《船舶动力测试技术》研究生教学课件

1、机械工程测试技术机械工程测试技术Measurement & Test Techniques of Mechanic Engineering 课时计划上课40学时、试验8学时916周（6学时）课程教材机械工程测试技术（陈花玲）课程考核平时：上课、作业20试验：10期末闭卷考试：70内容安排1 1、绪论、绪论2 22 2、机械测试信号分析与处理、机械测试信号分析与处理6 63 3、测量装置的基本特性、测量装置的基本特性4 44 4、测量误差分析、测量误差分析4 45 5、信号获取与调理、信号获取与调理6 61 16 6、计算机测试技术、计算机测试技术4 41 17 7、力、压力和位移测量、力、压力

2、和位移测量2 28 8、温度测量、温度测量2 29 9、振动与噪声测量、振动与噪声测量2 21010、转速与功率测量、转速与功率测量2 21111、流速与流量测量、流速与流量测量2 21212、其它测试技术、其它测试技术2 2指导教师：指导教师：试验内容试验内容试验序号序号实验名称实验名称学时学时周次周次1信号分析信号分析+测量装置设计虚拟实验测量装置设计虚拟实验2112传感器性能实验传感器性能实验2133虚拟仪器设计实验虚拟仪器设计实验2154信号调理特性实验信号调理特性实验216机械工程测试技术机械工程测试技术 绪论（绪论（2）第一章第一章内容内容 1. 机械产品的发展2. 测试目的3.

3、测试系统组成4. 测试技术的发展5. 主要生产厂商重点：掌握测试系统的组成与测试技术的发展 o 测试系统的对象：机械产品测试系统的对象：机械产品1、机械产品的发展、机械产品的发展 o 机械产品的灵魂是测试系统机械产品的灵魂是测试系统 测试系统的成本已经达到装备系统总成本的测试系统的成本已经达到装备系统总成本的50507070一架飞机需要一架飞机需要36003600只传感器及其配套的监测仪器只传感器及其配套的监测仪器一辆汽车需要一辆汽车需要3030150150只传感器及其配套的监测仪器只传感器及其配套的监测仪器1、机械产品的发展、机械产品的发展 中央控制中央控制“阿波罗10”有3295个检测参数

4、温度传感器温度传感器559559个个压力传感器压力传感器140140个个信号传感器信号传感器501501个个遥控传感器遥控传感器142142个个高高性性能能传传感感器器的的集集合合体体o 机械产品和测试系统相互促进机械产品和测试系统相互促进 产品对测试的需求产品对测试的需求 高精度、高可靠、多功能高精度、高可靠、多功能 测试对产品增值测试对产品增值 汽车、家电、机床汽车、家电、机床1、机械产品的发展、机械产品的发展 惯导平台调试安装（运载火箭）惯导平台调试安装（运载火箭）1、机械产品的发展、机械产品的发展 现代机械产品发展高速/效化柔性化自动化大/微型化精密化“极端制造”综合集成 信息化集成化

5、综合化模块化智能化网络化数字化 “极端制造”方向：高、大（微）、精、专（柔）高效化与高速化高效化与高速化o 高速化是许多机械设备的发展趋向高速化是许多机械设备的发展趋向提高工作效率提高工作效率 例如：高速列车、高速电机、高速机床转速壁厚1、机械产品的发展、机械产品的发展 高速切削(High Speed Cutting) 表面加工质量高，省去后续的精加工工序 切削力相应变小，可加工薄壁 德国第三代高速列车时速300公里22500rpm/2MW750kg/0.75M3 “极端制造”方向：高、大（微）、精、专（柔）大型化、微型化o 设备的大型化是目前机械的一个主要发展方向设备的大型化是目前机械的一个

6、主要发展方向工程机械：建筑、桥梁、隧道大型盾构/掘进机 开挖切削、输送碴料、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏 集机、电、液、传感、信息技术于一体 地层稳定控制检测技术、液压推进与导向技术 o 微型化、微机电系统（微型化、微机电系统（MEMSMEMS）、纳米加工）、纳米加工 微型机器人：如 微型医用机器人 微机电系统（MEMSMEMS） 微加速度计微加速度计: :重重0.50.5克、灵敏度克、灵敏度15mv/g 15mv/g 微压力传感器：埋置在汽车轮胎中，节省微压力传感器：埋置在汽车轮胎中，节省10%10%的汽油的汽油 1、机械产品的发展、机械产品的发展 “极端制造”方向：高、大（微）、精、专（柔）

7、精密化 产品工作的需要 没有足够精度的产品，对它的结构性能（它的工作寿命）工作性能（工作稳定性）都会产生不同程度的影响 小尺寸零部件的需要 没有足够的精度，就无法完成所要求的工作。如芯片的加工，已经达到纳米级的要求1、机械产品的发展、机械产品的发展 高速精密机械式主轴加工工程中自动测量厚度就是加工工程中自动测量厚度就是芯片误差和砂轮盘的损耗量引芯片误差和砂轮盘的损耗量引起的偏差可以自动计算，并能起的偏差可以自动计算，并能保证保证1um1um以内的精密度以内的精密度 信息化自动化o 可以提高劳动者手工劳动难以获得的可以提高劳动者手工劳动难以获得的准确准确程度，程度，从而可以提高工作效率或避免人工

