機械工程測試技術(shù)-緒論-課件

機械工程測試技術(shù)TheMechanicalEngineeringMeasurementTechniques機械工程測試技術(shù)TheMechanicalEnginee緒論緒論緒論測試技術(shù)的重要性測試過程和測試系統(tǒng)的一般組成測試技術(shù)的發(fā)展及趨勢機械工程測試技術(shù)的研究對象和性質(zhì)第一節(jié)：測試技術(shù)概況緒論測試技術(shù)的重要性第一節(jié)：測試技術(shù)概況一、測試技術(shù)的重要性測試

測定、檢查、試驗、測驗、考試、專業(yè)測試

測試技術(shù)：包括測量(Measurement)和試驗(Test),凡需要考察事物的狀態(tài)、變化和特征，并要對其進行定量描述時，都離不開測試。

一、測試技術(shù)的重要性測試

1.測試技術(shù)是信息技術(shù)的三大支柱(測試控制（傳感器技術(shù)）、計算技術(shù)、通訊技術(shù)）重要組成部分。

2.測試技術(shù)是國民經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的一項不可缺少的重要基礎(chǔ)技術(shù),是經(jīng)濟高度發(fā)展和科技現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一。

一、測試技術(shù)的重要性一、測試技術(shù)的重要性具體表現(xiàn)在：

⑴日常生活：

市場交易中的重量稱量、容積的測量；

⑵醫(yī)療衛(wèi)生：

體溫、心律、呼吸、血壓、B超、CT等；

⑶環(huán)保：

噪聲、污水、空氣監(jiān)測、振動測量；

具體表現(xiàn)在：⑷工業(yè)生產(chǎn)：

工件尺寸、工件有無、無損檢測、工況監(jiān)視、機器人視覺、觸覺等；

柔性制造系統(tǒng)FMS

（FlexibleManufacturingSystem）

計算機集成制造系統(tǒng)CIMS

（ComputerIntegratedManufacturingSystem）利用各種檢測手段實現(xiàn)對倉庫系統(tǒng)、物料系統(tǒng)、機床運行狀態(tài)及機器人活動空間的有效監(jiān)測。⑷工業(yè)生產(chǎn)：⑸國防部門及航空、航天：

主戰(zhàn)坦克軍用機器人航天飛機紅外遙感、衛(wèi)星偵察火箭飛行姿態(tài)的檢測⑸國防部門及航空、航天：二、測試過程和測試系統(tǒng)的一般組成

測試的任務(wù)是獲取有用信息，而信息蘊含在信號之中，這些信號可能是：電信號、光信號、力信號等，其中電信號在變換、處理、傳輸、貯存等方面有明顯優(yōu)點，是目前應(yīng)用最廣的信號，各種非電量信號一般都轉(zhuǎn)變成電信號加以傳輸、處理。二、測試過程和測試系統(tǒng)的一般組成測試

1.測試過程

以適當(dāng)?shù)姆绞郊畋粶y對象、信號的檢測和轉(zhuǎn)換、信號的調(diào)理、分析與處理、顯示與記錄，以及必要時以電量形式輸出測量結(jié)果。1.測試過程2.系統(tǒng)組成⑴激勵裝置:

用于產(chǎn)生既能充分表征有關(guān)信息又便于檢測的信號;⑵傳感器：

直接作用與被測量，并按一定規(guī)律將被測量轉(zhuǎn)換成電信號。2.系統(tǒng)組成⑶信號調(diào)理：

將信號轉(zhuǎn)換成適合傳輸和處理的形式；⑷信號處理：

進行各種運算、濾波、分析；⑸顯示記錄：

顯示測量結(jié)果及貯存測量結(jié)果。⑶信號調(diào)理：uo/VtE0.3脈沖信號碼盤光電對管F/V轉(zhuǎn)換電路顯示裝置轉(zhuǎn)速n整形電路脈沖信號電壓信號波形不適當(dāng)整形激勵裝置傳感器信號調(diào)理信號處理顯示記錄uo/VtE0.3脈沖信號碼盤光電對管F/V顯示裝置轉(zhuǎn)速n三、測試技術(shù)的發(fā)展趨勢

