测试技术-上海交通大学

测试技术上海交通大学机械与动力工程学院 2009.09第一章 测量过程概述机械工程测量与试验技术的简称。一、测试技术的目的和任务获取、提取有用的信息并做处理；或者 将其提供给其它的控制系统。是人类观察、认识 客观世界的科学技术手段。二、测试技术的重要性作为现代信息科学技术的三大支柱：测 控技术、计算机科学技术、通讯技术之一。 三、测试技术的专业特征现代物理学、机械电子学、计算机科学 等多学科、综合性技术的结合；是机电一体化的 纽带；是实现机械自动化、工业自动化、自动控 制的途径。四、测试技术的专业内容计量，测量，检测，实验（结果已知），试 验（其结果往往未知）测试是这些工作的综 合与统称，测量与试验技术；还要包括对测试结 果的分析和应用。五、测试技术的应用（举例五个领域方面）机械制造（数控机床控制系统原理框图 ，各 类装备的自动化）；工业工程（生产系统、生产线自动化，产品 的质量检验与控制）；航空航天（空间卫星，遥感技术）；医学（化验，检验）；日常生活中。六、感官与外界信息例：人机器人之比较。人也是通过自身 的感觉器官测试、获取外界的信息。人通过、借助科学技术方法获取更多的、更准确的、而超出 人体自身获取能力的外界的信息。七、工程信息（信号）的分类方法按“物理量”分类 电信号，光信号，压力 信号，温度，流量，等等，许多。按“电量”分类 （亦即电信号）电压，电 流，电阻，电阻率，电容，电感、电磁场强度， 等等。凡是 “电量”以外的信号都称之为非电量信 号。电量信号如何获取获知？按“机械量”分类 力，转矩，应力（压力），应变；长度尺寸（厚度），位移（连续变 化的距离，包括转角位移），位置（离散变化的 距离），速度（转速），加速度（角加速度）； 声压，声强；流量，流速；温度，湿度；等等。这些是机械工程中常见的信息（信号）。八、信号的变换与传输问题：如何获取获知上述的这些机械量信号？而又如何将其传输？将测试的机械量（非电量）信号先转换或变 换为电量信号；再以电量信号的形式（特别是以 电压、电流信号的形式）传输输送 通常的解 决方法。因为电压、电流等电量信号容易经电缆有线 传输或以无线发射方式（电磁波）传输；并且容 易对其进行量值（幅值）放大、变换等处理，容 易储存 通过电工学、电子学方法和计算机技 术。当然，接收到的以及变换、处理过的该电量 信号与变换前的机械量对应，亦即电信号的图形 、 幅值参数等，对应测试的机械量信息。九、本课程内容与测试有关的基础理论；机械工程中常用物理量、机械量的测试方 法（关键的就是如何将机械量转变为电量）；测试仪器的性质与工作原理；信号的传输及其分析处理初步。总起来说，包括了机械量从获取、传送到显 示、分析、应用的初步知识。十、本课程定位是与高等数学、物理学、电工 学、材料力学、机械振动学、控制工程基础等已修课程知识，以及其它专业课程 知识都有关联的机电类、综合性专业基础课，专 业课。 随着科学技术的日益发展，人类的探索对测试技术的要求进一步提高，而测试技术学科领 域相应的新技术又不断出现；因此，了解、掌握 现代测试技术和方法，对于工程技术界从事各项 专业工作的技术人员越显重要。思考题： 1、何为机械量？ 2、为什么要将机械量转换为电量？知识学习，重在理解！第二章 测量与测试信号分析的基础 2.1 测试的基础知识 一、量与量纲基本量和导出量（物理属性不同的不同类的 量）：国际单位制对基本量的约定长度、质 量、时间、温度、电流、发光强度、物质的量 （七个相互独立的量）；其它的量如力、电 阻、速度等等皆称为导出量。量值（用以定量和区别同类量的大小）= 数 值 × 计量单位。量纲用七个基本量（符号）的幂的乘积 的表达式表示的量。