8、操作过程中可从而可以提高工作效率或避免人工操作过程中可以产生的意外失误以产生的意外失误o 向更高的水平发展：向更高的水平发展：自组织、自维护和自修复自组织、自维护和自修复1、机械产品的发展、机械产品的发展 自动贴片机装配机器人对月球、火星等地对月球、火星等地质、表面、资源等质、表面、资源等进行考察、分析、进行考察、分析、取样的专用车辆取样的专用车辆信息化智能化：产品发展的主导方向融入人的处理方法o 智能化产品自然较一般产品更能智能化产品自然较一般产品更能满足人们的要求满足人们的要求o 通过对产品的主要通过对产品的主要工作参数工作参数和和工作过程工作过程实现智能控实现智能控制与制与优化优化，有目

9、的地使产品获得优良的工作性能。，有目的地使产品获得优良的工作性能。1、机械产品的发展、机械产品的发展 能够在特制的水箱中游来游去，能够在特制的水箱中游来游去，避开障碍物避开障碍物并对周围环境做出并对周围环境做出相应反应。这些鱼都是通过传相应反应。这些鱼都是通过传感装置控制并自动导航的感装置控制并自动导航的 信息化网络化：协同手段、发展的道路o 协同协同/ /并行设计和制造、远程设计与制造并行设计和制造、远程设计与制造o 资源共享资源共享 波音波音787787方向舵转包中国方向舵转包中国 协同设计1、机械产品的发展、机械产品的发展 敏捷设计和敏捷制造敏捷设计和敏捷制造 快速响应和满足市场需求快速

10、响应和满足市场需求信息化数字化：信息化的核心o 信息精确、信息安全、信息容量大。信息精确、信息安全、信息容量大。o 制造领域：数字工厂、数字制造、数字装备制造领域：数字工厂、数字制造、数字装备。o 大大提高设备的精确度：大大提高设备的精确度： 数字化加工设备的加工精确度也较一般加工设备数字化加工设备的加工精确度也较一般加工设备高高1、机械产品的发展、机械产品的发展 数控定位分辨率数控定位分辨率1 1微米，仿形及数字化微米，仿形及数字化加工精度加工精度1515微米微米 刀具半径、长度补偿；螺距误差、反向刀具半径、长度补偿；螺距误差、反向间隙补偿间隙补偿 自动生成数控加工指令、比例缩放加工、自动生

11、成数控加工指令、比例缩放加工、镜像加工、阴阳模配对加工等镜像加工、阴阳模配对加工等 现代信息技术带动机械产品的发展现代信息技术带动机械产品的发展 电子、控制、信号处理电子、控制、信号处理 测试系统实现机械的测试系统实现机械的信息驱动信息驱动 程序、传感、网络程序、传感、网络 测试系统使得机械产品更加完美测试系统使得机械产品更加完美人性化、智能化人性化、智能化实用化实用化1、机械产品的发展、机械产品的发展 现代大工业生产现代大工业生产质量监控质量监控自动检测自动检测过程控制过程控制 四大参量：四大参量： 流量、压力、流量、压力、 温度、液位温度、液位2、测试目的 产品检验和质量控制产品检验和质量

12、控制 o产品检验：产品验收和废品剔除合格、不合格合格、不合格被动检测被动检测o质量控制检测和加工同时进行检测和加工同时进行在线检在线检测测对生产过程主动进行控制对生产过程主动进行控制2、测试目的 航空发动机航空发动机产品检验和质量控制产品检验和质量控制 o维护管理质量控制2、测试目的 汽车监测汽车监测管理质控管理质控大量点检大量点检巡视报告巡视报告装配、调试装配、调试 2、测试目的 发电机发电机宇宇航航飞飞机机产品测试产品测试 2、测试目的 整车综合环境试验整车综合环境试验 冲击冲击噪声（机械、风）噪声（机械、风）温度温度疲劳疲劳.性能测试性能测试汽车汽车扭距扭距在线测在线测量，仪保证发动量，

13、仪保证发动机的装配质量机的装配质量 极限测试极限测试o温度、湿度温度、湿度o冲击冲击o振动振动设备安全经济运行监测设备安全经济运行监测 2、测试目的 水轮发电机组水轮发电机组压缩机组压缩机组火火力力发发电电机机组组监控中心监控中心装置自动化装置自动化装备的一部分装备的一部分 2、测试目的 机器人装箱机器人装箱检测检测定位定位动作动作型磁悬浮列车型磁悬浮列车（悬浮悬浮10mm、推进、导向推进、导向）基础学科研究基础学科研究 科学规律的发现和新的定律、公式的诞生都离不开测试技术。从实验中可以发现规律，验证理论研究结果，实验与理论可以相互促进，共同发展； 常规工况下的检测、测试 振动、速度、温度、压

14、力、流量、振动、速度、温度、压力、流量、.极端工况下的检测、测试 超高温、超高压、超低温、超高真空超高温、超高压、超低温、超高真空 超强磁场超强磁场 超高速超高速2、测试目的 试验研究试验研究 2、测试目的 军用机器人军用机器人 地面军用机器人地面军用机器人 排爆、扫雷、侦察排爆、扫雷、侦察 金属探测器；红外传感金属探测器；红外传感 水下军用机器人水下军用机器人 水下无人潜器水下无人潜器( (遥控、半自治及自治型遥控、半自治及自治型) ) 海上资源的勘探和开发，海战探雷机器人、海上资源的勘探和开发，海战探雷机器人、扫雷机器人、侦察机器人。扫雷机器人、侦察机器人。 精确定位、目标识别、信息收集精

15、确定位、目标识别、信息收集 空中机器人又叫无人机空中机器人又叫无人机 中低空侦察及战场监视，电子干扰，战果中低空侦察及战场监视，电子干扰，战果评估，目标定位，气象资料搜集，散发传评估，目标定位，气象资料搜集，散发传单以及营救飞行员单以及营救飞行员飞机自动空中防撞飞机自动空中防撞位置测量位置测量速度测量速度测量运动预测运动预测协调策略协调策略逃避控制逃避控制维修诊断维修诊断 2、测试目的 远程维修远程维修探伤检测探伤检测探伤检测探伤检测 转子、钢绳、管道、容器、转子、钢绳、管道、容器、. 铁道、航空、军工、机械、汽摩配铁道、航空、军工、机械、汽摩配件、压力容器、矿山机械等行业件、压力容器、矿山机

