機械工程測試技術 教學課件 許同樂 緒論1

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1、山東理工大學機械學院緒 論機械工程測試技術機械工程學院儀器系Tel:2786982山東理工大學機械學院緒 論一、測試和測量一、測試和測量l 測試：是人們認識客觀事物的方法。測試：是人們認識客觀事物的方法。l 測試技術：測量技術和試驗技術的統(tǒng)稱。測試技術：測量技術和試驗技術的統(tǒng)稱。l 試驗是機械基礎研究和產(chǎn)品設計研發(fā)的重要環(huán)節(jié)。試驗是機械基礎研究和產(chǎn)品設計研發(fā)的重要環(huán)節(jié)。l 測量：以確定被測對象的量值為目的而進行的實驗過程；測量：以確定被測對象的量值為目的而進行的實驗過程；l 不僅工程試驗需要測量，在機器和生產(chǎn)過程的運行監(jiān)測、不僅工程試驗需要測量，在機器和生產(chǎn)過程的運行監(jiān)測、控制和故障診斷也需要

2、在線測量。測量系統(tǒng)已經(jīng)成為機器控制和故障診斷也需要在線測量。測量系統(tǒng)已經(jīng)成為機器和生產(chǎn)線的重要組成部分。和生產(chǎn)線的重要組成部分。l 本教材的主要內容是本教材的主要內容是測量技術和儀器，測量技術和儀器，試驗技術不作討論。試驗技術不作討論。第一節(jié)第一節(jié) 測試與測試技術測試與測試技術山東理工大學機械學院緒 論l測試過程包括：測試過程包括： 信息的提取信息的提取 信息轉換存儲與傳輸信息轉換存儲與傳輸 信息的顯示和記錄信息的顯示和記錄 信號的處理與分析信號的處理與分析 山東理工大學機械學院緒 論l 測量系統(tǒng)的一般構成：測量系統(tǒng)的一般構成：敏感元件顯示或存儲轉換元件適調電路接口（數(shù)字化）計算機或控制系統(tǒng)分

3、析結果反饋、控制或監(jiān)測診斷放大、濾波、調制解調等輸出一般為電信號A/D轉換山東理工大學機械學院緒 論山東理工大學機械學院緒 論第二節(jié)第二節(jié) 測試技術的重要性測試技術的重要性l 測試是人類認識客觀世界的手段，是科學研究的基本方法。測試是人類認識客觀世界的手段，是科學研究的基本方法。l 測試技術在科學探索，用定量關系和數(shù)學語言來表達科學測試技術在科學探索，用定量關系和數(shù)學語言來表達科學規(guī)律和理論，檢驗科學理論和規(guī)律的正確性等方面具有重規(guī)律和理論，檢驗科學理論和規(guī)律的正確性等方面具有重要作用。要作用。l 測試技術在工程技術領域中，工程研究、產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)測試技術在工程技術領域中，工程研究、產(chǎn)品開發(fā)、

4、生產(chǎn)監(jiān)督、質量控制和性能試驗等具有重要作用。監(jiān)督、質量控制和性能試驗等具有重要作用。 l 測試技術的先進性是一個地區(qū)、一個國家科技發(fā)達程度的測試技術的先進性是一個地區(qū)、一個國家科技發(fā)達程度的重要標志之一重要標志之一。山東理工大學機械學院緒 論第三節(jié)第三節(jié) 測試技術的工程應用測試技術的工程應用1、產(chǎn)品開發(fā)與性能實驗、產(chǎn)品開發(fā)與性能實驗 新產(chǎn)品開發(fā)必須經(jīng)過設計、試驗、市場檢驗、批量生產(chǎn)新產(chǎn)品開發(fā)必須經(jīng)過設計、試驗、市場檢驗、批量生產(chǎn) 等過程。等過程。 產(chǎn)品零部件、整機的性能試驗，是檢驗設計正確與否的產(chǎn)品零部件、整機的性能試驗，是檢驗設計正確與否的 唯一依據(jù)。唯一依據(jù)。 許多產(chǎn)品都要經(jīng)過許多產(chǎn)品都要