对应七个基本量的量纲 L、M、T、I 、 N、J；或表示为：L、M、T、I、N、J。 导出量的量纲由七个基本量的量纲按一 定的函数关系来表示定义，如：力的量纲为 LMT²，电阻的量纲为L²MT³I²。无量纲量工程上对弧度等量纲中的幂都 为零的量。二、法定计量单位（以法律手段规定的）基本单位七个基本量的计量单位（米、 千克、秒、安培等等）。辅助单位弧度、球面角度。导出单位毫米，克、毫克，毫安等等。三、计量基准和计量标准计量基准保存、复现计量单位的计量器 具；是具有现代科学技术所能达到最高准确度的 计量器具；分为三个等级：国家基准 > 副基准 > 工作基准。计量标准用于检定较低等级计量标准或 工作计量器具的计量器具。工作计量器具现场实际测量工作用，也 有不同的等级，不用于检定。四、量值的传递和计量器具检定量值传递保证被测对象的量值与基准和标准准确一致的过程和方法。计量器具的检定和校准根据国家计量法由国家各级计量局按检定规程（检定计量器 具所依据的法定技术文件）强制性实施执行；内 容包括：适用范围、计量器具的计量特性、检定 项目、检定条件、检定方法、检定周期、检定结 果的处理等等。五、测试方法的分类* 按是否直接测定被测的量直接测量法和间接测量法；* 按被测量是否直接和已知的同种量进行比 较直接比较测量法和替代测量法（间接比较测量法）；* 按测试时测试仪器是否与被测物体接触 接触式测量和非接触式测量；* 按被测量是否随时间而变化静态测量和动态测量（随时间而变化）。六、测量装置及相关术语* 测量装置完成测量工作所必须的测量 器具，测量仪器（电子的、光学的、其它的）， 以及多个测量仪器构成的测量系统的统称。* 传感器直接作用于被测量且输出被测 信号的测量仪器；直接获取非电量、并实现非电 量电量转换的测量仪器。* 测量器具的示值测量器具、测量仪器 显示的被测量值。* 准确度等级与本身误差有关的测量仪 器的等级或级别。* 标称范围测量器具、测量仪器的示值 范围（上、下限）。* 量程标称范围的 |上限 - 下限| 。* 测量范围在测量器具、测量仪器本身 的误差处于允许极限内，所能测量的被测量值的 范围（是有意义的测量范围一般 m。实际的物理 系统是时变的，因为构成物理系统的元器件材 料的特性可能受环境温度影响，而环境温度随 时间缓变，如电阻率，工程上作了近似处理。 a3 d³y(t)/dt³ + a2 d²y(t)/dt² + a1 dy(t)/dt + ao y(t) = b2 d²x(t)/dt² + b1 dx(t)/dt + bo x(t) 定常线性系统的主要性质符合常系数线性微 分方程的性质：符合叠加原理；比例特性；输入与输出（也称响应）的导数特性；输入与输出的积分特性；频率保持性 稳态（相对于暂态）输出 时，输入为简谐信号，输出也为同频率的简谐信 号，仅幅值、相位角改变： 输入 x(t) = Xo sin t 输出 y(t) = Yo sin (t - )（输出全过程包括：暂态 + 稳态；测试必须 在稳态情况下进行！）因此，若已知输入信号的频率，依据频率保持性可以认定，测得该系统的输出信号中只 有与输入频率相同的成份才可能是由该输入引 起的输出，而输出信号中的其它频率成份都是 噪声（干扰）。进而可以采用滤波技术“滤除”噪声，提取有用的信号信息。信号的频谱是信号各频率成份的叠加（合成），因此研究复杂成份的输入信号所引起的 输出时，转到频域中去更方便。一、动态特性的数学描述（同拉氏变换）测试系统串联：H() = H1() × H2() × H3()测试系统并联：H() = H1() + H2() + H3()H() = A() = P() + j Q() P() 、j Q() 分别为实频和虚频。