16、械等行业 智能建筑智能建筑3A楼宇自动化系统 BAS通讯自动化系统 CAS 办公自动化系统 OAS BAS 空调制冷、给水排水、变配电系统、照明系统、电梯等控制空调制冷、给水排水、变配电系统、照明系统、电梯等控制（温度、湿度、液位、流量、压差、空气压力等检测）。（温度、湿度、液位、流量、压差、空气压力等检测）。安全防护：防盗、放火、防燃气泄露安全防护：防盗、放火、防燃气泄露CCDCCD（电子眼）监视器、烟雾传感器、气体传感器、红外传（电子眼）监视器、烟雾传感器、气体传感器、红外传感器、玻璃破碎传感器感器、玻璃破碎传感器自动识别自动识别门禁管理系统（感应式门禁管理系统（感应式ICIC卡识别、指纹

17、识别）；卡识别、指纹识别）；远程抄收与管理系统（水、电、气、热量的远程传感及处理）远程抄收与管理系统（水、电、气、热量的远程传感及处理）2、测试目的 测试技术应用领域 现代大工业生产、基础学科研究、宇宙开发、现代大工业生产、基础学科研究、宇宙开发、海洋探测、军事国防、环境保护、资源调查、医海洋探测、军事国防、环境保护、资源调查、医学诊断、智能建筑、汽车、家用电器、生物工程、学诊断、智能建筑、汽车、家用电器、生物工程、商检质检、公共安全、甚至文物保护等等商检质检、公共安全、甚至文物保护等等 2、测试目的 测试测试 被测量和同类标准量进行比较的一个被测量和同类标准量进行比较的一个实验过程实验过程

18、同类标准量同类标准量 位移、振动，转速、温度，压力，位移、振动，转速、温度，压力，. 比较：参与方式，可以是直接、间接比较：参与方式，可以是直接、间接压力仪表测量压力压力仪表测量压力温度传感器测量温度温度传感器测量温度振动仪测量位移、振动振动仪测量位移、振动3、测试系统组成、测试系统组成 测试测试 被测量和同类标准量进行比较的一个被测量和同类标准量进行比较的一个实验过程实验过程测试结果测试结果测量结果测量结果 X 数字值数字值 X测量单位测量单位 x0 物理属性、数字值大小物理属性、数字值大小示例：位移示例：位移 x x100 100 m m x x0.100 mm0.100 mm 压力压力

19、p p0.5 0.5 MPaMPa3、测试系统组成、测试系统组成 oxXX.测试系统测试系统 完成测试任务的完成测试任务的传感器传感器、仪器和设备仪器和设备的总称的总称3、测试系统组成、测试系统组成转速、振动转速、振动/ /位移传感器测速、测振仪位移传感器测速、测振仪转速控制转速控制/ /调节调节测试系统测试系统 直接获取被测设备上的信息直接获取被测设备上的信息位移、距离、胀差、位移、距离、胀差、.振动、速度、加速度振动、速度、加速度应力、压力、摩擦力、应力、压力、摩擦力、.油温、瓦温、轴温、气温、油温、瓦温、轴温、气温、.转速、鉴相转速、鉴相.3、测试系统组成、测试系统组成Case Expa

20、nsion / Valve Position 测试系统测试系统 间接获取被测设备上的信息间接获取被测设备上的信息功率：发动机转速功率：发动机转速n n、输出扭矩、输出扭矩M M，P PM.nM.n 切削速度切削速度V V、切削力、切削力F Fz z，P PF Fz z.V.V喘振：压缩机进出口流量、压力喘振：压缩机进出口流量、压力感知：视觉、听觉、味觉、感知：视觉、听觉、味觉、.故障：信息融合故障：信息融合.3、测试系统组成、测试系统组成 机械电子系统机械电子系统组成：三层组成：三层信息流信息流 ： 三层三层控制层：处理主信息流 实现实现“目的功能目的功能”监测诊断层 保障和监视保障和监视“目

21、的功能目的功能”、提高系统可靠性、提高系统可靠性人机交互/ /网络测控层 紧急处理、远程监控、信息交流紧急处理、远程监控、信息交流3、测试系统组成、测试系统组成计计算算机机系系统统电电气气系系统统机机械械系系统统测试系统基本结构 3、测试系统组成、测试系统组成测测试试对对象象传感器信号调理数据采集 显示数据处理控制驱动执行单元电 源测试系统测试系统信号处理信号处理传感器 一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置3、测试系统组成、测试系统组成常用的涡流探头前置器常用的涡流探头前置器加速度传感器加速度传感器力传感器力传感器智能式压力变送器智能式压力变送器信

22、号调理 对（传感器输出的）信号进行变换、隔离、滤波、放大、驱动等，以便进一步传输和处理高阻输入、低阻输出规范输出3、测试系统组成、测试系统组成B&K 测量放大器2525放大、自动量程放大、自动量程低通和高通滤波器（用户自定义）低通和高通滤波器（用户自定义） 通道：通道：1 1 输入电荷量：输入电荷量：10104 4pC pC 增益：增益：1-1000mV/pC 1-1000mV/pC 输出：输出：5V5V滤波单元滤波单元信号处理 对来自信号调理环节的信号，进行各种运算、分析，并输出结果模拟信号处理 运算：微分、积分、对数 数字信号处理 信号量化 编程处理：信号分析3、测试系统组成、测试系统组成

