测试技术在机械工程中的作用和重要性.doc

1 绪 论 Introduction 一、 测试技术在机械工程中的作用和重要性。1、首先了解测试的概念 测试是具有试验性质的测量，试验是对迄今未知事物探索性认识过程，测量是为确定被测对象的量值而进行的实验过程。测试可理解为测量和实验的综合。 测试技术属于信息科学的范畴，是信息技术的三大支柱（测试控制技术、计算机技术和通信技术）之一。2、测试技术的作用和重要性。（1）我们凡是考察事物的状态、变化和特征等进行定量的描述时，都离不开测试工作。测试是人类认识客观世界的手段，是科学研究的基本方法，科学定律是定量的定律，科学探索需要测试技术，检验科学理论和规律的正确性需要测试技术，可以认为精确的测试是科学的根基。（2）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等，都离不开测试技术。特别是近代自动控制技术已越来越多的运用测试技术，测试装置已成为控制系统的重要组成部分。（3）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技术发明的手段。我们可以设想：如果没有原始的材料试验数据，就不能充分合理和有效地进行强度计算；如果没有有效的参数监护测试仪器，就不能使设备高效率地安全运行；如果没有工艺流程数据的测试和采集，就无法实现任何自动化。所以说测试技术是机械工业发展的一个重要基础技术，也成为国民经济发展和社会进步的一项必不可少的重要基础技术。因而，使用先进的测试技术也就成为经济高度发展和科学现代化的重要标志之一。因此，测试技术是我们机械工程技术人员必须掌握的一门实践性很强的技术，也是我们从事生产和科学研究的有力手段。测试目的：（1）是为改造旧设备和设计新设备提供材料试验数据及各种参数； （2）可检验现有理论的正确性，并通过实验和测试，探索发展新理论； 2 （3）是实现自动监测、自动化生产的必不可少的手段。 二、测试系统的一般组成 工程技术所涉及到的量大致可以分为物理量和化学量两大类。其中物理量又可分为电量（电磁量和无线电量）和非电量（如机械量、热学量、光学量、时频量、放射线量等）。机械测试技术主要叙述机械量的测试与分析技术。信息量是蕴含在某些物理量之中，并依靠它们来传输的，这些物理量就是信号。 信息与信号的关系：信号是信息的载体，信息是通过信号的形式表现出来。 信号有：电信号、光信号、力信号、振动信号、温度信号等等，其中电信号在变换、处理、传输和运用等方面有明显的优点，因而是应用最广泛的信号。 电量测试技术 机械工程测试技术可分为 非电量测试技术 电量测试技术属于电工测量，（如电压、电流、电功率等的测量）。 非电量测试技术与电量测试技术相比，其本质的差别就在于前者必须具有将非电量转换为电量的转换环节。 机械工程测试技术主要研究机械参数的动态测试技术及测试信号或数据的处理和分析技术，它包含着许多环节，可看作是一个系统。如以适当的方式激励被测对象后，进行信号的监测和转换、信号的调理、分析与处理、显示与记录、输出结果等。测试系统框图如图 1 所示。 机 量 械 传 器 感 接收 指示 专 分 仪 用 析 打印 机 量 械 中 转 器 间 换 放大 记录 微 机 型 绘图 激励 验 置 试 装 1 试 统 图 图 测 系 框（1）激励 要选好方式，能充分显示所需的特性参量。（2）传感器 是将被测信息转换成某种电信号的器件（或装置）。它包括敏感器和转换器两部分。 敏感器（敏感元件） 一般是将被测量如温度、压力、位移、振动、流量、等转换为某种容易检测的信号； 3 转换器 则是将这种信号变成某种易于传输、记录的电信号。例如在机械测试中，将机械量转换成电量或其他量的装置，称为机械量传感器。（3）信号的调理环节 是把来自传感器的信号转换成更适合于进一步传输和处理的形式。这种信号的转换，多数是电信号之间的转换。如幅值放大、将阻抗的变化转换成电压的变化等。（4）信号的处理环节 是对来自信号调理环节的信号进行各种运算和分析（5） 信号显示、记录环节 是将来自信号处理环节的信号以观察者易于观察和分析的形式来显示或存储测试结果。 反馈、控制环节 主要是用于闭环控制系统中的测试系统。注意：为了准确的获得被测对象的信息，要求测试系统中每个环节的输出量与输入量之间必须具有一一对应关系，而且输出的变化能够准确的反映出其输入的变化，即实现不失真的测试。 