现代测试技术(1)

现代测试技术 张邦8826167bangjizhang 湖南大学机械与汽车工程学院 绪论 对研究对象的各种物理信号 特别是动态信号 进行检测 试验分析 并从中提取有用信息的技术 测试技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数测量必不可少的手段 起着人的感官的作用 简单的测试系统可以只有一个模块 如玻璃管温度计 它直接将被测温度的变化转化为液面示值 没有电量转换和分析电路 虽然结构很简单 但精度低 无法实现测量自动化 一 测试技术的概念 比较复杂的测试系统 例如 机器人可以灵活地把圆棒插入孔里进行作业 如果圆棒的插入角不适合 则会产生咬住现象而不能插入 为提高测量精度和自动化程度 以便于和其它环节一起构成自动化装置 通常先将被测物理量转换为电量 再对电量信号进行处理和输出 如图所示的声级计 机器人启动抓圆棒的手腕 先要找孔的位置 然后在不引起咬住现象的情况下能顺利地插入 能顺利进行插入作业是因为先检测出了由棒的接触关系而产生的左右 上下方向的力 然后根据这些力来调整圆棒的位置 图1机器人配合作业中的手腕运动 图2在机器人中用应变片检测力 应变片是细金属线 它伸长时电阻变大 缩短时电阻变小 测出电阻的变化便可知道变形量的变化 从而可以知道力的变化 用来检测这些力的传感器被称为力传感器 最常用的力传感器有应变片 实际应用中 如图2所示 是在弹簧材料上粘贴应变片来检测力的 关于应变片的工作原理将在课程中详细介绍 二 测试技术的应用 在工程领域 科学实验 产品开发 生产监督 质量控制等 都离不开测试技术 测试技术应用涉及到航天 机械 电力 石化和海洋运输等每一个工程领域 在各种自动控制系统中 测试环节起着系统感官的作用 是其重要组成部分 1 工业自动化中的应用 1 机械手 机器人中的传感器转动 移动位置传感器 力传感器 视觉传感器 听觉传感器 接近距离传感器 触觉传感器 热觉传感器 嗅觉传感器 2 AGV AutoGuidingVehicle 自动送货车 超声波测距传感器 判断建筑物内人和物所在位置 红外线色彩传感器 运动轨迹和AGV小车位置识别 条形码传感器 货品识别 3 生产加工过程监测 切削力传感器 加工噪声传感器 超声波测距传感器 红外接近开关传感器等 数字化加工中心 在电力 冶金 石化 化工等流程工业中 生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程 通常建立24小时在线监测系统 2 流程工业设备运行状态监控 石化企业输油管道 储油罐等压力容器的破损和泄漏检测 图示为汽车出厂检验原理框图 测量参数包括润滑油温度 冷却水温度 燃油压力及发动机转速等 通过对抽样汽车的测试 工程师可以了解产品质量 在汽车 机床等设备中 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 3 产品质量测量 为使建筑物成为安全 健康 舒适 温馨的生活 工作环境 并能保证系统运行的经济性和管理的智能化 在楼宇中应用了许多测试技术 如闯入监测 空气监测 温度监测 电梯运行状况 4 楼宇控制与安全防护 上图为某公司楼宇自动化系统 该系统分为 电源管理 安全监测 照明控制 空调控制 停车管理 水 废水管理和电梯监控 在家电产品和办公自动化产品设计中 人们大量的应用了传感器和测试技术来提高产品性能和质量 5 家庭与办公自动化 全自动洗衣机中的传感器 衣物重量传感器 衣质传感器 水温传感器 水质传感器 透光率光传感器 洗净度 液位传感器 电阻传感器 衣物烘干检测 5 其它应用 航天 农业 交通 医学 6 PC机中的测试技术应用 声位笔 超声波传感器 鼠标 光电位移传感器 摄像头 CCD传感器 麦克风 电容传声器 声卡 A D卡 D A卡 三 测试系统的组成 2 传感器 能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置 5 计算机 对信号进行分析与处理 1 被测物理量 如都是非电量 电量 电量参数 3 调理 衰减 放大 转换 滤波 调制 解调等 4 A D 模拟信号数字信号 四 测试系统的发展趋势 1 传感器方面 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 荧光材料制作的电子鼻传感器 2 传感器 嵌入式计算机智能传感器 智能压力网络传感器 智能倾角RS232传感器 IC总线数字温度传感器 嵌入式计算机 振动网络传感器 2 信号处理方面 计算机虚拟仪器技术 新的信号分析方法 用PC机 仪器板卡代替传统仪器 用计算机软件代替硬件分析电路 优点 五 课程主要内容 1 了解测试技术的重要地位 2 掌握信号处理的基本方法 包括信号的时域分析方法 相关分析方法和频域分析方法 3 掌握测试装置的动 静态特性 4 了解和掌握常用传感器的工作原理 基本特性 使用范围及选用原则 5 掌握常用信号调理方法的原理及应用 