測試技術(shù)與其它科學(xué)技術(shù)的發(fā)展起著相互促進的作用，且不斷吸取其它領(lǐng)域（物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、材料科學(xué)、微電子學(xué)、計算機科學(xué)等）的新成就。三、測試技術(shù)的發(fā)展趨勢測試技術(shù)與其它幾個研究方向：

⑴電路設(shè)計的改進

采用運算放大器和集成電路，簡化了系統(tǒng)，提高了性能；

⑵新型傳感器

①物性型傳感器依靠敏感材料本身的物性隨被測量的變化來實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換。

幾個研究方向：

新材料：半導(dǎo)體、陶瓷、光導(dǎo)纖維、磁性材料、形狀記憶合金。②集成計算技術(shù)、通訊技術(shù)的智能化傳感器（物聯(lián)網(wǎng)）③化學(xué)傳感器氣體、溫度、粒子、生化；⑶廣泛應(yīng)用信息技術(shù)

計算機技術(shù)、信息處理技術(shù)；⑷多參量測量系統(tǒng)的開發(fā)

實現(xiàn)多自變量函數(shù)的測量；新材料：半導(dǎo)體、陶瓷、光導(dǎo)纖維、磁性材測試技術(shù)研究前沿領(lǐng)域：智能感知器

感知器包括“感覺”和“理解”兩個過程，是指機器人感覺環(huán)境信息與理解環(huán)境信息的過程。

傳感器本體；獲取信息的壓縮及融合；獲取信息的處理，既如何獲取環(huán)境知識。測試技術(shù)研究前沿領(lǐng)域：智能感知器機械工程測試技術(shù)-緒論-課件美國國家實驗室OAKRidge的CESAREmperor機器人系統(tǒng)美國國家實驗室OAKRidge的CESAREmperor機械工程測試技術(shù)-緒論-課件四、課程研究對象及性質(zhì)1.課程研究對象

機械工程動態(tài)測試中常用的傳感器、信號調(diào)理電路及記錄儀器的工作原理、測量裝置基本特性的評價方法，測試信號的分析和處理，以及常見物理量的測量方法。

2.課程性質(zhì)

技術(shù)基礎(chǔ)課四、課程研究對象及性質(zhì)1.課程研究對象3.課程要求

⑴掌握信號的時域和頻域描述方法，建立明確的頻譜結(jié)構(gòu)概念，掌握頻譜分析、相關(guān)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；⑵掌握測試裝置基本特性的評價方法和不失真測試條件，并能正確應(yīng)用于測試裝置的分析與選擇；

激勵裝置傳感器信號調(diào)理信號處理顯示記錄3.課程要求激勵裝置傳感器信號調(diào)理信號處理顯示記錄

⑶了解常用傳感器，常用信號調(diào)理電路和記錄器的工作原理和性能，并能合理加以應(yīng)用；

⑷對動態(tài)測試工作的基本問題有一個比較完整的概念。⑶了解常用傳感器，常用信號調(diào)理電路和第二節(jié)：測量的基礎(chǔ)知識第二節(jié)：測量的基礎(chǔ)知識緒論量、量綱與單位測量、計量、測試基準(zhǔn)與標(biāo)準(zhǔn)量值的傳遞和計量器具檢定測量方法、測量裝置測量誤差、測量精度和不確定性測量器具的誤差測量過程與結(jié)果表達(dá)第二節(jié)：測量的基礎(chǔ)知識緒論量、量綱與單位第二節(jié)：測量的基礎(chǔ)知識1.量與量綱量值：數(shù)值+計量單位基本量：長度、質(zhì)量、時間、溫度、電流、發(fā)光強度、物質(zhì)的量。導(dǎo)出量量綱和量的單位

2.法制計量單位基本單位：米、千克、秒、開爾文、安培、坎德拉、摩爾輔助單位：弧度、球面度導(dǎo)出量：1.量與量綱3.測量、計量、測試測量：以確定被測對象的量值為目的而進行的試驗過程。計量：實現(xiàn)單位統(tǒng)一和量值準(zhǔn)確的測量。測試：具有試驗性質(zhì)的測量。測量四要素：被測對象、計量單位、測量方法、測量誤差