三、 试技术的发展概况 现代测试技术，既是促进科技发展的重要技术，又是科学技术发展的结果。 现代科技的发展不断向测试技术提出新的要求，推动测试技术的发展。与此同 时，测试迅速吸收和综合各个领域的新成就，开发出新的方法和装置。 近年来，新技术的兴起促使测试技术迅猛发展，在以下方面最为突出：1.电路设计的改进 广泛采用运算放大器和各种集成电路。这大大地简化了测试系统，提高了系统特性。如有效减少负载效应、线性误差等。2.新型传感器的层出不穷、可测量迅速增多 传感器向新型、微型、智能型发展。主要表现在以下三方面。（1）物性传感器的大量涌现 主要体现在新材料的开发，如半导体、陶瓷、光导纤维、磁性材料、及所谓“智能材料”（如形状记忆合金，生物体材料等）。（2）集成、智能传感器的开发 微电子学、微细加工技术、集成化工艺等方面的进展，出现了多种集成化传感器。如多种不同功能的敏感元件集成一体；或与放大、运算、温度补偿等电路集成一体；更有把部分信号处理电路集成一体成为智能传感器等等。 4（3）化学传感器的开发 近 20 年来，工农业、环境监测、医疗卫生和日常生活等领域、广泛应用化学传感器。如气体传感器、温度传感器、离子传感器和生物传感器等。随着发展也将出现一些智能化传感器。3、广泛应用信息技术 信息技术特别是计算机技术和信息处理技术使测试技术产生了巨大的变化，大幅度提高了测试系统的精确度、测量能力和工作效率。引用许多新的分析手段和方法。4.测量方式的多样化（1）多传感器融合技术在制造过程中的应用 多传感器融合是解决测量过程中信息获取的方法，它可以提高测量信息的准确性。（2）积木式、组合式方法 增加测试系统的柔性，实现不同层次不同目标的测试目的。（3）便携式测量仪器 如便携式光纤维干涉测量仪、便携式大量程三位测量系统等，用于解决现场大尺寸的测量问题。（4）智能结构 它用于结构检测与故障诊断，是融合智能技术、传感器技术、信息技术、仿生技术、材料科学等于一体的一门交叉学科，使检测的概念过渡到在线动态、主动的实时监测与控制。（5）测量尺寸继续向两个极端发展 两个极端就是指相对于现在测量尺寸的大尺寸和小尺寸。 大尺寸测量 如飞机外形测量，大型机械关键部件测量等。 小尺寸测量 如微米、纳米测量。使用的仪器有：光干涉测量仪、量子干 涉仪、X 射线干涉仪、扫描电子显微镜（SEM）、分子测量机（M3）等。 多参量测量系统的开发四、课程的研究对象和学习要求 本课程的研究对象是机械工程动态测试中常用的传感器，信号调理电路及记 5录仪器的工作原理，测量装置基本特性的评价方法，测试信号的分析和处理，以及常用的几何量、物理量的测量方法。 本课程的特点： 1、测试技术是一门边缘学科，需要多种学科知识的综合运用。如需要具有高等数学、工程力学、物理学、电工、电子学、机械振动、计算机、控制工程基础等学科知识。 2、技术又是一门实践性很强的应用学科，离开实践将无法掌握它，要加强实验，密切联系实际，通过实验，消化、理解所学的基本理论和基本方法，本课程共做 8 个实验。 1.机械工程测试技术基础本课程共分为三大部分 2.测试技术的应用（常用参量的测量） 3.信号分析与处理、现代测试系统（计算机辅助测试）学习本课程的要求： 机械工程测试技术是一门技术基础科。通过本课程的学习，培养学生能合理地选用测试装置并初步掌握进行动态测试所需的基本知识和技能，较准确地测量主要的机械量，为学生进一步学习、研究和处理机械工程技术问题打下基础。学生学完本课程后应具备以下几方面的基本知识：（1）掌握信号的时域及频域的描述方法，建立明确的信号的频谱结构的概念；掌握频谱分析和相关分析的基本原理和方法；掌握数字信号分析中的一些基本概念。（2）掌握测试装置静、动态特性的评价方法和不失真测试条件，掌握一阶、二阶系统动特性和测定方法，以便正确地选用测试仪器。（3）通过测力、测位移了解常用传感器、常用信号调理电路和记录仪器的工作原理和性能以及选用原则。（4）通过测振，对动态测试的基本问题有一个完整的了解，并能初步运用于机械工程中某些参量的测试。（5）掌握测量误差的分析方法和数据处理，了解相关功率谱概念及其应用。 6 第一章 信号及频谱 Chapter 1 Signal and frequency chart本章学习要求：1.了解信号的类型及其产生； 2.掌握信号时域和频域描述的方法，建立明确的信号频谱概念； 3.熟练掌握周期非周期信号计算方法； 4.了解随机信号的描述和特点以及典型信号频谱特点； 5.