測(cè)試技術(shù)講義

本章學(xué)習(xí)要求

完成本章內(nèi)容的學(xué)習(xí)后應(yīng)能做到：

1.T解工程測(cè)試的含義及其基本內(nèi)容

2.了解工程測(cè)試技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用情況

3.了解測(cè)試技術(shù)學(xué)科的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)

4.了解國(guó)內(nèi)外主要測(cè)試儀器、傳感器生產(chǎn)廠(chǎng)商

5.了解獲取工程測(cè)試技術(shù)信息的主要資源

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目錄

?1.1測(cè)試技術(shù)的基本概念

?1.2測(cè)試技術(shù)的工程應(yīng)用

?1.3信號(hào)的處理、分析

?1.4測(cè)試技術(shù)的發(fā)展概況

?1.5課程學(xué)習(xí)要求和建議

1.1測(cè)試技術(shù)的基本概念

LL1簡(jiǎn)介

測(cè)試技術(shù)是實(shí)驗(yàn)科學(xué)的一部分，主要研究

各種物理量的測(cè)量原理和測(cè)量信號(hào)的分析處

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)檢測(cè)等必不可少的手段，它起著

類(lèi)似人的感覺(jué)器官的作用。通過(guò)測(cè)試可以揭

示事物的內(nèi)在聯(lián)系和發(fā)展規(guī)律，從而去利用

它和改造它，推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

[HaEEH

?測(cè)試技術(shù)在工程技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛

工程研究、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)監(jiān)督、質(zhì)

量控制和性能實(shí)驗(yàn)等，都離不開(kāi)測(cè)試技

術(shù)。

A測(cè)試技術(shù)幾乎涉及任何一項(xiàng)工程領(lǐng)域

無(wú)論是生物、海洋、氣象、地質(zhì)、通

信以及機(jī)械、電子等工程，都離不開(kāi)測(cè)

試與信息處理。

1:n一］-IIIIIF」

-100°C500°c

?玻璃管溫度計(jì)——直接將被測(cè)對(duì)象溫度

的變化轉(zhuǎn)化為溫度計(jì)液面示值，這中間

沒(méi)有電量的轉(zhuǎn)換和分析處理電路，很簡(jiǎn)

單，但測(cè)量精度底，同時(shí)也很難實(shí)現(xiàn)測(cè)

量自動(dòng)化。

1.1.2測(cè)試、信息、信號(hào)

測(cè)試——具有試驗(yàn)性質(zhì)的測(cè)量。

試驗(yàn)：對(duì)迄今為止未知事物的探索性認(rèn)識(shí)

過(guò)程；

測(cè)量：為確定被測(cè)對(duì)象的量值而進(jìn)行的實(shí)

驗(yàn)過(guò)程。

測(cè)試可理解為測(cè)量和試驗(yàn)的綜合。

[SZ3EH

信息、信號(hào)

信息——消息、情報(bào)或知識(shí)，信息是物質(zhì)所

固有的，是其客觀(guān)存在或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的特征。

是事物運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)或方式。

信號(hào)—傳輸信息的載體，是物質(zhì)，具有能

量。

1.1.3工程測(cè)試技術(shù)

?利用現(xiàn)代化測(cè)試手段對(duì)工程中的各種物

理信號(hào)，特別是隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)物理

信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)、試驗(yàn)、分析，并從中提

取有用信息的一門(mén)新興技術(shù)。

[HaEEH

1.1.4測(cè)試系統(tǒng)的組成

被測(cè)對(duì)象（信息源）——物質(zhì)的顏色、形狀、

溫度的變化、壓力、流量、速度、振動(dòng)等。

[HZaJEEED

■測(cè)試系統(tǒng)由傳感器、中間變換裝置和顯示記

錄裝置三部分組成。

?傳感器——將反映被測(cè)對(duì)象特性的物理量

（如壓力、加速度、溫度等）檢出并轉(zhuǎn)換為

電量，然后傳輸給中間變換裝置；

＞中間變換裝置——對(duì)接收到的電信號(hào)用硬件

電路進(jìn)行分析處理或經(jīng)A/D變換后用軟件進(jìn)

行計(jì)算，再將處理結(jié)果以電信號(hào)或數(shù)字信號(hào)

的方式傳輸給顯示記錄裝置；

?顯示記錄裝置——將測(cè)量結(jié)果顯示出來(lái)，提

供給觀(guān)察者或其它自動(dòng)控制裝置。

[HaEEH

信號(hào)頻港

軸承故障檢測(cè)系統(tǒng)原理圖

?傳感器——加速度計(jì)，軸承振動(dòng)信號(hào)一電信號(hào)

?中間變換裝置——由帶通濾波器、A/D變換和

計(jì)算機(jī)中的FFT分析軟件三部分組成；

(1)帶通濾波器用于濾除傳感器測(cè)量信號(hào)中的

高、低頻干擾信號(hào)和對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大；

(2)A/D信號(hào)采集卡用于對(duì)放大后的測(cè)量信號(hào)

進(jìn)行采樣，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；

(3)FFT(快速傅里葉變換)分析軟件則對(duì)轉(zhuǎn)

