工程测试技术的重要性及应用范围

人类对客观世界的认识和改造活动，总是以测试工作为基础的。工程测试技术，就是利用现代测试手段对工程中的各种物理信号，特别是随时间变化的动态物理信号进行检测、试验、分析，并从中提取有用信息的一门新兴技术。其测量和分析的结果客观地描述了研究对象的状态、变化和特征，并为进一步改造和控制研究对象提供了可靠的依据。随着各相关学科的不断发展，测试理论在不断地发展，测试方法和手段也在不断地完善和提高，新的测试仪器和设备也在不断地研制和更新。测试技术达到的水平越高，就越能客观、准确地描述所研究的对象，对科学技术发展的推动作用也就越大。

（一）测试技术在现代工业生产中的作用

在各工业生产部门中，测试技术都是一项重要的基础技术，其作用是其他技术所不能替代的。

在早期工业生产中，由于生产效率低，自动化程度低，设备精度和加工精度要求低，因此对测试工作没有过高的要求，往往只是孤立地测量一些与时间无关的静态量。其测量方法、测量工具以及数据处理方法等都很简单。在现代工业生产中，随着生产效率、自动化程度、设备精度和加工精度要求的不断提高，随着各种机电一体化新产品、新设备的不断开发，提出了自动检测、自动控制、过程测量、状态监测和动态试验等方面的迫切要求，从而使现代测试技术得到了迅速发展和愈来愈广泛的应用。

在自动化生产过程中，对工艺流程、产品质量和设备运行状态的监测和控制是测试技术的重要应用之一。利用现代测试技术，可以实时检测生产过程中变化的工艺参数和产品质量指标，并据此对整个自动生产线进行调节和控制，使其达到最佳运行状态，生产出合格产品。例如，在图0-1所示的由计算机控制的自动化轧钢系统中，需要根据轧制力和板材厚度信息来调整轧辊的位置，以保证板材的轧制尺寸。由于轧制速度很高，采用传统的间断测量和手工控制方法已经不行了，必须采用连续测量方法（板厚测量还须采用非接触测量方式）。同时，测量的结果要转换成电信号送入到通信系统中进行处理，以便计算机能进行分析、计算并发出控制指令。在其他类似的计算机过程控制系统中，首先要解决的问题也是利用现代测试技术对物理信号进行检测与转换。

图0-1 自动化轧钢系统

各种自动化机电设备在运行过程中都会受到力、热、摩擦和磨损等多种因素的影响，工作状态将不断地发生变化，有时还会出现故障。为了保证设备的正常工作，要求随时进行设备状态的监测，并对故障3进行诊断，为此，需要用到许多现代测试手段。图0-2是某机床工作状态监测情况示意图。

图0-2 某机床工作状态监测系统

1—用电感式位移计测主轴系统热变形；2—用热电偶测主轴系统温升；3—用电容式拾音器测躁声；4—用电阻应变式传感器测切削力；5—用压电式加速度计测振动

随着各种机电产品的精度要求和工作性能的提高，产品设计方法正在从传统的静态设计方法向考虑了动态参数的设计方法转变。因此，在产品的设计和试制过程中，需要进行动态特性试验，以达到优化设计的目的。现代测试技术是进行动态特性试验的必要手段。

目前，对传统产业的改造工作正在各行各业中深入进行。其中，电子技术和机电一体化技术的应用在这项工作中起着重要作用。而机电一体化技术发展的必要条件之一，就是不断研究和开发各种先进的测试手段、传感装置和测试设备。

总之，现代工业生产面临着新技术发展的挑战，在生产能力大幅度提高的工业文明进程中，现代测试技术无疑会发挥愈来愈重要的作用。

（二）测试工作的范围及测试系统的组成

测试技术的应用非常广泛，几乎在所有行业中都有应用。测试工作又是一项非常复杂的工作，它是多种学科知识的综合运用。特别是现代测试技术，几乎应用了所有近代新技术和新理论，如半导体技术、激光技术、光纤技术、声控技术、遥感技术、自动化技术、计算机应用技术，以及数理统计、控制论、信息论等。从广义的角度来讲，测试工作的范围涉及到试验设计、模型理论、传感器、信号加工与处理、控制工程、系统辨识、参数估计等诸学科的内容；从狭义的角度来讲，是指对物理信号的检测、变换、传输、处理直至显示、记录或以电量输出测试结果的工作。本课程主要是从狭义的角度来介绍测试工作的基本过程和基本原理。

在机械工程中，测试的量主要是一些非电的物理量，如长度、位移、速度、加速度、频率、力、力矩、温度、压力、流量、振动、噪声等。用现代测试技术测量非电量的方法主要是电测法，即将非电量先转换为电量，然后用各种电测仪表和装置乃至电子计算机对电信号进行处理和分析。在电量中，有电能量和电参量之分。如电流、电压、电场强度和电功率属于电能量；而描述电路和波形的参数，如电阻、电容、电感、电频率、相位则属于电参量。由于电参量不具有能量，在测试过程中还需要将其进一步转换为电能量。电测方法具有许多其他测量方法所不具备的优点，如测量范围广、精度高，响应速度快，能自动、连续地测量，数据的传送、存储、记录、显示方便，可以实现远距离遥测遥控；还可以与计算机系统相连接，实现快速、多功能及智能化测量。

