1、机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础总复习总复习一、绪论一、绪论1 1、测试的概念、测试的概念 目的：获取被测对象的有用信息。目的：获取被测对象的有用信息。测试是测量和试验的综合。测试是测量和试验的综合。测试技术是测量和试验技术的统称。测试技术是测量和试验技术的统称。2 2、静态测量与动态测量、静态测量与动态测量 静态测量：是指不随时间变化的物理量的测量。静态测量：是指不随时间变化的物理量的测量。动态测量：动态测量：是指随时间变化的物理量的测量。是指随时间变化的物理量的测量。3 3、课程的主要研究对象、课程的主要研究对象 研究机械工程中研究机械工程中动态参数动态参数的测量的测量4 4、测试
2、系统的组成、测试系统的组成5 5、量纲及量值的传递、量纲及量值的传递6 6、测量误差、测量误差 系统误差、随机误差、粗大误差系统误差、随机误差、粗大误差7 7、测量精度和不确定度、测量精度和不确定度8 8、测量结果的表达、测量结果的表达显示与记录仪显示与记录仪信号调理信号调理传感器传感器二、信号分析与处理二、信号分析与处理一、信号的分类及其描述一、信号的分类及其描述 1 1、分类、分类 正弦型信号正弦型信号 复杂周期信号复杂周期信号 准周期信号准周期信号 瞬变信号瞬变信号 各态历经信号各态历经信号 非各态历经信号非各态历经信号 非平稳随机信号非平稳随机信号周周 期期 信信 号号非周期信号非周期
3、信号平稳随机信号平稳随机信号随机信号随机信号确定性信号确定性信号 连续信号连续信号 离散信号离散信号 模拟信号模拟信号 数字信号数字信号 能量信号能量信号 功率信号功率信号 2 2、描述、描述 时域描述：幅值随时间的变化时域描述：幅值随时间的变化 频域描述：频率组成及幅值、相位大小频域描述：频率组成及幅值、相位大小二、求信号频谱的方法及频谱的特点二、求信号频谱的方法及频谱的特点 1 1、周期信号、周期信号 数学工具：傅里叶级数数学工具：傅里叶级数 方方 法：求信号傅里叶级数的系数法：求信号傅里叶级数的系数 频谱特点：频谱特点：离散性离散性 谐波性谐波性 收敛性（见表收敛性（见表1-21-2）周
4、期的确定：各谐波周期的最小公倍数周期的确定：各谐波周期的最小公倍数基频的确定：各谐波频率的最大公约数基频的确定：各谐波频率的最大公约数x ,2,10nnTtxtx2、瞬变信号（不含准周期信号）、瞬变信号（不含准周期信号）数学工具：傅里叶变换数学工具：傅里叶变换 方方 法：求信号傅里叶变换法：求信号傅里叶变换 频谱特点：连续性、收敛性频谱特点：连续性、收敛性 3 3、随机信号、随机信号 数学工具：傅里叶变换数学工具：傅里叶变换 方方 法：求信号自相关函数的傅里叶变换法：求信号自相关函数的傅里叶变换 频谱特点：连续性频谱特点：连续性 dfefXtxdtetxfXftjftj22三三、典型信号的频谱
5、、典型信号的频谱 1 1、(t)(t)函数的频谱及性质函数的频谱及性质(f)=1(f)=1 频率无限，强度相等，称为频率无限，强度相等，称为“均匀谱均匀谱”采样性质：采样性质：积分特性：积分特性：卷积特性：卷积特性：0000000*00ttftttftfttftfdttfttfdttfttttftftttftft 2 2、正、余弦信号的频谱、正、余弦信号的频谱 实频谱实频谱 虚频谱虚频谱 3 3、截断后信号的频谱、截断后信号的频谱 频谱连续、频带变宽（无限）频谱连续、频带变宽（无限）00022000022022sin22sin212cos212cos0000ffffjtfeejtffffftf