換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行FFT變換，計(jì)算出信號(hào)的

頻譜。

?顯示記錄裝置——計(jì)算機(jī)顯示器，顯示頻譜。

1.2測(cè)試技術(shù)的工程應(yīng)用

121產(chǎn)品質(zhì)量測(cè)量

在汽車(chē)、機(jī)床等設(shè)備和電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等零部

件出廠(chǎng)時(shí)，必須對(duì)其性能質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量和出廠(chǎng)

檢驗(yàn)。

發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量參數(shù)——潤(rùn)滑油溫度、冷卻水溫度、潤(rùn)滑

油壓力、燃油壓力以及每分鐘的轉(zhuǎn)速等

[HaEEH

1.2.2設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

對(duì)關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)施24小時(shí)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)

監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握它的變化趨勢(shì)

,為工程技術(shù)人員提供詳細(xì)、全面的機(jī)組信

息，是實(shí)現(xiàn)設(shè)備事后維修或定期維修向預(yù)測(cè)

維修轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)。

[HaEEH

某火力發(fā)電廠(chǎng)30MW汽輪發(fā)電機(jī)組的計(jì)算機(jī)設(shè)備運(yùn)行

狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理框圖

123家電產(chǎn)品中的傳感器

在家電產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，人們大量應(yīng)用了傳感

器和測(cè)試技術(shù)來(lái)提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。例如

全自動(dòng)洗衣機(jī)以人們洗衣操作的經(jīng)驗(yàn)作為模糊

控制的依據(jù)，采用多種傳感器將洗衣?tīng)顟B(tài)信息

檢測(cè)出來(lái)，并將這些信息送到微電腦中，經(jīng)微

電腦處理后，選擇出最佳的洗滌參數(shù)，對(duì)洗衣

全過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制，達(dá)到最佳的洗滌效果。

全自動(dòng)洗衣機(jī)中的滾筒液面高度自動(dòng)檢測(cè)

[HzajEm

衣量傳感器——衣物量的多少，決定設(shè)定水位的高低。

衣質(zhì)傳感器——衣物重量、織物種類(lèi)，決定最優(yōu)洗滌

溫度、洗滌時(shí)間。

水溫傳感器——開(kāi)機(jī)時(shí)的環(huán)境溫度和注水結(jié)束時(shí)的水

溫，為模糊推論提供信息。

水質(zhì)傳感器——檢測(cè)水的硬度，決定添加洗衣粉的量

以期達(dá)到最佳洗滌效果。

光傳感器——洗滌液的透光率，間接檢測(cè)洗凈程度。

其他傳感器——監(jiān)測(cè)漂洗過(guò)程中的肥皂沫的變化決定

漂洗的次數(shù)；監(jiān)測(cè)干衣過(guò)程中衣物電阻值的變化，決

定烘干時(shí)間。

壓￡傳感器一實(shí)現(xiàn)電信號(hào)與機(jī)械力信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換,

以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)水，從而達(dá)到省水、省電的目的。

[HaEEH

1.2.4樓宇自動(dòng)化

樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)（建筑物自動(dòng)化系統(tǒng)）——建

筑物（或建筑群）內(nèi)的消防、安全、防盜、電

力系統(tǒng)、照明、空調(diào)、衛(wèi)生、給排水、電梯

等設(shè)備的集中監(jiān)視、控制和管理。

目的——使建筑物成為安全、健康、舒適、溫

馨的生活環(huán)境和高效的工作環(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。

1.2.5身份認(rèn)證

Veridicom公司推出的固態(tài)指紋識(shí)別技

術(shù)——包括固態(tài)指紋傳感器芯片F(xiàn)PS110和專(zhuān)

用軟件包。傳感器芯片采用固態(tài)電容傳感的

方法萊獲得指紋圖像，有300X300的傳感單

元陣列，分辨率為500dpi,表面有專(zhuān)利的超硬

保護(hù)涂層，內(nèi)部集成8位帶閃存的A/D轉(zhuǎn)換器,

還集成了溫度傳感器和電阻傳感器，該芯片

提供8位雙向微處理器接口。該芯片的尺寸與

郵票差不多，在27mmX27mm的芯片上，圖

像捕捉面積為16mm義16mm。

采用固態(tài)指紋傳感器、IC卡和密碼保護(hù)的三種具有

身份認(rèn)證功能的防盜鎖。

[HzajEra

L3信號(hào)處理和分析

?信號(hào)分析——研究信號(hào)的構(gòu)成和特征值

的過(guò)程。

?信號(hào)處理——信號(hào)經(jīng)過(guò)必要的加工變換,

以期獲得有用信息的過(guò)程。

?如：功率放大、調(diào)制與解調(diào)、濾波、變

換、估值等

1.3.1信號(hào)分析的方法

時(shí)域分析——均值、方差、矩、均方值等

統(tǒng)計(jì)分析，幅值、相位、頻率等時(shí)間域

參數(shù)

