机械工程测试第一章

绪论1.学习本课程的目的意义二十一世纪是信息世纪，信息靠什么获取呢？靠的是测量与实验，即测试。测试技术包括测量和实验两大部分，测量是指用仪器、仪表等测量工具去获取各种物理量，实验则是通过现场实际去考察某种物理工程所具有的性质、特征。学习测试技术的主要目的有如下两方面：1） 测试是科学研究的基本方法科学研究离不开实验研究，实验研究历来是科学研究的重要手段之一，而实验研究一定离不开对被研究对象特征参数的测量，因而可以认为，精确的测试是科学研究的根基，利用测试技术，可以建立起科学规律的定量关系，验证科学理论和规律的正确性。如工程材料的拉、压、扭转等力学性能指标以及其间的关系，就是通过实验得出来的，又如刚体力学、弹性力学的基本理论，都是在一定假设条件下形成的，象材力中的平面假设，理力中的刚体、质点假设，在这样的假设下形成的理论是否正确，应通过实验验证。2） 测试是工程技术的基础组成在工程研究、产品开发、生产监督、质量控制等方面都离不开测试技术，如在质量监督方面需对生产成品的质量作出评价，评价的过程实质是针对技术条件对成品进行的相关测试，又如在自动控制技术中，为了实现预定的控制目标，就必须对控制系统的输入量、输出量、反馈量进行监测，要监测就需运用适当的测试装置和方法，因此测试技术是构成控制技术的重要组成部分。2.课程的特点测试技术属技术基础课，是为具体的技术工作服务的，其基本特点是：1）研究对象范围广泛，涉及到“天、地、理、工、农”等学科领域，涉及的知识范围极广，包括相关的专业知识和一般的自然科学知识，如数学、力学、物理学、电学、自控等。2）实践性强，课程属技术课，对技术的掌握除了掌握相关原理外，还需通过实际操作才能掌握，因此，要学好本课程，除了完成一定量的习题外，还必须通过一定的实践才能掌握。3.研究内容1）信号的获取及调理技术（1）信号的获取信号是信息的载体，是信息的物理体现，而信息则是事物客观存在和运动状态的特征，测试的目的就是要了解被测量的基本特征，如变力的大小和方向，为了获得这些特征量，就应把被测量通过一定的手段转化为相应的信号，如何样进行转化，则是测试技术要研究的基本内容，如要想知道物体的重量、长度，可以用磅秤、尺子，而要了解构件受力后的应力、应变，又该用何法呢？（2）信号的调理经测试装置获取后的信号，一般不便于直接供分析、使用。原因是，要么信号很微弱，不能推动后续设备工作，要么信号中含有噪声，影响信号后续分析的精度等，为了把信号转换为便于处理的形式，就需要进行某些调整与处理，也称为调理，因此测试技术就需研究对信号进行调理的方法。2）信号获取系统的特性测试的基本任务就是通过测试装置把被测信号展示出来，我们要求被展示的信号应不失真的包含该信号的基本特征，也就是说测试装置输出的信号应能如实的复现原输入信号，为了解决这个问题，除了要了解信号的特点外，还需了解测试装置的工作特性，以期使测试装置与待测信号及测量要求相适应，如用磅秤去称量大小变化很快的变力，就无法显示重力的基本特征。3） 信号分析前已分析到，信号中包含着待求的信息量，如对单自由度振动系统，经实验会得到如图所示的波形，在这个波形中，包含着该振动系统的基本特征量如固有频率、阻尼、刚度等，怎样从这个信号波形中获得系统的特征量，就得对该信号进行分析、处理，为此就得研究从信号中获取信息的方法。4.测试方法分类测量方法是指在实施测量过程中所涉及的理论和实际操作方法。测量方法可按不同原则来分类。1)按是否直接测定被测量的原则分类按照获得测量测试结果的方法不同，通常把测量方法分为直接测量法和间接测量法。直接测量法是指将被测量直接与计量单位进行比较，或用预先标定好的测量仪器、装置进行测量，而不需要对所获取的数值进行运算的测量方法，如用直尺量长度，万用表测电压、电流，水银温度计测温度等。