《机械工程测试技术》全册配套完整教学课件

1、机械工程测试技术（机械工程测试技术（1-14周）周） 总学时总学时48，其中理论学时，其中理论学时38+实验学时实验学时10上课时间：上课时间：周二周二5.6节（单），机电楼节（单），机电楼B311周四周四3.4节，机电楼节，机电楼B415总成绩总成绩=平时成绩（占平时成绩（占20%）+实验成绩（占实验成绩（占10%） +考试卷面成绩（占考试卷面成绩（占70%）绪论绪论本章学习要求：本章学习要求：1.掌握测试的基本概念及测试工作的任务掌握测试的基本概念及测试工作的任务2.了解测试技术的应用情况了解测试技术的应用情况 3.掌握测试系统的组成掌握测试系统的组成4.了解测试技术的发展动态了解测试技术

2、的发展动态 一、 测试技术的基本概念测试技术属于信息科学范畴。测量：以确定被测对象属性量值为目的的全部操作，是对已知参数进行度量。测试是测量测量和试验试验的综合， 是带有试验性质的测量。试验：与实验的区别。二、测试技术的任务测试是从客观事物中提取有关信息的认识过程。信号与信息的关系： 信息信息是以信号信号为载体，依靠信号信号来传输，通过对信号信号进行分析可以得到信息信息。测试工作的任务： 获取与研究任务相关的有用信息，而不是全部信息获取与研究任务相关的有用信息，而不是全部信息。信息有用信息获取无用信息干扰全自动洗衣机中的传感器：衣全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感、衣质传感器、水物重量传感、

3、衣质传感器、水温传感器、水质传感器、洗净温传感器、水质传感器、洗净度传感器、液位传感器、电阻度传感器、液位传感器、电阻传感器传感器( (衣物烘干检测衣物烘干检测) )透光率传感器透光率传感器温湿度传感器温湿度传感器指纹传感器指纹传感器三、 测试技术的应用 1、日常生活（1）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。性能质量进行测量和出厂检验。 2 2、机械行业、机械行业 机床加工精度测量机床加工精度测量汽车扭距测量汽车扭距测量广州中鸣数码的机器狗广州中鸣数码的机器狗转动转动/ /移动

4、位置传感器、力移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。嗅觉传感器。香港理工香港理工AGVAGV自动送自动送货车模型货车模型（2）新产品开发（3）自动控制石化企业输石化企业输油管道、储油管道、储油罐等压力油罐等压力容器的破损容器的破损和泄露检测。和泄露检测。（4）故障诊断加速度计、光学心率传感器、皮电反应传感器、生物电阻抗传感器、环境光及紫外线传感器（5）其他应用航天航天农业农业交通交通医疗医疗四、测试系统的组成激励装置传感器被测对象信号调理反馈、控制显示记录信号

5、处理观察者转换、放大、调制 解调、滤波、运算、A/D转换、分析五、测试技术的发展趋势1、利用新发现的材料和新发现的生物、物理、化学效应开发出的新型传感器光纤流速传感器光纤流速传感器荧光材荧光材料制作料制作的电子的电子鼻传感鼻传感器器2、传感器+嵌入式计算机 智能传感器 振动网络传感器振动网络传感器嵌入式计算机嵌入式计算机智能压力网络智能压力网络传感器传感器智能智能倾角倾角RS232RS232传感器传感器IC总线数字温度总线数字温度传感器传感器3、主要传感器和测试仪器生产厂商(2)振动/噪声传感器 丹麦丹麦B&K（振动测量、声学测量领域最富盛名振动测量、声学测量领域最富盛名）http:/

6、 美国美国霍尼威尔霍尼威尔公司（有全球最大公司（有全球最大传感器传感器技术研究中心）技术研究中心） http:/ 美国国家仪器公司美国国家仪器公司(全球最大的计算机虚拟仪器生产商全球最大的计算机虚拟仪器生产商)http:/ 信号及其表述信号及其表述本章学习要求：本章学习要求：1.1.了解信号分类方法了解信号分类方法 2.2.掌握信号描述方式掌握信号描述方式3.3.会利用傅立叶变换求信号的频谱会利用傅立叶变换求信号的频谱4.4.掌握几种典型信号的频谱掌握几种典型信号的频谱1.1 信号的分类一、确定性信号和非确定性信号；0t0t特点：特点：可以用数学关系式表示； 已知某一时刻 ，可以确切的知道x(

