机械测试技术课件第一章

1、测试测试技术技术课程名称：课程名称：机械测试技术机械测试技术适用专业：机械设计制造及其自动化专业适用专业：机械设计制造及其自动化专业总总 学学 时（学分）时（学分）：36（2）理论学时：理论学时： 32 实践学时：实践学时： 4一、课程的性质、任务一、课程的性质、任务 本课程是机械工程各专业的一门技术课和学位课。它主要研究机械参数动态测试各环节，如传感器、中间变换器、显示记录器的工作原理、及其静动态特性评价及测试信号的初步分析与处理。通过学习，要求对动态测试有完整概念，具备对主要机械参数如测力、测振等动态测试分析所必须的基本知识及初步技能。为从事机械参数测试、工程检测、实验及设备状态监测与故障

2、诊断打下基础。在本课程中，培养学生正确分析、选用测试系统及装置，使学生初步掌握进行动态测试所需要的基本知识和技能，并能了解掌握新时期测试技术的更新内容及发展动向。测试测试技术技术二、课程的教学要求二、课程的教学要求1 、学生学完本课程后应具备下列几方面知识：（1）测试信号的基本特性和分析方法部分，着重建立频谱的概念：掌握信号的强度表述、频谱分析和相关分析的基本原理和方法，了解功率谱密度函数及其应用；对数字信号分析作一般了解。（2）测试装置的静动态特性部分：掌握一、二阶系统的静动态特性的描述及测定方法；按不失真测量的条件，正确选用测试装置。（3）了解常用传感器、中间交换电路、记录仪器基本结构、工

3、作原理性能，能正确进行选择。测试测试技术技术4）使学生对动态测试工作的有关基本问题有一个较完整的概念；初步掌握机械工程中某些参数的测试方法。2 、本课程实践性很强，所以实验课是达到本课程教学要求和使学生经受工程技术训练必不可少的环节。为此，在48学时中实验课不宜少于6学时实验课以培养学生实验技能为主。3、与其它课程的联系在学习本课程之前应系统学习高等数学、物理学、材料力学、机械工程控制基础、电工学、电子及电路技术等课程。具有“积分变换”和“线性系统分析”方面的知识。 测试测试技术技术三、课程考核办法三、课程考核办法综合评定综合评定:实验、作业各占实验、作业各占15%，期末考试占，期末考试占70

4、%四、讲授内容及课时分配四、讲授内容及课时分配绪论绪论 2 学时第一章第一章 信号及其描述信号及其描述 6 学时第二章第二章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性 6 学时第三章第三章 常用的传感器常用的传感器 6 学时第四章第四章 信号调理和记录信号调理和记录 6 学时第五章第五章 信号处理初步信号处理初步 6 学时第六章第六章 测试技术的应用测试技术的应用 8 学时第七章第七章 计算机测试系统与虚拟仪器计算机测试系统与虚拟仪器 2 学时五、实践环节教学内容五、实践环节教学内容 6学时 （见本课程实验教学大纲）（见本课程实验教学大纲）测试测试技术技术数控镗铣、加工中心机床的类型 立式龙门式卧

5、式主要技术参数主要技术参数主要技术参数主要技术参数高速加工中心测试测试技术技术INC结构图结构图 INC (Intelligent NC)测试测试技术技术测试技术的应用及构成测试技术的应用及构成测试测试技术技术测试测试技术技术测试技术的发展趋势测试技术的发展趋势1、新原理、新技术在测试技术中的应用 激光多普勒原理应用于磁盘的振动测量、自动定位扫描束的应用等。2、新型传感器的出现智能传感器3、计算机测试系统与虚拟仪器的应用传感器网络及仪器总线技术、远程测试与仪器控制技术测试测试技术技术测量的基础知识测量的基础知识一、量与量纲一、量与量纲1、量：是指现象、物体或物质可定性区别和定量确定的一种属性。

6、2、量值：用数值和计量单位的乘积来表示。它被用来定量地表达被测对象相应属性的大小。（随时间变化的量值称为信号）3、基本量和导出量：从彼此有关许多量中选取某些量作为相互独立基本量，其余量由基本量按照一定函数关系来定义称为导出量。4、量纲和量的单位：量纲代表一个实体（被测量）的确定特征，而量纲单位则是该实体的量化基础。一个量纲是唯一的，量纲单位可有多个，但不同的单位制必须被标准化。工程上的无量纲量实际上是一个数。5、基本量包括长度、质量、时间、温度、电流、发光强度和物质的量。导出量的量纲可用基本量量纲的幂的乘积来表示。测试测试技术技术 二、法定计量单位二、法定计量单位 法定计量单位是强制性的，各行

