機械工程測試技術

Measurement&TestTechniquesofMechanicEngineering

課時計劃上課40學時、試驗8學時9～16周（6學時）課程教材機械工程測試技術（陳花玲）課程考核平時：上課、作業20％試驗：10％期末閉卷考試：70％內容安排1、緒論22、機械測試信號分析與處理63、測量裝置的基本特性44、測量誤差分析45、信號獲取與調理6＋16、計算機測試技術4＋17、力、壓力和位移測量28、溫度測量29、振動與噪聲測量210、轉速與功率測量211、流速與流量測量212、其它測試技術2指導教師：劉吉軒、82668613驗內容試驗序號實驗名稱學時周次1信號分析+測量裝置設計虛擬實驗2112傳感器性能實驗2133虛擬儀器設計實驗2154信號調理特性實驗216輔導教師：張慶

zhangq@

82665787容作業章節作業11-3，1-5，1-6，1-722-4，2-7.1，2-8，2-933-1，3-2，3-4，3-6，3-1044-1，4-4，4-7，4-955-1，5-5，5-7，5-11，5-12，5-1366-1，6-5，6-8，6-10，6-12，6-13機械工程測試技術——

緒論（2）第一章內容機械產品的發展測試目的測試系統組成測試技術的發展主要生產廠商重點：掌握測試系統的組成與測試技術的發展

測試系統的對象：機械產品1、機械產品的發展機械產品的靈魂是測試系統

測試系統的成本已經達到裝備系統總成本的50％～70％一架飛機需要3600只傳感器及其配套的監測儀器一輛汽車需要30～150只傳感器及其配套的監測儀器1、機械產品的發展中央控制“阿波羅10”有3295個檢測參數溫度傳感器559個壓力傳感器140個信號傳感器501個遙控傳感器142個高性能傳感器的集合體機械產品和測試系統相互促進產品對測試的需求高精度、高可靠、多功能測試對產品增值汽車、家電、機床1、機械產品的發展慣導平臺調試安裝（運載火箭）1、機械產品的發展現代機械產品發展高速/效化柔性化自動化大/微型化精密化“極端制造”綜合集成信息化集成化綜合化模塊化智能化網絡化數字化“極端制造”方向：高、大（微）、精、專（柔）高效化與高速化高速化是許多機械設備的發展趨向——提高工作效率例如：高速列車、高速電機、高速機床轉速壁厚1、機械產品的發展高速切削(HighSpeedCutting)

表面加工質量高，省去后續的精加工工序切削力相應變小，可加工薄壁德國第三代高速列車時速300公里22500rpm/2MW750kg/0.75M3“極端制造”方向：高、大（微）、精、專（柔）大型化、微型化設備的大型化是目前機械的一個主要發展方向工程機械：建筑、橋梁、隧道大型盾構/掘進機開挖切削、輸送碴料、拼裝隧道襯砌、測量導向糾偏集機、電、液、傳感、信息技術于一體地層穩定控制檢測技術、液壓推進與導向技術微型化、微機電系統（MEMS）、納米加工微型機器人：如微型醫用機器人微機電系統（MEMS）微加速度計:重0.5克、靈敏度15mv/g微壓力傳感器：埋置在汽車輪胎中，節省10%的汽油1、機械產品的發展“極端制造”方向：高、大（微）、精、專（柔）精密化產品工作的需要沒有足夠精度的產品，對它的結構性能（它的工作壽命）工作性能（工作穩定性）都會產生不同程度的影響小尺寸零部件的需要沒有足夠的精度，就無法完成所要求的工作。如芯片的加工，已經達到納米級的要求1、機械產品的發展高速精密機械式主軸加工工程中自動測量厚度就是芯片誤差和砂輪盤的損耗量引起的偏差可以自動計算，并能保證±1um以內的精密度

信息化自動化可以提高勞動者手工勞動難以獲得的準確程度，從而可以提高工作效率或避免人工操作過程中可以產生的意外失誤向更高的水平發展：自組織、自維護和自修復1、機械產品的發展自動貼片機裝配機器人對月球、火星等地質、表面、資源等進行考察、分析、取樣的專用車輛信息化智能化：產品發展的主導方向——融入人的處理方法智能化產品自然較一般產品更能滿足人們的要求通過對產品的主要工作參數和工作過程實現智能控制與優化，有目的地使產品獲得優良的工作性能。1、機械產品的發展能夠在特制的水箱中游來游去，避開障礙物并對周圍環境做出相應反應。這些魚都是通過傳感裝置控制并自動導航的信息化網絡化：協同手段、發展的道路協同/并行設計和制造、遠程設計與制造資源共享

