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华北电力大学机械工程学院测试技术测试技术概述课程的任务和内容课程的性质和要求测试技术的工程应用第一章绪论华北电力大学机械工程学院测试技术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测试技术概述华北电力大学机械工程学院测试技术测量的发展公元前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。华北电力大学机械工程学院测试技术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华北电力大学机械工程学院测试技术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。华北电力大学机械工程学院测试技术测试技术是实验科学的一部分，包含测量和试验两方面含义,是指具有试验性质的测量或测量与试验的综合.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。精确的测试是科学的根基。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。华北电力大学机械工程学院测试技术1.2测试技术的任务与内容任务:从机械设备的测试信号中提取所需的信息.内容:广义:试验设计、模型理论、传感器、信号传输、分析与处理、误差、控制、系统辨识与参数估计狭义:一定激励方式下，信号的检测、变换、处理、显示、记录的过程。静态测试与动态测试华北电力大学机械工程学院测试技术使学生掌握有关测试技术的基本理论和技术；掌握对一个测试系统各部分的参数进行测量和分析的方法和手段为进一步研究和处理工程测试技术问题打下基础。课程目的华北电力大学机械工程学院测试技术绪论教材：1.机械工程测试技术杨将新杨世锡唐贵基马怀祥2.机械工程测试技术（第2版）黄长艺、严普强考核方式：笔试70%平时成绩：20%（课堂测验、作业、提问、出勤等）实验10%红色字体为重点内容华北电力大学机械工程学院测试技术一般说来，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北电力大学机械工程学院测试技术传感器：从被测对象获取有用的信息，并将其转换为适合于测量的变量或信号。信号调理部分：对从传感器所输出的信号作进一步的加工和处理，包括对信号的转换、放大、滤波、储存、重放、和一些专门的信号处理。显示和记录部分：将经信号调理部分处理过的信号用便于人们所观察和分析的介质和手段进行记录或显示。被测对象和观察者也是测试系统的组成部分，它们同传感器、信号调理部分以及数据显示与记录部分一起构成了一个完整的测试系统。华北电力大学机械工程学院测试技术本课程主要介绍机械工程动态测试中常用的传感器、信号调理电路、测试装置基本特性、测试信号的分析与处理、常见物理量/振动的测量。绪论信号的描述常用传感器原理测试系统特性信号调理信号处理(数字)振动测试工程应用课程内容华北电力大学机械工程学院测试技术信号与信号处理的理论和方法：信号的时域和频域的描述方法，信号的频谱和谱分析的方法，信号的卷积与相关，以及数字信号处理的基本理论和方法。测试系统的参数及其评价方法：测试系统传递特性的时、频域描述，脉冲响应函数和频率响应函数，一、二阶系统的动态特性描述及其参数的测量方法，以及不失真测试的条件。课程重点华北电力大学机械工程学院测试技术传感器理论：各类常用传感器的原理、结构及性能参数，以及传感器的典型应用。信号调理的原理和方法：电桥电路，信号的调制与解调，信号的滤波，信号的模/数和数/模转换，以及上述各种电路的原理及典型应用。常用显示与记录仪器的工作原理、结构、动态性能及应用。课程重点（续）华北电力大学机械工程学院测试技术1.3课程性质和要求专业基础较强的理论性和实践性1.4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。华北电力大学机械工程学院测试技术汽轮发电机组在线监测与故障诊断重要设备中的测试技术华北电力大学机械工程学院测试技术飞机喷气发动机的故障诊断汽车模拟振动实验华北电力大学机械工程学院测试技术直升飞机的机械故障将造成不可挽回的损失，自上世纪80年代初以来，从齿轮箱到旋翼等机械传动系统的故障诊断问题一直是研究的热点。华北电力大学机械工程学院测试技术汽车冲击试验华北电力大学机械工程学院测试技术飞机结构模态试验华北电力大学机械工程学院测试技术大型轮轨堆垛机结构实验建模华北电力大学机械工程学院测试技术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。密歇根大学的机械手装配模型广州中鸣数码的机器狗1、工业自动化中的应用测试技术在各领域的应用华北电力大学机械工程学院测试技术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。香港理工AGV模型华北电力大学机械工程学院测试技术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北电力大学机械工程学院测试技术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。汽轮发电机组在线监测系统华北电力大学机械工程学院测试技术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北电力大学机械工程学院测试技术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北电力大学机械工程学院测试技术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北电力大学机械工程学院测试技术鼠标: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华北电力大学机械工程学院测试技术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/光电量华北电力大学机械工程学院测试技术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北电力大学机械工程学院测试技术2、测量信号处理方面在线预测小波分析经验模态分解模糊神经网络遗传算法多元统计分析独立分量分析高阶谱熵谱估计包络分析直线振动扭振噪声声发射热力学温度热象工作参数位移压力流量润滑油磨粒检测1）多参数测量2）现代信号分析方法3）故障诊断华北电力大学机械工程学院测试技术3、测量仪器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华北电力大学机械工程学院测试技术主要传感器和测试仪器生产厂商2、振动/噪声传感器丹麦B&K（振动测量、声学测量领域最富盛名）、工业自动化类传感器美国霍尼威尔公司（有全球最大传感器技术研究中心）华北电力大学机械工程学院测试技术3、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)美国Agilent公司(原惠普公司仪器部，著名的测试仪器商)华北电力大学机械工程学院测试技术4、振动的危害与利用噪声、共振、振动机械：振动破碎、微波、打夯华北电力大学机械工程学院测试技术说到共振的危害时，人们最为熟知和引用得最多的，便是下面这个例子：18世纪中叶，一队士兵在指挥官的口令下，迈着威武雄壮、整齐划一的步伐，通过法国昂热市一座大桥，快走到桥中间时，桥梁突然发生强烈的颤动并且最终断裂坍塌，造成许多官兵和市民落入水中丧生。后经调查，造成这次惨剧的罪魁祸首，正是共振！因为大队士兵齐步走时，产生的一种频率正好与大桥的固有频率一致，使桥的振动加强，当它的振幅达到最大限度直至超过桥梁的抗压力时，桥就断裂了。类似的事件还发生在俄国和美国等地。有鉴于此，所以后来许多国家的军队都有这么一条规定：大队人马过桥时，要改齐走为便步走。华北电力大学机械工程学院测试技术1940年，美国的全长860米的塔柯姆大桥因大风引起的共振而塌毁，尽管当时的风速还不到设计风速限值的1/3，华盛顿州的塔科玛（Tacoma）大桥仅使用了四个月。这座桥由莫塞夫设计，是所建桥中最狭长的，跨径为2800英尺（853米），但支撑桥面的板梁仅8英尺（2.4米）厚，而在交叉支撑部分厚度更少得可怜，以致无法增加桥的硬度。该桥于1940年7月刚一通车，就得了个外号“马背上的桥”，因为很小的风也会使桥面左右摇摆。更令人心惊的是整个桥起伏不平，呈螺旋式旋转振动。最终，在一次时速42英里（68公里）的风中，整座桥振动非常剧烈以致于桥面被拆散，倒入水中。塔科玛大桥的震荡和坍塌涉及到共振和驻波知识，是一个珍贵的教学案例。同时也生动的告诫人们对结构物进行健康监测的必要性和迫切性。华北电力大学机械工程学院测试技术微波炉便是家庭应用共振技术的一个最好体现。具有2500赫兹左右频率的电磁波称为“微波”。食物中水分子的振动频率与微波大致相同，微波炉加热食品时，炉内产生很强的振荡电磁场，使食物中的水分子作受迫振动，发生共振，将电磁辐射能转化为热能，从而使食物的温度迅速升高。