杭电科大测试技术与信号处理讲义

本书在总体内容的选取和安排上，试图跟踪国内外机械工程测试技术的新动态，本着教材在具体内容的组织和讲述上，注重基本原理、数学分析、物理概念以及实际应用生刘鹏、楼益强、吴君琪、周华承担了全书的制图工作。颜志刚承担了与本书配套的PPT本书在编写过程中参考了一些兄弟院校的教材和资料，并得到了诸多老师的关心和帮§1-1测试技术的内容和作用察事物的状态、运动和特性等，并要对它进行定量描述时1.工程过程的实验分析与参数测量。如对各种材料的强度进行试验，以便为合理、经2.过程监视与故障诊断。用于监护构件工况，以保证设备高效率的安全运行。如自动(DNC)、自适应控制加工系统乃至柔性制造系统(FMS)，在自动生产过程中都需要对某些§1-2测试工作的任务前已述及，测试工作的任务就是为了获取有关研究对象的状态、运动和特征等方面的信可见，信息总是通过某些物理量的形式表现出来，这些物理量则称之为信号。信号是动态测试虽然可以用机械的方法、电测的方法，也可以用光测的方法，但从信号的获信号中虽然携带着信息，但是其中既含有我们所需要的有用信息，也含有大量不需要的干扰，测试工作的任务之一就是从复杂的信号成分中提取有用信息。不过，需要指出，“干扰”和“有用”是对立统一的，在一定的条件下可以互相转化。例如齿轮噪声是人们不希望的干扰信号，对工作环境造成污染，但另一方面又可作为有用信号来判断齿轮副的运转状况并进行故障诊断。为了在外界干扰的情况下，能够提取和辨识出信号中所包含的有用信息，常常需要把信号作必要的变换处理。这与我们熟知的声音和图像发射和§1-3测试系统的组成及其发展测试工作是非常复杂的，需要多种学科知识的综合运用，所以，迄今很难给测试规定模拟信号变换为数字信号，然后通过计算机或数字信号处理器将大量数据进行高速处理，传感器及测§1-4课程内容与特点本课程主要讨论机械工程动态测试中的传感器、中间调理电路及记录装置的工作原第七章计算机与虚拟仪器测试技术各种现代计算机测试系统的任务是将传感器输出信号经过一定的调理转换，送入计算智能仪器(IntelligentInstrument)是通用仪（1）智能仪器可以借助于传感器和变送器，按设计要求采集电量和非电能量信号，（2）微处理器的引入使智能仪器的功能较传统仪器有了极大的提高，许多原来用硬（3）智能仪器可以进行自动校正、非线性补偿、数字滤波等修正和克服由各种传感(5)智能仪器通常具有自测试和诊断的功能，能自行测试整个仪器的各种功能是否(6)智能仪器由于采用了微处理器，不仅可以减小仪器体积，还可以降低成本、提(1)微机系统：由单片机或微处理器配以必要的外部器件构成最小的微机系统，智（2）输入通道：输入通道是微机系统与采集对象相连的部分。输入信（4）人——机对话通道：智能仪器中的人——机对话是用户为了对智能仪器进行控（5）通信接口：用来实现智能仪器与外部系统的联系，各种通信接口需符合通信总监控程序是面向仪器面板的键盘和显示器的管理程序，包括通过键盘输入命令和数据，对仪器的功能、操作方式与工作参数进行设置；根据仪器设置的功能和工作方式控制接口管理程序是面向通信接口的管理程序，其主要是对来自动测试系统(AutomaticTestingSystem)简称ATS，有时也称为自动测试设备自动测试系统由硬件和软件两大部分组成，硬件包括计算机或微处能组成自动测试系统的仪器必须满足两个条件：一是要求是可程控的仪器，二是要带自动测试系统中各仪器设备之间和各仪器设备与计算机之间的接口（1）机械兼容——接口应提供自动测试系统内各种仪器设备之间、仪器设备与计算（2）电磁兼容——接口应使计算机和各可程控仪器之间有适配的电器特性，达到电（3）数据兼容——当接口已使计算机和仪器实现了机械和电器兼容，它们就能通过数据线交换电信号信息，但需要某种格式翻译，计算机通过接口系统完成这种自动测试系统的系统软件的作用是使用户能方便地使用自动测试系统，一个功能强可以从不同角度对自动测试系统进行分类，可以根据系统所用的总线和最早的自动测试系统为以任务命名的专用系统，通可程控测量仪器接口总线的标准化把自动测试系统准通用接口总线技术如IEEE488，利用可程序控制的仪器和测控计算机(控制器)组成自动通用自动测试系统中使用的测试设备只是在传统的测试设备上配备了新的符合国际传统的信号调理、信号处理、显示、记录设备等都以硬件或固化软件的编制水平，用户完全可以根据实际应用需求，工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，将仪（2）复用性强，系统费用低。