波音787方向舵轉包中國協同設計1、機械產品的發展敏捷設計和敏捷制造快速響應和滿足市場需求信息化數字化：信息化的核心信息精確、信息安全、信息容量大。制造領域：數字工廠、數字制造、數字裝備。大大提高設備的精確度：數字化加工設備的加工精確度也較一般加工設備高1、機械產品的發展數控定位分辨率1微米，仿形及數字化加工精度15微米刀具半徑、長度補償；螺距誤差、反向間隙補償自動生成數控加工指令、比例縮放加工、鏡像加工、陰陽模配對加工等現代信息技術帶動機械產品的發展電子、控制、信號處理測試系統實現機械的信息驅動程序、傳感、網絡測試系統使得機械產品更加完美人性化、智能化實用化1、機械產品的發展現代大工業生產質量監控自動檢測過程控制四大參量：流量、壓力、溫度、液位2、測試目的

產品檢驗和質量控制

產品檢驗：產品驗收和廢品剔除合格、不合格被動檢測質量控制檢測和加工同時進行——在線檢測對生產過程主動進行控制2、測試目的

航空發動機產品檢驗和質量控制

維護管理質量控制2、測試目的

汽車監測管理質控大量點檢巡視報告裝配、調試

2、測試目的

發電機宇航飛機產品測試

2、測試目的

整車綜合環境試驗沖擊噪聲（機械、風）溫度疲勞...性能測試汽車扭距在線測量，儀保證發動機的裝配質量

極限測試溫度、濕度沖擊振動設備安全經濟運行監測

2、測試目的

水輪發電機組壓縮機組火力發電機組監控中心裝置自動化——裝備的一部分

2、測試目的

機器人裝箱檢測——定位——動作ＭＡＳ－３型磁懸浮列車（懸浮10mm、推進、導向）基礎學科研究

科學規律的發現和新的定律、公式的誕生都離不開測試技術。從實驗中可以發現規律，驗證理論研究結果，實驗與理論可以相互促進，共同發展；

常規工況下的檢測、測試

振動、速度、溫度、壓力、流量、...極端工況下的檢測、測試

超高溫、超高壓、超低溫、超高真空超強磁場超高速2、測試目的

試驗研究

2、測試目的

軍用機器人地面軍用機器人

排爆、掃雷、偵察金屬探測器；紅外傳感水下軍用機器人

水下無人潛器(遙控、半自治及自治型)

海上資源的勘探和開發，海戰探雷機器人、掃雷機器人、偵察機器人。

精確定位、目標識別、信息收集空中機器人又叫無人機中低空偵察及戰場監視，電子干擾，戰果評估，目標定位，氣象資料搜集，散發傳單以及營救飛行員飛機自動空中防撞位置測量速度測量運動預測協調策略逃避控制維修診斷

2、測試目的

遠程維修探傷檢測探傷檢測轉子、鋼繩、管道、容器、...鐵道、航空、軍工、機械、汽摩配件、壓力容器、礦山機械等行業智能建筑3A樓宇自動化系統BAS通訊自動化系統CAS辦公自動化系統OAS

BAS

空調制冷、給水排水、變配電系統、照明系統、電梯等控制（溫度、濕度、液位、流量、壓差、空氣壓力等檢測）。

安全防護：防盜、放火、防燃氣泄露

CCD（電子眼）監視器、煙霧傳感器、氣體傳感器、紅外傳感器、玻璃破碎傳感器

自動識別——門禁管理系統（感應式IC卡識別、指紋識別）；遠程抄收與管理系統（水、電、氣、熱量的遠程傳感及處理）2、測試目的

測試技術應用領域

現代大工業生產、基礎學科研究、宇宙開發、海洋探測、軍事國防、環境保護、資源調查、醫學診斷、智能建筑、汽車、家用電器、生物工程、商檢質檢、公共安全、甚至文物保護等等

2、測試目的

測試

被測量和同類標準量進行比較的一個實驗過程同類標準量位移、振動，轉速、溫度，壓力，...比較：參與方式，可以是直接、間接壓力儀表測量壓力溫度傳感器測量溫度振動儀測量位移、振動3、測試系統組成