7、 )； 相同条件下得到的信号相同。 确定性信号确定性信号周期信号周期信号非周期信号非周期信号 按信号幅值随时间变化的规律不同，将信号分为确定性确定性信号和非确定性信号信号和非确定性信号。( (一一) ) 确定性信号确定性信号定义：定义：可以用明确数学关系式描述用明确数学关系式描述的信号称为确定性信号。定义：定义：按一定时间间隔周而复始重复出现周而复始重复出现的信号。 x ( t ) = x ( t + nT ) n1, 2, 3(2)一般周期信号一般周期信号,如方波、三角波。x(t)ttx(t)000t(1)谐波信号谐波信号，如正弦信号 x ( t ) = 2cos2 2、非周期信号、非周期信

8、号x(t)0t矩形脉冲信号矩形脉冲信号定义：确定性信号中那些不具有周期重复性的信号。定义：确定性信号中那些不具有周期重复性的信号。包括 准周期信号：由两种以上周期信号合成的，但各周期分量瞬变非周期信号：除准周期信号之外的非周期信号。无公共周期。衰减振动信号衰减振动信号确定性信号周期信号 非周期信号 谐波信号 一般周期信号 准周期信号 瞬变非周期信号 （二）随机信号（二）随机信号 定义：无法用明确的数学关系式表达的信号。定义：无法用明确的数学关系式表达的信号。特点：特点：1、不能用确切的数学关系式表示。 2、不能准确表达将来某一时刻的值。如天气变化。 3、实验每次结果都不同。 4、只能用概率统计

9、方法来描述。二、连续信号和离散信号二、连续信号和离散信号 若连续，则为模拟信号连续信号的幅值 若离散，则为量化信号 若连续，则为采样信号离散信号的幅值 若离散，则为数字信号按独立变量取值是否连续，信号连续信号：独立变量取值连续离散信号：独立变量取值离散三、能量信号和功率信号一般持续时间有限的瞬态信号是能量信号。如矩形脉冲信号、指数衰减信号等。2( )xt dt 若信号在区间（-，），则认为能量是有限的，这样的信号称为能量信号能量信号。满足：若信号在区间（-，）的能量无限，但在有限区间（ ， ）的平均功率是有限的，即满足1t2t这种信号称为功率信号功率信号。如正弦信号x（t）sint一般持续时间

10、无限的信号都属于功率信号。21)(1)(2122ttdttxttdttx为什么要进行频域分析?1.2 信号的描述幅频图相频图例2：画出 幅频谱和相频谱。)42cos(cost2)(ttx时域描述:以时间为自变量来表示信号。频域描述:以频率为自变量来表示信号。)cos()(000txtx例1：画出 幅频谱和相频谱。怎么来进行频域分析?220000)(1TTdttxTa其中，常值分量2200n00cos)(2TTtdtntxTa余弦分量2200n00sin)(2TTtdtntxTb正弦分量若x(t)为偶函数，则 0nb1000)sincos()(nnntnbtnaatx(n=1,2,3)若x(t)

11、为奇函数，则 0 00ana1.2.1 1.2.1 周期信号的描述周期信号的描述一、傅里叶级数的三角函数展开式与周期信号的单边频谱一、傅里叶级数的三角函数展开式与周期信号的单边频谱 1. 1.傅里叶级数的三角函数展开式傅里叶级数的三角函数展开式任意周期信号x(t)在区间(-T/2，T/2)只要满足：连续或只连续或只 有有限个第一类间断点有有限个第一类间断点，且只有有限个极值点只有有限个极值点，均可展开成：0220)(00tTATtAtxnnabarctann22nnnbaA其中正、余弦合并后得正、余弦合并后得（n n1 1，2 2，33）例3：求周期方波的频谱。2.2.周期信号的单边频谱周期信