包括信号滤波 调制与解调的方法 电桥的工作原理和应用以及A D和D A转换原理 6 了解和掌握常用机械量的测量方法 第1章信号分析基础 信号分析的任务 从信号中提取各种有用信息 1 1信息与信号的基础知识 信号 传递信息的一种物理现象和过程 是信息的载体 只有包含了信息的信号才是有用的信号 信息 一切事物运动与状态的特征 是提供判断或决策的资料 信息既不是物质 也不是能量 但可以识别 转换 存储 传输 图1 1某一研究对象的位移信号 例1 信息 物体作匀速运动 信息 外敌入侵 1 2信号描述及其分类 信号函数 信号所包含的信息总含在某种形式的波形之中 在数学上 信号可以表示为一个或多个变量的函数 如 一维信号 语音信号二维信号 黑白照片 信号波形 被测信号幅度随时间的变化历程称为信号的波形 信号的分类主要是依据信号波形特征来划分的 在介绍信号分类前 先建立信号波形的概念 信号波形图 用被测物理量的强度作为纵坐标 用时间做横坐标 记录被测物理量随时间的变化情况 1 确定性信号 可用明确的数学关系来描述 2 非确定性信号 不能用明确的数学关系来描述 习惯上 取自变量为 时间 根据信号的特性 信号的分类如下 在确定性信号中 每隔一定时间重复取值的信号称为周期信号 它满足 1 1 在周期信号中 按正弦或余弦规律变化的信号称为谐波信号 它是最简单和最重要的一类周期信号 其一般表达式为 1 2 式中 分别为谐波信号的幅值 圆频率和初相位 谐波信号的周期和圆频率的关系为 1 3 频率的含义为每秒内波形重复次 而圆频率的含义为每秒内转过的弧度为 周期的倒数称为频率 记做 即 1 4 时域和频域的对应关系 频域参数对应于设备转速 固有频率等参数 物理意义更明确 131Hz 147Hz 165Hz 175Hz 1 傅里叶级数展开的三角函数形式傅立叶级数定理以为周期的周期函数 如果在或上满足 连续或只有有限个第一类间断点 只有有限个极值点 那么在或上就可以将周期信号展开成三角函数形式的傅立叶级数 1 3周期信号的特征 一 周期信号的频谱特征 1 5 式中 1 6 1 7 1 8 1 9 称为傅里叶系数 反映了周期信号的频率结构 它们的物理意义在于 式 1 6 中的称为基频 称为倍频 周期信号的直流分量 周期信号中频率为的余弦分量的幅值 周期信号中频率为的正弦分量的幅值 是随着变化而变化的 而当变化时 频率也发生变化 因此是随着频率而变化的 的物理意义分别为 幅值谱 以频率为横坐标 幅值为纵坐标所作的图 它反映了周期信号中各频率成分幅值所占的比重 相位谱 以频率为横坐标 初相位为纵坐标所作的图 它反映了周期信号中各频率成分的初相位情况 频率为的谐波分量的幅值 频率为的谐波分量的初相位 图1 2周期方波信号 例1 1求图1 2中所示周期方波的傅立叶级展开式 并作出幅值谱与相位谱图 解在一个周期内的表达式为 由式 1 7 1 8 1 9 得到 奇函数在对称区间上积分等于零 由此可以作出周期方波的幅值谱和相位谱 分别如图1 3和图1 4所示 因此 周期方波的傅里叶级数展开式为 图1 4周期方波信号的相位谱 图1 3周期方波信号的幅值谱 2 傅里叶级数的复指数展开形式 令 那么式 1 11 可以写成 1 12 式 1 12 称为傅里叶级数的复指数展开形式 其中 称为级数的复傅里叶系数 一般为复数值 1 13 因此 可以写成 那么 显然由式 1 13 可以得到 1 14 1 15 式 1 14 和式 1 15 说明了复指数展开形式的傅里叶系数和三角函数展开形式的傅里叶系数之间的关系 下面研究复指数展开形式的傅里叶系数的物理意义 将式 1 12 写成 1 16 双边幅值谱 以频率为横坐标 幅值为纵坐标所作的图 它反映了周期信号中各频率成分幅值所占的比重 双边相位谱 以频率为横坐标 初相位为纵坐标所作的图 它反映了周期信号中各频率成分的初相位情况 频率为的谐波分量的幅值 频率为的谐波分量的初相位 双边幅值 相位 谱和单边幅值 相位 谱的区别 1 双边幅值 相位 谱中 横坐标 频率 取值从到 而单边幅值 相位 谱中 横坐标 频率 取值从到 负频率的出现 只是数学上的需要 并无实际意义 2 双边幅值谱和单边幅值谱中幅值和的关系为 3 双边相位谱和单边相位谱中相位和的关系为 因此 用作幅值谱表达的各次谐波分量的幅值要比表达的小一倍 且在对称的 负频率 处多了一个相应大小的幅值 也就是说在双边谱图上 需要在频率上的两个幅值合起来才能表示单边谱图上的同一谐波分量的幅值 如图1 8所示 图1 8和的关系图 例1 3求图1 9中所示周期方波的傅立叶级的复指数展开式 并作出双边幅值谱图 图1 9周期方波信号 解由式 1 13 有 因此有 进一步求出幅值和相位 作出双边谱如图1 10所示 图1 10周期方波信号的双边幅值谱 对于正弦信号 有 对于余弦信号 有 例1 4画出余弦 正弦信号的单边谱 双边谱 解首先分析单边谱 再考虑双边谱 由欧拉公式有 因此 对于余弦信号有 对于正弦信号有 时域图形 单边谱 双边谱 单边相位谱 双边相位谱