測試

被測量和同類標準量進行比較的一個實驗過程測試結果測量結果X數字值{X}測量單位

x0——物理屬性、數字值大小示例：位移x＝100μmx＝0.100mm

壓力p＝0.5MPa3、測試系統組成測試系統

完成測試任務的傳感器、儀器和設備的總稱3、測試系統組成轉速、振動/位移傳感器＋測速、測振儀轉速控制/調節測試系統直接獲取被測設備上的信息位移、距離、脹差、...振動、速度、加速度應力、壓力、摩擦力、...油溫、瓦溫、軸溫、氣溫、...轉速、鑒相...3、測試系統組成CaseExpansion/ValvePosition

測試系統間接獲取被測設備上的信息功率：發動機轉速n、輸出扭矩M，P＝M.n

切削速度V、切削力Fz，P＝Fz.V喘振：壓縮機進出口流量、壓力感知：視覺、聽覺、味覺、...故障：信息融合...3、測試系統組成機械電子系統組成：三層信息流：

三層控制層：處理主信息流

實現“目的功能”監測診斷層

保障和監視“目的功能”、提高系統可靠性人機交互/網絡測控層

緊急處理、遠程監控、信息交流3、測試系統組成計算機系統電氣系統機械系統測試系統基本結構

3、測試系統組成測試對象傳感器信號調理數據采集

顯示數據處理控制驅動執行單元電源測試系統信號處理傳感器

一種能把特定的信息（物理、化學、生物）按一定規律轉換成某種可用信號輸出的器件和裝置3、測試系統組成常用的渦流探頭＋前置器加速度傳感器力傳感器智能式壓力變送器信號調理

對（傳感器輸出的）信號進行變換、隔離、濾波、放大、驅動等，以便進一步傳輸和處理高阻輸入、低阻輸出規范輸出3、測試系統組成B&K

測量放大器2525放大、自動量程低通和高通濾波器（用戶自定義）通道：1輸入電荷量：≤104pC增益：1-1000mV/pC輸出：±5V濾波單元信號處理

對來自信號調理環節的信號，進行各種運算、分析，并輸出結果模擬信號處理運算：微分、積分、對數

數字信號處理信號量化編程處理：信號分析3、測試系統組成顯示記錄以觀察者易于識別的形式來顯示測量的結果，或者將測量結果存儲3、測試系統組成測試技術測量MEASUREMENT按照一定的規則，給事物的屬性指派量值（數字或符號）的過程測量的三個要素：①事物及其屬性——測量的對象或目標身體溫度、桌子高度（客觀特征）、英語聽力（心理特征）②指派數字或符號——某一事物或事物的某一屬性的量

37度、0.75米、87分③法則、標準——測量所依據的規則和方法，公認、關鍵溫度計、量尺、考卷4、測試技術的發展測試技術計量METROLOGY

（史稱“度量衡”）以技術和法制手段保證量值準確可靠、單位統一的測量實現單位統一、量值準確可靠為目的的測量現代十大計量：長度、溫度、力學、電磁學、光學、聲學、化學、無線電、時間頻率、電離輻射，形成了一門獨立的學科日常計量：電子秤、水表、電表、煤氣表，出租計價器，加油機，醫用體溫計、血壓計、眼壓計市質量技術監督局：貿易結算、安全防護、醫療衛生和環境監測等上千萬臺件工作強檢計量器的強制檢定4、測試技術的發展測試技術測試TEST具有試驗性質的測量；測量和試驗的綜合測試對象測試方法測試設備測試和測量緊密相關，實際使用中往往不加嚴格區分4、測試技術的發展測試技術傳感器技術

信息采集——“感官”信號處理技術信息加工——“甄別”計算機技術信息綜合——“大腦”網絡技術

信息傳輸——“神經”4、測試技術的發展一體化傳感器智能傳感器網絡化傳感器傳感器技術

研究傳感器的新材料和新工藝實現傳感器的智能化

測試、控制系統的感知環節——核心準確傳遞和檢測出某一形態的信息，并將其轉換成另一形態的信息

4、測試技術的發展傳感器技術材料科學

依靠敏感材料本身的物性隨被測量的變化來實現信號的變化壓電效應渦流效應應變效應：導體材料光電效應霍爾效應壓阻效應：半導體材料的壓阻轉換4、測試技術的發展一氧化碳傳感器傳感器技術材料科學——新材料