间接测量是指被测量的数值不能直接由测量设备上获得，而是通过所测量到的数值同被测量间的某种函数关系，经运算而获得被测量值的测量方法，如测轴功率，应先测得轴转速及扭矩，再用关系式=M/30求出轴功率。2）按传感器是否与被测物体接触分类按此原则可将测量方法分为接触与非接触测量两种。接触测量是测量中传感器与被物体相接触，如用温度计测量温度、流量计测量流量；非接触测量是测量中传感器与被测物体不相接触，如光纤测位移。3）按被测量是否随时间变换分类按此原则可将测量分为“静态”与“动态”两种。静态测量是指被测量值不随时间而变是恒定的，如物体重量；动态测量是指被测量值是随时间而变的，如交流电的电压，汽车行驶时路面对汽车的反力。5.测试系统的组成及应用1）测试系统的一般组成测试系统由一些不同功能的环节所组成，这些环节保证了由获取信号到提供观测的最必要的信号流程功能，不同的用途和要求，测试系统的构成环节及其构成方式是不同的，下图是一般测试系统组成的结构方框图。图0-2测试系统的一般组成各部分功能介绍：（1）试验激励装置对被测对象进行激励，以便使被测对象物理性能显示出来，如对图0-1对象进行激励，使其固有特性显示出来；（2）传感器用于信号的获取，用传感器感受被测物理量，并把它转换成与之相对应的、容易检测、传输或处理的量值形式（通常是电量）；（3）调理电路对传感器所输出的信号进行某种变换或加工，如放大、滤波、调制、解调、阻抗变换等；（4）显示记录将所测信号进行记录、显示或两者兼备；（5）数据处理对测量结果进行必要的处理，如误差分析、特征参数获取、曲线绘制、信息提取等。2）测试系统的应用测试系统的应用如图0-3所示。图0-3测试系统的应用）产品开发与工程试验）过程与系统控制）监测与诊断6.测试技术的发展概况现代生产的发展和科学研究对测试技术的需求极大地推动了测试技术的发展，而现代物理学、信息科学、计算机科学、电子与微机械电子科学与技术的迅速发展又为测试技术的发展提供了技术支持，从而促使测试技术在近20年来得到极大的发展和广泛应用。现代工程测试技术与仪器的发展主要表现在以下方面:1）新原理新技术在测试技术中的应用 近20年来，随着基础理论和技术科学的研究进展，各种物理效应、化学效应、微电子技术，甚至生物学原理在工程测量中得到广泛应用，使得可测量的范围不断扩大，测量精度和效率得到很大提高。例如在振动速度测量中，激光多普勒原理的应用，使得不可能安装传感器进行测量的计算机硬盘读写臂与磁盘片等轻小构件的振动测量成为可能;使用自动定位扫描激光束，使得大型构件如轿车身等的多点振动测量达到很高的效率，只需几分钟时间就可完成数百点的振动速度测量。2）新型传感器的出现随着人造晶体、电磁、光电、半导体与其他功能新材料的出现，微电子和精密、微细加工技术的发展，作为工程测量技术基础的传感器技术得到迅速发展。这种发展包括新型传感器的出现、传感器性能的提高及功能的增强、集成化程度的提高以及小型、微型化等。微电子技术的发展有可能把某些电路乃至微处理器和传感测量部分集成为一体，而使传感器具有放大、校正、判断和某些信号处理功能，组成所谓的"智能传感器"。3）计算机测试系统与虚拟仪器的应用传感器网络及仪器总线技术、Intemet网与远程测试、测试过程与仪器控制技术，以及虚拟仪器及其编程语言等的发展都是现代工程测试技术发展的重要方面。现代科学技术的迅猛发展，使人类社会进人信息时代。在信息时代，人类的社会活动将主要依靠对信息资源的开发及获取、传输与处理。而传感器处于自动检测与控制系统之首，是感知、获取与检测信息的窗口;传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究要获取的信息，都要通过它转换为容易传输与处理的电信号。