6、eetftfjtfjtfjtfj四、信号的特征参数四、信号的特征参数 1 1、均值、均值 ：静态分量（常值分量）静态分量（常值分量）正弦、余弦信号的均值？正弦、余弦信号的均值？2 2、均方值、均方值 ：强度（平均功率）强度（平均功率）均方根值均方根值 ：有效值有效值 3 3、方差、方差 ：波动分量波动分量 4 4、概率密度函数、概率密度函数 ：在幅值域描述信号在幅值域描述信号 幅值分布规律幅值分布规律 x2x2xrmsxrmsx2x222xxx xp五、自相关函数的定义及其特点五、自相关函数的定义及其特点 1 1、定义：、定义：2 2、特点、特点 TTxdttxtxTtxtxER01lim 。
7、信息，丢失了相位信息、频率信号的幅值了原函数为余弦信号，保留正、余弦信号的自相关为偶函数，即：）呈周期变化含周期分量，时，不含周期分量，当）)2()4302)1202max2222222xRRRRRtRRRxxxxxxxxxxxxxxxx 3 3、自相关图、自相关图六、互相关函数的定义及其特点六、互相关函数的定义及其特点 1 1、定义、定义 2 2、特点、特点 TTdttytxTtytxER0 xy1lim yxyxxyyxyxRRyxRRR）相关，）两个不同频率信号不信息。和相位差频率、保留了原信号的幅值两个同频率信号相关，为非奇非偶函数，403)()()21()2)1xy00yxxyxy
8、3 3、互相关图、互相关图七、相关分析的应用八、相关系数与相干函数 10S111102xyy22xyxyxx2xy22xfffSfSfyxRRRxxyxxyxyxxyxxx完全相关、完全相关九、自功率谱密度函数定义及其特点九、自功率谱密度函数定义及其特点 1 1、定义、定义 反映系统的幅频特性。）反映信号的频域结构；）为偶函数；）fSfSfHfXTfSfSRfSdeRfSxyTxxxxfjxx22231lim212 2、意义、意义 反映信号的功率密度沿频率轴的分布。反映信号的功率密度沿频率轴的分布。3 3、特点、特点十、互功率谱密度函数定义及其应用十、互功率谱密度函数定义及其应用十一、数字信号
9、处理十一、数字信号处理 1、时域采样定理：、时域采样定理：fs 2fh fs (3-4)fc 2、混叠：、混叠：原因：原因：Ts(fs)、信号频率太宽、信号频率太宽 反映系统的频率特性。、应用、定义fSfSfHdeRfSfjxxy2xyxy21 混叠部位：混叠部位：fs/2-折叠频率折叠频率 处理方法处理方法：抗混叠滤波，提高采样频率抗混叠滤波，提高采样频率 3 3、量化及量化误差：、量化及量化误差：xx误差误差 4 4、泄漏：、泄漏：原因原因 加窗截断处理加窗截断处理 处理方法处理方法：合理选择窗函数合理选择窗函数 周期信号周期信号整周期截断整周期截断 5 5、频域采样与栅栏效应、频域采样与
10、栅栏效应十二、傅里叶变换的几个性质十二、傅里叶变换的几个性质 0222000021ffXetxefXefXttxtfjftfjftj、频移：、时移：k1 k1 时间轴压缩，频带加宽，幅值降低时间轴压缩，频带加宽，幅值降低 k1 k1 时间轴扩展，频谱变窄，幅值增高时间轴扩展，频谱变窄，幅值增高 kfXkktx14、时间尺度改变：-2-25dffXdttx、巴塞伐尔定理：fXfXtxtxfXfXtxtxdtxxtxtx212121212121*3定理：、卷积：定义：三、测量装置的基本特征三、测量装置的基本特征 测量装置的基本特征：测量装置的基本特征：静态特性和动态特性静态特性和动态特性一、测量装
