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机械工程测试技术（检测传感技术）机械与储运工程学院张蓬中油大厦南楼623室89733762第0章绪论2参考教材•熊诗波《机械工程测试技术基础》√•李玮华《机械工程测试技术基础》学习指导、典型题解析与习题解答√•贾民平《测试技术》√•许同乐《机械工程测试技术》√•李世义《动态测试技术基础》•其它《非电量电测》、《信号与系统》等•先修课程《大学物理》、《工程数学》、《电工电子学》、《微机原理》等第0章绪论3本课程在机械专业课程体系中所处的地位中国工程教育认证标准（2016年9月27日下载）机械设计制造及其自动化专业应包含：机械原理、机械设计、机械制造技术基础、机械工程控制基础、微机原理、工程测试技术基础等相关科目。机械设计制造及其自动化专业应包含：机械设计原理与方法，机械制造工程原理与技术，机械系统中的传动与控制，计算机应用技术等知识领域。工程教育认证标准（2015版）（中国工程教育专业认证协会2015年3月修订）1.3专业基础类课程1.3专业基础类课程第0章绪论4课程结构检测与传感技术基础测试系统性质传感器技术信号分析与处理技术测试技术应用实例第0章绪论5•本课程共48学时，分配如下：•讲授：32学时•实验：14学时（上机4学时）•考试：2学时。（第8周周5随堂考试)•课时安排第0章绪论6上课要求及考试方式•总成绩=（平时成绩20%+期末成绩80%）70%+实验成绩30%：•注意：1、旷课占总学时的1/4及以上不能参加期末考试。•2、实验课不能旷课，有1次旷课即不能参加期末考试•实验占总成绩：30分。•期末考试(闭卷)。•注意课堂纪律-不要玩手机第0章绪论7第0章绪论Introduction0.1测量和测量系统（Measurementandmeasurementsystems）0.2测量的基础知识（MeasurementBasicConcept）0.3测试技术的工程应用（Measurementprojectandapplication）0.4课程的学习要求（DemandofCourse）第0章绪论8本章学习要求：1、了解测试技术的地位和作用2、掌握测试技术的基本概念3、掌握测试系统的基本构成4、掌握测试的基本方法及分类5、了解现代测试技术的发展方向和趋势第0章绪论90.1测试技术概况（MeasurementContentandTask）一、测试和测量•测试的基本任务是获取有用的信息。–测试技术属于信息科学范畴，是信息技术三大支柱(测试控制技术、计算技术和通信技术)之一。•测量、测试和计量–测量(Measurement)是指以确定被测对象的量值为目的而进行的实验过程。–测试是具有试验性质的测量，测试技术是测量和试验技术的统称（测量+试验）。–计量：如果测量涉及实现单位统一和量值准确可靠则被称为计量。因此研究测量、保证测量统一和准确的科学被称为计量学(Metrology)。•本教材的主要内容是测量技术和仪器，试验技术不作讨论。第0章绪论10测量系统的一般构成：检测信号---处理-----结果----给观测者或其他信息处理装置、控制系统组成传感器处理观测⑴信息的提取⑵信息转换存储与传输⑶信息的显示和记录⑷信号的处理与分析二、测量的过程激励装置被测对象非电量电量A/D转换（ComponentofMeasurementSystem）放大、滤波、调制解调等第0章绪论11力位移速度加速度压力流量温度电阻式电容式电感式压电式热电式光电式磁电式电桥放大器滤波器调制器解调器运算器阻抗变换器笔式记录仪光线示波器磁带记录仪电子示波器半导体存储器显示器磁卡数据处理器频谱分析仪FFT实时信号分析仪电子计算机被测对象传感器中间变换测量装置显示及记录装置实验结果处理装置激发装置测量系统每个环节的知识点：第0章绪论12举例，轴承测试系统，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：测量轴承的振动，并转换为电量信号；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：将测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。