搜索
华中科技大学机械学院机械工程测试技术主讲：重庆大学机械工程学院2014华中科技大学机械学院课程内容：本课程主要介绍机械工程领域中常见物理量(力、应变、位移、加速度、温度等）的传感器测量原理、测试系统和信号处理方法。绪论信号分析基础测试系统特性传感器原理信号调理数据采集处理常见物理量测量工程应用案例内容如下华中科技大学机械学院课程目的•①对机械工程测试工作的概貌和思路有一个比较完整的概念。对机械工程测试系统及其各环节有一个比较清楚的认识。并能初步运用于机械工程中某些参量的测试和产品或结构的动态特性试验。•②了解常用传感器、中间转换放大器的工作原理和性能，并能依据测试工作的具体要求进行较为合理的选用。•③掌握测试装置静、动态特性的评价、测试方法，测试装置实现不失真测量的条件，并能正确地运用于测试装置的分析和选择。华中科技大学机械学院•④掌握信号在基本变换域的描述方法，信号模拟分析、信号数字分析的一些基本概念；掌握信号频谱分析、相关分析的基本原理和方法并对其延拓的其他分析方法有所了解。•⑤掌握常用机械参量的测试方法、测试系统的基本原理和使用。•⑥通过本课程的学习和实践，应能对机械工程中某些参数的测试自行选择、设计测试仪器仪表、组建测试系统和确定测试方法，并能对测试结果进行必要的数据处理。华中科技大学机械学院本课程是培养学生解决实际工程测量问题能力的专业基础课，具有很强实践性。学习时应充分利用课程所开设实验和仿真实验。理论学习、实践学习、研究学习三元并重.只有通过足够的实验和仿真实验操作，才能得到应有的实际动手能力培养和更好的掌握书本知识。学习要求华中科技大学机械学院第一章、绪论本章学习要求：1.掌握机械工程测试技术的概念及研究内容2.了解机械工程测试技术的应用情况3.了解机械工程测试技术的发展动态4.了解主要测试仪器生产厂商华中科技大学机械学院知识的获取往往从测量开始。人类在其自身的社会发展中创造并发展了测量学科，人类早期的测量活动涉及对长度（距离）、时间、面积和重量等量的测量。随着社会的进步和科学的发展，测量活动的范围不断扩大，测量的工具和手段不断精细和复杂化，从而也不断地丰富和完善了测量的理论。1.1机械测试技术的基本概念华中科技大学机械学院•测量的发展–公元前3000年，古埃及人建立了长度的统一标准――埃尔；–秦始皇在统一六国后，建立了统一的度量制度；–今天，测量学科已渗透到人类活动的每个领域。科学技术的迅猛发展给测量学这一古老的学科注入了新的活力，现代电子技术、尤其是信息技术的发展更是推动测量学科迅猛发展。因此测量学是一门多学科交叉的边缘学科。华中科技大学机械学院•测量的内涵及其科学性:“凡存在之物，必以一定的量存在。”“当你能测量你在谈及的事物，并将它用数字表达时，你对它便是有所了解的；而当你不能测量它，不能将它用数字表达时，你的知识是贫瘠的和不能令人满意的。”——WilliamThompson华中科技大学机械学院•根据被测的物理量随时间变化的特性，可将它们总体地分成静态量和动态量。–静态量：静止的或缓慢变化的物理量；–动态量：随时间快速变化的物理量。–对静态量与动态量的测量分别称为静态测量与动态测量。•静态与动态测量是相对的，有时可以转化。•本课程中我们将主要研究对动态量的测量，亦即动态测量的理论、方法及应用，因此我们在这里将动态测量的技术定义为测试技术。华中科技大学机械学院工业生产倍增器科学研究先行官社会物化法官军事战斗力机械工程测试技术的重要性华中科技大学机械学院•工业生产倍增器检测技术是带动国民经济增长的一个关键领域在美国：检测技术占4%，拉动经济增长66%华中科技大学机械学院•科学研究的先行官诺贝尔化学奖获得者R.R.Ernst说“现代科学的进步越来越依靠尖端仪器的发展”（核磁共振技术发明者）俄国化学家门捷列夫指出“科学是从测量开始的”一个世纪以来，与科学仪器成果密切相关的诺贝尔自然科学奖获得者达50多人。例如，扫描隧道电子显微镜，X射线断层扫描仪（CT扫描）一流的科学研究往往离不开一流的科学仪器我国著名科学家王大珩指出“机器是改造世界的工具，仪器是认识世界的工具”华中科技大学机械学院•军事战斗力1991年海湾战争精确制导炸弹和导弹占8%2003年伊拉克战争精确制导炸弹和导弹提高到90%以上1994年美国防部建立自动测试系统执行局现代武器本身就是精密的科学仪器，它们都是靠一系列先进的测量系统实现其控制功能的华中科技大学机械学院•“物化法官”检查产品质量监测环境污染识别指纹假钞查服违禁药物侦破刑事案件工业CTPM2.5，瓦斯门禁、验钞机EPO、毒品检测DNA检测华中科技大学机械学院•机械工程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。•机械工程测试技术是国民经济的重要技术基础之一，是先进制造不可或缺的重要组成部分，是制造的眼睛。•先进制造对机械工程测试技术不断提出新要求：尺度、精度、环境、方式（动态、集成、智能化…）。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。华中科技大学机械学院一般说来，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。信息转换信息提取华中科技大学机械学院1.2机械工程测试技术的应用在工程领域，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、石化和海洋运输等工程领域。