机械工程测试整理_简单排版后

1 机械工程测试机械工程测试 题型题型 一 填空题 共 20 分 二 选择题 共 10 分 三 名词解释 共 15 分 四 计算题 共 35 分 五 综合题 共 20 分 内容内容 1 章 1 10 周期与非周期信号时域波形及其频谱特点 信号的分类 确定性信号 周期信号 离散的频谱 非周期信号 准周期信号 离散的频谱 随机信号 瞬变非周期信号 连续的频谱 另分法 离散信号和模拟信号 其中离散信号中的数字信号频谱上幅值和频率皆离散 能量信号和功率信号 其中衰减的指数函数和矩形脉冲函数是能量信号 正弦余弦信 号是功率信号 注 能量信号和功率信号的求解自相关和互相关函数的公式不同 随机信号中平稳随机信号 统计特征不随时间变化而变化的随机过程 实际测试工作 中将随机信号按各态历经过程处理 2 4 函数的性质 采样性质 00 ttf t dtf t 卷积特性 即在发生函数的坐标位置上简单的将进 00 x tttx tt x t 行重构 即频率的搬移 可见余弦正弦函数的 Fourier 变换是函数的组合函数 故求 其截断函数中就是把窗函数进行频域搬移 的频谱 为等强度的均匀谱 白噪声频谱 t 3 卷积 Def x ty txy td 1 t tt f 1 2 卷积的 Fourier 变换性质 时域的卷积对应频域的乘积 时域的乘积对应时域的卷积 4 Fourier 变换 注意此处 Fourier 定义与所学数学上定义不同 并且是以频率表示的 f Def 2 2 jft jft Xfx t edt x tXf edf 常用的 Fourier 变换对 000 000 1 1 cos 2 2 1 sin 2 2 0 0 2 at t f tffff f tffff A Aeat ajf 另外窗函数 Fourier 变换 1 2 0 T t w t other sin w tWf WfTcfT 其中 为偶函数 在处为零值 sin sinc 1 2 nn 图形 Wf 0 3 T 2 T 1 T 1 T 2 T 3 T Wf f 0 2 T 2 Tt w t 最好记住这图 Forier 变换的性质 3 时移 0 2 0 jft x ttXf e 频移 0 2 0 jf t x t eXff 时间尺度改变特性 1f x ktX kk 由上面公式 可知时间尺度压缩时 即时 频带加宽 幅值降低 时间尺度扩展1k 时皆反 前者对应记录磁带慢录快放 后者对应快录慢放 5 22 截断余弦函数的频谱 Tt Ttt tx 0 cos 0 则 0 twtxtx Tt Tt tw 0 1 而 000 1 2 Xfffff 0 0 2 f 2 sin2W fTcfT 0 00 00 00 1 2 sin2 2 sin2 sin2 sin2sin2 X fXfW f ffffTcfT TffcfTTffcfT TcffTTcffT 2 章 1 15 传递函数及其特点 分清几个函数 传递函数 复数域 与初始输入无关 反应的是系统的结构决定的性能 频率响应函数 频率域 反应系统对正弦信号的响应联系 响应幅值和原幅值关系 响应相位和原相位关系 且响应信号仍为正弦信号 频率不变 特别注意是输出处于 稳态时候的关系 单位脉冲响应 时域 是系统对函数的时域响应函数 三者关系 传递函数 H s 频率响应函数 Hj 脉冲响应函数 H t sj 用代替取 Laplace 变换 传递函数的计算 H s 4 o U i U 自控复阻抗算法 电阻 R 电感 Ls 电容 1 Cs 串联分压 故 1 R H s R Cs 2 11 测试装置静态特性 线性度 指装置输入输出之间的关系与理想比例关系 最小二乘拟合直线 的偏离程度 灵敏度 单位输入变化引起的输出变化 即 分子和分母量纲一致时称放大倍数 Y s X 回程误差 迟滞误差 在量程测量范围内 自变量由小到大和由大到小过程中 因变 量和自变量的关系曲线不重合 分辨力 引起输出值产生可以察觉的最小输入量 零点漂移和灵敏度漂移 3 12 系统的频率保持特性 系统的频率保持性只在书上 49 页有提到 可以描述为对正弦的响应 频率不变 其性 质证明是由于微分方程是线性的 测量装置的动态性能 动态性能的描述 传递函数 频率响应函数 脉冲响应函数 阶跃响应 4 系统性能好坏 一阶系统时间常数越小 响应越快速 性能越好 二阶系统固有频率越大越好 也即时间常数越小越好 阻尼比处于 