11、置的静态特征及主要参数一、测量装置的静态特征及主要参数 1 1、静态特性：、静态特性：2 2、主要静态参数、主要静态参数 1 1）线性度：）线性度：线性度越好线性度越好线性范围线性范围(量量 程程)越宽越宽 2 2）灵敏度：）灵敏度：SSxx测量范围测量范围 S=S=y/y/x x（输出的量纲输出的量纲/输入的量纲输入的量纲）dxdyS 3 3）回程误差：）回程误差：与输入变化方向有关的输出与输入变化方向有关的输出 特性。特性。4 4）分辨力（分辨率）：）分辨力（分辨率）：能测量到输入量最能测量到输入量最 小变化的能力。小变化的能力。二、线性系统的主要特性二、线性系统的主要特性 叠加性、比例性
12、、微分性、积分性、叠加性、比例性、微分性、积分性、频率保持性频率保持性三、测量装置动态特性的描述三、测量装置动态特性的描述 时时 域：域：h(t)y(t)=x(t)h(t)y(t)=x(t)*h(t)h(t)复数域：复数域：H(S)Y(S)=X(S)H(S)h(t)H(S)H(S)Y(S)=X(S)H(S)h(t)H(S)频频 域：域：H()Y()=X()H()H()H()Y()=X()H()H()L LF系统系统(t)(t)h(t)四、频率响应函数四、频率响应函数(频率特性频率特性)定义及物理意义定义及物理意义 1 1、频率响应函数定义、频率响应函数定义 2 2、频率响应函数物理意义、频率响
13、应函数物理意义 ：系统在简谐信号激励下，其稳态输出对输系统在简谐信号激励下，其稳态输出对输 入的幅值比、相位差随激励频率入的幅值比、相位差随激励频率变化的特性。变化的特性。频率的变化关系。和输入信号的相位差随出信号谐信号激励下，稳态输：相频特性：系统在简频率的变化关系。和输入信号的幅值比随出信号谐信号激励下，稳态输：幅频特性：系统在简A jeAXYH/H五、频率响应函数的求取方法五、频率响应函数的求取方法 1 1、方程微分、方程微分H()2H()2、H(S)H()H(S)H()3 3、h(t)H()4h(t)H()4、实验法、实验法六、系统不失真的条件六、系统不失真的条件 1 1、时域不失真条
14、件：、时域不失真条件：y(t)=Ay(t)=A0 0 x(t-tx(t-t0 0)2 2、频域不失真条件：、频域不失真条件：其中：幅频特性其中：幅频特性 A()=AA()=A0 0 相频特性相频特性 ()=-t()=-t0 0 即：系统对不同频率的信号具有相同的增益；即：系统对不同频率的信号具有相同的增益；系统对不同频率的信号具有相同的滞后时间。系统对不同频率的信号具有相同的滞后时间。00tjeAHF FF FS=jS=j七、一、二阶系统的动态特性七、一、二阶系统的动态特性 1 1、一阶系统（如：、一阶系统（如：RCRC低通滤波器）低通滤波器）4521arctan112KAKAjKH时当响应快
15、，动特性好工作频率范围宽不失真工作频率范围：数动态特征参数：时间常xsrad/410 x 2 2、二阶系统、二阶系统 阻尼比：频率：动态特征参数：固有圆谐振频率：时当n2r222222222190212arctan212)(12nnnnnnnnnnnKAKAjKHSSKSH 不失真工作频率范围：不失真工作频率范围：八、系统的串并联八、系统的串并联 好响应越快，综合特性越xnnxnx,222.008.06.04.008.06.0 niininiiniiSSsHsHSSsHsH11i11并联：串联：九、系统的稳态响应与响应误差九、系统的稳态响应与响应误差十、测量装置动态特征参数的测量方法十、测量装
16、置动态特征参数的测量方法 频率响应法频率响应法 阶跃响应法阶跃响应法？、相角误差、幅值误差、系统的稳态响应3%100012sin100AAtAxty 1、频率响应法：、频率响应法：1）一阶系统）一阶系统0451TT221nrnnr212小阻尼系统：2）二阶系统）二阶系统2、阶跃响应法：、阶跃响应法：2121)0(/)(AArZtk11）一阶系统）一阶系统2）二阶系统）二阶系统22n21211ddndT1ln12M0.632)(uy四、测量系统四、测量系统一、传感器的定义及分类一、传感器的定义及分类 定义：定义：p68p68 位移传感器位移传感器 按被测物理量分按被测物理量分 速度传感器速度传感
