現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)課件-01-緒論

現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)主講：丁暉郭福田湯曉君實(shí)驗(yàn)：孔忻白潔駱一平

課程根本情況院級(jí)平臺(tái)課程，省級(jí)精品課程；1996年設(shè)立，面向電氣工程學(xué)院本科生授課；課內(nèi)學(xué)時(shí)：32學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：16學(xué)時(shí)；課程定位：以電氣工程領(lǐng)域的測(cè)試問(wèn)題為背景，講授現(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法；電氣工程領(lǐng)域中涉及的典型電學(xué)、磁學(xué)量的測(cè)量方法；以及測(cè)量系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)等測(cè)量領(lǐng)域的共性問(wèn)題。課程內(nèi)容測(cè)量誤差的根本概念、測(cè)試數(shù)據(jù)處理及測(cè)量結(jié)果的表示方法；測(cè)試系統(tǒng)靜態(tài)特性及其實(shí)驗(yàn)獲取方法；測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性及動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差的評(píng)估方法；現(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng)的幾種典型硬件結(jié)構(gòu):不同總線式儀器；典型測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及各模塊的硬件設(shè)計(jì)方法：常用傳感器，調(diào)理電路，系統(tǒng)硬件組件方法，總線式測(cè)量?jī)x器概念及其根本結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例；測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方法：信號(hào)處理軟件、系統(tǒng)智能化功能設(shè)計(jì)軟件。電源抗干擾設(shè)計(jì)；電子線路板抗干擾設(shè)計(jì)；系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)：屏蔽、接地問(wèn)題，屏蔽線的使用等；測(cè)試系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)方法測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組建方法測(cè)試系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)電阻、電感、電容、信號(hào)頻率的測(cè)量方法；頻率、相位差的測(cè)量方法；磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量方法：霍爾法和沖擊法；幾種典型電磁參量的測(cè)試方法緒論本章學(xué)習(xí)要求：測(cè)量的根本概念及其在工業(yè)等各領(lǐng)域技術(shù)開(kāi)展中的重要地位；測(cè)量?jī)x器的開(kāi)展歷史進(jìn)程；現(xiàn)代測(cè)量系統(tǒng)的根本結(jié)構(gòu)；4.測(cè)試技術(shù)的未來(lái)開(kāi)展趨勢(shì)；0.1測(cè)試技術(shù)的根本概念測(cè)試技術(shù)是實(shí)驗(yàn)科學(xué)的一局部，主要研究各種物理量的測(cè)量原理和測(cè)量信號(hào)分析處理方法。

測(cè)試技術(shù)是進(jìn)行各種科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究和生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)測(cè)量必不可少的手段，起著人的感官的作用。簡(jiǎn)單的測(cè)試系統(tǒng)可以只有一個(gè)模塊，如玻璃管溫度計(jì)。它直接將被溫度變化轉(zhuǎn)化液面示值。沒(méi)有電量轉(zhuǎn)換和分析電路，很簡(jiǎn)單，但精度底，無(wú)法實(shí)現(xiàn)測(cè)量自動(dòng)化。

為提高測(cè)量精度和自動(dòng)化程度，以便于和其它環(huán)節(jié)一起構(gòu)成自動(dòng)化裝置，通常先將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電量，再對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理和輸出。如圖所示的聲級(jí)計(jì)。

0.2測(cè)試技術(shù)的工程應(yīng)用

在工程領(lǐng)域，科學(xué)實(shí)驗(yàn)、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)監(jiān)督、質(zhì)量控制等，都離不開(kāi)測(cè)試技術(shù)。測(cè)試技術(shù)應(yīng)用涉及到航天、機(jī)械、電力、石化和海洋運(yùn)輸?shù)让恳粋€(gè)工程領(lǐng)域。

〔1〕工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用a)機(jī)械手、機(jī)器人中的傳感器

轉(zhuǎn)動(dòng)/移動(dòng)位置傳感器、力傳感器、視覺(jué)傳感器、聽(tīng)覺(jué)傳感器、接近距離傳感器、觸覺(jué)傳感器、熱覺(jué)傳感器、嗅覺(jué)傳感器。

在各種自動(dòng)控制系統(tǒng)中，測(cè)試環(huán)節(jié)起著系統(tǒng)感官的作用，是其重要組成局部。密歇根大學(xué)的機(jī)械手裝配模型廣州中鳴數(shù)碼的機(jī)器狗b)AGV自動(dòng)送貨車(chē)