7、业、各组织都必须遵照执行的。 1、基本单位 米、千克、秒、安培 2、辅助单位 弧度、球面度 即可以作为基本单位使用又可以作为导出单位使用。 3、导出单位 在选定了基本单位、辅助单位之后，按物理量之间的关系，由基本单位和辅助单位以相乘或相除的形式所构成的单位称为导出单位测试测试技术技术 三、测量、计量三、测量、计量 1、测量 是指以确定被测对象的量值为目的而进行的实验过程。包括静态测量（不随时间变化的物理量的测量）、动态测量。 2、计量 当测量涉及实现单位统一和量值准确可靠时称为计量。 3、试验 是机械工程基础研究、产品设计和研发的重要环节。 4、测试技术 是测量和试验技术的统称。（Measur

8、ement and Test Technique ） 5、测量四要素 一个完整的测量过程涉及到被测对象、计量单位、测量方法和测量误差。 四、四、基准 1、基准是用来保存、复现计量单位的计量器具，是具有现代科学技术所能达到的最高准确度的计量器具。通常分为国家基准、副基准、工作基准。测试测试技术技术 五、量值的传递和计量器具检定五、量值的传递和计量器具检定 1、通过对计量器具实施检定或校准，将国家基准所复现的计量单位量值经过各级计量标准传递到工作计量器具，以保证被测对象量值的准确和一致。 2、计量器具检定（Verification of measuring instrument ）是指为评定计量器

9、具的计量特性，确定其是否符合法定要求所进行的全部工作。必须遵守检定规程，其内容包括：适用范围、计量器具的计量特性、检定项目、检定条件、检定方法、检定周期、检定结果的处理。计量器具的检定规程分为国家、部门和地方三种。测试测试技术技术 六、测量方法六、测量方法 1、直接测量 无需经过函数关系的计算，直接通过测量仪器得到被测量的计算。包括直接比较和间接比较。直接比较必须保证待测物理量和标准量是同一量。又可分为等精度（仪器、环境、方法和测量人员不变）和不等精度测量。 2、间接测量 在直接测量值的基础上，根据已知函数关系，计算出被测量的量值的测量。 3、组合测量 将直接测量值或间接测量值与被测量值之间按

10、已知函数关系组合成一组方程，通过解方程组得到被测值的方法。是间接测量的推广，可以不提高计量仪器准确度的情况下提高被测值的准确度。测试测试技术技术七、测量装置七、测量装置测量系统是指为了确定被测量值所必须的器具和辅助设备的总体。1、传感器：直接作用于被测量，并能按一定规律将被测量转换成同种或别种量值输出的器件。2、测量变换器：提供与输入量有给定关系的输出量的测量器件。3、检测器：用以指示某种特定量的存在而不必提供量值的器件或物质。4、测量器具的示值：由测量器具所指示的被测量值。示值用被测量的单位表示。5、准确度等级：用来表示测量器具的等级或级别。每一等级的测量器具都具有相应的计量要求，用来保持其

11、误差在规定极限以内。6、标称范围、测量范围和量程7、漂移 测量器具的计量特性随时间的慢变化。测试测试技术技术第一章第一章 测试信号基础知识测试信号基础知识主要研究内容主要研究内容：1、信号分类与描述、信号分类与描述 2、周期信号的频谱分析、周期信号的频谱分析3、非周期信号的频谱分析、非周期信号的频谱分析4、信号的时域分析、信号的时域分析5、信号的幅值域分析、信号的幅值域分析测测试试技技术术基基础础测试测试技术技术1.1 信号的分类与描述信号的分类与描述 为深入了解信号的物理实质，将其进行分类研究是为深入了解信号的物理实质，将其进行分类研究是非常必要的，从不同角度观察信号，可以将其分为：非常必要

12、的，从不同角度观察信号，可以将其分为： 1 按信号随时间的变化特征分类按信号随时间的变化特征分类-确定性信号与非确定性信号；确定性信号与非确定性信号；3 按信号的能量特征分类按信号的能量特征分类-能量信号与功率信号；能量信号与功率信号；第第一一章章测测试试信信号号基基础础知知识识2 按信号幅值随时间变化的连续性分类按信号幅值随时间变化的连续性分类-连续信号与离散信号；连续信号与离散信号；测试测试技术技术1 确定性信号与非确定性信号确定性信号与非确定性信号确定性信号确定性信号：可用明确数学关系式描述的信号。可用明确数学关系式描述的信号。非确定性信号非确定性信号：不能用数学关系式描述的信号。不能用