应用虚拟仪器思想功能的测试分析仪器，该测试仪器系统功能更灵活、组建示界面。使用计算机的多媒体处理能力可以使仪器操作机通信接口方式不同可分为DAQ数据采集系统、RS232接口仪器、USB接口仪器、VXI仪数据采集：将被测的模拟信号转换为数字信号并送入计算机计算机通信：虚拟仪器主要有VXI、GPIB、PXI和DAQ四种标准传等资源，大大增加了测试系统的灵活性和可扩展性。在计算机上挂接D（GeneralPurposeInterfaceBus通用总线接口）总线是仪器测试系VXI总线是VMEExtensionforInstrumentation的缩写，即VME总线扩展。VXI总线系统具有标准化、通用化、系列化、模块化的显著优点信功能于一体。它不仅继承了GPIB智能仪器和VME总线的特点，还有高核心思想是使VXI产品成为开放式结构的总线系统，标准统一，使用灵范。PXI总线系统是PCI在仪器领域的扩展，是在PCI内核技术件，可以采用各种不同的软件如VisualC++器开发环境，其中NI公司LabWindows／CVI和LabVIEW、Agilent公司的VEE、TLabVIEW是一种图形程序设计语言，全称为LaboratoryVirtualEngineeringWorkbench，中文名字是实验室虚拟仪器工程平台，采用了LabVIEW内部集成了大量的图形界面的模板，包含了测试仪器所需程序框图是测试人员利用LabVIEW应用程序编制的测试程序源代码，L虚拟仪器以计算机技术为基础，可以实现虚拟仪器之间的数据活、更加有效的利用计算机和仪器资源、用户界面更加开放。网络7-1什么叫智能仪表？有何特点？7-2简述自动测试系统的组成。7-3虚拟仪器和智能仪器相比有什么特点？Z定压pg背压pnZ定压pg背压pnt物物pnpnpgpgA—结构常数，与喷嘴内径d、喷嘴进气直接d1有关，在pg、μ、A一定时，长度Z与pn关系曲线如图8-2，由于测量喷嘴内径d在1.2~14由于Z的变化使pn变化，导致流量Q的变化，因此可以由流量计测量流量Q，用流量大小表示出长度Z的大小。1）在长度的测量中，使位移传感器结构发生变化而2）利用某些功能材料的效应，如压电传感器、金属应变片和半导体应变电阻，通过将3）将位移量转换成数字量，通过对这些数字量的标定和测量实现长度的测量。例如光hh可调频率fd=λd=3λ2λ2d=在工业生产中用于材料厚度检测的射线有X、γ和β射线，利用射线进行材料的厚度度检测的有X射线测厚仪、γ射线测厚仪和β射线测厚仪。hh（1）X射线测厚X射线测厚仪被广泛地应用于金属板材厚度检测上，X射线由X光管产生，在实际应用中有单射线直接检测而得出厚度值。双射线束是把X射线分成两路，一路用X射线测厚仪可检测0.1-15mm的材料厚度，其准确度为满刻度的0.5%（2）γ射线测厚γ射线是放射性同位素等产生的，它的探测器用闪烁计数器或电离M\测量电离室/// +-不同，两种材料的原子序数应相差较大。射线源发出的射线强度为I不同，两种材料的原子序数应相差较大。射线源发出的射线强度为I，它穿过被测镀层abh用红外线来实施。当红外线光源发出的光透过被测材料厚M红外线反射镜度输出h0A26C4OBA145。xh5式中：K是常数。0+K1x5545。ε76ChBOα3482HA45。θ在行进中的棒、线、管材直径的检测，宜采用非接触方式，常用光电式检测系统。图内的脉冲计数由8～16来实现。