5、經(jīng)過 “設計設計-建立建立-測試測試”循環(huán)，即使已定循環(huán)，即使已定 型的產(chǎn)品，在生產(chǎn)過程中也需要對每一產(chǎn)品或其部份抽樣型的產(chǎn)品，在生產(chǎn)過程中也需要對每一產(chǎn)品或其部份抽樣作性能試驗，以便控制產(chǎn)品質量。作性能試驗，以便控制產(chǎn)品質量。產(chǎn)品的性能試驗結果是用戶驗收產(chǎn)品的主要依據(jù)。產(chǎn)品的性能試驗結果是用戶驗收產(chǎn)品的主要依據(jù)。山東理工大學機械學院緒 論滾動軸承壽命及可靠性試驗系統(tǒng)滾動軸承壽命及可靠性試驗系統(tǒng)山東理工大學機械學院緒 論2、 機械故障診斷機械故障診斷 一、機械設備監(jiān)測與故障診斷技術被廣泛應用于電力、一、機械設備監(jiān)測與故障診斷技術被廣泛應用于電力、石油化工、冶金等行業(yè)的大型、高速旋轉機械。石油化

6、工、冶金等行業(yè)的大型、高速旋轉機械。 二、機械系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)劃分為：二、機械系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)劃分為： 機械測量機械測量 監(jiān)視與保護監(jiān)視與保護 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集 振動狀態(tài)分析振動狀態(tài)分析 數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸 山東理工大學機械學院緒 論 三、機械故障診斷意義三、機械故障診斷意義機械發(fā)生故障，將導致整個生產(chǎn)停頓，造成巨大的經(jīng)濟機械發(fā)生故障，將導致整個生產(chǎn)停頓，造成巨大的經(jīng)濟損失。損失。在設備的運行狀態(tài)下，要了解、掌握其內部狀況（如溫在設備的運行狀態(tài)下，要了解、掌握其內部狀況（如溫升、振動、噪聲、應力應變、潤滑油狀況、異味等）。升、振動、噪聲、應力應變、潤滑油狀況、異味等）。保證設備的安全運行，預防和

7、減少惡性事故的發(fā)生，消保證設備的安全運行，預防和減少惡性事故的發(fā)生，消除故障隱患，保障人身和設備安全，提高生產(chǎn)率。除故障隱患，保障人身和設備安全，提高生產(chǎn)率。機械故障診斷能夠滿足機器設備及其零件的高可靠性和機械故障診斷能夠滿足機器設備及其零件的高可靠性和高利用率要求。高利用率要求。山東理工大學機械學院緒 論3、產(chǎn)品質量控制與生產(chǎn)檢測、產(chǎn)品質量控制與生產(chǎn)檢測 在汽車、機床等設備，電機、發(fā)動機等零部件出廠時，在汽車、機床等設備，電機、發(fā)動機等零部件出廠時，必須對其性能質量進行測量和出廠檢驗。必須對其性能質量進行測量和出廠檢驗。 圖示為汽車制造廠圖示為汽車制造廠發(fā)動機檢驗原理框圖發(fā)動機檢驗原理框圖，

8、測量參數(shù)包括潤，測量參數(shù)包括潤滑油溫度、冷卻水溫度、燃油壓力及發(fā)動機轉速等。通過滑油溫度、冷卻水溫度、燃油壓力及發(fā)動機轉速等。通過對抽樣汽車的測試，工程師可以了解產(chǎn)品質量。對抽樣汽車的測試，工程師可以了解產(chǎn)品質量。山東理工大學機械學院緒 論第四節(jié)第四節(jié) 測試技術的發(fā)展概況測試技術的發(fā)展概況1、傳感器方面的發(fā)展、傳感器方面的發(fā)展a)“物性型”傳感器大量涌現(xiàn)結構型傳感器依靠傳感器結構參量的變化實現(xiàn)信號轉變。物性型傳感器依靠敏感元件材料本身的物理化學性質的變化實現(xiàn)信號的轉變。可變磁阻位移傳感器山東理工大學機械學院緒 論物性型傳感器的開發(fā)實質是新材料的開發(fā)。例如：半導體、陶瓷、光導纖維、磁性材料、“智

9、能材料”等等。F+山東理工大學機械學院緒 論b)集成、智能傳感器的開發(fā)集成化傳感器同功能的敏感元件排成線型、面型；不同功能的敏感元件集成，測不同參量；傳感器與放大、運算、溫度補償?shù)入娐返募伞Ｖ悄芑瘋鞲衅鱾鞲衅?嵌入式計算機 智能化傳感器不但能夠對信息進行處理、分析和調節(jié)，能夠對所測的數(shù)值及其誤差進行補償，而且還能夠進行邏輯思考和結論判斷，能夠借助于一覽表對非線性信號進行線性化處理，借助于軟件濾波器濾波數(shù)字信號。 嵌入式計算機嵌入式計算機智能壓力網(wǎng)絡智能壓力網(wǎng)絡傳感器傳感器智能智能傾角傾角RS232RS232傳感器傳感器IC總線數(shù)字溫度總線數(shù)字溫度傳感器傳感器山東理工大學機械學院緒 論c)生物