利用物理現象、化學反應和生物效應設計制作各種用途的傳感器

依據材料特性設計敏感元件光導纖維：傳光、感光

陶瓷：彈性元件、絕緣材料傳感器要求合成所需材料

新型材料：通過人工設計和合成化合物的結構來控制材料的性能，從而得到各種各樣的功能材料——可控材料性能利用納米技術，可獲得高活性的氣敏陶瓷材料

4、測試技術的發展瓦斯報警酒精傳感器傳感器技術集成化傳感器

微機電系統（MEMS）——小、微型化

微機械和微電路集成微型傳感器＋信號處理——一體化多敏感元件、多參數測量運算、補償、變換

集成式加速度傳感器：三只隔離剪切型高靈敏度加速度傳感器三只電荷放大器

4、測試技術的發展·

靈敏度：700mV/g·

頻率范圍：0.1-1000Hz·

重量：260g·

量程：7gXCE-062高溫超小型IS壓力傳感器(-55℃到273℃)

傳感器技術智能化傳感器

組成：傳統的傳感器＋微處理器(或微計算機)特征：具備通信總線接口、兼有信息監測、信息處理和信息傳輸智能：通過存放于微處理器中的功能強大的軟件，對系統進行智能化，如非線性自動校正、自校零、自校準、自補償、自檢驗、噪聲抑制等。

4、測試技術的發展智能壓力傳感器/變送器信號處理技術數字分析方法——速度、分辨力核心：快速傅里葉變換（FastFourierTransform，FFT）計算卷積，用于人造衛星、宇航探測及通訊、雷達...焦點：減少運算次數例如：當采樣點N=1000時DFT算法為200萬次FFT算法為1.4萬次NFFT算法為0.8萬次WFTA算法為0.35萬次PFTA算法為0.3萬次

4、測試技術的發展信號處理技術信號處理芯片——DSP

一種用于快速處理信號的器件，加快信號處理的實時能力例如：TI的TMS320C25芯片，數字·信號處理混合信號處理芯片

模擬、數字信號混合處理

例如：ADI的

ADSP-2199x——高性能工業控制專用處理芯片

聲音、視頻濾波、放大...SoC芯片：片上系統4、測試技術的發展計算機技術使得測試儀器微機化、智能化

數字信號處理方法、計算機技術和信息處理技術的迅速發展，使測試儀器發生了根本性的變革：以微處理器為核心測試系統精度速度測試能力工作效率可靠性

4、測試技術的發展數字式測溫計數字式超聲波探傷儀數字式測振儀AR848

計算機技術虛擬儀器：以計算機為核心、開放式標準接口總線模塊化邏輯決斷、模塊識別軟件定義功能、用戶定義功能4、測試技術的發展網絡技術網絡變遷：以太網接口：一方面在不斷發展，10/100/1000

，另一方面是100%向后兼容網絡化傳感器——分布式測控網絡在智能傳感器基礎上，把TCP／IP協議作為一種嵌入式應用，嵌入現場智能傳感器的ROM中，從而使信號的收、發都以TCP／IP方式進行，如此，網絡化傳感器像計算機一樣成為了測控網絡上的節點登臨網絡，并具有網絡節點的組態性和互操作性。4、測試技術的發展未來發展方向傳感技術開發新材料，發展、利用新效應——源頭提高傳感器性能和檢測范圍微型化與微功耗集成化與多功能化傳感器的智能化傳感器的數字化和網絡化建模和仿真4、測試技術的發展未來發展方向信息監測網——在線檢測日本現在已經研制了一種IPv6汽車，在汽車的雨刷、發動機、輪胎等上面分別分配有一個IP地址。雨刷是個天氣狀況的傳感器、雨量感應式自動雨刷器發動機則用來檢測汽車性能：排量、最大功率、最大扭矩輪胎用于車速、氣壓、溫度的檢查，防止爆胎、了解交通狀態4、測試技術的發展工業自動化類美國霍尼威爾公司（有全球最大傳感器技術研究中心）

http:///china5、主要生產廠商

振動/噪聲類丹麥B&K（振動測量、聲學測量領域最富盛名）

http:///5、主要生產廠商

測量分析類美國國家儀器公司(全球最大的計算機虛擬儀器生產商)

http:///5、主要生產廠商

測量分析類美國Agilent公司(原惠普公司儀器部，著名的測試儀器商)

http:///5、主要生產廠商

教材：1-3，1-5，1-6，1-7作業現代機械產品和信息化有何關系？二者不可分