時(shí)差域分析—相關(guān)、協(xié)方差等

頻域分析——幅值譜、相位譜、功率譜等

頻差域分析——互譜、倒譜等

時(shí)頻域分析—小波分析

1.4測(cè)試技術(shù)的發(fā)展概況

1.4.1測(cè)試技術(shù)的發(fā)展歷史

?20世紀(jì)50年代—模擬分析方法。通用計(jì)

算機(jī)在信號(hào)分析中有了實(shí)際應(yīng)用。

?20世紀(jì)60年代—人造衛(wèi)星、宇航探測(cè)及

通信、雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)信號(hào)分析的速

度、分辨能力提出了更高的要求。

快速傅立葉變換(FFT—FastFourier

Transform)方法的誕生使計(jì)算機(jī)科學(xué)有

了更廣泛的應(yīng)用

EH國(guó)畫(huà)「

?20世紀(jì)70年代—大規(guī)模集成電路的發(fā)

展和微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，使許多新型信

號(hào)分析方法出現(xiàn)。

例如：

1、NFFT(Numbertheoretictransforms)—

數(shù)論變換FFT算法

2、WFTA(WinogradFourierTransforms

Algor汕m)—傅立葉變換算法

3、PFTA(PolynomialtransformFourier

Transform)多項(xiàng)式變換傅立葉變換算法

1.4.2測(cè)試技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向

Emin

。傳咸器微型價(jià)

應(yīng).EMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)的需求，目前

傳感器向著小型化、微型化的方向發(fā)展。

?例如：壓電傳感器原理

微觀(guān)上：美國(guó)加州大學(xué)研制的靜電微馬達(dá)

的制作工藝，在硅片上，與CPU的制作工藝

相同。

宏觀(guān)上：汽車(chē)的安全氣囊

?:?傳感器的智能化

智能化——儀器具有了顯示、數(shù)據(jù)處理、自

學(xué)習(xí)等功能

例如：現(xiàn)在新型的示波器具有網(wǎng)絡(luò)功能、數(shù)

據(jù)處理功能、顯示功能、信號(hào)調(diào)理功能（A/D

轉(zhuǎn)換，放大等）

衛(wèi)a5口

多傳感器信息的融合技術(shù)

?:?虛擬測(cè)試技術(shù)和虛擬儀器

?建立仿真程序，建立信息轉(zhuǎn)換模型，在計(jì)算

機(jī)上模擬測(cè)試和實(shí)現(xiàn)。

?虛擬儀器——由計(jì)算機(jī)、傳感器、必要的轉(zhuǎn)

換儀器等硬件組成的一套柔性較強(qiáng)的測(cè)試系

統(tǒng)

。先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理方法

?小波變換與小波分析

?神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析

?灰色故障診斷

?模糊分析

?專(zhuān)家系統(tǒng)分析

?有限元分析

?:?在線(xiàn)實(shí)時(shí)主動(dòng)監(jiān)測(cè)控制

?計(jì)算機(jī)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)——預(yù)防故障、工

件報(bào)廢、刀具破損等

?:?新型的傳感技術(shù)和新型傳感器

?生物芯片

?仿生傳感器——蛙眼、電子鼻、人工舌

?視覺(jué)傳感器——CMOS技術(shù)的愛(ài)普泰克網(wǎng)易拍

用于圖象識(shí)別

?觸覺(jué)傳感器——機(jī)器手

?模糊傳感器——無(wú)人引導(dǎo)小車(chē)、車(chē)前攝像頭

?:?超大超小量的測(cè)量—極限測(cè)量

?超大測(cè)量——

1、美國(guó)雙子座世貿(mào)大廈電梯，110多米高，

其直線(xiàn)度測(cè)量，2min到達(dá)；

2、張家界高層電梯，300多米高，其直線(xiàn)

度測(cè)量，Imin50s到達(dá)。

?超小測(cè)量——

1、基因工程中細(xì)胞夾持力的確定和測(cè)量；

2、靜力微馬達(dá)扭矩測(cè)量

回回區(qū)回

。網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試

?數(shù)據(jù)在網(wǎng)上共享，測(cè)試裝置在網(wǎng)上連接

使用；

?設(shè)備在網(wǎng)上共享，網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)

機(jī)電一體化技術(shù)的興起和發(fā)展，使機(jī)械產(chǎn)品

的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生了質(zhì)的躍變，同時(shí)，制造過(guò)

程正走向柔性化、集成化、智能化，F(xiàn)MS、

CIMS、MRII的發(fā)展，離不開(kāi)信息的獲取、傳

輸、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、處理與分析、利用。

1.5課程學(xué)習(xí)要求和建議

?機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)是一門(mén)專(zhuān)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，通過(guò)

本課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)具備下列幾方面知識(shí)：

(1)掌握信號(hào)的時(shí)域和頻域描述方法，建立

明確的信號(hào)頻譜的概念；掌握頻譜分析和相關(guān)分

析的基本原理和方法，掌握數(shù)字信號(hào)分析中的基

本^既念^

自)。O掌握測(cè)試裝置基本特性的評(píng)價(jià)方法和不

失真測(cè)試條件，并能正確運(yùn)用于測(cè)試裝置的分析

和選擇。掌握一階、二階線(xiàn)性系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性和測(cè)

試方法。

(3)了解常用傳