掌握付里叶变换的基本原理和主要性质在学习方法上：可先复习工程数学有关付里叶级数、积分变换和随机过程的知 识，着重理解频谱的概念，为以后深入理解信号分析处理打下 基础，并逐步认识信号及在各种“域”中的变换的目的和方法。 第一节 信号的分类及描述 Section 1 The classification of the signal and describe一、信息与信号的关系 测试工作的首要任务 将信息（状态、运动、特征等）转变成易于传输、记录和分析的信号。 信息 被研究对象的状态和特征的表征或反映，如受力构件的应力状态，减振器的阻尼特征等，它是抽象看不见的。 而信号 信息的载体，是传载信息的工具，最常用的是电信号，如 I、U。二、信号的分类 静态信号：不随t变或随t作缓慢变化； 信号可分为 动态信号：随时间变化。 周期信号 确定性信号 非周期信号 准周期信号 瞬变非周期信号 动态信号可分为 非确定性信号（随机信号） 平稳随机信号 非平稳随机信号 71、确定性信号:能用明确的数学关系式描述的信号，可以准确的预计未来任意时刻信号的值。周期信号：按一定时间间隔 T 周而复始重复出现的信号 即满足 xt xtnT 式 1.1 如 xt x p sin t 0 式 1.2 xt xp t 图 1.12瞬变非周期信号：是指不能重复出现的或在一定时间区域内随时间的增长而 衰减至零的信号。 如 xt e t sin t 0 式 1.3 xt t 图 1.23准周期信号：由两种以上周期信号合成的，但无公共周期（频率比为无理数）的信号。 如 xt x1 sin 3 t x2 sin 2t 式 1.42、随机信号：是一种不能准确预测其未来瞬时值，也无法用数学表达式来描述 的信号，但可以用概率统计的方法来估计未来值。平稳随机信号：统计特征参数不随时间 t 变化的随机信号；非平稳随机信号：统计特征参数随时间 t 变化的随机信号。三、信号的时域描述和频域描述1、 信号的时域描述 8 是以时间 t 为独立变量来描述信号的；它仅反映信号幅值随时间变化的关系 ，而不能揭示信号的频率组成关系。规律（快慢）2、 信号的频域描述 将时域信号通过分析变为频域信号，即以频率为独立变量来描述信号的。例：周期方波的时域描述： Xt A t 0 T T 2 2 -A 图 1.3X 4A 4A4A 3 4A 4A 5 7 3 5 7 3 5 7 幅频图图 1.4 相频图图 1.5 9 xt xt nT 式 1.5 T A 0t xt 2 A T t 0 2 经付氏级数展开的： 4A x t sin t sin 3 t sin 5 t 式 1.6 式中 2 / T 此式说明周期方波是由一系列幅值和频率不等、相角为零的正弦谐波信号叠加成分找出来，按序排列，得出信号的频谱。 结论:信号的时域描述直观地反映信号幅值随时间变化的情况，而频域描述则反映信号的频率组成及幅值和相角的大小。 第二节 周期信号与离散频谱 Period signal with long-lost frequency chart一、付氏级数的三角函数展开式 任何周期函数 xtxtnT在满足狭里赫利条件时，可展开成付氏级数的三角函数形式： xt a0 an cos n 0t bn sin n 0t 式 1.7 n 1 式中： 1 T0 常量分量：a0 T0 2 T 0 xt dt 2 2 T0 余弦分量幅值：an 2 0 xt cos n 0tdt T 式 1.8 T0 2 2 T0 正弦分量幅值：bn 2 0 xt sin n 0tdt T T0 2其中： T0 -周期 10 2 0 -圆周率， 0 ； T0 n123也可写成模和幅角形式： xt a0 An sin n 0t n 式 1.9 n 1 an式中： An an 2 bn 2 n ar ctg bnAn sin n 0t n 为 n 次谐波由上式可见，周期信号是由无穷多个不同频率的谐波叠加而成的。 式中: 0 -基频，相应的的信号为基波； n 0 -n 倍频，相应的信号为 n 次谐波； An - 为幅频图； n - 为相频图。 2n 为正整数，频谱图中得相邻两频率的最小间隔为 0 所以周期 T0信号的频谱是离散的谱线。例1、 求周期方波的付氏级数 A T 4 T/4 A t T -A T 2 2 图 1.6 A T 2 t T / 4xt A T / 4 t T / 4 式 1.10 A T / 4 t T / 2根据付氏级数展开式，求： 1 T /2 T T / 2 a0