第1章 测试技术绪论2 (1).pdf

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1、1 测测试试技技术术 课课程程学学习习资资源源： 2. 测测试试技技术术实实验验 1. 教教材材（测测试试技技术术基基础础 第第2版版，主主编编：江江征征风风，2010.01） 推推荐荐教教材材： 测试技术基础 第二版 主 编：江征风；出版社：北京大学出版社 2010年出版，2014年印刷 参参考考书书： 机械工程测试技术基础(第3版) 主 编：熊诗波 , 黄长艺 ；出版社：机 械工业出版社 ；出版或修订时间：2011年6月 机械工程测试技术基础 主 编：张冰蔚, 陈超 ；出版社：江苏大 学出版社 ；出版或修订时间：2014年8月 Instrument Transducers-An Intro

2、duction to their Performance and Design2nd Ed；主 编：Hermann Neubert；出版社：Oxford Clarendon Press；出版或修 订时间：2006-5-3 1.1 测测试试的的含含义义 1.2 信信息息与与信信号号的的关关系系 1.3 测测试试方方法法分分类类 1.4 非非电电量量电电测测系系统统构构成成 1.5 测测试试技技术术的的应应用用 1.6 测测试试技技术术的的发发展展趋趋势势 第第一一章章 绪绪论论 1.1 测测试试的的含含义义 测测试试是是人人们们认认识识客客观观事事物物的的方方法法。测测试试技技术术泛泛 指指测测

3、量量和和试试验验两两个个方方面面的的技技术术。 测测量量的的过过程程或或行行为为就就是是进进行行一一 个个被被测测量量与与一一个个预预定定标标准准之之间间的的 定定量量的的比比较较，从从而而获获得得被被测测对对象象 的的数数值值结结果果。 试试验验是是对对被被研研究究的的对对象象或或系系 统统进进行行实实验验性性研研究究的的过过程程。 例例1.1:确确定定某某人人的的身身高高 通通常常采采用用标标准准长长度度的的米米尺尺(一一个个预预定定标标准准)对对 其其进进行行测测量量，通通过过被被测测量量与与预预定定标标准准之之间间的的定定量量 比比较较，从从而而得得到到此此人人实实际际的的身身高高(被

4、被测测对对象象的的数数值值 结结果果)。 例例1.2:汽汽车车乘乘坐坐舒舒适适性性的的台台架架试试验验 测测试试是是具具有有试试验验性性质质的的测测量量， 是是测测量量和和实实验验的的综综合合。 测测试试过过程程是是借借助助专专门门的的设设备备， 通通过过合合适适的的实实验验和和必必要要的的数数 据据处处理理，从从研研究究对对象象中中获获得得 有有关关信信息息的的认认识识过过程程。 试试验验：通通过过实实验验数数据据来来 探探讨讨研研究究对对象象的的性性能能。 交交通通信信号号灯灯 信信息息信信号号 信信息息的的载载体体是是光光信信号号 红红灯灯 亮亮 黄黄灯灯 亮亮 绿绿灯灯 亮亮 停停 止

5、止 通通行行 注注意意 1.2 信信号号与与信信息息的的关关系系 信信息息：事事物物运运动动的的状状态态和和方方式式。不不是是物物质质，不不具具有有 能能量量，却却是是物物质质所所固固有有的的，是是其其客客观观存存在在或或运运动动状状 态态的的特特征征。信信息息的的传传输输却却依依靠靠物物质质和和能能量量。 信信号号：具具有有能能量量，是是某某种种具具体体的的物物理理量量。信信号号的的变变 化化则则反反映映了了所所携携带带的的信信息息的的变变化化。 m k )(tx 单单自自由由度度振振动动系系统统 )cos()cos()( 0000 tXt m k Xtx 信信号号信信息息 Xo初初位位移移

6、， 频频率率，0 初初相相位位。 0 只只有有深深知知信信号号的的内内涵涵，才才能能了了解解信信号号中中所所携携带带的的 具具体体信信息息。 “红红灯灯”（信信号号）“停停止止”(信信息息) “狼狼烟烟”（信信号号）“外外敌敌入入侵侵”(信信息息) 测测试试工工作作的的目目的的 获获取取研研究究对对象象中中有有用用的的信信息息，而而信信息息又又蕴蕴涵涵 于于信信号号之之中中。可可见见，测测试试工工作作始始终终都都需需要要与与信信号号 打打交交道道，包包括括信信号号的的获获取取、信信号号的的调调理理和和信信号号的的 分分析析等等。 1 1.3 测测试试方方法法分分类类 1 测测试试的的直直接接与

