测试技术教案

1、内容前言第一章信号分析的基础1-1信号分类和描述1-2周期信号的频谱1-3个非周期信号的频谱第二章测试系统的特点2-1测试系统的静态特性2-2测试系统的动态特性2-3测试系统的无失真条件第三章电阻应变传感器3-1金属电阻应变传感器3-2半导体应变传感器3-3金属电阻应变传感器的应用第四章感应传感器4-1自感知感应传感器4-2互感电感传感器(差动变压器)4-3涡流传感器第五章电容式传感器5-1工作原理和特点5-2测量电路5-3电容式传感器的应用第六章压电传感器6-1压电效应与压电材料6-2测量电路6-3压电传感器的应用第七章光电传感器7-1光刻胶7-2光电二极管和三极管7-3光电池7-4光电传感

2、器的应用第八章热电传感器8-1概述8-2电阻温度传感器8-3热电偶第九章录音设备9-1射线示波器9-2功能记录器9-3录音机回顾前言目的和要求：让学生了解测试技术课程的性质、相关学科及其重要性。测试系统的基本组成和功能。测试技术的发展趋势。本课程的教学内容以及学生学习和掌握本课程的基本要求。课程表：1个课时课程内容：目的和重要性测试技术是一门综合性的技术学科，它以物理学、电子学、材料科学、自动控制和数字技术为基础。其目的是研究材料和部件的状态(包括正常工作状态和故障状态诊断)，检查和测量自动化生产过程中的各种工艺参数。监控生产过程的运行，识别产品质量，为新产品的改进和设计提供数据。21世纪是一

3、个信息时代，获取信息、处理信息和使用信息。测试技术的重要性在于它是获取信息和对信息进行必要处理的基础技术。它是获取信息和处理信息的手段。如果不能获得信息，就不能使用信息。对于机械制造专业来说，由于加工精度和生产过程自动化水平的不断提高，单机自动化、自动化生产线、加工中心、柔性加工甚至无人化化工厂的过度过程实际上是检测技术在机械制造中应用水平的不断提高。第二个系统的组成测试系统是由硬件设备和软件组成的测试信息系统。系统组成框图如下：测试对象观察者显示记录信号处理播送信号波形加工传感器反馈、控制激励装置功能：1。传感器：根据一定的规则，被测信号被转换成相同或其他信号进行显示并输出到下一个单元。2.

4、信号调理：将来自传感器的信号转换成更适合进一步传输和处理的形式。3.信号处理：从信号调理单元接收信号，执行必要的操作、过滤和分析，并将结果输出到显示记录或反馈和控制单元。4.显示记录：处理后的检测信号结果以易于被观察者识别的形式显示，或存储以供使用。5.传输：从接收信号到处理和输出信号的整个传输过程贯穿于每个单元环节，一般不单独设置。如果单独讨论传输单元，它指的是长距离信号传输。这是因为当远距离传输信号时，如果方法和设备选择不当，很可能会增加大量的干扰信号，丢失有用的信号，从而无法被检测到。无论一个测试系统由多少个单元组成，都必须满足一个基本原则：每个环节的输出和输入都要保持一一对应、一定的比

5、例和尽可能不失真的原则。因此，在组成测试系统时，我们应该把重点放在尽可能减少和消除各种干扰信号上。三大发展趋势1.电路设计的改进：各种运算放大器和大规模集成电路被广泛使用，大大简化了测试系统的硬件电路，提高了系统的稳定性和可靠性。例如，有效地降低了负载效应、线性误差、温度漂移和零漂移误差。2.物性传感器的蓬勃发展：传感器依靠敏感材料本身的某些特殊物理性质随测量的变化而变化，实现信号转换，即压电材料可以将非电压力信号转换成电信号。因此，这种传感器的发展实质上是新材料的发展。其优点是：增加了可测量；提高了传感器的集成度、小型化和性能。3.计算机在测试系统中的应用：由于计算机是一种硬件电路与系统软件