4.基準(zhǔn)與標(biāo)準(zhǔn)為了保證量值的統(tǒng)一和準(zhǔn)確，必須有保存、復(fù)現(xiàn)和傳遞單位的一套制度和設(shè)備，基準(zhǔn)就是保存、復(fù)現(xiàn)計量單位的記錄器具。計量標(biāo)準(zhǔn)是用于檢定工作計量器具的計量器具。3.測量、計量、測試5.量值傳遞與計量器具檢定量值傳遞：計量單位值由國家基準(zhǔn)到工作計量器具的傳遞過程。計量器具檢定：判斷工作計量器具特性是否符合法定要求。

6.測量方法直接測量間接測量組合測量5.量值傳遞與計量器具檢定7.測量裝置：為了確定被測量值所必須的器具和輔助設(shè)備的總體。傳感器變換器檢測器準(zhǔn)確度等級標(biāo)稱范圍量程測量范圍漂移 7.測量裝置：為了確定被測量值所必須的器具和輔助設(shè)備的總體。8.測量誤差任何測量結(jié)果都有誤差！

測量中總會存在誤差。產(chǎn)生測量誤差的原因很多，概括起來有下列三個方面：（一）儀器的原因

（二）人的原因

（三）外界環(huán)境的影響

8.測量誤差任何測量結(jié)果都有誤差！測量中總會存在誤差。產(chǎn)生8.測量誤差誤差定義：測量結(jié)果與被測值真值之差即為測量誤差真值：待測量客觀存在的值，不能確切獲取，是一個理想的概念。測量誤差=測量結(jié)果-真值誤差分類：系統(tǒng)誤差：具有恒定性，可用特殊方法消除或減小隨機誤差：具有隨機性，可通過多次測量來減小粗大誤差系統(tǒng)誤差來源:①儀器固有缺陷;②實驗理論近似或方法不完善；③實驗環(huán)境、測量條件不合要求；④操作者生理或心理因素。8.測量誤差系統(tǒng)誤差來源:①儀器固有缺陷;②實驗理論誤差表示方法：絕對誤差與相對誤差8.測量誤差絕對誤差：真值測量值相對誤差:絕對誤差：1.0182544V±7.8μV相對誤差：真值誤差誤差表示方法：8.測量誤差絕對誤差：真值測量值相對誤差:絕對誤差表示方法：8.測量誤差引用誤差=絕對誤差/引用值分貝誤差=20lg（測量結(jié)果/真值）引用誤差用于表示計量器具特性，引用值一般為儀器量程。引用誤差與儀器精度等級相關(guān)，如精度等級為0.2級的電表，其引用誤差為0.2%。分貝誤差適用于精度要求高，誤差分布大的場合。誤差表示方法：8.測量誤差引用誤差=絕對誤差/引用值分貝誤差8.測量誤差例題：1）為什么在選用電表時，不但要考慮它的準(zhǔn)確度還要考慮它的量程？2）為什么在用電表時應(yīng)盡可能地在電表量程上限的2/3以上使用？3）用量程150V的精度0.5級的電壓表和量程為30V精度1.5級電表分布測量25V電壓，哪一個準(zhǔn)確度更高？8.測量誤差例題：9、測量的精密度、準(zhǔn)確度、精確度精密度。表示重復(fù)測量所得數(shù)據(jù)的相互接近程度（離散程度）。正確度，表示測量數(shù)據(jù)的平均值與真值的接近程度。精確度(準(zhǔn)確度)。是對測量數(shù)據(jù)的精密度和準(zhǔn)確度的綜合評定。9、測量的精密度、準(zhǔn)確度、精確度精密度。表示重復(fù)測量所得數(shù)據(jù)

以打靶為例來比較說明精密度、正確度、精確度三者之間的關(guān)系。圖中靶心為射擊目標(biāo)，相當(dāng)于真值，每次測量相當(dāng)于一次射擊。（a）正確度高、（b）精密度高、（c）精密度、正確精密度低正確度低度均高

