 372、流程工业设备运行状态监控、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。 石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测。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

22、监测系统Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 383、产品质量测量、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Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 394 4、楼宇控制与安全防护、楼宇控制与安全防护为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，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、

23、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。烟雾传感器亮度传感器红外人体探测器Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 405、家庭与办公自动化、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温湿度传感器温度传感器Dr. Xiwen Li & Wuxi

24、ng Lai Page 416、其他应用、其他应用航天航天农业农业交通交通医学医学Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 42鼠标鼠标:光电位移传感器光电位移传感器摄象头摄象头:CCD传感器传感器声位笔声位笔:超声波传感器超声波传感器麦克风麦克风:电容传声器电容传声器声卡声卡:A/D卡卡 + D/A卡卡软驱软驱:速度速度,位置伺服位置伺服7、PC机中的测试技术应用机中的测试技术应用Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 43测控实验测控实验DIY1.鼠标测位移实验鼠标测位移实验2.麦克风测声音麦克风测声音2.声卡声卡 采样频率采样频率 信号分析信号分

25、析 频率合成与分解频率合成与分解3.简易声级计制作简易声级计制作4.CCD图象分析图象分析. Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 441.3 测试技术的发展趋势测试技术的发展趋势1、传感器方面 a) 利用新发现的材料和新发现的生物、物理、化学效应开发出的新型传感器光纤流速传感器光纤流速传感器荧光材料制作的电荧光材料制作的电子鼻传感器子鼻传感器生物酶血样分析传感器生物酶血样分析传感器Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 45b) 传感器+嵌入式计算机 智能传感器 振动网络传感器振动网络传感器嵌入式计算机嵌入式计算机智能压力网络智能压力网络传感器传

26、感器智能智能倾角倾角RS232RS232传感器传感器IC总线数字温度总线数字温度传感器传感器Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 462、测量信号处理方面、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Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 471.4 主要传感器和测试仪器生产厂商主要传感器和测试仪器生产厂商2 2、振动、振动/ /噪声传感器噪声传感器 丹麦B&K（振动测量、声学测量领域最富盛名）http:/http:/ /1 1、工业自动化类传感器、工业自动化类传感器 美国霍尼威尔公司（有全

27、球最大传感器技术研究中心） http:/http:/ Xiwen Li & Wuxing Lai Page 483、测量分析仪器、测量分析仪器 美国国家仪器公司(全球最大的计算机虚拟仪器生产商)http:/ Xiwen Li & Wuxing Lai Page 49本章小结 测试技术及其应用无处不在！测试技术及其应用无处不在！探测未知世界的工具探测未知世界的工具应用于日常生活的每一个角落应用于日常生活的每一个角落有有36位诺贝尔奖的贡献与测试有关！位诺贝尔奖的贡献与测试有关！Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 50思考题 1. 列出你身边的测试技术应用的例子。列出你身

28、边的测试技术应用的例子。Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 51系列捏合机成套设备及装药生产线系列捏合机成套设备及装药生产线-部分生产工序设备部分生产工序设备Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 52系列捏合机成套设备及装药生产线系列捏合机成套设备及装药生产线-冗余控制系统冗余控制系统教育部科技进步二等奖教育部科技进步二等奖Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 53系列捏合机成套设备及装药生产线系列捏合机成套设备及装药生产线-基础理论研究基础理论研究三桨公转5周的轨迹Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 54神光神光公共搭载平台公共搭载平台Dr. Xiwen Li & Wuxing Lai Page 55大型风洞活动地板大型风洞活动地板