幅频 A() = |H()| = P²() + Q²()相频 () = arc tan Q()/P()二、一阶系统的特性（延时特性）电学的 RC 充放电电路、热学的温度计、力 学的单自由度振动系统都为一阶系统： RC dy(t)/dt + y(t) = x(t)一阶系统微分方程一般式：a1 dy(t)/dt + ao y(t) = bo x(t) 令 RC = 或 a1/ao = ，bo/ao = So。 时间 常数，So 静态放大系数。 dy(t)/dt + y(t) = So x(t) 经拉氏变换得一阶系统的传递函数：H(s) = So/(1 + s)一阶系统的频响函数（标准式）： H() = So/(1 + j) 分母有理化：H() = So(1 - j)/(1+ j)(1 - j) = So(1 - j)/(1+ ²²) = So/(1+ ²²) - Soj/(1+ ²²) 幅频 A() = 1/(1 + ²²)相频 () = - arc tan () 负号表示输出信号滞后于输入信号。一阶装置的传输特性（脉冲响应函数）h(t) ：h(t) = H() d = 1/h(t) 定义：输入为单位脉冲 (t) 时的输出 y(t)， 因为 () = 1，Y() = H()() = H()，这时 对应的 h(t) = y(t)，是测试装置的时域描述。 当 0。调幅调制的解调方法同步解调法：乘法器将已调制信号 xm(t) 再次与载波 z(t) 相乘，输出为 xp(t) xp(t) = Ao + x(t) cos z t cos z t = 1/2 Ao + x(t) (1 + cos 2z t )通过低通滤波器滤除频率为 2z 的部分，xd(t) = 1/2 Ao + x(t) 余下的系数部分 xd(t) 只改变原基带信号 x(t) 的幅值，不会导致 x(t) 失真，而且通过 加法器、放大器容易还原 x(t) 解调。实际的电路解调方法有相干解调法、同步 解调法、相敏检波器解调等。书上76页图5-11，动态电阻应变仪工作原 理，振荡器输出的电压即为高频载波，作为交 流电桥的供桥电源；经过相敏检波器电路解 调。第七章 信号处理初步 7.1 数字信号处理模拟信号处理系统由实现模拟运算功能的 电路组成；数字信号处理系统由专用计算机数 字信号处理器或计算机相关软件构成。数字信号处理的特点是处理离散数据，包 括步骤：预先隔离直流分量、解调、滤除高频 干扰；然后模拟信号数字化用离散的周期 性时间续列脉冲与信号相乘，以及电压幅值离 散（量化）通过 A/D 转换器。信号数字化过程中的每一步骤，都可能引 起原始测试信号和其蕴含信息的失真。一、时域采样、对应频域混叠和采样定理时域采样即把连续的时间信号 x(t) 离散 化。书上145页图7-2，测试信号 x(t)，采样脉冲 序列（梳状函数）为 g(t) g(t) = comb(t，Ts) = (t - nTs)Ts脉冲周期间隔。采样后时域内信号 xs(t) = x(t)g(t) = x(t) (t - nTs)， 由于梳状函数 (t - nTs) 只在 t = nTs 时非0， 所以xs(t) = x(nTs)(t - nTs)采样的关键是确定采样间隔 Ts，即确定采 样频率 s 或 s。采样间隔 Ts 小采样频率高 采样点数多信号丢失少但计算工作量大。 时域采样相似于连续信号 x(t) 对采样函数 g(t) 调幅调制（相乘，但无需使 x(t) > 0，即不必 将 x(t) 放大 Ao倍）。对应频域：Xs() = Fx(t)g(t) = 1/2 X() * G() 由于 G() = 1/2Ts ( 2k/Ts) 所以