机械工程测试

绪论

第一节测试技术概要

1.测试技术及其重要性

随着科技的发展，测试技术已经形成了一门专门的技术科学。人们通过测

试获得客观事物的定量概念，以掌握其运动规律。在某种意义上来说，“没有

测试，就没有科学。”因为人类的各种活动领域中都离不开测试。

测试技术是测量和试验技术的统称，也可称作是具有试验性质的测量。测

量就是把被测系统中的某种信息提出，并加以度量，为确定量值而进行的试验

过程；试验就是通过某种人为的方法，把被测系统所在的许多信息中的某种信息，用专门的装置人为地把它激发出来，加以测量。它是对未知事物探索性的

认识过程。

测试是人们依靠一定的科学技术手段来定量地获取被研究对象原始信息的

过程，属于信息科学的范畴。信息一般可理解为消息、情报或知识，从物理学

观点出发，信息不是物质，也不是能量，是物质所固有的，是物质存在或运动

的状态和方式。信息蕴含于信号之中，信号是传输信息的载体，由于信号易于

传输，易于测量或感知，因此，人类获取信息主要借助于信号的传播。

测试技术就是对信号的获取、加工、处理、分析及显示记录的过程。测试

技术的基本任务是通过测试手段，对被研究对象相关的信息作出比较客观、准

确的描述，使人们对其有一个客观全面的认识，并达到进一步改造和控制被研

究对象的目的。从复杂信号中提取有用的信息则是测试技术的首要任务。

测试是人类认识客观世界的手段，是科学研究的基本方法。科学探索需要

测试技术，用定量关系和数学语言来表达科学规律和理论需要测试技术，检验

科学理论和规律的正确性也需要测试技术，可以认为，精确的测试是科学技术

研究的根基。

在工程技术领域中，工程研究、产品开发、生产监督、质量控制和性能试

验都离不开测试技术。特别是近代自动控制技术已经越来越多地运用测试技术，测试装置已成为控制系统的重要组成部分。测试工作不仅能为产品的质量和性

能提供客观的评价，为生产技术的合理改进提供基础数据，而且是进行一切探

索性的、开发性的、创造性的和原始的科学发现或科技发明的手段。

测试技术的先进性已是一个国家、一个地区科技发达程度的重要标志之一，也

是一个企业、一个国家参与国内、国际市场竞争的一项重要基础技术。可以肯定，测试技术的作用和地位在今后将更加重要和突出。因此，测试技术是机械

工程技术人员必须掌握的一门实践性很强的技术，也是从事生产和科学研究的

有力手段。

2．测试的基本概念

（1）测量、计量、测试

测量、计量、测试是三个密切关联的术语。测量（Measurement）是指以确定被测对象的量值为目的进行的实验过程。如果测量涉及实现单位统一和量值

准确可靠则被成为计量。因此研究测量、保证测量统一和准确的科学被称为计

量学（Metrology）。具体地说，计量学将研究可测的量、计量单位、计量基准、标准的建立、复现、保存及量值传递、测量原理与方法及其准确度、观察者的

测量能力，物理常量及常数、标准物质、材料特性的准确确定，以及计量的法

制和管理。实际上，计量一词只用做某些专门术语的限定语，如计量单位、计

量管理、计量标准等。所组成的新术语都与单位统一和量值准确可靠有关。测

量的意义则更为广泛、更为普遍。测试（Measurement and test）是指具有试

验性质的测量，或测量和试验的综合。

一个完整的测量过程必定涉及到测试对象、计量单位、测量方法、和测量

误差。它们被称为测量四要素。

（2）信息和信号

信息是事物运动的状态和方式，是物质的一种属性。可以分为两种，一种

是物质所固有，客观存在或运动状态的特征。第二种是非物质，不具有能量，

传输依靠物质和能量。实验及各种过程中的物理量真值、变量或测量值，若随

时间变化，通常称为信号。信号是物质具有能量，是信息的载体，信息蕴含于

信号之中。

3.测试技术在工程领域的应用

在工程领域，科学实验、产品开发、生产监督、质量控制等，都离不开测试技术。测试技术应用涉及到航天、机械、电力、石化和海洋运输等每一个工程领域。

1、工业自动化中的应用

在各种自动控制系统中，测试环节起着系统感官的作用，是其重要组成部分。

（1）机械手、机器人中的传感器

转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离

传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。

（2）AGV自动送货车

超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器运动轨

迹和AGV小车位置识别；条形码传感器，货品识别。

（3）生产加工过程监测

切削力传感器，加工噪声传感器，超声波测距传感器、红外接近开关传感器等。

2、流程工业设备运行状态监控

在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个

生产线流程。通常建立24小时在线监测系统。

3、产品质量测量

在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。

4、楼宇控制与安全防护

为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。

5、家庭与办公自动化

在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用了传感器和测试技

术来提高产品性能和质量。

4.测试技术研究的主要内容

测试技术研究的具体内容包括信号的描述、测量原理、测量方法、测试系

统及其数据处理等。信号的描述揭示信号的组成及其内在变化规律，时域描述

和频域描述及其相互变换和映射关系。傅里叶级数和傅里叶变换是测试技术研

究信号的理论基础。

（1）测量原理

测量原理实质上就是传感器的工作原理。被测量种类繁多、性质千差万别，因此采用怎样的原理去感受被测量是测试技术研究的内容之一。要确定和选择

好测量原理，除了要有物理学、化学、电子学、生物学、材料学等基础知识和

专业知识之外，还需要对被测量的测量范围、性能要求和环境条件有充分的了

解和分析。

（2）测量方法

测量方法是指用什么方法去获得被测量，按照是否直接测量被测量，可分

为直接测量与间接测量。直接测量是指将被测量直接与标准量进行比较，或用预先标定好的测量仪器进行测量，无需对所获取的数值进行运算的测量方法。