23、显示记录 以观察者易于识别的形式来显示测量的结果，或者将测量结果存储3、测试系统组成、测试系统组成测试技术测量MEASUREMENT按照一定的规则，给事物的属性指派量值（数字或符号）的过程 测量的三个要素： 事物及其属性 测量的对象或目标 身体温度、桌子高度（客观特征）、英语听力（心理特征） 指派数字或符号 某一事物或事物的某一属性的量 37度、0.75米 、87分 法则、标准测量所依据的规则和方法，公认、关键 温度计、量尺、考卷4、测试技术的发展测试技术计量METROLOGY （史称“度量衡” ）以技术和法制手段保证量值准确可靠、单位统一的测量 实现单位统一、量值准确可靠为目的的测量 现代十

24、大计量：长度、温度、力学、电磁学、光学、声学、化学、无线电、时间频率、电离辐射，形成了一门独立的学科 日常计量：电子秤、水表、电表、煤气表，出租计价器，加油机，医用体温计、血压计、眼压计市质量技术监督局：贸易结算、安全防护、医疗卫生和环境监测等上千万台件工作强检计量器的强制检定4、测试技术的发展测试技术测试TEST具有试验性质的测量；测量和试验的综合测试对象测试方法测试设备测试和测量紧密相关，实际使用中往往不加严格区分4、测试技术的发展测试技术传感器技术 信息采集“感官” 信号处理技术 信息加工“甄别”计算机技术 信息综合“大脑”网络技术 信息传输“神经” 4、测试技术的发展一体化传感器智能传

25、感器网络化传感器传感器技术 研究传感器的新材料和新工艺研究传感器的新材料和新工艺 实现传感器的智能化实现传感器的智能化 测试、控制系统的感知环节核心准确传递和检测出某一形态的信息，并将其转换成另一形态的信息 4、测试技术的发展传感器技术材料科学 依靠敏感材料本身的物性随被测量的变化来实现信号的变化压电效应涡流效应应变效应：导体材料光电效应霍尔效应压阻效应：半导体材料的压阻转换4、测试技术的发展一氧化碳传感器一氧化碳传感器传感器技术材料科学新材料 利用物理现象、化学反应和生物效应设计制作各种用途的传感器 依据材料特性 设计敏感元件 光导纤维：传光、感光 陶瓷：弹性元件、绝缘材料陶瓷：弹性元件、绝

26、缘材料传感器要求 合成所需材料 新型材料：通过新型材料：通过人工设计和合成化合物的结构人工设计和合成化合物的结构来控制材料的来控制材料的性能，从而得到各种各样的功能材料性能，从而得到各种各样的功能材料可控材料性能可控材料性能 利用纳米技术，可获得高活性的利用纳米技术，可获得高活性的气敏陶瓷材料气敏陶瓷材料 4、测试技术的发展瓦斯报警瓦斯报警酒精传感器酒精传感器传感器技术集成化传感器 微机电系统（微机电系统（MEMSMEMS） 小、微型化小、微型化 微机械和微电路集成微机械和微电路集成微型微型传感器信号处理 一体化 多敏感元件、多参数测量多敏感元件、多参数测量 运算、补偿、变换运算、补偿、变换

27、集成式加速度传感器：集成式加速度传感器：三只隔离剪切型高灵敏度加速度传感器三只隔离剪切型高灵敏度加速度传感器三只电荷放大器三只电荷放大器 4、测试技术的发展 灵敏度：灵敏度：700mV/g 频率范围：频率范围：0.1 -1000Hz 重量：重量：260 g 量程：量程：7g XCE-062XCE-062高温超小型高温超小型ISIS压力传感器压力传感器(-55(-55到到273)273) 传感器技术智能化传感器 组成：传统的传感器微处理器组成：传统的传感器微处理器( (或微计算机或微计算机) )特征：具备通信总线接口、兼有信息监测、信息处特征：具备通信总线接口、兼有信息监测、信息处理和信息传输理

28、和信息传输 智能：智能：通过存放于微处理器中的通过存放于微处理器中的功能强大的软件功能强大的软件，对，对系统进行智能化，如非线性自动校正、自校系统进行智能化，如非线性自动校正、自校零、自校准、自补偿、自检验、噪声抑制等。零、自校准、自补偿、自检验、噪声抑制等。 4、测试技术的发展智能压力传感器/变送器信号处理技术数字分析方法速度、分辨力核心：核心：快速傅里叶变换（快速傅里叶变换（Fast Fourier TransformFast Fourier Transform，FFTFFT）计算卷积，用于人造卫星、宇航探测及通讯、雷达计算卷积，用于人造卫星、宇航探测及通讯、雷达.焦点：减少运算次数焦点：

29、减少运算次数例如：当采样点例如：当采样点N=1000N=1000时时DFTDFT算法为算法为200200万次万次FFTFFT算法为算法为1.41.4万次万次NFFTNFFT算法为算法为0.80.8万次万次WFTAWFTA算法为算法为0.350.35万次万次PFTAPFTA算法为算法为0.30.3万次万次 4、测试技术的发展信号处理技术信号处理芯片DSPDSP 一种用于快速处理信号的器件，加快信号处理的一种用于快速处理信号的器件，加快信号处理的实时能力实时能力 例如：例如：TITI的的TMS320C25TMS320C25芯片，数字芯片，数字信号处理信号处理混合信号处理芯片 模拟模拟、数字信号混合