脉冲计数N与直径d的关系为：式中：f—时钟频率；测得计数脉冲N，即可得知被测直径d的值。G钢卷参比宽度WfWR=Ww+Wda95O321第九章位移的测量（1）被测位移使传感器结构发生变化，把位移量转换成电量，如电位器式传感器、电容式传感器、电感式传感器、差动变压器式传感器、电涡流式传感器、霍尔式传感器（2）利用某些功能材料的效应，如压电传感器、金属应变片、半导体应变片等，通过将2分辨率很高，受被测物体材对温度、湿度不敏感，可在非线性误差与电压比及测量1″结构简单、动态特性好，分辨大便用于小位移的测量（几微米~几毫米）。差动变压3微电子技术、通信领域、计算机、光学、IT和办公自动化等民用高技术方面的领先也是与（4）X射线干涉仪和F-P干涉仪：分辨率接近皮米（pm，10-12m,测量范围从几纳米析工具。STM的发明使人类第一次能够实时地观测单个原子在物STM的基本原理是基于量子力学的隧道效应和三维扫描。它是用一个极细的尖针（针子便会穿过针尖和样品之间的势垒而形成纳安级（10-9A）的隧道电流4针在垂直于样品方向上高低的变化就反映出样品表面的起伏从而得到样品表面态密度的分布及原子排列图像。这种扫描方式可用于观察表面形貌起伏较大的样品，且可通过加在z（2）可实时地得到在实空间中表面的三维图像，可用于（3）可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是体相或整个表面的平均性（4）可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可将样品浸在水和其它（5）配合扫描隧道谱可以得到有关表面电子结构的信STM主要用来描绘表面三维的原子结构图，在纳米控制控制反馈单元计算机数字信号处理偏压探头探针样品样品台基座STM的原理要求所观测的样品必须有一定程度的导电性，对绝缘体就无法观测。1986年受邀前往美国的G.Binnig在斯坦福大学与C.F.Quate等人在STM的基础上发明了原子力显5与STM相比AFM有两个比较关键的技术，一是AFM力传感器的制备，二是力传感器悬臂梁形变的检测，而其它如扫描控制样品、逼近振动、隔离数据、处理显示等方面在STM1第十章应变、应力、力的测量确定整机在实际工作时负载情况和研究某些物理现象由于温度变化所引起应变片的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数2可根据戴维宁定律算出。该定理指出：任何一个有源两端网络，都可用一个恒定的电动势阻为使电桥的输出功率最大，应使电桥的输出阻抗R0和负载Rg3U=R.Iscgg3_R2因此，调节桥臂电阻的比例关系，可使电桥达到平衡。实际测量时，桥臂四个电阻件变形后，将由R1变为R1+ΔR，使电桥失去平衡，即得I≈U.gsr8R2Usc=Usr（10-10）4密无感电阻，它可认为是纯电阻R3和R4，由于应变片接线及线栅存时进行电阻、电容平衡，测量时又将连接导线固定，则电容的影响很小，式（10-11）和式（10-12）可写成和式（10-13）和式（10uscUmsin应变仪按被测应变的变化频率及相应的电阻应变仪的工作频率范围可分为：静态应变5型静动态电阻应变工作频率分别为0～10Hz和0～100Hz。平面应力是指构件内的一个点在两个互相垂直的方向上受到拉伸(或压缩)作用而产生/E/E 6'力方向成θ角的任一方向的应变为εθ,即图中对角线（abc）同时发生时，则对角线的总应变为上述三者εθ=εxcos2θ+εysin2θ+γxysinθcosθ7方向与X轴的夹角θ,即如0°、45°和90°或0°、60°和120°角，并将三个应变片的丝栅制在同一基底上，形力平衡式测量法是基于比较测量的原理，用一个已知力零，将被测力Fi与标准质量(砝码G)的重力进行平衡，直接比较得出被测力Fi的大小。这种方法需逐级加砝码，测量精度取决于砝码分级的8mg（10-22）力矩平衡，因此仅适用于作静态测量.被遮住，光敏元件无电流输出，力矩线圈不产生力矩。