因此，传感器的作用与地位就特别重要了。现在人们常常将计算机比喻为人的大脑，那么传感器则可以比喻为人的感觉器官。可以设想，没有功能正常而完美的感觉器官，不能迅速而准确地采集与转换欲获取的外界信息，纵有再好的大脑也是无法发挥其功能的。科学技术越发达，自动化程度越高，对传感器依赖性就越大。所以，国内外都将传感器技术列为重点发展的高技术，倍受重视。人们己经认识到，征服了传感器就等于征服了现代科学技术。纠传感器技术是信息技术的基础与支柱前面谈到，现在人类社会已经进人信息时代，因而信息技术对社会发展、科技进步将起决定性作用。现代信息技术的基础是信息采集、信息传输与信息处理，它们就是传感器技术、通信技术和计算机技术。而传感器在信息采集系统中处于前端，它的性能将会影响整个系统工作状态与质量。因此，最近十年来，人们对传感器在信息社会中的作用，又有新的认识与评价。劝传感器已经广泛应用于各个学科领域，各个学科的发展与传感器技术有密切关系传感器的重要性还体现在它已经广泛地应用于很多学科领域。例如工业自动化、农业现代化、航天技术、军事工程、机器人技术、资源探测、海洋开发、环境监测、安全保卫、医疗诊断等领域。而且传感器技术发展状况，会对其他学科发展产生制约作用。科学上的第一章信号及其描述在测试中，所检测的量绝大多数是非电量，某一非电量经传感器变换为电量后，再经变换电路转换为与之相应的电信号，这一电信号就是测试信号，在实际测量中，由于测试装置本身的原因，或者是在检测的量中同时混入其他的输入源，使得测试信号中即包含了被测量的信息，同时也包含了各种干扰信息，故应对测试信号进行分析、处理，测试信号的分析处理包含两个方面的内容：.研究信号的构成及特征值，2.研究从测试信号中提取被测量相关信息的方法。为便于研究信号，应对信号作出分类，并按类进行分析，本章先介绍信号的分类与描述，第五章再介绍信号的处理。第一节 信号的分类与描述一.信号的分类信号有不同的分类方法，一般工程测试信号，可分为如下几类。1.确定性信号与随机信号能用确定的时间函数式描述的信号，或者可以用实验的方法以足够的精度重复产生的信号，即可确定其任何时刻的量值，这种信号称为确定性信号。确定性信号又分为周期信号和非周期信号。(1)周期信号 经过一定时间可以无限重复出现的信号，它满足条件：例如，集中参量的单自由度振动系统作无阻尼自由振动时，其位移x()就是确定性的;它可用下式来确定质点的瞬时位置其他有：周期性的方波，三角波。(2)非周期信号不具有周期重复性的确定性信号称为非周期信号。分为两种:准周期信号和瞬变非周期信号。准周期信号由两种以上的周期信号合成的，但各周期信号的频率相互间不是公倍关系，其合成相互不满足周期条件例：x(t)=sint+sint 是两个正弦信号的合成，其频率比不是有理数，不成谐波关系，所以x(t)是准周期信号。瞬变非周期信号或在一定时间区间内存在，或随着时间的增长而衰减至零的信号，称为瞬变非周期信号。如衰减振动的信号；矩形脉冲；三角脉冲。（3）随机信号（非确定性信号）不能准确预测其未来瞬时值，无法用数学关系式来描述的信号。但是，它具有某些统计特征，可以用概率统计方法由其过去来估计其未来。随机信号所描述的现象是随机过程。自然界和生活中有许多随机过程，例如汽车奔驰时产生的振动、环境噪声等。随机信号又分为平稳随机信号、非平稳随机信号，其概念后述。2.连续信号和离散信号1）连续信号若信号数学表示式中的独立变量取值是连续的，则称为连续信号 (见左图)。2）离散信号若独立变量取离散值，则称为离散信号 (见右图)右图是将连续信号等时距采样后的结果，它就是离散信号。离散信号可用离散图形