信息转换信息提取第0章绪论13•测试的任务就是获取研究对象的有用信息，（非全部信息）即研究被测对象的状态、变化和特征等。•在机械工程测试中，常见的被测量有：力、压力、应力、应变、位移、速度、加速度、角度、温度、时间等。测试的基本任务：第0章绪论14三、测试的基本方法与分类（1）按被测量不同：直接测量（绝对测量和相对测量）、间接测量直接测量：直接将被测量与同类标准量进行比较得到被测量线纹尺——物体尺寸，天平——物体质量测量结果：20.1mm特点：简单、直观、明了；测量精度不高标准量标准计量单位（如米尺、光栅尺、激光、……）——绝对测量定值标准量（如某一固定尺寸）——相对测量举例：第0章绪论15或：将被测量直接与基准量比较，得到偏差值基准量：20.00mm测量值：+0.08mm结果：20.08mm特点：精度高；复杂、成本高、要求高间接测量：被测量无法或不易进行直接测量，被测量是与实测量有一定函数关系的参量，被测量由实测量计算获得再如测导线的导电率ρ：自变量目标变量负载电阻功率=电压电流（关系）（直接测量）Rdl2π4第0章绪论163）差分法——对称结构的两个传感器，被测量反对称作用在两个传感器上（常见检测结构形式-运算放大器）1）偏移法——完全从被测量中获得信号转换所需能量，利用测量仪表的指针相对于刻度的偏差位移直接表示测量的数值。（弹簧秤）2）零位法——不从信号源获得能量，利用指零机构的作用，使用被测量和已知标准量两者达到平衡，根据指零机构示值为零来确定被测量等于标准量值。（天平秤）作用：消除干扰的影响测量原理线性化、提高灵敏度（2）按测量值的获得方式：偏移法测量、零位法测量、差分式测量第0章绪论17特点：简单、直观、明了；测量精度不高特点：复杂、成本高、要求高；精度高反馈测量：传感器输入量x输出量y放大反馈传感器开环测量：传感器输入量x输出量y（3）按测量值是否反馈：开环式测量、闭环式测量第0章绪论18——智能化检测的标志之一主动探索与信息反馈自适应能力——改变传感器的工作温度——传感器的灵敏度被测对象传感器信息处理检测结果自学习能力——神经网络模拟某种非线性映射——信号特征辨析通过学习不断提取信号强度——问题最优解——调整对象的位置、姿态使检测结果具有确定性现代测量系统：第0章绪论19（6）按测量仪器的性质：机械法测试：方便、简单、精度较低（7）光学测试法：精度高、响应快、系统结构复杂、环境适应力差（8）电测试法：应用最广、信号处理容易、系统不太复杂、本课主要讲授内容三、测试的基本方法与分类（1）按被测量不同：直接测量（绝对测量和相对测量）、间接测量（2）按测量值的获得方式：偏移法测量、零位法测量、差分式测量（4）按传感器与被测对象是否直接接触：接触式测量、非接触式测量（5）按被测对象变化的特点：静态测量、动态测量静态测试：被测参数不随时间变化或变化缓慢（特例）动态测试：被测参数随时间变化（大多数情况）（3）按测量值是否反馈：开环式测量、闭环式测量第0章绪论200.2测量的基础知识（MeasurementBasicConcept）1、量值一、量与量纲量值是用数值和计量单位的乘积来表示的。量值的数值就是被测量与计量单位之比值。2、基本量和导出量基本量是相互独立的量，而导出量是由基本量按一定函数关系来定义的。在国际单位（SI）制中，基本量约定为：长度、质量、时间、温度、电流、发光强度和物质的量等七个量。他们的量纲分别为：L、M、T、θ、I、N和J表示。3、量纲和量的单位量纲代表一个实体的确定特征。量纲单位是该实体的量化基础。第0章绪论211、基本单位二、法定计量单位根据国际单位制（SI），七个基本量的单位分别是：长度——米（Metre）、质量——千克（Kilogram）、时间——秒（Second）、温度——开尔温（Kelvn）、电流——安培（Ampere）、发光强度——坎德拉（Candela）、物质的量——摩尔（Mol）。