当被测力Fi作用在杠杆上时，杠杆9效应间接检测力值。各种类型的测力传感器就是力的测量，且测量精度高，其使用量约占力传感轱，当外力作用在轮轱上端面和轮轱下端面时，矩形轮辐条就产生平人类是生活在一个声音的环境中，通过声音进行交谈、表达思想感情以及开展各种活动。但有些声音也会给人类带来危害。噪声的危害主要表现在：干扰人们的睡眠和工作，强噪声会使人听力损失。这种损失是累计性的，在强噪声下工作一天，只要噪声不是过强120dB以上)，事后只产生暂时性的听力损失，经过休息可以恢复；但如果长期在强噪声下工作，每天虽可以环境噪声的来源有四种：一是交通噪声，包括汽车、火车和飞机等所产生的噪声；二是工厂噪声，如鼓风机、汽轮机、织布机和冲床等所产生的噪声；三是建筑施工噪声，像打桩机、挖土机和混凝土搅拌机等发出的声音；四是社会生活噪声，例如，高音喇叭，收录机等发出的人们日常生活中遇到的声音，以声压值表示，变化范围非常大，同时由于人体听觉对声信号强弱刺激反应不是线形的，而是成对数比例关系，所以采用分贝来表达声学量值。所谓分贝N=10lg(A/A0)（12—1）式中：LW——声功率级(dB)；LI=10lg(I/I0)（12—3）式中：LI——声压级(dB)；I——声强(W／m2)；LP=20lg(p/p0)（12—4）式中：Lp——声压级(dB)；p——声压(Pa)；为了能用仪器直接反映人的主观响度感觉的评价量，有关人员在噪声测量仪器－声级计中设计了一种特殊滤波器，叫计权网络。通过计权网络测得的声压级，已不再是客观物理量的声计权网络是一种特殊滤波器，当含有各种频率通过时，它对不同频率成分的衰减是不一样因此，提出了一个用噪声能量按时间平均方法来评价噪声对人影响的问题，即等效连续声级。连续声级反映在声级不稳定的情况下，人实际所接受的噪声能量的大小，它是一个用来表达随许多非稳态噪声的实践表明，涨落的噪声所引起人的烦恼程度比等能量的稳态噪声要大，并且与噪声暴露的变化率和平均强度有关。经实验证明，在等效连续声级的基础上加上一项表示噪声变化幅度的量，更能反映实际污染程度。用这种噪声污染级评价航空或道路的交通噪声同频率的声音复合而成，有时噪声中占主导地位的可能仅仅是某些频率成分的声音，了解这些声音的来源和性质是确定减噪降噪措施的基本依据。因此，在很多情况下，只测量噪声的总强范围划分为若干个频段，也称频程或频带。测量时，采用频程滤波器保留待测频程范围内的声噪声测量中最常用的是1倍频程和1/3倍频程。1倍频程是指频带的上下限频率之比为2:1的频程；1/3倍频程是对1倍频程3等分后得到的频程，其频带宽度倍频程的中心频率及其频率范围(单位：Hz)由于人耳对31.5Hz和16kHz这两个频带声音不敏感，因此，在实际噪声控制中一般只选用在噪声强度的分频带测量方法中，各频程(1倍频程或1/3倍频程在倍频程中，带宽与中心频率成比例(见表为此，对于随频率急速变化的噪声，往往使用与频率高低范围无关的恒定窄频带ΔJ测量其Sn=Ln-10lg(ΔJ)(12—5)Sn——频谱能级，它表示带宽1Hz频带上的132声功率级）为纵坐标，所绘制的图形就是噪声的频谱图。频谱图反映了噪声的频率分布特性，是噪声频谱分析的基本依据，可用于判断噪声的来源及其性质，以便采取切实有效的减噪降噪噪声频谱中，声压级分布在350Hz以下的噪声称为低频噪声，声压级分布在350～1000Hz的倍频程噪声频谱图。可见，在整机噪声中，中、低频部分以柴油机噪声为主，而高频部分则以长期以来人们对噪声的测量都是以测量噪声的声压或声压级为基础，这种测量方法的最大缺点是测量结果深受环境的影响和限制。从20世纪80年代起，国际上倾向于用声功率来描述声源。噪声源声功率的测量方法有自由场法、混响室法和现场测量法，下面简单讨论噪声源的几要求工业上的测试都在消声室中进行是有困难的，在企业车间提供一个大的自由空间也是先在声学实验室中测好。在以产品为中心，半径为r的半球面上测出噪声的平均声压级LP。关级LW可由下式求得LW=LWS+LP_LPS（12－6）