12、号的单边频谱1n0n0)cos)(ntnAatx（正、余弦合并后得正、余弦合并后得周期函数的频谱特点：离散性离散性：频谱是离散的谐波性谐波性：谱线只出现在基频的整数倍上收敛性收敛性：谐波幅值随谐波次数增高而衰减二、傅里叶级数的复指数函数展开式与双边频谱二、傅里叶级数的复指数函数展开式与双边频谱220n000e)(1TTtjndttxTC式中， ntjnn0eC) t (x（n=0, 1, 2,）利用欧拉公式：nCjnnmneneCCjICRCnenmnCRCIarctanC 2nm2nenCICRC周期信号的频谱描述是通过傅里里叶级数展开式得到的，两种展开式之间的联系：tn0costjne01

13、.三角式复指数式2.三角式频率范围0+ ，单边频谱；复指数式频率范围-+，双边频谱。3.频谱是等价的，表示的是同一信号，信号的成分和信息量没有增减。各次谐波幅值和相位间的关系：nn21AC 00aC 幅值： （n0 ） （n0）nnnC0相位：n1，2，3n=0n=-1,-2,-3例4：求周期方波的双边频谱。作业1：已知信号)2t 3cos(tcos4)4tcos(32) t (x2试画出其单边频谱和双边频谱。作业2：分别用三角函数展开式和复指数展开式 求周期方波信号的双边频谱。1.2.2 非周期信号的描述准周期信号瞬变非周期信号一、傅里叶变换一、傅里叶变换1.1.傅里叶变换及其存在条件傅里叶

14、变换及其存在条件直接求傅里叶变换复习：周期信号的傅里叶级数的复指数展开式：ntjnTTtjnntjnTTtjnntjnnedtetxedtetxTeCtx00000000022220)(2)(1)(0n，离散变量 连续变量求和符号积分符号 。()( )1( )()2jtjtXx t edtx tXed( )( )21( )2jtjtjtjtdx tx t edt ex t edt ed带入上式得( )X的傅里叶逆变换称为( )x t( )X称为的傅里叶变换( )x t当T时，周期信号相邻谱线间隔无穷小，T20122f将将为了避免出现为了避免出现代入上式，得傅里叶变换的存在条件：(1)连续或只有

15、有限个间断点；(2)有限个极值点；(3)无限区间上绝对可积，即( )x t dtx tXfedfjft( )()2Xfx t edtjft()( )22.2.瞬变非周期信号的频谱瞬变非周期信号的频谱()()()jfXfXfe2( )( )( )(cos2sin2)( )cos2( )sin2( )( )jftRIX fx t edtx tftjft dtx tftdtjx tftdtXfjXf22( )( )( )RIX fXfXf偶函数奇函数()Xff幅频谱相频谱瞬变非周期信号的频谱是连续的ff)()()(arctan)(fXfXfRI例：求矩形窗函数R( )wt的频谱。矩形窗函数为 R0(

16、2)( )1(22)0(2)tTw tTtTtT 例：求指数函数0( )( 0 )1时，时域中窗宽缩小，相当于信号被压缩，导致频域波形中频带变宽；当a 0 )0时(0t1)，ym(t)与y(t)同相，检波器输出uf(t)0；x(t)0时(t1t2)，ym(t)与y(t)反相，检波器输出uf(t)0 x(t)0时，无论调制波是否为正，相敏检波器的时，无论调制波是否为正，相敏检波器的输出波形均为正，即保持与调制信号极性相同。输出波形均为正，即保持与调制信号极性相同。三、应用电路三、应用电路动态电阻应变仪动态电阻应变仪的工作原理电桥电桥放大器放大器相敏检波相敏检波低通滤波低通滤波显示记录显示记录载波

17、振荡器载波振荡器x(t)电阻应变片电阻应变片1 1）动态电阻应变仪的组成部分：）动态电阻应变仪的组成部分：2）动态电阻应变仪各部分的作用如下： 电桥、放大器、相敏检波器、滤波器、振荡器、电源。电桥：电桥：将应变片电阻的变化转换为电流或电压信号。振荡器振荡器：供给正弦波交流电压作为电桥的工作电压，并通过信号电压对它进行调幅，输出调幅电压信号送入放大器，同时它也为相敏检波器提供参考电压。放大器：放大器：由于电桥输出的信号非常微弱，必须经过放大器将电桥送来的调幅电压进行不失真放大。低通滤波器：低通滤波器：由于通过相敏检波后，波形中还包含着载波及其高次谐波，因此需要通过低通滤波器滤掉被测应变信号以外的