7、与否否 直直接接比比较较法法和和间间接接比比较较法法; ; 2 信信号号随随时时间间变变化化的的快快慢慢 3 被被测测信信号号是是否否转转换换为为电电量量 静静态态测测试试与与动动态态测测试试; ; 非非电电测测法法和和电电测测法法; ; 2 1. 直直接接测测量量 天天平平测测物物体体质质量量 用用米米尺尺（千千分分尺尺）测测量量物物体体长长度度 使使用用测测量量仪仪器器，直直接接和和标标准准比比较较获获得得被被测测量量。 利利用用仪仪器器仪仪表表统统称称之之为为测测量量系系统统把把 原原始始形形态态的的待待测测物物理理量量的的变变化化变变换换成成与与之之保保持持已已 知知函函数数关关系系（

8、通通常常是是线线性性关关系系）的的另另一一种种物物理理量量 的的变变化化，并并以以人人的的感感官官所所能能接接受受的的形形式式（通通常常是是 位位置置的的变变化化），在在测测量量系系统统的的输输出出端端显显示示出出来来。 2. 间间接接测测量量 利利用用杠杠杆杆原原理理称称重重 水水银银温温度度计计测测体体温温 测测试试技技术术基基础础第第一一章章 绪绪论论 14 如如果果所所测测试试的的信信号号变变化化较较快快，称称这这种种测测试试为为动动态态测测 试试。 1. 静静态态测测试试 2. 动动态态测测试试 静静态态测测试试信信号号 动动态态测测试试信信号号 如如果果测测试试时时信信号号不不随随

9、时时间间变变化化，或或随随时时间间变变化化非非常常 缓缓慢慢以以至至于于可可以以忽忽略略，则则称称这这种种测测试试是是静静态态测测试试。 在在机机械械工工程程测测试试中中，要要测测试试的的信信号号往往往往是是机机械械量量。 机机械械量量包包括括与与运运动动、力力和和温温度度有有关关的的物物理理量量。 如如位位移移、速速度度、加加速速度度、外外力力、重重量量、力力矩矩、功功率率、压压力力、 流流量量、温温度度等等。 机机械械测测量量法法、光光测测量量法法、气气测测量量法法、液液测测量量法法和和电电测测量量法法等等。 1. 非非电电测测法法 钢板厚度的机械测量法 表面粗糙度的光测量法 6 用用电电

10、涡涡流流传传感感器器测测量量板板的的厚厚度度 用用差差动动变变压压器器传传感感器器测测量量板板的的厚厚度度 2. 电电测测法法 把把被被测测量量转转换换为为电电量量的的测测量量方方法法。 7 1.4 非非电电量量电电测测系系统统构构成成 被被测测 对对象象 观观察察 者者 激激励励 装装置置 标标 定定 装装 置置 一一般般说说来来，测测试试系系统统由由测测量量装装置置、标标定定装装置置和和 激激励励装装置置三三部部分分组组成成。 测测量量 装装置置 传传 感感 器器物物理理量量 信信 号号 调调 理理 电电量量 信信 号号 处处 理理 电电量量 显显 示示 记记 录录 电电量量/数数字字量量

11、 反反馈馈控控制制 8 激激励励装装置置：则则是是根根据据测测试试内内容容的的需需要要，使使被被测测对对 象象处处于于人人为为的的工工作作状状态态，产产生生表表征征其其特特征征（信信息息） 的的信信号号 标标定定装装置置：用用来来确确定定测测量量装装置置的的输输入入与与输输出出之之间间 的的确确切切关关系系。 压压电电式式压压 力力传传感感器器 有缘学习更多+ 谓y g d 3 0 7 6 或关注桃报：奉献教育（店铺） 9 1、工工业业自自动动化化中中的的应应用用 a)机机械械手手、机机器器人人中中的的传传感感器器 位位置置传传感感器器、力力传传感感器器、视视觉觉传传感感器器等等。 1.5 测

12、测试试技技术术的的应应用用 在在各各种种自自动动控控制制系系统统中中，测测试试环环节节起起着着系系统统感感官官的的作作 用用，是是其其重重要要组组成成部部分分。 KUKA机机器器人人给给汽汽车车装装前前后后车车轮轮 0 b) AGV自自动动送送货货车车 超超声声波波测测距距传传感感器器：判判断断建建筑筑物物内内人人和和物物所所在在位位 置置；红红外外线线色色彩彩传传感感器器：运运动动轨轨迹迹和和AGV小小车车位位置置识识 别别；条条形形码码传传感感器器：货货品品识识别别。 1 新型干法回转窑已成功应用于 冀东、宁国、 湖北省华新、 葛洲坝、武汉一冶、光化、黄 冈、赤壁水泥厂及国内13个省 市的