以打靶為例來比較說明精密度、正確度、精確度三者之間的關(guān)系。10.測量器具的誤差測量儀器的示值誤差基本誤差（固有誤差）允許誤差測量器具準(zhǔn)確度測量器具的重復(fù)性和重復(fù)性誤差回程誤差誤差曲線校驗曲線 10.測量器具的誤差隨機誤差處理：

大量的隨機誤差服從正態(tài)分布規(guī)律

0正態(tài)分布11.測量結(jié)果的表達(dá)每次測量都包含一個誤差，這些誤差必定包含多個分量，其中包含隨機誤差，只有通過多次測量才能獲得實驗數(shù)據(jù)和誤差的統(tǒng)計特性。隨機誤差處理：大量的隨機誤差服從正態(tài)分布規(guī)律0正態(tài)分隨機誤差估算—標(biāo)準(zhǔn)偏差誤差：偏差：標(biāo)準(zhǔn)誤差標(biāo)準(zhǔn)偏差：11.測量結(jié)果的表達(dá)隨機誤差估算—標(biāo)準(zhǔn)偏差誤差：偏差：標(biāo)準(zhǔn)誤差標(biāo)準(zhǔn)偏差：11.測的物理意義:作任一次測量，隨機誤差落在區(qū)間的概率為。小，小誤差占優(yōu)，數(shù)據(jù)集中，重復(fù)性好。大，數(shù)據(jù)分散，隨機誤差大，重復(fù)性差。11.測量結(jié)果的表達(dá)的物理意義:作任一次測量，隨機誤差落在區(qū)間的測量結(jié)果最佳值—算術(shù)平均值算術(shù)平均值是真值的最佳估計值多次測量求平均值可以減小隨機誤差11.測量結(jié)果的表達(dá)測量結(jié)果最佳值—算術(shù)平均值算術(shù)平均值是真值的最佳估計值多次測量結(jié)果的表達(dá)：極限誤差表達(dá)方式

11.測量結(jié)果的表達(dá)是極限誤差，其定義為誤差不應(yīng)該超過此界限，但是從概率學(xué)正態(tài)分布的角度，任何界限都有被突破的概率，因此，此方法不合理，已被淘汰。測量結(jié)果的表達(dá)：極限誤差表達(dá)方式 11.測量結(jié)果的表達(dá)是極樣本平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差的估計值11.測量結(jié)果的表達(dá)測量結(jié)果的表達(dá)：基于置信概率的表示方式

原理：如果測量值服從正態(tài)分布，且總體平均值和總體標(biāo)準(zhǔn)偏差未知，則隨機變量服從自由度為n-1的t分布。設(shè)事件的概率為，則置信概率樣本平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差的估計值11.測量結(jié)果的表達(dá)測量結(jié)果的表11.測量結(jié)果的表達(dá)例題：對某量進行8次測量，測得值分別為：802.40，802.50，802.38，802.48，802.42，802.46，802.45，802.43，要求置信概率為0.95，表達(dá)其測量結(jié)果。解答：

所以測量結(jié)果=802.44±0.03374置信概率為0.9511.測量結(jié)果的表達(dá)例題：對某量進行8次測量，測得值分別為：11.測量結(jié)果的表達(dá)-測量過程測量結(jié)果的表達(dá)：基于不確定度的表示方式

為不確定度

不確定度：被測量的真值所處的量值范圍作一估計，亦即由于測量誤差存在而對被測量值不能肯定的程度。11.測量結(jié)果的表達(dá)-測量過程測量結(jié)果的表達(dá)：基于不確定度的11.測量結(jié)果的表達(dá)-測量過程測量結(jié)果的表達(dá)：基于不確定度的表示方式

在直接測量情況下，不確定度可以用樣本偏差估計值來簡化估算，即：11.測量結(jié)果的表達(dá)-測量過程測量結(jié)果的表達(dá)：基于不確定度的11.測量結(jié)果的表達(dá)-測量過程測量結(jié)果的表達(dá)：基于不確定度的表示方式