n T 最好 太大 无超调单达稳态时间长 太小 超调太大 振荡次数多 甚而0 60 8 无稳态 其中动态性能中涉及静态灵敏度计算时 静态灵敏度 原因静态即频率为零 g s o sH s 000js 5 5 脉冲输入与脉冲响应 脉冲响应函数时域表达 y tH tt 取 Laplace 变换对应于 1Y sH sH s 故时域的即脉冲响应函数的 Laplace 变换就是传函 1 y tFH s 6 20 一阶传递函数误差及其计算 系统传递函数为 1 1 H s s 5 频率响应函数 1 1 Hj j 幅值关系 2 1 1 A 相位关系 arctan 时 1 45 故百分误差计算 0 1A 7 6 满足测试装置不失真测试的条件 0 0 AA t 即测试系统频率响应函数幅值为常数 相位线性 3 章 1 分类 物性传感器 利用材料本身的物理性质变化 结构性传感器 利用传感器的结构参数变化而实现的信号变化 2 机械传感器 利用机械的弹性元件作为敏感元件 适用于检测缓变或静态的量 但弹性元件易蠕变和产生弹性后效效应 3 1 金属应变片与半导体应变片灵敏度的差异 一般公式 12 dR EE R 其中为泊松比 为压阻系数 为弹性模量 灵敏度 后电桥计算中用到 g R R s 金属应变片 利用电阻丝的几何尺寸随应变变化而变化12 g s 半导体应变片 利用电阻率随应变变化而变化 基于材料的压阻效应 g sE 金属应变片 优 温度稳定性好 线性度好 缺 灵敏度低 半导体应变片 优 灵敏度高 机械滞后小 横向效应小 体积小 缺 温度稳定性差 灵敏度离散度大 测大应力时非线性误差大 注意书上其动态电阻测量仪电路 4 电容传感器 平行板电容 6 0 0 A CA 其中真空中介电常数相对介电常数 极板面积 极板间距 变极距型 变面积型 变介质型 三者灵敏度依次降低 5 13 涡流传感器及处理电路 涡电流 当通有高频电流的线圈接近金属板时 在金属板的表面 集肤 产生感应电场 进而产生感应电流 感应电场的电场线是闭合的 故称为涡流 并且感应电场产生的 磁场和原线圈场方向相反 当线圈与金属板距离减小时 线圈自感增加 阻抗增加 涡电流的测量应用电路 非接触式 6 磁电传感器 将被测物理量转变为感应电动势 分为动圈式和磁阻式 磁阻式 利用运动着得物体 导磁材料 改变磁路的磁阻 引起磁力线的增强或减弱 进而使线圈产生感应电动势 7 压电传感器 压电效应 某些物质在受到外力作用时 不仅几何尺寸发生变化 而且内部极化 表 面上有电荷出现 出现电场 当外力去除后 有重新恢复到原来状态 逆压电效应 压电晶体处于电场中 其几何尺寸也会发生变化 超声波探头 压电易于做动态测量 压电晶片并接时 适用于电荷输出 压电晶片串接时 适用于电压输出 前置放大器 作用 传感器高阻抗变低阻抗 放大微弱的传感器输出信号 形式 电容反馈的电压放大器 与输入电压呈正比 电容反馈的电荷放大器 与输入电荷呈正比 但两者输出均为电压信号 且后者与电缆的分布电容没有关系 抗干扰能力强 8 热电偶传感器 热电效应 9 14 光电传感器工作原理 外光电效应 在光照作用下 物体内的电子从物体表面逸出 光电管和光电倍增管 内光电效应 半导体材料受到光照时 电阻值减小 热敏电阻 光生伏打效应 在光的照射下使物体产生一定方向电动势 光电池 10 光纤传感器 强度调制 频率调制 相位调制 偏振调制 分类 功能型 传输光 并作敏感元件 7 传光型 只传输光 11 8 霍尔传感器 霍尔效应 将霍尔元件置于磁场中 当相对的两端通上电流时 在另相对的两端将出 现电位差 霍尔电势 的现象 本质 运动电荷在磁场中受洛伦兹力的作用 应用 测钢丝绳断丝 测转速 12 磁阻效应 霍尔元件处于磁场中 会产生载流子的偏移 故沿其电流传输方向电流的分布密度不 同 进而沿电流传输方向的电阻不同 13 热敏气敏和 CCD 14 压阻效应 是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时 其电阻率发生变化的现象 15 17 主要传感器的原理 各类物理效应 3 接触与非接触式测量及举例 23 传感器在测试中的应用 测量方案及其原理 注 各类传感器应用具体参见机械四班老师给测量电路第五题 综合题 错误 8 题 涡流金属探伤变的应该是磁导率 注意点 应该注意的是先分清信号的调制方法 即是幅值调制还是频率调制 然后确定后处理 电路的各环节 