30、处理、数字信号混合处理 例如：例如：ADI的 ADSP-2199x高性能工业控制高性能工业控制专用处理芯片 声音、视频声音、视频滤波、放大滤波、放大.SoCSoC芯片：片上系统芯片：片上系统 4、测试技术的发展计算机技术使得测试仪器微机化、智能化 数字信号处理方法、计算机技术和信息处理技术的迅速发展，使测试仪器发生了根本性的变革：以微处理器为核心测试系统精度速度测试能力工作效率可靠性 4、测试技术的发展数字式测温计数字式测温计数字式超声波探伤仪数字式超声波探伤仪 数字式测振仪数字式测振仪AR848 计算机技术虚拟仪器：以计算机为核心、开放式标准接口总线模块化逻辑决断、模块识别软件定义功能、用户

31、定义功能4、测试技术的发展网络技术网络变迁：以 太 网 接 口 ： 一 方 面 在 不 断 发 展 ，以 太 网 接 口 ： 一 方 面 在 不 断 发 展 ，10/100/100010/100/1000 ，另一方面是，另一方面是100%100%向后兼容向后兼容网络化传感器分布式测控网络 在智能传感器基础上，把TCPIP协议作为一种嵌入式应用，嵌入现场智能传感器的ROM中，从而使信号的收、发都以TCPIP方式进行，如此，网络化传感器像计算机一样成为了测控网络上的节点登临网络，并具有网络节点的组态性和互操作性。4、测试技术的发展未来发展方向传感技术开发新材料，发展、利用新效应开发新材料，发展、利

32、用新效应源头源头提高传感器性能和检测范围提高传感器性能和检测范围微型化与微功耗微型化与微功耗集成化与多功能化集成化与多功能化传感器的智能化传感器的智能化传感器的数字化和网络化传感器的数字化和网络化建模和仿真建模和仿真4、测试技术的发展未来发展方向信息监测网在线检测 日本现在已经研制了一种IPv6汽车，在汽车的雨刷、发动机、轮胎等上面分别分配有一个IP地址。雨刷是个天气状况的传感器、雨量感应式自动雨刷器雨刷是个天气状况的传感器、雨量感应式自动雨刷器 发动机则用来检测汽车性能：排量、最大功率、最大发动机则用来检测汽车性能：排量、最大功率、最大扭矩扭矩 轮胎用于车速、气压、温度的检查，防止爆胎、了解

33、轮胎用于车速、气压、温度的检查，防止爆胎、了解交通状态交通状态4、测试技术的发展工业自动化类美国霍尼威尔公司（有全球最大传感器技术研究中心） http:/ 振动/噪声类丹麦B&K（振动测量、声学测量领域最富盛名） http:/ 测量分析类美国国家仪器公司(全球最大的计算机虚拟仪器生产商) http:/ 测量分析类美国Agilent公司(原惠普公司仪器部，著名的测试仪器商) http:/ 教材：1-3，1-5，1-6，1-7作业现代机械产品和信息化有何关系？二者不可分割，而且信息化占的比重越来越大信息化提升现代机械产品的功能和科技含量信息化促进现代机械产品的发展测试系统由哪些环节组成？传感器：将

34、被测量（非电量）变成电量信号调理：对传感器的输出进行隔离放大、运算、驱动等预处理，输出标准信号信号处理：包括对信号进行数字量化在内的进一步处理，以获得所需的最终结果信号显示：对最终结果进行可视输出思考题传感器发展的源头是什么？材料科学1、材料的各种效应新效应和新工艺新效应和新工艺2、新材料的开发什么是智能化传感器？传统的传感器传统的传感器微处理器微处理器具备通信总线接口、兼有信息监测、信息处理和信息传输具备通信总线接口、兼有信息监测、信息处理和信息传输 通过存放于微处理器中的功能强大的软件，对系统进行非线性通过存放于微处理器中的功能强大的软件，对系统进行非线性自动校正、自校零、自校准、自补偿、

35、自检验、噪声抑制等自动校正、自校零、自校准、自补偿、自检验、噪声抑制等思考题网络对测试技术有何影响？分布式测试、传感器网络远程测试、数据共享思考题试题分布章节及内容章节及内容填空填空回答问题回答问题分析计算题分析计算题小计小计1、绪论、绪论05052、测量误差分析、测量误差分析1000103、信号分析、信号分析4010144、测试系统特性、测试系统特性01010205、测试系统设计、测试系统设计12100226、采集及传输、采集及传输2510177、虚拟仪器、虚拟仪器210012小计小计30（小题（小题2分）分）40（小题（小题5分）分）30（小题（小题10分）分）100复习复习题型：题型：简

36、练、准确、答所问、不漏题简练、准确、答所问、不漏题1、填空：、填空：范例：范例： 的基本工作原理是基于压阻效应 光敏元件中 是直接输出电压的 2、回答问题、回答问题范例：列举3种测量转速的传感器，简要说明其工作原理。答：a、涡流传感器，利用涡流效应来测量金属导体表面形状变化 b、电容式传感器：利用变极距电容原理，测量金属导体表面形状变化 c、光电传感器：利用光反射或透射及光电器件测量转速3、分析计算、分析计算范例：用一个时间常数为0.35s的一阶装置去测量周期分别为1s，2s，5s的正弦信号，问幅值误差是多少？测试技术 机械测试信号分析第二章第二章内容内容 2.1 信号的表示与分类信号的表示与