根據(jù)國家計量局關(guān)于實驗不確定度的規(guī)定，不確定度一般分為若干個分類，歸并為A類和B類分量。A類分量：多次測量用統(tǒng)計方法評定的分量置信概率為：11.測量結(jié)果的表達(dá)-測量過程測量結(jié)果的表達(dá)：基于不確定度的1、基于儀器精確度等級的估計法

B類分量：用其它非統(tǒng)計方法評定的分量11.測量結(jié)果的表達(dá)-測量過程測量結(jié)果的表達(dá)：基于不確定度的表示方式

1、基于儀器精確度等級的估計法B類分量：用其它非統(tǒng)計方①.根據(jù)說明書②.由儀器的精度等級來計算舉例:2、基于儀器精確度等級計算

①.根據(jù)說明書②.由儀器的精度等級來計算舉例:2、基于儀器精機械工程測試技術(shù)-緒論-課件機械工程測試技術(shù)-緒論-課件②.未給出儀器誤差時估計:連續(xù)可讀儀器:非連續(xù)可讀儀器:最小分度/2最小分度取末位±1數(shù)字式的儀器:舉例:②.未給出儀器誤差時估計:連續(xù)可讀儀器:非連續(xù)可讀儀器:最小機械工程測試技術(shù)-緒論-課件數(shù)字秒表:最小分度=0.01sC.未給出儀器誤差時非連續(xù)可讀儀器數(shù)字秒表:最小分度=0.01sC.未給出儀器誤差時非連續(xù)可讀總不確定度：由A類分量和B類分量按“方、和、根”方法合成

11.測量結(jié)果的表達(dá)測量結(jié)果的表達(dá)：基于不確定度的表示方式

總不確定度：由A類分量和B類分量按“方、和、根”方法合成1對于服從正態(tài)分布的隨機誤差，出現(xiàn)在±S區(qū)間內(nèi)概率為68.3%，與此相仿，同樣可以計算，在相同條件下對某一物理量進行多次測量，其任意一次測量值的誤差落在-3S到+3S區(qū)域之間的可能性（概率）。其值為拉依達(dá)判據(jù)11.測量結(jié)果的表達(dá)-測量過程1）錯誤數(shù)據(jù)的剔除消除系統(tǒng)誤差>正態(tài)性檢驗>剔除粗大誤差對于服從正態(tài)分布的隨機誤差，出現(xiàn)在±S區(qū)間內(nèi)概率為68.3%1）錯誤數(shù)據(jù)的剔除

如果用測量列的算術(shù)平均替代真值，則測量列中約有99.7%的數(shù)據(jù)應(yīng)落在區(qū)間內(nèi)，如果有數(shù)據(jù)出現(xiàn)在此區(qū)間之外，則我們可以認(rèn)為它是錯誤數(shù)據(jù)，這時我們應(yīng)把它舍去，這樣以標(biāo)準(zhǔn)偏差Sx的3倍為界去決定數(shù)據(jù)的取舍就成為一個剔除壞數(shù)據(jù)的準(zhǔn)則，稱為拉依達(dá)準(zhǔn)則。但要注意的是數(shù)據(jù)少于10個時此準(zhǔn)則無效。11.測量結(jié)果的表達(dá)-測量過程如果用測量列的算術(shù)平均替代真值，則測量列中約有99.7%的數(shù)1）錯誤數(shù)據(jù)的剔除