比如幅值调制一般用相敏检波然后低通滤波 最后接显示记录仪器 而频率调制 一般是频率调制振荡器 然后接鉴频器 后放大输出 然后还有就是 转速测量中一般用频率调制方法 因为都是靠脉冲个数计数 转速变 化对应单位时间脉冲个数变化 进而对应就是频率的调制 最后就是上课做的实验应特别关注 可能会考 4 章 电桥 1 16 电桥的概念 19 电桥及其灵敏度计算 21 电桥调制信号及其频谱 分类 直流电桥和交流电桥 交流电桥的抗干扰能力强 直流电桥 基本公式 44 22 e oe e oe oee UR UUs R UR UUs R R UUsU R 单臂灵敏度 半桥灵敏度 全桥灵敏度 接桥时注意事项 相邻桥臂的应变片受力情况相反 相对桥臂受力情况也相反 交流桥平衡条件 对角线上相对桥臂阻抗模的乘积相等 阻抗角之和相同 8 e U o U 临边 对边对角线 2 2 调制与解调的常用方法 调制 Def 低频信号与高频信号相乘 据低频信号改变高频信号的幅值或频率或相位 依次为幅值调制 频率调制 相位调制 低频信号称为调制信号 高频信号称为载波 最后得到称为已调制信号 调制缘由 直流信号放大会带来零漂和级间耦合等问题 造成信号失真 交流信号放 大器抗零漂性能好 幅值调制过程 参看示意图 原信号 载波 已调制信号 x t 0 cos 2f t 0 cos 2x tf t 对应于频域 00 00 00 cos 2 cos 2 1 2 F x tf tF x tFf t Xfffff XffXff 与函数乘积即为频率的搬移过程 解调过程 将已调函数再乘以 同步解调 0 cos 2f t 最后通过滤波器消除高频信号 包络检波 先进行直流偏置 再进行整流 相敏检波 恢复调制信号的极性和幅值 注意在动态电阻检波仪应用 1 2 0 f 0 ff 0 cos 2Ff t Xf f m f m f 0 A 幅值调制解调示意图 9 0 cos 2XfFf t f 0 f 0 f 0 2 A 00 cos 2 cos 2XfFf tFf t f 0 2 f 0 2 f 0 2 A 防止混叠的可调制条件 0m ff 调频 通过 LC 振荡器 解调 鉴频器 将频率变化转变为电压变化 鉴频器实质 高通滤波器和一个包络检波器构成 前者将调频信号解调成调幅信号 再经包络检波 恢复原信号 3 7 带通滤波器的中心频率与两侧截止频率的关系 滤波器分类 低通 高通 带阻 带通 有源滤波 集成放大器和基本 LRC 环节组成 和无源滤波 实际滤波器的性能参数 截止频率 幅值衰减为原幅值 1 2 时对应频率 包括上截止频率和下截止频率 2c f 1c f 带宽 表示滤波器的分辨力 越小越好B 21cc Bff 波纹幅度 越小越好 品质因数 为中心频率 品质因数越大 相对带宽越小 滤波器性能Q 0 f Q B 0 f 越好 倍频程选择性 越大滤波器性能越好 滤波器因数 理想滤波器 1 低通滤波器和高通滤波器串联可构成带通滤波器 多路滤波器分类 恒带宽比 0 costant B f 10 21 001 012 2 2 n cc n ii cc ff ff ff f 上截止频率 中心频率 恒带宽 21 costant cc ff 中心频率可调式 带宽越窄 建立滤波时间越长 4 放大电路 射极跟随器 高输入阻抗 故常做阻抗变换器 5 章 1 9 采样定理 采样过程 采样预处理 时域采样 窗函数截断 频域采样 为防止混叠采样频率大于被采样信号最高频率的 2 倍 s f h f 即 1 2 sh s ff T 由于采样引起的误差 量化误差 量化电平和实际电平之间的差值 误差是间隔的 1 2x 1 2b D x 泄露 由于窗函数截断原信号 造成信号带宽增加 进而其能量在频率轴上分布扩展 的现象 对周期信号实行整周期截断是获得准确频谱的先决条件 2 18 自相关函数及其计算 对功率信号 0 1 lim T x T Rx t x tdt T 自相关函数性质 是偶函数 自相关函数在时取最大值 且最大值为信号的均方值0 2 x 当 2 xx R 周期函数的自相关函数仍为同频率的周期函数 其频率和原周期信号相同 幅值 和原信号相关 只是丢失了原信号的相位信息 的自相关函数是 0sin xt 2 0 cos 2 x 对于能量信号 指数衰减信号和矩形脉冲函数 自相关函数 x Rx t x tdt 说明 机械四班老师给题目中指数衰减函数的自相关函数求解有错 下给出正确解答