37、分类2.2 时域分析时域分析2.3 频谱分析频谱分析2.4 时频分析时频分析2.5 机械信号的检验与预处理机械信号的检验与预处理重点重点：信号的时域分析方法；周期信号傅氏第一、二展开式分析方法；信号的时域分析方法；周期信号傅氏第一、二展开式分析方法；非周期信号谱分析；二者的频谱特征的区别和联系；单位脉冲和闸门非周期信号谱分析；二者的频谱特征的区别和联系；单位脉冲和闸门函数频谱特性及工程意义；时频分析和小波分析的重要概念函数频谱特性及工程意义；时频分析和小波分析的重要概念2.1.1 信号的表示信号的表示机械信号 反映机械设备运行状态 振动/ /冲击、噪声 转速、温度、流量、压力、力、位移 .信号

38、波形 被测信号幅度随时间的变化历程x(t)0At2.1.1 信号的表示信号的表示信号分析：对信号x(t)进行变化和处理的过程不同变量域的分析：不同角度认识信号本质p时域波形：描述信号幅值的分布p频谱：描述信号频谱的分布p时频分析：描述信号频谱的分布和变化时域分析时域分析频域分析频域分析信号的描述可以在不同的分析域之间相互转换2.1.2 信号的分类信号的分类（1）按所传递信息的物理属性分类p机械量（位移、速度、力、温度、流量）p电学量（电压、电流等）p声学量（声压、声强）p光学量（光通量、光强） p连续时间信号连续时间信号: :在所有时间点上有定义在所有时间点上有定义p离散时间信号离散时间信号:

39、 :在若干时间点上有定义在若干时间点上有定义（2）按时间函数取值分类连续性2.1.2 信号的分类信号的分类p确定性信号：可以用明确数学关系式描述的信号确定性信号：可以用明确数学关系式描述的信号p非确定性信号：不能用数学关系式描述的信号非确定性信号：不能用数学关系式描述的信号（3）按信号随时间的变化特点分类2.1.2 信号的分类信号的分类 周期信号：经过一定时间可以重复出现：x(t)=x (t+nT) 频谱谱线是离散的 旋转式机械、往复式机械的状态信号多属于周期信号（3）按信号随时间的变化特点分类2.1.2 信号的分类信号的分类多频多频简谐信号叠加简谐信号叠加单频单频简谐信号简谐信号非周期信号：

40、再也不会重复出现的信号、频谱是连续谱 无限多个、频率无限接近的信号合成无限多个、频率无限接近的信号合成准周期信号准周期信号: :由多个周期信号合成，但各信号频率不成由多个周期信号合成，但各信号频率不成公倍数公倍数 变工况变工况/ /频率时的频率时的 旋转式机械、往复式机械的旋转式机械、往复式机械的状态信号状态信号瞬态信号瞬态信号: :持续时间有限持续时间有限 冲击响应、激振冲击响应、激振（3）按信号随时间的变化特点分类2.1.2 信号的分类信号的分类 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。环境噪声、测试仪器噪声、材料表面形貌等环境噪声、测试仪器

41、噪声、材料表面形貌等 平稳随机信号：具有统计特性（其特征参数不随时间变化） 非平稳随机信号：统计特性变异测试信号总是受到噪声污染测试信号总是受到噪声污染（3）按信号随时间的变化特点分类2.1.2 信号的分类信号的分类2.2 信号的时域分析 时域分析：反映信号的幅值随时间变化特征信号幅值随时间的变化特征：p信号在时域中的特征参数p信号波形在不同时刻的相似性和关联性峰值和峰峰值p 峰值p 峰峰值p 简谐信号2.2.1 时域信号特征参数 )(min)(max)(maxtxtxxtxxppp测试中要求：p峰峰值不能超过测试系统允许输入的上、下限安全 p信号在测试系统线性范围内精度 A t Ap App

42、 峰值和峰峰值复合信号 x = A*Sin(2fot+1) + 0.5*A*Sin(4fot+ 2) 基本特征 通频振幅 xpp 波峰至波谷之间的距离波峰至波谷之间的距离 基频 fo x1 倍频 2fo x2 xppToApp)(min)(maxtxtxxpp2.2.1 时域信号特征参数 旅游索道钢缆检测旅游索道钢缆检测超门限报警超门限报警 2.2.1 时域信号特征参数 平均值p平均值平均值Ex(tEx(t)：信号在时间间隔：信号在时间间隔T T内的内的平均值平均值p信号的中心信号的中心直流直流/ /固定分量固定分量TTTxdttxtxEx01)(lim)(x11nixxn2.2.1 时域信号

43、特征参数 方差、均方差（标准差）p反映了信号反映了信号绕均值的绕均值的波动波动程度程度p衡量测量值的稳定程度、衡量测量值的稳定程度、分散分散程度程度22210() l( )im)( )TxxTTx tE x tEx tdt大方差大方差 小方差小方差 2.2.1 时域信号特征参数 方均值和方均根值p方均值方均值ExEx2 2(t)(t)表达了信号的表达了信号的强度强度、平均功率平均功率p方均根值方均根值x x是方均根的平方根，也称有效值，它表示信号的平均能量是方均根的平方根，也称有效值，它表示信号的平均能量p值和信号形状有关值和信号形状有关p数字表给出的是有效值数字表给出的是有效值p单频信号与复

44、合信号单频信号与复合信号dttxTTx)(10222.2.1 时域信号特征参数 峰值相等而有效值不同的几种波形峰值相等而有效值不同的几种波形2prmsAA0.707均方值、方差、均值均值关系222xxx信号的强度 22xx2.2.1 时域信号特征参数 均值为零，均方值等于方差均值为零，均方值等于方差信号的强度由信号的强度由2部分组成：静态量和波动量部分组成：静态量和波动量2.2.2 时域相关分析 相关函数l两个信号两个信号x(tx(t) )和和y(ty(t) )在时间在时间上的上的相关相关/ /相似程度相似程度l相关函数是相关函数是时间位移时间位移的函数的函数l峰值表示在此时间位移处二者有峰值

