课程类别：专业教育课程             课程名称：工程测试技术

开课单位：机械工程学院             课程编号：B03020504            

总学时：40                       学    分：2  

适用专业：过程装备与控制工程                                            

先修课程：大学物理、电子技术、电工技术、材料力学

一、课程在教学计划中地位和作用

《工程测试技术》是机械大类专业的一门必修课程，是过程装备与控制工程专业本科生的一门重要专业教育课程。

本课程主要介绍机械工程与过程工业领域中各类动态物理信号的测量原理和方法、测试系统、测试数据的处理和分析方法，包括机械工程与过程工业动态测试中常用的传感器、调理电路、数据采集与传输显示等环节，既涉及测试、信号传输和处理等理论，又包括各类物理量的测试的应用环节，是一门理论与实践并重的课程。过程装备与控制工程专业教学计划中主要包含两大块内容：装备设计类课程和工业控制类课程。装备设计要求满足性能和质量要求，工程测试技术为所设计的装备提供性能测试手段和性能数据，进一步为装备的质量可靠性提供技术依据。工业4.0和中国制造2025提出装备制造业智能化的发展要求，智能化离不开传感器和测试数据作为基础，本门课程的开设顺应了新工科发展的潮流。

工程测试技术是集机械、电子、信息及控制等为一体的综合性交叉学科，通过本课程的学习，学生可以掌握工程测试的基本概念和方法，了解信号分析的基础知识，对传感器原理有较深的认识与理解，并熟悉常用传感器的工作原理和使用方法，为后续课程的学习奠定基础，以适应目前工业4.0时代的需求。

二、课程目标

通过本课程的理论和实验教学使学生具备下列能力：

1. 能够运用力学、热学、光学、机械等原理，提出过程工业中复杂工程测试问题的解决方案、设计满足特定需求的测试或测控系统，具有设计和构建测试系统的能力。

2. 能够数学、力学和本门课程所涉及的信号处理基本理论，对过程工业与机械领域的复杂工程测试和分析问题进行研究，具有设计实验、分析和解释数据的能力、并通过对测试信号的分析处理与综合，获得合理有效的结论。

3. 通过对系统静动态特性的学习，能够正确选用传感器和测试系统实现不失真测试，能够对测试系统的测试精度和可靠性进行合理评价和误差估计，具有熟练使用各种传感器、数据采集系统、数据处理软件的能力。

4. 能够实现特定环境下温度、流量、压力、转速、应变、转矩、振动、噪声测试系统的组建、测试数据的分析和误差估计。

三、课程内容及基本要求

    绪论 

本章讲授要点：

1．工程测试技术中涉及到的概念、测试技术的内涵；

2．测试技术在机械工程、工业自动化、环境监测、办公室自动化等领域的应用情况；

3．工程测试技术的作用、地位和发展趋势；

4．本门课程的主要内容、要求等。

要求：了解测试技术的发展趋势和在工程中的应用情况、目前传感器和数据采集系统的生产企业、测试系统和传感器能够达到的测试精度，工程中需要测试的物理量和各种物理量的常用测试方法，常用测试系统的组成。

本章重点：测试系统的组成。

本章难点：信号与信息、测量与测试的关系及区别。

第一章 信号分析基础

本章讲授要点：

1．信号的分类与描述；

2．周期信号的傅里叶级数与非周期信号的傅里叶变换、信号频谱的概念；

3．傅里叶变换的性质和应用、典型信号的傅里叶变换；

4．随机信号概述、随机信号的相关分析和功率谱密度分析；

5．MATLAB在信号分析中的应用。

要求：了解信号分类的基本方法、信号时域描述和频域描述方法。掌握周期信号频谱的基本特点、周期信号描述强度的参数。能够进行典型周期信号的傅里叶级数计算，例如正、余弦信号、周期脉冲序列、周期方波等。掌握傅里叶变换的线性叠加性、尺度变换特性、时移和频移特性、卷积特性，能够利用傅里叶变换的性质快速计算典型信号的傅里叶变换并画出频谱图。了解随机信号的主要特征参数：均值、均方根值、概率密度函数、相关函数和功率谱密度函数。                