13、水泥、冶金行业70多条大 型窑。通过对这些窑设备的运 转状态全面检测和及时调整， 显著改善窑的工作状态、延长 窑衬寿命、提高运转率5-20%， 降低窑能耗10-40%，避免突发 性停窑事故，保证窑的长期正 常安全运转。对推动水泥、冶 金等行业的科技进步，提高经 济效益起到了非常重要的作用。 2 2、工工业业设设备备运运行行状状态态监监控控 2 生生产产线线上上设设备备运运行行在在线线监监测测系系统统。 石石化化企企业业输输 油油管管道道、储储 油油罐罐等等压压力力 容容器器的的破破损损 和和泄泄露露检检测测。 测测试试技技术术基基础础第第一一章章 绪绪论论 23 汽汽车车变变速速箱箱疲疲劳劳寿

14、寿命命试试验验台台 3 3、产产品品质质量量测测量量 4 侧侧倾倾、侧侧滑滑试试验验 车车轮轮试试验验 测测试试技技术术基基础础第第一一章章 绪绪论论 25 桥桥梁梁加加载载，检检测测桥桥梁梁的的应应变变 Wuhan University of Technology 6 无无线线传传感感器器网网络络 应应变变片片 信信号号发发射射器器 信信号号接接收收器器 远远距距离离实实时时监监测测 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础测试技术基础第一章第一章 绪论绪论 27 将成千上万个微型传感器密集地分布将成千上万个

15、微型传感器密集地分布 在森林中，各传感器通过无线网络相互在森林中，各传感器通过无线网络相互 协作，共同执行分布式感知任务，并将协作，共同执行分布式感知任务，并将 准确的火源信息传送给信息中心。准确的火源信息传送给信息中心。 例如：森林火警系统例如：森林火警系统 微型传感器微型传感器 测测试试技技术术基基础础第第一一章章 绪绪论论 28 越越南南胡胡志志明明小小道道 上上世世纪纪60年年代代越越战战期期间间， 越越南南北北方方通通过过老老挝挝和和柬柬埔埔寨寨 境境内内的的秘秘密密通通道道胡胡志志明明 小小道道向向南南方方输输送送军军用用物物资资和和 人人员员。 胡胡志志明明小小道道处处于于密密林

16、林中中， 美美军军很很难难发发现现。为为了了切切断断这这 条条运运输输通通道道，美美军军对对其其狂狂轰轰 滥滥炸炸，但但效效果果不不大大。 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础测试技术基础第一章第一章 绪论绪论 29 胡志明小道胡志明小道 0 越越战战时时期期的的无无线线传传感感器器 后后来来，美美军军在在胡胡志志明明小小道道投投下下2万万多多枚枚， 被被称称为为“热热带带树树”的的战战场场传传感感器器系系统统，为为轰轰 炸炸机机提提供供准准确确的的信信息息。 “热热带带树树”由由震震动动和和音音响响传传感

17、感器器组组成成。传传 感感器器落落地地后后插插入入泥泥土土中中，仅仅露露出出伪伪装装成成树树枝枝 的的无无线线电电天天线线，因因而而被被称称为为“热热带带树树” 。 当当人人员员和和车车辆辆在在其其附附近近活活动动时时，“热热带带树树” 便便探探测测到到目目标标产产生生的的震震动动和和声声音音信信息息，并并通通 过过无无线线电电通通信信传传送送到到指指挥挥中中心心。 “热热带带树树”的的成成功功应应用用，促促使使许许多多国国家家纷纷 纷纷研研制制各各种种地地面面传传感感器器系系统统。 这这是是无无线线传传感感器器最最早早的的应应用用。 武武汉汉理理工工大大学学机机电电 Wuhan Univer

18、sity of Technology 东东机机场场的的周周界界防防入入侵侵 在在机机场场四四周周设设立立无无线线传传感感器器 警警戒戒网网，形形成成低低空空、地地面面、地地 下下三三维维立立体体报报警警体体系系。每每个个结结 点点由由震震动动、声声响响、磁磁场场和和微微波波 传传感感器器等等组组成成。 通通过过网网络络，可可以以随随时时监监测测周周 边边实实况况。 测测试试技技术术基基础础第第一一章章 绪绪论论 32 太太湖湖水水自自动动监监测测工工程程 在在太太湖湖大大范范围围水水域域布布放放传传感感器器，通通过过 无无线线传传输输方方式式 24小小时时监监测测太太湖湖水水质质的的各各 项项