13、数学关系式描述的信号。信信号号的的分分类类与与描描述述 信号信号确定性确定性信号信号非确定非确定性信号性信号周期信号周期信号非周期信号非周期信号简单周期信号简单周期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态信号瞬态信号平稳随机信号平稳随机信号非平稳随机信号非平稳随机信号测试测试技术技术周期信号：经过一定时间可以重复出现的信号周期信号：经过一定时间可以重复出现的信号 x ( t ) = x ( t + nT )简单周期信号简单周期信号信信号号的的分分类类与与描描述述 mkAx(t)复杂周期信号复杂周期信号()00sinkx txtmj骣=+桫测试测试技术技术b) 非周期信号：再不会重复

14、出现的信号。非周期信号：再不会重复出现的信号。 准周期信号准周期信号:由多个周期信号合成，其中至少有一对频率比不由多个周期信号合成，其中至少有一对频率比不是有理数。如：是有理数。如：瞬态信号瞬态信号:持续时间有限的信号，如持续时间有限的信号，如信信号号的的分分类类与与描描述述 mAx(t )ck()00sinsin2x tttww=+( )00sintkx textmj-骣=+桫测试测试技术技术c)非确定性信号：不能用数学式描述，其幅值、相位变化非确定性信号：不能用数学式描述，其幅值、相位变化不可预知，所描述物理现象是一种随机过程。不可预知，所描述物理现象是一种随机过程。 信信号号的的分分类类

15、与与描描述述 平稳与非平稳平稳与非平稳测试测试技术技术2 连续信号与离散信号连续信号与离散信号 a) 连续时间信号连续时间信号(除若干不连续点）除若干不连续点）信信号号的的分分类类与与描描述述 b)离散时间信号离散时间信号模拟信号：（时间、模拟信号：（时间、幅值都连续）幅值都连续）数字信号（时数字信号（时间、幅值都离间、幅值都离散）散）抽样信号（幅抽样信号（幅值连续）值连续）测试测试技术技术3 能量信号与功率信号能量信号与功率信号 a)能量信号能量信号 在所分析的区间（在所分析的区间（-，），能量为有限值的信号称），能量为有限值的信号称为能量信号，满足条件：为能量信号，满足条件： 一般持续时间

16、有限的瞬态信号是能量信号。一般持续时间有限的瞬态信号是能量信号。瞬态信号瞬态信号信信号号的的分分类类与与描描述述 2( )x t dt- 测试测试技术技术b)功率信号功率信号 在所分析的区间（在所分析的区间（-，），能量不是有限值此时，），能量不是有限值此时，研究信号的平均功率更为合适。研究信号的平均功率更为合适。 一般持续时间无限的信号都属于功率信号。一般持续时间无限的信号都属于功率信号。信信号号的的分分类类与与描描述述 噪声信号噪声信号复杂周期信号复杂周期信号2120lim( )TTTTx t dt- 测试测试技术技术一维信号与多维信号一维信号与多维信号调制信号、载波信号与以调信号调制信号

17、、载波信号与以调信号6 混沌信号混沌信号7 典型的连续信号（时域描述）典型的连续信号（时域描述）1） 指数信号指数信号（衰减函数）, 0)(aketfat测试测试技术技术2）正弦信号）正弦信号0tsinwtkef(t)sin()(at，衰减正弦信号wtktf3）复指数信号）复指数信号)sin(cos)()(wtjwtkekeketfttjwst4）Sa(t)信号（抽样信号）信号（抽样信号）tttcdttSadttSatttSa)sin()(sin)(2)(sin)(0测试测试技术技术5）钟形信号（高斯函数）钟形信号（高斯函数）2)(tEetf7 典型的奇异函数典型的奇异函数/奇异信号（奇异信号

18、（函数本身有不连续点函数本身有不连续点或其导数与积分有不连续点）或其导数与积分有不连续点）测试测试技术技术1）单位斜变信号）单位斜变信号)( , 0)( ,0)0( , 0)0( ,000)()(tttttttttttftf测试测试技术技术2）单位阶跃信号）单位阶跃信号测试测试技术技术利用阶跃信号还可以表示符号函数利用阶跃信号还可以表示符号函数测试测试技术技术3）单位冲激信号）单位冲激信号测试测试技术技术测试测试技术技术1)()( ,0)(1)()0( ,0)(000dtttttttdtttt测试测试技术技术4）冲激偶函数）冲激偶函数测试测试技术技术4 信号的运算与分解信号的运算与分解1）移位