17、器 加速度传感器加速度传感器 物性型传感器物性型传感器 结构型传感器结构型传感器 能量转换型：能量转换型：由被测对象输入能量由被测对象输入能量 能量控制型：能量控制型：从从外部输入的能量外部输入的能量 按工作原理分按工作原理分按能量关系分按能量关系分 接触式传感器接触式传感器 非接触式传感器非接触式传感器二、常用传感器种类、工作原理、特点及应用二、常用传感器种类、工作原理、特点及应用 1 1、电阻式传感器、电阻式传感器 变阻器式：变阻器式：应变片：金属应变片：应变片：金属应变片：Sg1+2 Sg1+2 形变形变 半导体应变片：半导体应变片：SgE SgE 导电性能导电性能变化变化 特点：特点：
18、应用：应用：1 1）测应力、应变；）测应力、应变；2 2）组成各种应变式传感器）组成各种应变式传感器按安装方式分按安装方式分 2 2、电容式传感器、电容式传感器 极距变化型：极距变化型：ss线性差，微小位移、非接触测量线性差，微小位移、非接触测量 面积变化型：面积变化型：ss线性好，较大线、角位移测量线性好，较大线、角位移测量 介质变化型：介质变化型：ss线性好，介质参数测量线性好，介质参数测量 3 3、电感式传感器、电感式传感器 可变气隙长度可变气隙长度 可变气隙面积可变气隙面积 涡流式：利用金属导体在交变磁场中涡电流效应涡流式：利用金属导体在交变磁场中涡电流效应 非接触测量、简单、方便、不
19、受油污等介质影响非接触测量、简单、方便、不受油污等介质影响 互感型互感型差动变压器式：互感原理差动变压器式：互感原理 精确度高、线性范围大、稳定性好、使用方便精确度高、线性范围大、稳定性好、使用方便 应用：应用：p87p87图图3-283-28可变磁阻式可变磁阻式201AS 4 4、磁电式传感器、磁电式传感器 被测物理量被测物理量感应电动势感应电动势 线速度型线速度型 角速度型角速度型 磁阻式：磁阻式：非接触测量非接触测量 (p89)应用：速度、频数、转速、偏心量、振动应用：速度、频数、转速、偏心量、振动 5 5、压电式传感器、压电式传感器 原理：原理：被测物理量被测物理量电荷量电荷量 压电效
20、应：纵向、横向、切向压电效应压电效应：纵向、横向、切向压电效应 结构特点：电容器结构特点：电容器 电荷发生器电荷发生器电磁感应原理电磁感应原理动圈式动圈式压电效应压电效应主要特点：主要特点：1 1固有频率高（固有频率高（），动），动态范围宽；态范围宽；2 2尺寸小，质量轻（尺寸小，质量轻（0.14g0.14g）,负载效应小；负载效应小；3 3精确度和灵敏度高；精确度和灵敏度高；4 4线性好，寿命长，使用方便；线性好，寿命长，使用方便；5 5不宜作静态参数测量；不宜作静态参数测量；6 6输出阻抗高（输出阻抗高（），输出），输出能量小，需采用高输入阻抗的前置放大器。能量小，需采用高输入阻抗的前置放
21、大器。00kmmk，级为pfccjZc,1应用：力、压力、加速度、声和声发射应用：力、压力、加速度、声和声发射 电压放大器电压放大器 电荷放大器：线性好，与电缆电容无关电荷放大器：线性好，与电缆电容无关 6 6、热电式传感器、热电式传感器 热电偶热电偶 热电阻热电阻 1 1）热电偶）热电偶 温度温度热电势热电势 2 2）热电阻）热电阻 温度温度电阻（金属正温度系数）电阻（金属正温度系数）前置放大器前置放大器热电效应热电效应接触电势接触电势温差电势温差电势 7 7、光电式传感器、光电式传感器 光电管光电管-外光电效应外光电效应 光电池光电池-光生伏特效应光生伏特效应 光敏电阻光敏电阻-内光电效应