45、表示在此时间位移处二者有较强的相关性较强的相关性l两个相互两个相互独立独立的信号的相关函数的信号的相关函数为为零零0( ) ()1( )limTxyTxRtTy tdt相关函数p自相关自相关：x(t)=y(t)自相关函数是自相关函数是 的偶函数，的偶函数，R RX X( ( )=R)=Rx x(- (- ) )当当 =0 =0 时，时，自相关函数具有自相关函数具有最大值最大值周期信号的自相关函数仍然是同频率的周期信号周期信号的自相关函数仍然是同频率的周期信号，但不保，但不保留原信号的留原信号的相位相位信息信息随机噪声信号的自相关函数将随随机噪声信号的自相关函数将随 的增大快速衰减的增大快速衰减

46、应用：检测混于应用：检测混于噪声噪声中的周期信号中的周期信号齿轮箱振动信号自相关R RX X02.2.2 时域相关分析 相关函数p互相关互相关：x(t)y(t)两周期信号的互相关函数仍然是同频率两周期信号的互相关函数仍然是同频率的周期信号，延时为的周期信号，延时为 0 0两个非同频率的周期信号互不相关，为两个非同频率的周期信号互不相关，为零零( )xyR0t02.2.2 时域相关分析 互相关分析flash演示2.2.2 时域相关分析 应用示例 管道泄漏管道泄漏检测检测信号时延差信号时延差 流体通过漏孔时产生的流体通过漏孔时产生的流动噪声流动噪声，是，是频率频率不变不变、持续的噪声，并沿着管壁向

47、管道两、持续的噪声，并沿着管壁向管道两端传播端传播 将两传感器接收到的噪声进行频率分析将两传感器接收到的噪声进行频率分析相干性好的频率段作为滤波器的相干性好的频率段作为滤波器的通频带通频带对两个信号进行相关分析，没有泄漏时，对两个信号进行相关分析，没有泄漏时，相关函数的值在零附近；发生泄漏后，相相关函数的值在零附近；发生泄漏后，相关函数的值将发生显著变化，得到关函数的值将发生显著变化，得到延时延时TdTd，算出漏点算出漏点 检测发射点2.2.2 时域相关分析 2.3 信号的频谱分析 频谱分析：从频率结构角度来了解信号的特征时间时间幅值幅值频率频率时域分析时域分析幅值特性幅值特性频域分析频域分析

48、频率特性频率特性8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz傅立叶傅立叶变换变换X(t)= sin(2.f0.t)0 t0 f0 f基本工具：快速傅立叶变换（FFTFFT）2.3 信号的频谱分析 时域 频域2.3.1 周期信号的频谱分析傅立叶展开：三角展开式第1 1类展开式任何周期性信号f(tf(t) )，周期为T T，均可展开为若干简谐信号的叠加1000)sincos(2)(kkktkbtkaatxf(t)T2/2/0)(2/TTdttfTa均值静态分量2/2/0)cos()(2TTkdttktfTak次谐波余玄系数2/2/0)sin()(2TTkdttkt

49、fTbk次谐波正玄系数是基波角频率T202.3.1 周期信号的频谱分析傅立叶展开：三角展开式第2 2类展开式特例 正弦信号：余弦信号：1000)sincos(2)(kkktkbtkaatx2/00aA 均值静态分量kkabktgk1次谐波初相角22kkkbaAk次谐波幅值100)cos()(kkktkAAtx00( ).cos(/ 2)( ).cos()f tAtf tAt基频基频2 2倍频倍频3 3倍频倍频原始信号原始信号频谱Af波形At傅立叶展开2.3.1 周期信号的频谱分析任何周期性信号均可展开为若干简谐信号的叠加 傅立叶展开示例：矩形波复杂周期信号奇函数矩形波是一个均值为0 0的奇函数

50、0kk10/ 2( )00,/ 21/ 20000k2,4,6,8,.4k1,3,5,7,.k411( )(sinsin 3sin 5.)35oootTf ttTTtaabf tttt -T -T/2 0 T/2 T t f(t)1-10 0 30 50 70 90 A/42/2/0)(2TTdttfTa2/2/0)cos()(2TTkdttktfTa2/2/0)sin()(2TTkdttktfTb2.3.1 周期信号的频谱分析傅立叶展开 示例：三角波三角波是一个均值不为0 0的偶函数与正/ /余弦波形相比：三角波较矩形波更接近一些（高次谐波衰减很快）0222( )/ 2/ 2402, 4,6

51、,8,.21,3,5,7,.0211( )(coscos 3cos 5.)4925knooof ttTtTTakaTkkbTTf tttt0 0 30 50 70 90 AT/4 -T -T/2 0 T/2 T t f(t) 452.3.1 周期信号的频谱分析2/2/0)(2TTdttfTa2/2/0)cos()(2TTkdttktfTa2/2/0)sin()(2TTkdttktfTb周期信号频谱特点周期信号幅值谱特点 谐波性 频率成分比为整数倍 离散性 以基本频率为间隔取离散值 收敛性 随频率增加，其总的趋势是衰减 0 0 30 50 70 90 -T -T/2 0 T/2 T t f(t)

52、 AT/4 452.3.1 周期信号的频谱分析傅立叶展开 示例： 如果矩形波与三角波都是以1000Hz1000Hz变化的波形, ,如果要求具有相同的误差（例如1010），选择的放大器通频带有何不同？ 分量 衰减 -T -T/2 0 T/2 T t f(t)1-1 -T -T/2 0 T/2 T t f(t) 450 0 30 50 70 90 A/40 0 30 50 70 90 AT/42.3.1 周期信号的频谱分析傅立叶展开：复指数展开式复指数函数的特点：复指数代表复平面上的一个旋转矢量它的微积分与自身成比例对于工程测试系统，复指数输入的响应也是一个复指数函数cossinjejj2.3.1