超聲波測(cè)距傳感器、判斷建筑物內(nèi)人和物所在位置；紅外線色彩傳感器運(yùn)動(dòng)軌跡和AGV小車(chē)位置識(shí)別；條形碼傳感器，貨品識(shí)別。香港理工AGV模型〔1〕工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用c)生產(chǎn)加工過(guò)程監(jiān)測(cè)切削力傳感器，加工噪聲傳感器，超聲波測(cè)距傳感器、紅外接近開(kāi)關(guān)傳感器等。密歇根大學(xué)數(shù)字化工廠〔1〕工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用〔2〕流程工業(yè)設(shè)備運(yùn)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(shè)備運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系到整個(gè)生產(chǎn)線流程。通常建立24小時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。石化企業(yè)輸油管道、儲(chǔ)油罐等壓力容器的破損和泄露檢測(cè)。揚(yáng)子石化50MW熱電機(jī)組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)陽(yáng)邏電廠300MW汽輪機(jī)組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)荊門(mén)電廠200MW機(jī)組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)青山熱電廠生產(chǎn)信息實(shí)時(shí)查詢系統(tǒng)沙角電廠生產(chǎn)信息實(shí)時(shí)查詢系統(tǒng)寶鋼30KW以上風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)寶鋼精軋F(tuán)2軋機(jī)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)寶鋼冷軋帶鋼振動(dòng)紋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)武鋼風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)〔3〕產(chǎn)品質(zhì)量測(cè)量

在汽車(chē)、機(jī)床等設(shè)備，電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等零部件出廠時(shí)，必須對(duì)其性能質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量和出廠檢驗(yàn)。

圖示為汽車(chē)出廠檢驗(yàn)原理框圖，測(cè)量參數(shù)包括潤(rùn)滑油溫度、冷卻水溫度、燃油壓力及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等。通過(guò)對(duì)抽樣汽車(chē)的測(cè)試，工程師可以了解產(chǎn)品質(zhì)量。汽車(chē)扭距測(cè)量機(jī)床加工精度測(cè)量〔4〕樓宇控制與平安防護(hù)為使建筑物成為平安、健康、舒適、溫馨的生活、工作環(huán)境，并能保證系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和管理的智能化。在樓宇中應(yīng)用了許多測(cè)試技術(shù)，如闖入監(jiān)測(cè)、空氣監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、電梯運(yùn)行狀況。圖示為某公司樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為：電源管理、安全監(jiān)測(cè)、照明控制、空調(diào)控制、停車(chē)管理、水/廢水管理和電梯監(jiān)控。煙霧傳感器亮度傳感器紅外人體探測(cè)器〔5〕家庭與辦公自動(dòng)化

在家電產(chǎn)品和辦公自動(dòng)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，人們大量的應(yīng)用了傳感器和測(cè)試技術(shù)來(lái)提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量。全自動(dòng)洗衣機(jī)中的傳感器：衣物重量傳感器，衣質(zhì)傳感器，水溫傳感器，水質(zhì)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(cè))。指紋傳感器透光率傳感器溫濕度傳感器溫度傳感器鼠標(biāo):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(fēng):電容傳聲器聲卡:A/D卡+D/A卡軟驅(qū):速度,位置伺服〔6〕PC機(jī)中的測(cè)試技術(shù)應(yīng)用0.3測(cè)量?jī)x器的開(kāi)展進(jìn)程經(jīng)歷了5個(gè)階段：第一代:以電磁感應(yīng)定律為根底的模擬指針式儀表;第二代:以電子管或晶體管為根底的分立元件儀表;第三代:以集成電路為根底的數(shù)字式儀表;第四代:以微處理器為根底的智能式儀表;第五代:以計(jì)算機(jī)為根底的虛擬儀器，是測(cè)試領(lǐng)域里的一場(chǎng)新的革命。0.4現(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng)的根本構(gòu)成大致分為三類(lèi)：根本型〔重點(diǎn)介紹〕敏感元件或傳感器信號(hào)調(diào)理電路采集卡計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)接口型〔1〕根本型傳感器1信號(hào)調(diào)理數(shù)據(jù)采集卡計(jì)算機(jī)顯示被測(cè)量X1傳感器2信號(hào)調(diào)理被測(cè)量X2傳感器n信號(hào)調(diào)理被測(cè)量Xn被測(cè)量X電氣參量非電氣測(cè)量獲取信號(hào)信號(hào)變換預(yù)濾波A/D轉(zhuǎn)換多路轉(zhuǎn)換信號(hào)分析、處理傳感器1信號(hào)調(diào)理數(shù)據(jù)采集卡計(jì)算機(jī)顯示被測(cè)量X1傳感器2信號(hào)調(diào)理被測(cè)量X2傳感器n信號(hào)調(diào)理被測(cè)量Xn被測(cè)量X電氣參量非電氣測(cè)量獲取信號(hào)信號(hào)變換預(yù)濾波A/D轉(zhuǎn)換多路轉(zhuǎn)換信號(hào)分析、處理傳感器：感受被測(cè)量〔非電量〕的變化并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?。傳感器是拾取信?hào)的裝置，在電測(cè)系統(tǒng)中占有重要位置，它獲得信號(hào)的正確與否直接影響到測(cè)量系統(tǒng)最終輸出結(jié)果的精度以及測(cè)量結(jié)果的正確與否。信號(hào)調(diào)節(jié)器：把傳感器或系統(tǒng)中前一環(huán)節(jié)的輸出變成后接儀器所需的電壓或電流信號(hào)。記錄顯示儀器：對(duì)信號(hào)進(jìn)行記錄、顯示等。各局部的作用：〔2〕標(biāo)準(zhǔn)通用接口型儀器1子系統(tǒng)儀器n子系統(tǒng)