對于服從正態(tài)分布的測量結(jié)果，其偏差出現(xiàn)在±3S附近的概率已經(jīng)很小，如果測量次數(shù)不多，偏差超過±3S幾乎不可能，因而，用拉依達(dá)判據(jù)剔除疏失誤差時，往往有些疏失誤差剔除不掉。另外，僅僅根據(jù)少量的測量值來計算S，這本身就存在不小的誤差。因此當(dāng)測量次數(shù)不多時，不宜用拉依達(dá)判據(jù)，但可以用肖維勒準(zhǔn)則。按此判據(jù)給出一個數(shù)據(jù)個數(shù)n相聯(lián)系的系數(shù)Gn，當(dāng)已知數(shù)據(jù)個數(shù)n，算術(shù)平均值和測量列標(biāo)準(zhǔn)偏差S，則可以保留的測量值xi的范圍為肖維勒準(zhǔn)則11.測量結(jié)果的表達(dá)-測量過程對于服從正態(tài)分布的測量結(jié)果，其偏差出現(xiàn)在±3S附近的概率已經(jīng)Gn系數(shù)表

n

Gn

n

Gn

n

Gn

3

1.38

11

2.00

25

2.33

4

1.54

12

2.03

30

2.39

5

1.65

13

2.07

40

2.49

6

1.73

14

2.10

50

2.58

7

1.80

15

2.13

100

2.80

8

1.86

16

2.15

9

1.92

18

2.20

10

1.96

20

2.2411.測量結(jié)果的表達(dá)-測量過程Gn系數(shù)表nGnnGn2）不確定度的基本概念

被測量的真值所處的量值范圍作一評定測量結(jié)果：mm(P=0.68)真值以68%的概率落在區(qū)間內(nèi)測量值X和不確定度單位置信度11.測量結(jié)果的表達(dá)-測量過程被測量的真值所處的量值范圍作一評定測量結(jié)果：mm(P=0.3）結(jié)果表達(dá)方式

單次多次11.測量結(jié)果的表達(dá)-測量過程單次多次11.測量結(jié)果的表達(dá)-測量過程4）測量過程總結(jié)

1、修正可定系統(tǒng)誤差多次測量估算步驟

對等精度測量列運算如下2、計算11.測量結(jié)果的表達(dá)-測量過程1、修正可定系統(tǒng)誤差多次測量估算步驟對等精度測量列4、按肖維勒準(zhǔn)則剔除異常值后，重復(fù)步驟2、3，直到無異常值。5、計算3、計算6、計算4、按肖維勒準(zhǔn)則剔除異常值后，重復(fù)步驟2、3，直到無異常值。8、最終結(jié)果：7、計算總不確定度（單位）8、最終結(jié)果：7、計算總不確定度（單位）試驗數(shù)據(jù)處理方法-列表法

表1.不同溫度下的金屬電阻值n1234567t(C)10.526.038.351.062.875.585.7R(

)10.42310.89211.20111.58612.02512.34412.670物理量的名稱(符號)和單位有效數(shù)字正確11.測量結(jié)果的表達(dá)-數(shù)據(jù)的處理表1.不同溫度下的金屬電阻值n1234567t(C試驗數(shù)據(jù)處理方法-作圖及圖解法

注意:[1]根據(jù)數(shù)據(jù)的分布范圍，合理選擇單位長度及坐標(biāo)軸始末端的數(shù)值，并以有效數(shù)字的形式標(biāo)出。[2]將實驗點的位置用符號X或等標(biāo)在圖上，用鉛筆連成光滑曲線或一條直線，并標(biāo)出曲線的名稱。11.測量結(jié)果的表達(dá)-測量過程注意:[1]根據(jù)數(shù)據(jù)的分布范圍，合理選擇單位長度及坐標(biāo)軸始末試驗數(shù)據(jù)處理方法-作圖及圖解法

[3]線性關(guān)系數(shù)據(jù)求直線的斜率時,應(yīng)在直線上選相距較遠(yuǎn)的兩新點A.B標(biāo)明位置及坐標(biāo)A(X1Y1),B(X2Y2)由此求得斜率。

作圖法特點:

簡單明了。缺點:有一定任意性（人為因素），故不能求不確定度。非線性關(guān)系數(shù)據(jù)可進行曲線改直后再處理11.測量結(jié)果的表達(dá)-測量過程[3]線性關(guān)系數(shù)據(jù)求直線的斜率時,應(yīng)在直線上選相距較遠(yuǎn)的兩新因變量自變量標(biāo)度起點終點因變量自變量標(biāo)度起點終點(4)描點+++++++(5)連線(6)注解說明(