2、辅助单位3、导出单位在国际单位制中，平面角的单位——弧度和立体角的单位——球面度未归入基本单位或导出单位，而称之为辅助单位。在选定了基本单位和辅助单位之后，按物理量之间的关系，由基本单位和辅助单位以相乘或者相除所构成的单位称为导出单位。第0章绪论22三、基准和标准基准是用来保存、复现计量单位的计量器具。计量标准是指用于检定工作计量器具的计量器具。四、量值的传递和计量器具检定量值的传递：通过对计量器具实施检定或校准，将国际基准所复现的计量单位量值经过各级计量标准传递到工作计量器具，以保证被测对象量值的准确和一致。计量器具检定：计量器具检定是指为评定计量器具的计量特性，确定其是否符合法定要求所进行的全部工作。第0章绪论23五、测量装置名词它是直接作用于被测量，并能按一定规律将被测量转换成同种或别种量值输出的器件。1、传感器2、测量变换器3、检测器提供与输入量有给定关系的输出量的测量器件。用以指示某种特定量的存在而不必提供量值的器件或物质。4、测量器具的示值由测量器具所指示的被测量值。5、准确度等级用来表示测量器具的等级或级别。第0章绪论24标称范围也称为示值范围。测量器具标尺范围所对应的被测量示值范围。6、标称范围7、量程8、测量范围标称范围的上下限之差的模。在测量器具的误差处于允许极限内的情况下，测量器具所能测量的被测量值的范围。9、漂移测量器具的计量特性随时间的慢变化。第0章绪论25六、测量误差测量结果与被测量真值之差称为测量误差。即：测量误差=测量结果－真值1、测量误差定义•真值：指在某一时刻和某一位置的某个物理量客观存在的真实值。真值x0是一个理想的概念，不能确切获知。•在特定条件下用某种仪器和方法可以测得一系列测量值（≠真值）。•真值通常无法测得，只能测得真值的近似值。1m=1650763.73①约定真值：世界各国公认的几何量和物理量的最高基准的量值如：米-米制长度基准-氪-86的2p10-5d5能级间跃迁在真空中的辐射波长。-光在真空中1s时间内传播距离的1/299792485。②理论真值：设计时给定或用数学、物理公式计算出的给定值.③相对真值：标准仪器的测得值或用来作为测量标准用的标准器的值。第0章绪论26262、误差的分类（1）系统误差（systemerror）由特定原因引起、具有一定因果关系并按确定规律产生。-有规律可循：在对同一被测量进行多次测量过程中，出现某种保持恒定或按确定的方向变化着的误差仪器、环境、动力源变化、人为因素再现性-偏差（deviation）理论分析/实验验证－原因和规律－减少/消除第0章绪论27（2）随机误差（randomerror）因许多不确定性因素而随机发生。偶然性（不明确、无规律）。概率和统计性处理（无法消除/修正）。（3）粗大误差（abnormalerror）检测系统各组成环节发生异常和故障等引起。异常误差－混为系统误差和偶然误差－测量结果失去意义分离－防止第0章绪论283、误差表示：绝对误差、相对误差。绝对误差=测量值-真值客观真实值（未知）（1）绝对误差：x=x–x0（2）相对误差：测量的绝对误差与被测量的真值之比。定义：相对误差=100%绝对误差真值=100%xx0第0章绪论29绝对误差很小表示：百分数（%）-分子分母量纲相同相对误差=100%绝对误差测量值=100%xx确切反映测量效果：被测量的大小不同-允许的测量误差不同被测量的量值小-允许的测量绝对误差也越小。测量仪表的精度等级分为7级：0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5.0。某仪表为0.5级表示该仪表的最大相对误差不大于0.5%。用量程为150V的0.5级电压表和量程为30V1.5级电压表测量25V电压，问哪一个测量准确度高？第0章绪论30（3）引用误差：计量器具的绝对误差与引用值之比。引用值：计量器具的标称范围的