各種儀器模塊由數(shù)據(jù)總線通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口卡組成大型測(cè)試系統(tǒng)。包括RS232、GPIB、VXI、PXI等總線。以GPIB總線為例說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)通用接口測(cè)試系統(tǒng)框圖：GPIB接口卡計(jì)算機(jī)儀器2子系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線單臺(tái)儀器n＝14（最多）儀器n子系統(tǒng)GPIB接口卡計(jì)算機(jī)儀器2子系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線單臺(tái)儀器n＝14（最多）儀器n子系統(tǒng)GPIB接口卡計(jì)算機(jī)儀器2子系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線單臺(tái)儀器n＝14（最多）儀器n子系統(tǒng)GPIB接口卡計(jì)算機(jī)儀器2子系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線單臺(tái)儀器n＝14（最多）GPIB接口卡計(jì)算機(jī)儀器2子系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線單臺(tái)儀器n＝14（最多）儀器1子系統(tǒng)GPIB接口卡計(jì)算機(jī)儀器2子系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線單臺(tái)儀器n＝14（最多）儀器1子系統(tǒng)GPIB接口卡計(jì)算機(jī)儀器2子系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線單臺(tái)儀器n＝14（最多）0.5.1虛擬儀器的根本概念虛擬儀器〔簡(jiǎn)稱(chēng)VI，VirtualInstruments〕是在以通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，具有虛擬面板，測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。它使測(cè)量?jī)x器與個(gè)人計(jì)算機(jī)的界線模糊了。0.5.2虛擬儀器硬件平臺(tái)GPIBSerialDAQProcessorUnitUnderTestVXIImageAcquisitionMotionControlPXI應(yīng)用軟件硬件平臺(tái)計(jì)算機(jī)

I/O接口設(shè)備

CVI

LabVIEW虛擬儀器典型的體系結(jié)構(gòu)0.5.2虛擬儀器硬件平臺(tái)利用計(jì)算機(jī)擴(kuò)展槽和外部接口，將信號(hào)測(cè)量硬件設(shè)計(jì)為計(jì)算機(jī)插卡或外部設(shè)備，直接插接在計(jì)算機(jī)上，再配上相應(yīng)的應(yīng)用軟件，組成計(jì)算機(jī)虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。這是目前應(yīng)用得最為廣泛的一種計(jì)算機(jī)虛擬儀器組成形式。這類(lèi)卡按功能可分為A/D卡、D/A卡、數(shù)字I/O卡、信號(hào)調(diào)理卡、圖象采集卡、運(yùn)動(dòng)控制卡等。

(1)PC-DAQ數(shù)據(jù)采集卡

GPIB(GeneralPurposeInterfaceBus)是測(cè)量?jī)x器與計(jì)算機(jī)通訊的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)GPIB接口總線，可以把具備GPIB總線接口的測(cè)量?jī)x器與計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，組成計(jì)算機(jī)虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。GPIB總線接口分二十四線(IEEE-488標(biāo)準(zhǔn))和二十五線(IEC-625標(biāo)準(zhǔn))二種。(2)GPIB總線儀器(3)VXI總線模塊

VXI總線模塊是另一種新型的基于板卡式相對(duì)獨(dú)立的模塊化儀器。從物理結(jié)構(gòu)看，一個(gè)VXI總線系統(tǒng)由一個(gè)能為嵌入模塊提供安裝環(huán)境與背板連接的主機(jī)箱和插接的VXI板卡組成。與GPIB儀器一樣，它需要通過(guò)VXI總線的硬件接口才能與計(jì)算機(jī)相連。