19、、反褶与尺度）移位、反褶与尺度测试测试技术技术测试测试技术技术2）信号的微分和积分）信号的微分和积分信号经微分突出显示了它的变化部分。积分可使信信号经微分突出显示了它的变化部分。积分可使信号的突变部分变得平滑，利用此作用可削弱信号中号的突变部分变得平滑，利用此作用可削弱信号中噪音的影响。噪音的影响。测试测试技术技术3）信号的相加与相乘）信号的相加与相乘测试测试技术技术4）信号的分解）信号的分解利用分形理论描述信号傅氏变换正交函数分量脉冲分量实部分量虚部分量冲激信号的叠加阶跃信号的叠加偶分量奇分量直流分量交流分量测试测试技术技术5 信号描述方法信号描述方法 时域描述：反映信号随时间变化时域描述：

20、反映信号随时间变化信信号号的的分分类类与与描描述述 频域描述：反映信号的组成成分频域描述：反映信号的组成成分 幅值域描述：反映信号幅值大小的分布幅值域描述：反映信号幅值大小的分布 时延域描述：反映信号间的相互关系时延域描述：反映信号间的相互关系同一信号无论选用哪种描述方法都含有同样的信息量同一信号无论选用哪种描述方法都含有同样的信息量测试测试技术技术1.41.4信号的时域波形分析信号的时域波形分析 信号的时域波形分析是最常用的信号分析手段，信号的时域波形分析是最常用的信号分析手段，用示波器、万用表等普通仪器直接显示信号波形，读用示波器、万用表等普通仪器直接显示信号波形，读取特征参数。取特征参数

21、。 tA1、周期、周期T，频率，频率f=1/TT2、峰值、峰值P，双峰值，双峰值Pp-pPPp-p第第一一章章测测试试信信号号基基础础知知识识测试测试技术技术A3、均值与绝对均值、均值与绝对均值01lim( )TxTx t dtT 均值均值0t均值：反映了信号变化的中心趋势，也称之为直均值：反映了信号变化的中心趋势，也称之为直流分量。流分量。信信号号的的时时域域波波形形分分析析 x| |01lim| ( )|TxTx tdtT绝对均值绝对均值x测试测试技术技术4、有效值与均方值、有效值与均方值有效值有效值(RMS)2210lim( )TxTTx t dt信信号号的的时时域域波波形形分分析析 2

22、10lim( )TrmsTTxx t dt均方值（平均功率）均方值（平均功率）测试测试技术技术5、方差、方差方差：反映了信号绕均值的波动程度。方差：反映了信号绕均值的波动程度。 信号信号x(t)的方差定义为：的方差定义为： 2210lim( ( )TxxTTx tdt信信号号的的时时域域波波形形分分析析 tx(t)测试测试技术技术1.5 信号的幅值域分析信号的幅值域分析 1 概率密度函数概率密度函数 以幅值大小为横坐标，以每个幅值间隔内出现的概以幅值大小为横坐标，以每个幅值间隔内出现的概率为纵坐标进行统计分析的方法。它反映了信号落在不率为纵坐标进行统计分析的方法。它反映了信号落在不同幅值强度区

23、域内的概率情况。同幅值强度区域内的概率情况。 xxxtxxPxprx0lim第第一一章章测测试试信信号号基基础础知知识识测试测试技术技术2、概率分布函数、概率分布函数 概率分布函数是信号幅值小于或等于某值概率分布函数是信号幅值小于或等于某值R的概率，的概率，其定义为：其定义为： 概率分布函数又称之为累积概率，表示了落在某一区概率分布函数又称之为累积概率，表示了落在某一区间的概率。间的概率。 RdxxpxF)()(信信号号的的幅幅值值域域分分析析 测试测试技术技术信信号号的的幅幅值值域域分分析析 测试测试技术技术 信号频域分析是采用傅立叶变换将时域信号信号频域分析是采用傅立叶变换将时域信号x(t

24、)变变换为频域信号换为频域信号X(f)，从另一个角度来了解信号的特征。，从另一个角度来了解信号的特征。 1.2周期信号的频谱分析周期信号的频谱分析 第第一一章章测测试试信信号号基基础础知知识识测试测试技术技术 频域分析的概念频域分析的概念周周期期信信号号的的频频谱谱分分析析 测试测试技术技术时域分析与频域分析的关系时域分析与频域分析的关系周周期期信信号号的的频频谱谱分分析析 MP3测试测试技术技术 周期信号是经过一定时间可以重复出现的信号，满周期信号是经过一定时间可以重复出现的信号，满足条件：足条件： x ( t ) = x ( t + nT )从数学意义上，凡是满足从数学意义上，凡是满足“狄