10、、化學傳感器的開發(fā)利用新發(fā)現(xiàn)的生物、化學效應開發(fā)出的新型傳感器利用新發(fā)現(xiàn)的生物、化學效應開發(fā)出的新型傳感器生物酶血樣分析傳感器生物酶血樣分析傳感器熱熱/ /光光電量電量微生物微生物/酶等酶等敏感元件敏感元件山東理工大學機械學院緒 論 氣體傳感器通常在大氣工況中使用，被測氣體分子附氣體傳感器通常在大氣工況中使用，被測氣體分子附著于傳感器的功能材料表面且與之起化學反應。氣體濃度著于傳感器的功能材料表面且與之起化學反應。氣體濃度的高低轉化為電信號的大小。的高低轉化為電信號的大小。山東理工大學機械學院緒 論2、計算機測試系統(tǒng)與虛擬儀器的應用、計算機測試系統(tǒng)與虛擬儀器的應用 主要內容：傳感器網(wǎng)絡及儀器總

11、線技術、主要內容：傳感器網(wǎng)絡及儀器總線技術、Internet網(wǎng)網(wǎng)與遠程測試、測試過程與儀器控制技術，虛擬儀器及其與遠程測試、測試過程與儀器控制技術，虛擬儀器及其編程等。編程等。 計算機虛擬儀器技術計算機虛擬儀器技術(1) 傳統(tǒng)測量儀器傳統(tǒng)測量儀器： 如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、頻譜分析儀等，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、頻譜分析儀等，其功能主要由硬件實現(xiàn)，出廠時已由制造商定義，用戶其功能主要由硬件實現(xiàn)，出廠時已由制造商定義，用戶無權修改。無權修改。山東理工大學機械學院緒 論(2)虛擬儀器虛擬儀器： 虛擬儀器（Virtual Instrument，縮寫為VI）是基于計算機的儀器，是將儀

12、器裝入計算機，以通用的計算機硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器的基本結構的比較： 用用PC機儀器板卡機儀器板卡 代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器 用計算機軟件用計算機軟件 代替硬件分析電路代替硬件分析電路虛擬儀器就是在通用計算機上加上軟件和（或）硬件，使得使用者在操作這臺計算機時，就象是在操作一臺他自己設計的專用的傳統(tǒng)電子儀器。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是為了解決信號的輸入輸出，軟件才是整個儀器系統(tǒng)的關鍵，任何一個使用者都可以通過修改軟件的方法，很方便地改變、增減儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模。 “ 軟件即儀器”山東理工大學機械學院緒 論山東理工大學機械學院緒 論傳統(tǒng)儀器傳統(tǒng)儀器虛擬儀器

13、虛擬儀器關鍵是硬件關鍵是硬件關鍵是軟件關鍵是軟件開發(fā)與維護的費用高開發(fā)與維護的費用高開發(fā)與維護的費用低開發(fā)與維護的費用低技術更新周期長技術更新周期長(5-10年年)技術更新周期短（技術更新周期短（0.5-1年）年）價格高價格高價格低，并且可重復性與可價格低，并且可重復性與可配置性強配置性強生產(chǎn)商定義儀器功能生產(chǎn)商定義儀器功能用戶定義儀器功能用戶定義儀器功能系統(tǒng)封閉、固定系統(tǒng)封閉、固定系統(tǒng)開放、靈活、與計算機系統(tǒng)開放、靈活、與計算機的進步同步的進步同步不易與其他設備連接不易與其他設備連接極易與其他設備連接極易與其他設備連接 山東理工大學機械學院緒 論 與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器在智能化程序、處理能

14、力、性能價格與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器在智能化程序、處理能力、性能價格比、可操作性等方面都具有明顯的技術優(yōu)勢，具體表現(xiàn)為：比、可操作性等方面都具有明顯的技術優(yōu)勢，具體表現(xiàn)為：（）智能化程度高，處理能力強。虛擬儀器的處理能力和智能化程度主要取決于儀器軟件水平。用戶完全可以根據(jù)實際應用需求，將先進的信號處理算法、人工智能技術和專家系統(tǒng)應用于儀器設計與集成，從而將智能儀器水平提高到一個新的層次。山東理工大學機械學院緒 論（）可操作性強。虛擬儀器面板可由用戶定義，針對不同應用可以設計不同的操作顯示界面。使用計算機的多媒體處理能力可以使儀器操作變得更加直觀、簡便、易于理解，測量結果可以直接進入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或