本章重点：信号的傅里叶变换及其主要性质、利用傅里叶变换的性质快速求解。

本章难点：信号频谱的概念、信号时频域变换基本原理、傅里叶变换的卷积特性。

第二章 测试系统特性

本章讲授要点：

1．测试系统的静态特性参数：灵敏度、线性度和回程误差等；

2．测试系统的动态特性：传递函数、频率响应函数、脉冲响应函数等；

3．测试系统的响应与实现不失真测试的条件；

4．测试系统静动态特性参数的测试。

要求：掌握定常线性系统的概念和性质，了解测试系统各种静态特性指标的意义及评价方法；掌握一、二阶系统的静动态特性的频域描述及测定方法；掌握传递函数、频率响应函数和脉冲响应函数的概念；掌握测试装置不失真测试的时域、频域条件，能够根据测试要求和测试系统的特性参数正确选用和使用测试装置；了解测试装置对任意激励的响应，能够根据系统特性计算出测试系统在给定激励信号下时域响应的理论解；掌握一阶系统时间常数和二阶系统固有频率与阻尼比的频域测定方法。

本章重点：二阶系统的动态特性、实现不失真测试的条件、测试装置对周期激励的响应计算。

本章难点：如何应用动态响应特性曲线来分析测试系统实现不失真测试的条件；对传递函数、频率响应函数和脉冲响应函数内涵的理解和实际工程测试中的应用；测试系统响应问题在时域、频域与复频域之间的相互转换、测试系统响应与测试结果的关系。

第三章 传感器原理

本章讲授要点：

1．传感器的概念、构成、分类等；

2．参量型传感器测试原理，包括电阻式传感器、电容式传感器和电感式传感器的工作和测试原理；

3．发电型传感器测试原理，包括磁电式传感器、压电式传感器、磁敏传感器、热电式传感器和光电式传感器的工作和测试原理；

4．其它传感器测试原理，如：超声波传感器、红外传感器、光栅传感器、CCD传感器、激光传感器等。

要求：了解参量型和发电型两大类传感器的工作原理和测量电路，掌握各类传感器的适用范围及特点，能够正确选用传感器实现工业生产中重要物理量的不失真测试，如力、位移、温度、流量、压力等；了解传感器的发展现状和各类型传感器在工业生产中的应用情况。

本章重点：电阻式、电容式、电感式、压电式、磁电式传感器的工作与测试原理。

本章难点：如何应用不同传感器原理实现工业生产中物理量的测试、传感器如何选型。

第四章 信号调理与变换

本章讲授要点：

1．电桥；

2．调制与解调；

3．滤波器；

4．信号的数字化；

5．测试结果的不确定度和误差分析；

4．数据采集系统。

要求：了解传感器信号的放大、滤波、调制与解调等常用信号调理方法，掌握电桥、调幅与同步解调、理想滤波器原理、基本性质，参数计算。了解各种载荷下应变电桥测量的布片、接桥及相关计算。掌握信号的采样与数字化方法，信号的截断与泄漏、窗函数、采样与频率混叠、量化、采样定理；了解信号预处理的方法与信号畸变的原因与处理方法，能够分析测试结果的误差；了解目前现有的采集系统的功能与现代测试技术原理。

本章重点：电桥电路与信号变换原理、调幅与同步解调原理、采样原理与采样定理、RC滤波器。

本章难点：采样定理及其应用、电桥调幅原理、RC滤波器的响应。

第五章 测试技术的应用

本章讲授要点：

1．位移、速度与加速度测试应用，包括常用的传感器、典型的测试应用等；

2．振动测试，包括测量原理、测试系统、常用传感器及应用等；

3．噪声测试，包括噪声的测量仪器、测量方法和噪声分析评价方法，测试应用实例等；

4．温度、压力、流量、转速、转矩测试，包括常用的测量仪器、测量方法和测试应用实例等；

5．泵的测试技术，介绍典型泵在验收和使用过程中涉及到的性能试验及测试方法、泵在工作过程中的振动、噪声测试分析与评价方法；

6．压缩机的测试技术，介绍典型压缩机在验收和使用过程中涉及到的性能试验及测试方法、泵在工作过程中的振动、噪声测试分析与评价方法。

要求：通过教学实例掌握典型物理量常用的测试方法，了解典型过程流体机械泵和压缩机所涉及到的测试项目及其测试方法，能够熟练应用测试和传感器原理组建典型物理量的测试系统。