19、变变化化，并并将将数数据据及及时时传传回回数数据据 水水质质自自动动监监测测浮浮标标 测测试试技技术术基基础础第第一一章章 绪绪论论 33 鼠鼠标标:光光电电位位移移传传感感器器摄摄象象头头:CCD传传感感器器 麦麦克克风风:电电容容传传声声器器软软驱驱:速速度度,位位置置伺伺服服 4 4、P PC C机机中中的的测测试试技技术术应应用用 有缘学习更多+ 谓y g d 3 0 7 6 或关注桃报：奉献教育（店铺） 测测试试技技术术基基础础第第一一章章 绪绪论论 34 1.6 测测试试技技术术的的发发展展趋趋势势 1 1、传传感感器器方方面面 a a) ) 新新型型传传感感器器 热热/光光电电量

20、量 无压状态下测量体温和心率（1微米厚） 5 b b) )传传感感器器智智能能化化 IC总总线线数数字字温温度度 传传感感器器 数数字字温温湿湿度度传传感感器器 （直直接接接接单单片片机机） 澳澳大大利利亚亚重重75克克的的“微微型型飞飞行行器器”上上的的传传感感器器 轮轮毂毂式式微微型型传传感感器器 测测试试技技术术基基础础第第一一章章 绪绪论论 36 各各结结点点将将信信息息汇汇聚聚到到基基站站 结结点点出出故故障障，其其 它它结结点点会会自自动动寻寻找找 别别的的“同同伴伴”完完成成 任任务务。 网网关关 （路路由由器器）既既要要 输输出出本本身身的的信信息息， 还还要要传传递递其其它它

21、结结点点 的的信信息息。 结结点点能能量量不不足足时时， 只只能能输输出出本本身身的的信信 息息，而而无无法法传传递递其其 它它结结点点的的信信息息。 7 2、测测量量信信号号处处理理方方面面 计计算算机机虚虚拟拟仪仪器器技技术术 用用P PC C机机仪仪器器板板卡卡 代代替替传传统统仪仪器器 用用计计算算机机软软件件 代代替替硬硬件件分分析析电电路路 优优 点点 D DV VR RI I试试验验平平台台 8 1.7 小小结结 ( (1 1) ) 测测试试的的含含义义。测测试试是是具具有有试试验验性性质质的的测测量量，是是测测量量和和试试 验验的的综综合合。 ( (2 2) ) 信信号号与与信

22、信息息的的关关系系 ( (3 3) ) 测测试试方方法法分分类类 ( (4 4) ) 非非电电量量电电测测法法测测试试系系统统组组成成，由由测测量量装装置置、标标定定装装置置和和 激激励励装装置置组组成成。 误误差差（Error）： 误误差差测测得得值值真真值值 真真值值（True Value）： 观测一个量时，该量本 身所具有的真实大小。 分类： 理论值 约定真值 三角形内角之 和恒为180 一个整圆周角 为360 补充:误差的定义及表示法 国际千克基准 1Kg 测测试试技技术术基基础础第第一一章章 绪绪论论 40 约约定定真真值值(Conventional True Value） 指定值、

23、最佳 估计值、约定 值或参考值 是指对于给定用途具有适当不确定度的、赋 予特定量的值。这个术语在计量学中常用。 误误差差是是针针对对真真值值而而言言的的，真真值值一一般般都都是是 指指约约定定真真值值。 亦称 补充:误差的定义及表示法 测测试试技技术术基基础础第第一一章章 绪绪论论 41 误误差差 绝对 误差 相对 误差 粗大 误差 系统 误差 随机 误差 表示形式性质特点 补充:误差的定义及表示法 测测试试技技术术基基础础第第一一章章 绪绪论论 42 绝绝对对误误差差（A Ab bs so ol lu ut te e E Er rr ro or r） 测得值 被测量的真值，常 用约定真值代替

24、 绝对误差 特特点点： 1) 绝对误差是一个具有确定的大小、符 号及单位的量。 2) 单位给出了被测量的量纲，其单位与 测得值相同。 LLL0 绝绝对对误误差差测测得得值值真真值值 补充:误差的定义及表示法 3 修修正正值值(Correction) :为了消除固定的系统误差用 代数法而加到测量结果上的值。 修修正正值值真真值值测测得得值值 特特点点： 1) 与误差大小近似相等，但方向相反。 2) 修正值本身还有误差。 误误差差 补充:误差的定义及表示法 4 【例例1 1- -1 1】 用某电压表测量电压，电压表的示值为226V， 查该表的检定证书，得知该电压表在220V附近 的误差为5V ，被