15、通過網(wǎng)絡發(fā)送。測量完后還可打印，顯示所需的報表或曲線，這些都使得儀器的可操作性大大提高。（復用性強，系統(tǒng)費用低。應用虛擬儀器思想，用相同的基本硬件可構造多種不同功能的測試分析儀器，如同一個高速數(shù)字采樣器，可設計出數(shù)字示波器、邏輯分析儀、計數(shù)器等多種儀器。這樣形成的測試儀器系統(tǒng)功能更靈活、系統(tǒng)費用更低。通過與計算機網(wǎng)絡連接，還可實現(xiàn)虛擬儀器的分布式共享，更好地發(fā)揮儀器的使用價值。山東理工大學機械學院緒 論應用舉例一、工業(yè)測控一、工業(yè)測控二、時序分析二、時序分析三、系統(tǒng)仿真三、系統(tǒng)仿真四、遠程測量四、遠程測量山東理工大學機械學院緒 論化工生產(chǎn)流量測控化工生產(chǎn)流量測控 山東理工大學機械學院緒 論濾波

16、器頻響分析濾波器頻響分析山東理工大學機械學院緒 論汽車引擎汽車引擎震動分析震動分析山東理工大學機械學院緒 論馬路路燈照度模擬馬路路燈照度模擬山東理工大學機械學院緒 論虛擬儀器的主要特點有 盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件； 可充分發(fā)揮計算機的能力，有強大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強的儀器； 用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。 虛擬儀器實際上是一個按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。虛擬儀器的研究中涉及的基礎理論主要有計算機數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號處理。目前在這一領域內，使用較為廣泛的計算機語言是美國NI公司的LabVIEW。山東理工大學機械學院緒 論二 LabVIEW簡單介

17、紹LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）是美國國家儀器公司（）是美國國家儀器公司（National Instruments，NI）開發(fā)的一種圖形化的編程語言。）開發(fā)的一種圖形化的編程語言。圖形化的程序語言，又稱為圖形化的程序語言，又稱為“”語言。使用這種語言。使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖。它盡可能利用了技術人員、科學家、工程流程圖。它盡可能利用了技術人員、科學家、工程師所熟悉的術語、圖標和概念，使編程簡單直觀。師所熟悉的術語、圖標和概念，使編程簡單直觀。山東理

18、工大學機械學院緒 論用LabVIEW做的示波器，與真實的示波器有著相同的功能 山東理工大學機械學院緒 論第五節(jié)第五節(jié) 測試技術研究的主要內容測試技術研究的主要內容緒論緒論第一章第一章 信號描述信號描述第二章第二章 測試系統(tǒng)的基本特性測試系統(tǒng)的基本特性第三章第三章 常用傳感器技術常用傳感器技術第四章第四章 信號的調理與記錄信號的調理與記錄第五章第五章 信號分析與處理信號分析與處理山東理工大學機械學院緒 論課程性質課程性質：“機械工程測試技術機械工程測試技術”是一門技術基礎課是一門技術基礎課。學完本課程后應具有以下幾方面的知識學完本課程后應具有以下幾方面的知識：掌握信號的時域及頻域的描述方法，建立

19、明確的信號的頻譜結構的掌握信號的時域及頻域的描述方法，建立明確的信號的頻譜結構的 概念；概念；掌握頻譜分析和相關分析的基本原理和方法；掌握頻譜分析和相關分析的基本原理和方法；掌握數(shù)字信號分析中的一些基本概念。掌握數(shù)字信號分析中的一些基本概念。掌握測試裝置基本特性的評定方法。包括測試裝置傳遞特性的時掌握測試裝置基本特性的評定方法。包括測試裝置傳遞特性的時 域、頻域描述，脈沖響應函數(shù)和頻率響應函數(shù)，一階、二階系統(tǒng)的域、頻域描述，脈沖響應函數(shù)和頻率響應函數(shù)，一階、二階系統(tǒng)的動態(tài)特性及其參數(shù)的測量方法和不失真的測試條件。動態(tài)特性及其參數(shù)的測量方法和不失真的測試條件。掌握常用傳感器原理、結構及性能參數(shù)以及傳感器的典型應用。掌握常用傳感器原理、結構及性能參數(shù)以及傳感器的典型應用。掌握電橋電路、信號調制與解調、信號的濾波。掌握電橋電路、信號調制與解調、信號的濾波。了解信號的模了解信號的模/數(shù)和數(shù)數(shù)和數(shù)/模轉換。模轉換。了解常用顯示與記錄儀器的工作原理及結構，它們的動態(tài)性能及應了解常用顯示與記錄儀器的工作原理及結構，它們的動態(tài)性能及應 用。用。了解虛擬儀器的基本構成。了解虛擬儀器的基本構成。