53、 周期信号的频谱分析傅立叶展开：复指数展开式第3 3类展开式根据欧拉公式：指数和三角的关系推导可得：cossin111cos()sin()()222jj tj tj tj tj tj tejteetjeeeej1000)(21)(21)(ktjkkktjkkkejbaejbaatf)(kjkkecc2.3.1 周期信号的频谱分析00/2/2( )1( )(0, 1, 2)jktkTjkkTktf tef t edtkcTc 回顾 时域分析p信号分类周期信号、非周期信号、随机信号p特征参数峰值、峰峰值均值均方值、均方根值/有效值方差、均方差/标准差p相关函数自相关、互相关周期信号谱分析p傅立叶展

54、开（三种表达）p周期信号幅值谱特点谐波性、离散性、收敛性信号和谱图222xxx100)cos()(kkktkAAtx0 0 30 50 70 90 AT/4非周期信号：周期T为无穷大的周期信号 周期信号 非周期信号周期 T T 0 0 30 50 70 90 A /4 02T T T/ /2 2 - -T T/ /2 2 2.3.2 非周期信号的频谱分析傅立叶变换 周期信号 非周期信号傅里叶复指数展开00/2/21()TjktTjktkf t edtTf tedtetfTcectfTTtjkkktjkk2/2/00)(1)(dtetfjFdejFtftjtj)()()(21)(谱密度离散谱 T

55、 T/ /2 2 - -T T/ /2 2 2.3.2 非周期信号的频谱分析 傅立叶变换T T为无穷大时，非周期函数频谱不再表示幅值，而是表示信号在该频率的为无穷大时，非周期函数频谱不再表示幅值，而是表示信号在该频率的幅幅值密度值密度单位频宽上的幅值单位频宽上的幅值 频谱幅值：周期信号频谱幅值：周期信号umum、非周期信号、非周期信号um/Hzum/Hz 频率点上、频率点上、 一频段上一频段上从物理概念上讲，一个信号无论怎样分解，所含能量是不变的从物理概念上讲，一个信号无论怎样分解，所含能量是不变的收敛性收敛性非周期信号的频谱线是连续的非周期信号的频谱线是连续的 T T/ /2 2 - -T

56、T/ /2 2 )(0nFT202.3.2 非周期信号的频谱分析)()()()()(21)(1tfRdtetfjFjFRdejFtftjtj 傅立叶变换性质 j11221122( )( )()()a ftafta Fja Fj00()()jtfttFje00( ) ()jtftFje2.3.2 非周期信号的频谱分析1()jfa tFaa -/2 0 /2 tf(t)A傅立叶变换性质 j2.3.2 非周期信号的频谱分析()( )()nnndftFdtjj()()(0)()tFfdFj 121212121( ).( )()()2( ) *( )().()FftftFjFjFftftFjFjdtff

57、tftf)()()()(2121典型函数的谱分析a、单位冲击函数(t)(t) 筛选性：采样性质使得模拟信号离散化 频谱的等幅性：全频、等幅冲击激振法* * 单位阶跃函数u u（t t）1)( 0 )(0000dttttttttt1)( 0 00 )(dttttt00( ) ( )(0)() ( )( )tt dtttt dtt1)(0ttjtjedtett0 t0)(t)(0tt 0 )(jF1 0 t x.w 2.3.2 非周期信号的频谱分析t0 t0)(tu)(0ttu1ttttttud)(0)( 10)( 0)(?)()()(0ttututf 典型函数的谱分析b、闸门函数G(tG(t)

58、)：谱为采样函数 采样函数： 信号与系统 幅频特性：振荡衰减、谱线集中在主瓣内、主瓣的宽度与有关 其它：2/ 02/ )(ttAtGxxxSasin)( -/2 0 /2 tf(t)A)2/(.2/)2/sin()()(2/2/2/2/ajjtjSAAeejAdtAejF222( ). ()()(). ( )()ttGG tA u tu ttA u tu t2.3.2 非周期信号的频谱分析2)2/(.)(2jaTeSAtGR典型函数的谱分析c、常数f(t)=1：频谱是一个位于 处的冲击（对称）d、指数函数 ：频谱是一个位于 处的冲击e、正弦与余弦函数：频谱是一个位于 处的冲击tje0)()()

59、()(sin000000tconRjtR)(2 1 dteRtj)(20)(000dtedteeeRtjtjtjtj)(0 )(00 o)(0-o 0 o)(000( ) ()jtft eFj001.2()jte 2.3.2 非周期信号的频谱分析典型函数的谱分析示例：两个单位闸门函数的叠加三角形)(tf2212t)()()()()(22tututututf)(2)2/()(aaSSF?)().(.).(.)()()()()()(434424222tfReSeStfRTtututututfTTjTaATjTaATTT )(tf2TTt2T2.3.2 非周期信号的频谱分析典型函数的谱分析示例：半个

60、正玄指数 )(tf4Tt2T2T).)().)(.)().(.)()()()()(.)()()().sin(.)(404024)(40)(40442222120TTToojTajTajTAjTaATTTtjtjjTeSeStfReStutuRtutueeAtftututAtf)(1)(1.2)(1)(.)()sin(.)(00.210.jajajAtfRjaeReeeAtfteAtftatatjtjjtaoo )(tfTtA2T2.3.2 非周期信号的频谱分析机床主轴振动分析0.0308秒32.5Hz基频：Fn = 1/0.0308 = 32.5Hz转速：N = 32.5*60 = 1950R