6、和应用软件相结合的智能器件，它在测试系统中的应用不仅大大提高了测试系统的精度、测量能力和工作效率，而且通过应用软件引入了许多新的分析方法和手段，使测试系统具有实时分析、存储、逻辑判断、自校准、自适应控制和自动补偿能力。4.课程内容和要求本课程主要讨论机械工程动态测试中涉及的各种信号和信号的分类和描述，测试系统的组成和基本特性，常用传感器、中间转换电路和记录仪器的工作原理，以及几种常见物理量的测试方法。要求学生掌握以下方面：1.掌握信号在时域和频域的描述方法，定义信号的频谱概念；掌握频谱分析和相关分析的基本原理和方法；了解功率谱分析的原理和应用。2.掌握测试装置静态和动态特性的评估方法和无失真测

7、试条件；可正确应用于测试设备的分析和选择。3、了解常用传感器、测量电路和记录仪器的工作原理和性能，并能合理选用。4.对动态测试的基本问题有一个完整的概念，并通过实验初步学习机械工程中一些参数的测试。焦点：1.测试系统的基本组成和功能；2、课程内容介绍及要求。困难：测试系统的基本组成和功能。方法：本课程的重要性和意义将通过课堂教学和相关测试技术在日常生活和工业生产中的应用来说明，尤其是学生在生活和宣传媒体中所学的主要领域。从人类技术发展的角度，阐述了测试技术与其他学科的关系以及发展的依赖性。摘要：测试系统一般由传感器、信号调理、信号处理、显示记录和传输环节组成。本课程要求学生掌握信号分类、时域和

8、频域以及频谱分析的概念。系统的静态和动态特性以及无失真条件；各种传感器及其测量电路，记录仪器的原理和用途。思考问题：新材料科学、数字技术和计算机技术对测试技术的发展有什么影响？第一章信号及其描述目的和要求：使学生掌握工程测试中遇到的各种信号的分类方法和类型；信号的描述方法；掌握周期信号和非周期信号的频谱分析方法。课程表：4个课时课程内容：1-1信号分类和描述信号的概念：信号是特定信息的载体，它包含一些反映被测物理系统状态或特征的信息。1-1信号的分类(图)首先，根据物理性质分为非电信号和电信号。分类：信息包含在一些物理量中，我们称之为信号。实际上，根据物理性质，信号可以分为非电信号和电信号。非

9、电信号：力、位移和速度随时间变化的信号2.动态信号：指瞬时值随时间变化的信号。一般信号是随时间变化的时间函数，即动态信号。动态信号可以根据信号值随时间变化变化规律被细分为确定性信号和随机信号。三、按信号值分：连续信号和离散信号。1.连续信号：信号数学表达式中的自变量具有连续值；2.离散信号：信号的自变量取离散值，不连续。以相等的时间间隔对连续信号进行采样的结果是一个离散信号。1-2信号描述一、时域描述：人们直接观察或记录的信号通常是随时间变化的物理量，描述方法以时间为自变量。其特点是只能反映信号幅度随时间的变化规律。从时域图中可以知道信号的周期、峰值和平均值，可以反映信号的变化速度和波动。直观

10、、直观，便于观察和记录。第二，频域描述：它是以频率为自变量建立的信号与频率之间的函数关系。其特征在于研究信号的频率结构，即组成信号的每个频率分量的幅度和相位信息。三、两者的关系：它们是从不同的侧面观察的，两者之间有着密切的关系，相辅相成。我们之所以需要分析和描述不同领域的信号，是因为我们需要掌握信号不同方面的特征，因为在分析信号时要解决的问题是不同的。三、时域信号描述方法：1.确定性信号：指可以用一个确定的数学关系准确描述的信号。它可以用一个确定的时间来表达根据其波形是否有规律地重复，互函数也可以分为周期信号和非周期信号。(1)周期信号：是按照一定周期反复出现的信号，可以用数学表达式表示如下：