华中科技大学机械学院1、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。华中科技大学机械学院世界首个触觉仿生手诞生：意念控制反馈感知华中科技大学机械学院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。AGV模型华中科技大学机械学院c)生产加工过程监测切削力传感器，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华中科技大学机械学院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。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监测系统华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院转速计加速度传感器或激光测振仪应变传感器温度传感器流量传感器采集模块华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院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华中科技大学机械学院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、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华中科技大学机械学院5、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华中科技大学机械学院美军研制的未来单兵作战武器---OICW夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确的定位目标。在发射20毫米高爆弹时，激光测距仪可将目标的距离信息自动传输至高爆弹的爆炸引信，以便精确的设定引爆时间。6、新型武器与国家安全华中科技大学机械学院美国国家导弹防御计划---NMD1.地基拦截器2.早期预警系统3.前沿部署(如雷达）4.管理与控制系统5.卫星红外线监测系统监测系统:探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；拦截器：能识别真假弹头，敌友方华中科技大学机械学院7、其他应用航天农业交通医学华中科技大学机械学院Example:Automotiveapplications华中科技大学机械学院Automotiveapplications…•Examples:MEMSaccelerometer&GyroscopesAutomotiveapplications:Triggeringofbelttighteners&sideandheadairbagswhenvehiclerollsover华中科技大学机械学院Automotiveapplications…•Examples:MEMSpressuresensorsLowcost,compactsize,integratedpressuresensorswithonchipcompensationandamplification,…华中科技大学机械学院Automotiveapplications…•Examples:MEMSpressuresensorsIntakeairpressure(foradjustingair-to-fuelratiotominimizeemissions)FuelvaporpressureinthefueltankTirepressureOil,fuelandotherfluidflowsensors.华中科技大学机械学院1.3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荧光材料制作的电子鼻传感器生物酶血样分析传感器热/光电量华中科技大学机械学院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华中科技大学机械学院传动系统结构复杂，部件多，早期故障特征微弱，环境干扰强，测试传感器又不能直接与部件接触，导致真实特征信息难以获取嵌入式智能测试传感器Example:嵌入式智能测试华中科技大学机械学院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华中科技大学机械学院就机械工程而言，测试技术在以下几个方面需要发展：•1）测量方式的多样化•2）视觉测试技术•3)尺寸继续向两个极端发展测试技术的发展动向具体体现•（1）传感器向新型、微型、智能型方向发展；•（2）测控仪器向高精度、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发展。华中科技大学机械学院测量方式的多样化•①多传感器融合技术在制造现场中的应用多传感器融合是解决测量过程中测量信息获取的方法，它可以提高测量信息的准确性。由于多传感器是以不同的方法或从不同的角度获取信息的，因此可以通过它们之间的信息融合去伪存