18、高频成分，得到信号的原形。相敏检波器相敏检波器：它既具有检波器的作用，又能完成辨别被测信号相位（如应变信号的拉伸或压缩性质）的任务，实现解调。动态电阻应变仪就是利用交流电桥进行调幅，利用相敏检波动态电阻应变仪就是利用交流电桥进行调幅，利用相敏检波进行解调的。进行解调的。5.4 5.4 滤波器滤波器滤波器滤波器是一种选频装置，它只允许一定频带范围内的信号通过， 同时极大地衰减其它频率成分。 滤波器作用：作用： 滤除干扰噪声，去除无用信号；分离不同频率的有用信号；对测量仪器或控制系统的频率特性进行补偿。一、滤波器的分类：一、滤波器的分类： 滤波器滤波器按构成滤波器的元件类型RC滤波器RL滤波器按电

19、路性质有源滤波器无源滤波器按处理信号的性质数字滤波器模拟滤波器按滤波器通频带范围低通滤波器带阻滤波器高通滤波器带通滤波器1.1.通频带通频带允许信号通过的频率范围称为滤波器的通频带。2.2.阻带阻带被滤波器阻挡或极大地衰减的频率范围称为滤波器的阻带。3.3.截止频率截止频率通频带与阻带的交界频率称为截止频率。三个概念：四种理想滤波器的幅频特性 二、理想滤波器与实际滤波器二、理想滤波器与实际滤波器 1 1、理想滤波器、理想滤波器理想带通滤波器 滤波器)(tx)(ty输入（激励）输出（响应）ftf02)(通频带内0)(AfA阻带内0)(fA滤波器)(tx)(ty输入（激励）输出（响应）t01( )

20、 t2 2、实际滤波器、实际滤波器2) 2) 带宽带宽B B上下截止频率间的频率范围。带宽反映了滤波器的频率分辨力（分离信号中相邻频率成分的能力）。1)1)截止频率截止频率幅频特性值等于 所对应的频率。012AB越窄，滤波器的分辨力越高。atbtt)(tyabettt称为是滤波器的建立时间。带宽、分辨力、建立时间三者的关系：带宽越小，分辨力越高，但建立时间越长，滤波器的响应速度越慢。3)3)纹波幅度纹波幅度d d 幅频特性在顶部的波动幅度。5) 5) 倍频程选择性倍频程选择性 上截止频率 与 之间或下截止频率 与 之间幅频特性的衰减值，即频率 变化一个倍频程时的衰减量。 1cf112cf22c

21、f2cf603dBdBBB6)6)滤波器因素滤波器因素 滤波器幅频特性值为的-60dB处的带宽与-3dB 带宽的比值。4) 4) 品质因数品质因数Q Q中心频率和带宽之比。即Q = fQ = f0 0 / / B B 其中，中心频率210ccfff 3 3、RCRC无源滤波器无源滤波器 RC滤波器电路简单，抗干扰能力强，有较好的低频性能。 （a）RC低通滤波器（b）RC高通滤波器1)1)一阶一阶RCRC低通滤波器低通滤波器 RC低通滤波器幅频特性 相频特性 yyxduRCuudt1( )1Hj21()1()A( )arctan() 一阶微分方程频率响应函数可以求得滤波器的上截止频率为：RCfc

22、21212当 f f fff fc2c2 时，输出 与输入 的积分成正比，即： 滤波器相当于积分环节。1yxuu dtRCxuyu2)2)一阶一阶RCRC高通滤波器高通滤波器 幅频特性 相频特性 1yyxu dtuuRC2()1()A( )arctan(1/) 一阶微分方程频率响应函数RC高通滤波器jjH1)(可以求得滤波器的下截止频率为：11122cfRC当 f f f fc1c1时，()1()0A信号不受衰减通过； 当 f ff fc1c1 时，输出 与输入 的积分成正比，即： 滤波器相当于微分环节。xyduuRCdtxuyu3) RC3) RC带通滤波器带通滤波器 下截止频率 11112121CRfc22222121CRfc上截止频率 可以看成是低通和高通两个滤波器串联而成。 频率响应函数 12( )( )( )HHH幅频特性和相频特性 12()()()AAA)()()(21机械工程测试技术机械工程测试技术 刘刘 茵茵机械与汽车工程学院机械与汽车工程学院电容式传感器电容式传感器工作原理：工作原理：AC