22、内光电效应 应用：应用：三、差动式传感器的优点三、差动式传感器的优点 1 1、灵敏度扩大近一倍；、灵敏度扩大近一倍；2 2、改善了传感器线性，线性工作范围扩大、改善了传感器线性，线性工作范围扩大 近一倍；近一倍；3 3、提高了传感器工作的稳定性。、提高了传感器工作的稳定性。四、传感器选用原则四、传感器选用原则五、电桥五、电桥 1 1、电桥的分类、电桥的分类 2 2、电桥平衡及平衡条件、电桥平衡及平衡条件 U Uy y=0,=0,则电桥平衡。则电桥平衡。直流电桥：直流电桥：R R1 1R R3 3=R=R2 2R R4 4（相对臂电阻乘积相等）（相对臂电阻乘积相等）z z1 1z z3 3=z=
23、z2 2z z4 4 1 1+3 3=2 2+4 4直流电桥直流电桥交流电桥交流电桥Z Z1 1Z Z3 3=Z=Z2 2Z Z4 4交流电桥：交流电桥：（相对臂阻抗乘积相等）（相对臂阻抗乘积相等）3 3、交流电桥的调幅功能。、交流电桥的调幅功能。4 4、电桥的输出、电桥的输出六、滤波器六、滤波器 1 1、分类及其功能、分类及其功能 功能：功能：让有用的频率成分成分通过，抑制让有用的频率成分成分通过，抑制 或衰减不需要的频率成分。或衰减不需要的频率成分。分类：分类：低通低通、高通、高通、帯通、帯通、带阻、带阻 04321044332211044kSUSURRRRRRRRUUy 2 2、特征参数
24、、特征参数 1 1）截止频率）截止频率fcfc：2 2）带宽）带宽 B B：3 3）中心频率）中心频率f f0 0：4 4）倍频程选择性：衰减快）倍频程选择性：衰减快dBdB选择性选择性 5 5）品质因数）品质因数(子子)Q:Q=f)Q:Q=f0 0/B Q/B Q选择性选择性 6 6）滤波器因数）滤波器因数：选择性选择性 3 3、倍频程滤波器：、倍频程滤波器：恒带宽比恒带宽比 4 4、理想滤波器是不可能实现、理想滤波器是不可能实现 dBAA32/0分辨力BffBcc12210ccfff dBdBBB360/122cncff七、调制与解调七、调制与解调 1 1、调制：、调制：利用某种低频信号来
25、控制或改变利用某种低频信号来控制或改变 高频振荡的某个参数的过程。高频振荡的某个参数的过程。2 2、解调：、解调：从已调制信号中恢复原低频调制从已调制信号中恢复原低频调制 信号的过程。信号的过程。3 3、载波、调制信号、已调制信号、载波、调制信号、已调制信号（调幅波（调幅波.4 4、调制与解调的作用、调制与解调的作用 1 1）不失真的传输信号；）不失真的传输信号；2 2）不失真的放大信号；）不失真的放大信号；3 3）可实现信号的转换。）可实现信号的转换。)(21)(212cos)(000fffftfty)(21)(212cos)(000ffXffXtxtftxm txtytxffXffXfXt
26、ytxm00m)()()2(41)2(41)(21)()(低通滤波器5 5、调幅与解调、调幅与解调 调幅：高频信号与测试（调制）信号相乘调幅：高频信号与测试（调制）信号相乘,使使 高频信号高频信号幅值幅值随随被测信号被测信号的变化而变化。的变化而变化。功能：功能：低频信号低频信号高频信号高频信号 解调：同步解调、整流检波、相敏检波解调：同步解调、整流检波、相敏检波转移转移 调幅装置实际上是一乘法器。调幅装置实际上是一乘法器。交流电桥交流电桥-调幅装置调幅装置 6 6、调频与解调、调频与解调 调频：利用调制信号控制高频载波信号频率调频：利用调制信号控制高频载波信号频率 变化过程，使载波的变化过程，使载波的频率频率随随调制信号调制信号的的 幅值成比例变化。幅值成比例变化。