25、测电压的修正值为5V ，则 修正后的测量结果为226+(5V )=221V。 测得值 真值 绝对误差 补充:误差的定义及表示法 5 定定义义 被测量的真值，常用约定 真值代替，也可以近似用 测量值 L 来代替 L0 相对误差 特特点点： 1） 相对误差有大小和符号。 2） 无量纲，一般用百分数来表示。 绝对误差 相相对对误误差差（R Re el la at ti iv ve e E Er rr ro or r）： 绝绝对对误误差差与与被被测测量量真真值值之之比比 相相对对误误差差 0 L L r 补充:误差的定义及表示法 6 绝绝对对误误差差和和相相对对误误差差的的比比较较 用两种方法测量L1

26、=100mm的尺寸，其测量误差分别 为deta1=+-10um, deta2=+-8um, 根据绝对误差的 大小，可知后者的测量精度高。第三种方法策略 L2=80mm的尺寸，测量误差为deta3=+-7um ，如何 判断精度高？ 方法1的相对误差为 方法2的相对误差为 方法3的相对误差为 用绝对误差不便于比较不同量值、不同单位、 不同物理量等的准确度。 %008. 0 100 8 1 1 mm m L %01. 0 100 10 1 1 mm m L %009. 0 80 7 1 1 mm m L 补充:误差的定义及表示法 7 引引用用误误差差（Fiducial Error of a Meas

27、uring Instrument） 定定义义 该标称范围（或量程）上限 引用误差 仪器某标称范围（或量程） 内的最大绝对误差 m m m x r x 引用误差是一种相对误差，而且该相对误差是引 用了特定值，即标称范围上限（或量程）得到的， 故该误差又称为引用相对误差、满度误差。 补充:误差的定义及表示法 8 我国电工仪表、压力表的准准确确度度等等级级（A Ac cc cu ur ra ac cy y C Cl la as ss s）就是按照引用误差进行分级的。 当一个仪表的等级s选定后，用此表测量某一被 测量时，所产生的最大绝对误差为 % mm xxs % mm x xx rs xx 最大相对

28、误差为 绝对误差的最大值与 该仪表的标称范围 （或量程）上限xm成 正比选定仪表后，被测量的值越接近于标 称范围（或量程）上限，测量的相对 误差越小，测量越准确 （公式2） （公式1） 电工仪表、压力表的准准确确度度等等级级 补充:误差的定义及表示法 9 【例例1 1- -1 1】 检定一只2.5级、量程为100V的电压表，发现在 50V处误差最大，其值为2V，而其他刻度处的误差均 小于2V，问这只电压表是否合格？ 由公式2，该电压表的引用误差为 2 2% 100 m m m U r U 由于 所以该电压表合格。 2%2.5% 【解解】 补充:误差的定义及表示法 有缘学习更多+ 谓y g d

29、3 0 7 6 或关注桃报：奉献教育（店铺） 练练习习 1 1- -1 1 测测量量误误差差是是指指_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _的的差差值值，有有_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _、 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _、和和 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _三三类类。 1 1- -2 2下下面面哪哪个个参参数数反反映映测测试试系系统统的的随随机机误误差差的的大大小小？ A A. .灵灵敏敏度度 B B. .重重复复性性 C C. .滞滞后后量量 D D. .线线性性度度 1 1- -3 3 信信息息

30、和和信信号号之之间间的的关关系系是是_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _。 1 1- -4 4 现现有有0 03 30 00 0摄摄氏氏度度、0 0. .5 5级级和和 0 01 12 20 0摄摄氏氏度度、 1 1级级的的两两支支温温度度计计，测测量量1 10 00 0摄摄氏氏度度左左右右的的温温度度， 测测量量精精度度高高的的是是_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _。 1 本本章章课课后后思思考考题题 1 1、非非电电量量电电测测法法的的构构成成 举举一一个个实实例例来来说说明明非非电电量量电电测测法法系系统统的的构构成成，并并针针对对每

31、每一一部部分分 的的具具体体内内容容进进行行分分析析。 2 2、思思考考无无线线传传感感网网络络的的优优势势和和技技术术难难 点点 测测试试技技术术基基础础第第一一章章 绪绪论论 52 本本门门课课后后大大作作业业 1 1、熟熟悉悉m ma at tl la ab b软软件件 学学会会使使用用m ma at tl la ab b软软件件建建立立周周期期信信号号和和非非周周期期信信号号的的时时频频域域转转换换 系系统统 2 2、熟熟悉悉L La ab bv vi ie ew w软软件件 学学会会使使用用L La ab bv vi ie ew w软软件件建建立立一一个个信信号号采采集集及及分分析析系系统统