实验一  信号合成、分解、频谱分析（1学时）

实验目的：了解各种典型信号的波形及其频谱，了解信号发生、采集的测试系统，观察不同采样频率下所采集信号波形的变化情况。

主要实验内容：

1．建立由信号发生器、数据采集系统、数据分析软件组建的测试系统；

2．观察不同频率下正弦信号、方波、锯齿波的波形及其频谱；

3．改变采样频率，观察正弦信号、方波、锯齿波的波形及其频谱，了解采样定理与混叠效应。

实验二  压电式加速度传感器的背靠背标定（1学时）

实验目的：通过实验的方法测试振动加速度传感器的灵敏度，了解传感器标定的基本方法和测试系统，获得传感器的幅频特性曲线，分析传感器可实现不失真测试的条件，掌握测试装置静动态特性测试原理。

主要实验内容：

1．建立由信号发生器、功率放大器、激振器、电荷放大器、压电式加速度传感器、数据采集系统、数据分析软件组建的测试系统；

2．在160Hz频率正弦信号的激励下，对加速度传感器进行背靠背标定，获得加速度传感器的灵敏度；

3．不断改变采样频率，记录测试信号的幅值变化情况，根据半功率带法，获得加速度传感器的幅频特性曲线，获得其固有频率和阻尼比。

实验三  泵的振动特性测试（2学时）

实验目的：通过实验的方法测试泵的固有频率，理解机械结构固有频率的测试原理。

主要实验内容：

1．建立由泵、力锤、电荷放大器、压电式加速度传感器、数据采集系统、数据分析软件组建的测试系统；

2．在力锤的脉冲激励下，同时测试力信号和泵的振动加速度信号，通过求取激励和响应间的幅频特性曲线、相频特性曲线、实频特性曲线和虚频特性曲线，获得泵的固有频率和阻尼比，掌握力锤锤击试验方法。

实验四  电阻应变式悬臂梁测力试验（2学时）

实验目的：通过实验的方法测试悬臂梁在自由端所承受的外载荷，掌握应变片使用方法和电桥电路原理，了解动态应变仪的使用方法。

主要实验内容：

1．建立由悬臂梁、应变片、动态应变仪、数据采集系统、数据分析软件组建的测试系统；

2．在悬臂梁自由端粘贴应变片，连接电桥，接入动态应变仪，在不断改变悬臂端载荷的情况下，记录应变仪的输出，获得载荷和应变之间的关系，接桥方式包括半桥单臂、半桥双臂和全桥连接3种方式；

3．利用材料力学所学的知识，计算力和应变之间的关系，与实验结果对比，计算测试误差，分析带来测试误差的原因，给出减小测试误差的方案。

四、学时分配

五、课程目标达成评价的途径和措施

1. 考核目标

在考核学生对测试技术基本概念和原理的基础上，重点考核学生组建测试系统的能力、测试信号的分析能力，包括典型物理量测试系统的组建，典型测试系统响应计算、信号的时频域转换计算、电桥、调幅、滤波、采样等信号调理环节分析与计算能力等。

2. 考核方式

期末闭卷考试、每章节测验或调研报告、实验报告、出勤率、作业。各章节考核形式如下：

绪论：调研报告；

第一、二、三、四章：作业、章节测验、实验报告

第五章：作业、典型测试系统方案设计报告、实验报告

3. 考核方式及对课程目标达成、评价比例见表5.1和表5.2所示。

3. 计分办法：百分制分数，满分为100分。

六、主要参考书

1. 潘宏侠, 黄晋英. 机械工程测试技术, 北京：国防工业出版社,  2009

2. 王伯雄, 王雪, 陈非凡. 工程测试技术, 北京:：清华大学出版社, 2006.

3. 王毅. 过程装备测试技术, 北京：北京大学出版社, 2010

4. 赵庆海. 测试技术与工程应用, 北京：化学出版社, 2005

5. 吴正毅. 测试技术与测试信号处理, 北京：清华大学出版社, 1991

6. 孔德仁, 朱蕴璞, 狄长安. 工程测试技术, 北京：科学出版社, 2004

7. 郑梦海. 泵测试实用技术, 北京：机械工业出版社, 2011