典型电测方法的测量过程如图0-3所示。

图0-3 典型电测方法的测量过程

被测信号一般都是随时间变化的动态量，对测试过程中不随时间变化的静态量，由于其中往往混杂有动态的干扰噪声，一般也可以按动态量来测量。由于被测信号是被测对象特征信息的载体，并且信号本身的结构对选用测试装置有着重大影响，因此应当熟悉和了解各种信号的基本特征和分析方法。

传感器是测试系统的第一个环节，其主要作用是感知被测的非电量和将非电量转换为电量。传感器的种类很多，所能检测的非电量几乎无所不包。传感器的工作原理涉及到许多自然学科。从理论上讲，凡是具有确定因果关系的物理现象、化学现象、生物现象等，都能作为传感器的设计依据。

传感器输出的电信号需要经过信号调理电路进行加工、处理后，才能进一步输送到后续记录装置和分析仪器中。常见的调理方式有衰减、放大、转换、调制和解调、滤波、运算、数字化处理等。(www.xing528.com)

调理电路输出的测量结果是被测信号的真实记录，为了显示被测量的变化过程，可以采用光线示波器、笔录仪、屏幕显示器、打字机等输出装置。此外，还可以用磁记录器来存储被测信号，以供反复使用。至此，测试系统已完成信号检测的任务。但是，要从这些客观记录的信号中找出反映被测对象的本质规律，还必须对信号进行分析，从中提取一些有用的信息，如信号的强度信息、频谱信息、相关信息、概率密度信息等。从这个意义上来讲，信号分析是测试系统中更为重要的一个环节。

信号分析设备种类繁多，有各种专用的分析仪，如频谱分析仪、相关分析仪、概率密度分析仪、传递函数分析仪等；也有可以作多项综合分析用的信号处理机和数字信号处理系统。计算机在现代信号分析设备中起着重要的作用，目前国内外一些先进的信号处理系统，都采用了专用或通用计算机，使信号的处理速度达到了“实时”。将调理电路输出的信号直接送到信号分析设备中进行处理，称之为在线处理。由于数字电路和计算机高速处理数据的能力，使在线测试和处理已成为可能，而且在工程测试和工业控制中得到愈来愈广泛的应用。

信号分析设备可以通过数据或图像的形式输出人们感兴趣的信息。常用的输出显示装置有示波器、显示屏、打印机等。

在实际测试过程中，根据测试目的不同，测试系统可繁、可简。例如，有的被测对象还需要进行激励，使其达到测试所要求的预定状态；而有的被测物理量只需一种简单的测量仪表，即可得到测量结果。本课程基本上按照以上典型的测试过程，对各个测试环节的基本原理、基本理论和基本方法作一些分析和介绍。

（三）测试科学在现代科学中的地位

现代科学认为，物质、能量、信息是物质世界的三大支柱，是科学史上三个最重要的概念。例如，对一个自动控制系统来说，物质使其具有形体，没有物质，就不会有这个系统的存在；能量使其具有力量，没有能量，系统就不能工作；信息则使系统具有“灵魂”，没有信息，系统就不知应如何工作。物质、能量、信息是三位一体，相辅相成的，三者之中，驾驭全局的是信息。

与三大支柱相对应，现代科技形成了三大基本技术，即新材料技术、新能源技术和信息技术。信息技术是指可以扩展人的信息功能的技术，其主体内容是传感技术、通信技术和计算机技术。

传感技术是人的感官功能的扩展和延伸，包括信息的识别、检测、提取、变换等功能；通信技术是人的信息传输系统（神经系统）功能的扩展和延伸，包括信息的变换、处理、传递、存储以及某些控制和调节等功能；计算机技术是人的信息处理器官（大脑）功能的延伸，包括信息的存储、检索、处理、分析、产生决策、控制等功能。传感、通信和计算机技术构成了信息技术的核心，被称为“3C”技术，即Collection（信息收集）、Communication（通信）和Computer（计算机）。测试科学就是研究信息技术中的普遍规律，因此属于信息科学范畴。在科学研究中，现代测试技术具有自己独特的地位。

（四）本课程的特点和学习要求

本课程是一门专业基础课程，研究对象主要是机电工程中动态物理量的测试原理、方法及常用的测试装置。本课程涉及的知识面较宽，在学习本课程之前，应具有物理学、工程数学（概率论与随机过程、复变函数、积分变换）、电子学、微机原理、控制工程基础等学科的知识，以及某些相关的专业课知识。

通过本课程的学习，学生应掌握动态测试技术的基本知识，对动态量的测试过程应有一个完整的概念，为今后深层次的学习打下基础。本课程要掌握的要点如下：

（1）了解测试技术在现代工业生产、技术改造以及新产品研究开发中的重要作用；测试科学与信息科学的关系；非电量电测方法的典型测量过程。

（2）掌握信号的分类及其在时域和频域内的描述方法，建立明确的信号频谱概念；掌握信号的时域分析、相关分析和功率谱分析方法。

（3）掌握测试装置的静、动态特性的评价方法和不失真的测试条件；低阶系统动态特性的测定。

（4）了解常用传感器的工作原理、基本特性、使用范围；传感器的选用原则。

（5）掌握常用信号调理方法的原理及应用；了解数字信号分析、处理的基本概念。

（6）了解常用记录装置的工作原理及应用。

（7）通过对机电工程中常见参量测试方法的介绍，初步了解测试技术在工程中的应用。

本课程同时具有很强的实践性，应加强实验环节，培养学生独立进行科学实验的能力；学生在学习过程中应联系实际，注意了解本课程知识在其他专业课程和专业基础课程中的应用情况。