11、X (t)=x (t nt) n=1，2，3.t是一个周期。(2)非周期性信号：指没有周期性重复的信号，称为非周期性信号。它也分为准周期信号。和瞬态非周期性信号(1)准周期信号：它由两个以上的周期信号组成，但其组成成分之间没有公共周期，因此不能在一定的时间间隔内循环重复。让信号x(t)由两个谐波信号组成，即X(t)=A1sin2 t A2sin(3t )，可以看出这两个信号都是简单的谐波信号，即周期信号，但它们的角频率分别为1=2，2=3，它们的周期T1=2 ，T2=2/3。这两个周期之间没有最小公倍数，即角频率的比值不合理，表明它们之间没有公倍数。因此，信号x (t)是非周期性的，但它是由周

12、期性信号合成的，所以它被称为准周期性信号。(2)瞬态非周期信号：存在于某一时间区域或随着时间的增加衰减为零的信号。2.随机信号不能用数学解析表达式来表达，也不能预测未来任何时候的瞬时值。不是。因为随机信号具有一些统计特性，所以可以从过去用概率统计方法来估计未来，但它只能被近似地描述并且有误差。3.离散信号描述方法有：x(n)(1)离散图形表示：n1 2 3 4 5 6 7(3)数字序列表示：n1 n2 n3 n7x(n) x(1) x(2) x(3) x(7)1-2周期信号的频谱分析(频域描述)一、周期信号的分解1、傅立叶三角级数展开：(1-4)其中，0基波角频率， 0=2/t=2 0。T周期

13、；n=1，2，3;A0=1/TT/2-T/2 x(T)dt；an=2/TT/2-T/2 x(T)cos n0 TDT；bn=2/TT/2 -T/2 x(t)sin n0tdt将公式(2-4)中的类似项目合并，得到(1-5)；等式(1-4) (1-5)表明周期信号可以由常数值分量a0和无限数量的谐波分量的和来表示。其中，A1cos(0t-1)为一次谐波分量。基波的频率与信号的频率相同，高次谐波的频率是基波频率的整数倍。高次谐波可分为奇数次谐波(n为奇数)和偶数次谐波(n为偶数)。这种将周期信号x(t)分解成直流分量a0和无数谐波分量之和的方法称为傅里叶分析。2.复傅立叶级数傅立叶级数也可以用复制

14、数的形式来写：Cn变成复傅立叶系数，它的模式和相位角代表n个谐波和相位，即Cn =a2 n+B2 n=An/2；n=arctg(-bn)/an二。周期信号的频谱信号分解的结果由公共频谱图表示，例如：从频谱图可以看出，周期信号的频谱具有以下特征：(1)离散性：光谱由不连续的谱线组成，每条谱线代表一个谐波分量。这种光谱称为离散光谱。(2)谐波：每条谱线只能出现在基频的整数倍处。谱线之间的间隔等于基频的整数倍。(3)收敛性：1个频率分量的谱线高度计是该谐波幅值或相角工程中常见的周期信号，其总谐波幅值趋势随谐波数的增加而减小。由于谐波幅值的整体趋势随着谐波频率的增加而减小，信号的能量主要集中在低频分量

15、，谐波频率过高的分量占的能量很小，高频分量可以忽略不计。工程上提出了信号带宽的概念。信号频带的大小与允许误差的大小有关。通常，对应于下降到最大幅度的1/10的频谱幅度的频率被作为信号的带宽，这被称为1/10规则。1-3个非周期信号的频谱一、光谱密度函数当周期信号的周期趋于无穷大时，周期信号将演变成非周期信号。傅立叶表达式是：(1-6)周期信号的频谱是离散的，谱线之间的间隔为 0=2/t。当信号的周期区域是无限的时，周期信号将演化为非周期信号，谱线之间的间隔将趋向于无穷小量的d，不连续变量n0将变成连续变量，t将被2/d代替，求和运算将变成积分运算。在等式2-6中，X()表示角频率下单位带宽内频率分量的振幅和相位，称为函数x(t)的频谱密度函数，其形式复杂：其中|X(f)|是频率f下信号的幅度谱函数，(f)是频率f下信号的相位谱函数简而言之，非周期信号的频谱可以通过傅立叶变换获得，傅立叶变换是频率的连续函数，因此该频谱是连续频谱。二、傅立叶变换的主要性质1叠加如果x1(t)和x2(t)的傅里