25、里赫莱狄里赫莱”条件的周期函数，条件的周期函数，都可以展开成傅里叶级数。都可以展开成傅里叶级数。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：1000100,.)2 , 1(),cos()()sincos()(nnnnnnntnAatxtnbtnaatx,.)3 , , 2 , 1( n周周期期信信号号的的频频谱谱分分析析 测试测试技术技术式中式中:;sin)(;cos)(;)(222/2/022/2/022/2/10nnabnnnnTTTnTTTnTTTarctgbaAtdtntxbtdtntxadttxa傅里叶级数的复指数函数展开式：傅里叶级数的复指数函数展开式：x tC enn

26、jntn( ),(,.) 001 2T周期，周期，T=2/0；0基波圆频率；基波圆频率；f0= 0 /2周周期期信信号号的的频频谱谱分分析析 测试测试技术技术)(2)sin()(21)cos()sin()cos(000000000tjntjntjntjntjneejtneetntnjtne欧拉公式欧拉公式周周期期信信号号的的频频谱谱分分析析 测试测试技术技术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：)sincos()(0100tnbtnaatxnnn,.)3 , ,2, 1(n改为复指数函数展开式改为复指数函数展开式：10)(21)(21)(00ntjnnntjnnnejbaej

27、baatx)(21)(2100nnnnnnjbaCjbaCaC令：令：周周期期信信号号的的频频谱谱分分析析 测试测试技术技术ntjnnntjnntjnneCtxeCeCCtx000)()()(10, 2, 1, 0n20200)(10TTdtetxTCtjnnnnnCCnnnnjnnnnCCCeCCjCCReIm22arctan)(Im)(ReImRe可得：可得：其中：其中：实频谱实频谱虚频谱虚频谱幅频谱幅频谱相频谱相频谱周周期期信信号号的的频频谱谱分分析析 测试测试技术技术例子：方波信号的频谱展开例子：方波信号的频谱展开三角函数展开式：三角函数展开式：幅频图幅频图相频图相频图周周期期信信号号

28、的的频频谱谱分分析析 测试测试技术技术复指数函数展开式：复指数函数展开式：nntjnenAjtx012)(02020arctan22nnnACnAnn当当nACCnn2Im0Re其中：其中：周周期期信信号号的的频频谱谱分分析析 测试测试技术技术方波信号复指数展开式的实、虚频谱和幅、相频谱方波信号复指数展开式的实、虚频谱和幅、相频谱实频谱实频谱虚频谱虚频谱幅频谱幅频谱相频谱相频谱频谱图的概念频谱图的概念 周周期期信信号号的的频频谱谱分分析析 测试测试技术技术方波信号的时域和频域的描述方波信号的时域和频域的描述周周期期信信号号的的频频谱谱分分析析 测试测试技术技术波形合成波形合成周周期期信信号号的

29、的频频谱谱分分析析 测试测试技术技术三角函数展开形式的频谱是三角函数展开形式的频谱是单边谱单边谱复指数展开形式的频谱是复指数展开形式的频谱是双边谱双边谱221,22000nnnnAbaCaACnnnnnnCCCC且共轭，即与,*双边幅频谱为双边幅频谱为偶函数偶函数，双边相频谱为，双边相频谱为奇函数奇函数。两种形式频谱图具有确定的关系：两种形式频谱图具有确定的关系：周周期期信信号号的的频频谱谱分分析析 测试测试技术技术1) 周期信号频谱是周期信号频谱是离散离散的；的；2)每条谱线只出现在基波频率的每条谱线只出现在基波频率的整倍数整倍数上，不存上，不存 在非整倍数的频率分量；在非整倍数的频率分量；

30、 3)各频率分量的谱线高度与对应谐波的振幅成各频率分量的谱线高度与对应谐波的振幅成 正比。工程中常见的周期信号，其谐波幅值正比。工程中常见的周期信号，其谐波幅值 总的趋势是随总的趋势是随谐波次数的增高而减小谐波次数的增高而减小的。的。结论：周期信号的频谱具有结论：周期信号的频谱具有离散性离散性、谐波性谐波性和和收敛性收敛性周周期期信信号号的的频频谱谱分分析析 测试测试技术技术非周期信号的频域分析手段是非周期信号的频域分析手段是傅立叶变换傅立叶变换。 1.3非周期信号的频谱分析非周期信号的频谱分析 非周期信号可以看成是周期非周期信号可以看成是周期T0的周期信号，区间周期信号，区间从从（ T T0 0 /2, T /2, T0 0 /2 /2）趋于趋于（，），），频谱的频率频谱的频率间隔间隔0 022T T0 0 d d，离散的离散的nn0 0变为连续的变为连续的，求和，求和变为变为积分积分。 第第一一章章测测试试信信号号基基础础知知识识测试测试技术技术x tXe