(4)RS232串行接口儀器

很多儀器帶有RS232串行接口，通過(guò)連接電纜將儀器與計(jì)算機(jī)相連就可以構(gòu)成計(jì)算機(jī)虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)對(duì)儀器進(jìn)行控制。

(5)現(xiàn)場(chǎng)總線模塊

現(xiàn)場(chǎng)總線儀器，是一種用于惡劣環(huán)境條件下的、抗干擾能力很強(qiáng)的總線儀器模塊。與上述的其它硬件功能模塊相類(lèi)似，在計(jì)算機(jī)中安裝了現(xiàn)場(chǎng)總線接口卡后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線專(zhuān)用連接電纜，就可以構(gòu)成計(jì)算機(jī)虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線儀器進(jìn)行控制。

常用虛擬儀器的板卡NI的DAQ及VXI產(chǎn)品例如PXI產(chǎn)品0.5.3虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較傳統(tǒng)儀器虛擬儀器功能由儀器廠商定義功能由用戶自己定義與其它儀器設(shè)備的連接十分有限可方便地與網(wǎng)絡(luò)外設(shè)及多種儀器連接圖形界面小，人工讀取數(shù)據(jù)，信息量小界面圖形化，計(jì)算機(jī)直接讀取數(shù)據(jù)分析處理數(shù)據(jù)無(wú)法編輯數(shù)據(jù)可編輯、存儲(chǔ)、打印硬件是關(guān)鍵部分軟件是關(guān)鍵部分價(jià)格昂貴價(jià)格低廉，僅是傳統(tǒng)儀器的五至十分之一系統(tǒng)封閉、功能固定、可擴(kuò)展性差基于計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)放的功能模塊可構(gòu)成多種儀器技術(shù)更新慢技術(shù)更新快開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用高基于軟件體系的結(jié)構(gòu)可大大節(jié)省開(kāi)發(fā)費(fèi)用0.5.3虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較0.5.4虛擬儀器的應(yīng)用

航空航天教學(xué)核工業(yè)軍工通信測(cè)試鐵道…….0.6測(cè)試技術(shù)的未來(lái)開(kāi)展趨勢(shì)1.傳感器方面

利用新發(fā)現(xiàn)的材料和新發(fā)現(xiàn)的生物、物理、化學(xué)效應(yīng)開(kāi)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熱/光電量橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)光纖智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

智能降落傘嵌入光纖和電導(dǎo)線的智能背心

智能機(jī)翼——分布式光纖傳感系統(tǒng)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用0.6測(cè)試技術(shù)的未來(lái)開(kāi)展趨勢(shì)

傳感器+嵌入式計(jì)算機(jī)

智能傳感器嵌入式計(jì)算機(jī)智能壓力網(wǎng)絡(luò)傳感器智能傾角RS232傳感器IC總線數(shù)字溫度傳感器0.6測(cè)試技術(shù)的未來(lái)開(kāi)展趨勢(shì)0.6測(cè)試技術(shù)的未來(lái)開(kāi)展趨勢(shì)

傳感器+無(wú)線通訊技術(shù)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)

定義：由部署在觀測(cè)環(huán)境內(nèi)大量的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，其目的是協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并通過(guò)無(wú)線通信方式彼此鏈接成一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

傳感器特點(diǎn)：感知能力+計(jì)算能力+通信能力；體積?。还牡?/p>

應(yīng)用：軍事、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療健康、環(huán)境科學(xué)、空間探索等0.6測(cè)試技術(shù)的未來(lái)開(kāi)展趨勢(shì)2.測(cè)量信號(hào)處理方面借助計(jì)算機(jī)技術(shù)，將現(xiàn)代信息處理技術(shù)應(yīng)用于測(cè)試系統(tǒng)中，形成具有高速信息實(shí)時(shí)處理、分布式多點(diǎn)、多變量測(cè)試網(wǎng)絡(luò)等高智能化測(cè)試系統(tǒng)。

用PC機(jī)＋儀器板卡代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器用計(jì)算機(jī)軟件代替硬件分析電路我們的工作3.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面

嵌入式系統(tǒng)；

DSP處理器；

PC機(jī)＋儀器板卡代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器

各類(lèi)總線儀器：PCIPXIVXI總線儀器通用硬件測(cè)試平臺(tái)通用軟件平臺(tái)

以Labview,LabwidowsCVI為代表的儀器開(kāi)發(fā)軟件；