《机械工程测试技术基础》知识点总结[教学应用]

1、机械工程测试技术基础知识点总结1. 测试是测量与试验的概括，是人们借助于一定的装置，获取被测对象有相关信息的过程。测试工作的目的是为了最大限度地不失真获取关于被测对象的有用信息。 分为：静态测试，被测量（参数）不随时间变化或随时间缓慢变化。 动态测试，被测量（参数）随时间（快速）变化。2. 基本的测试系统由传感器、 信号调理装置、 显示记录装置三部分组成。 传感器：感受被测量的变化并将其转换成为某种易于处理的形式，通常为电量（电压、电流、电荷）或电参数（电阻、电感、电容）。 信号调理装置：对传感器的输出做进一步处理（转换、放大、调制与解调、滤波、非线性校正等），以便于显示、记录、分析与处理等。 显示记录装置对传感器获取并经过各种调理后的测试信号进行显示、记录、存储，某些显示记录装置还可对信号进行分析、处理、数据通讯等。3. 测试技术的主要应用：1. 产品的质量检测 2.作为闭环测控系统的核心 3. 过程与设备的工况监测 4. 工程实验分析。4. 测试技术是信息技术的重要组成部分，它所研究的内容是信息的提取与处理的理论、方法和技术。 现代科学技术的三大支柱：能源技术 材料技术 信息技术。

2、 信息技术的三个方面：计算机技术、传感技术、通信技术。5. 测试技术的发展趋势： (1) 1. 传感技术的迅速发展 智能化、可移动化、微型化、集成化、多样化。 （2）测试电路设计与制造技术的改进 （3）计算机辅助测试技术应用的普及 （4）极端条件下测试技术的研究。6. 信息：既不是物质也不具有能量，存在于某种形式的载体上。事物运动状态和运动方式的反映。 信号：通常是物理、可测的（如电信号、光信号等），通过对信号进行测试、分析，可从信号中提取出有用的信息。信息的载体。 噪声：由测试装置本身内部产生的无用部分称为噪声，信号中除有用信息之外的部分。 （1）信息和干扰是相对的。 （2）同一信号可以反映不同的信息，同一信息可以通过不同的信号来承载 。7.测试工作的实质（目的 任务）：通过传感器获取与被测参量相对应的测试信号，利用信号调理装置以及计算机分析处理技术，最大限度地排除信号中的各种干扰、噪声，最终不失真地获得关于被测对象的有关信息。8. 信号的分类：（一） 按信号随时间的变化规律分：（二）按信号的物理属性分：机械信号、电信号、光信号、其他（磁信号、声信号、超声波信号等）。（三）按信号的幅

3、值是否随时间变化分：静态（直流）信号、动态（直流+交流）信号。（四）按自变量的变化范围分：时（间有） 限信号、频（率有） 限信号。（五）按信号是否满足绝对可积条件分：能量（有限） 信号、功率（有限） 信号。（六）按信号中变量的取值特点分：连续信号、离散信号。 时间和幅值均连续模拟信号时间和幅值均离散数字信号9. 各类信号的特征：1. 确定性信号 可以用确定的数学函数表示其随时间变化规律的信号，包括周期信号（简单周期信号（正弦信号）、复杂周期信号）和非周期信号（准周期信号、瞬变信号）两类。 周期信号：每隔一定的时间间隔精确重复其波形、无始无终的信号。 简单周期信号（正弦信号、简谐信号、谐波信号）：正弦信号是构成其他信号的基本成分。 非周期信号：除周期信号以外的确定性信号称为非周期信号 ， 它又分为准周期信号和瞬变信号两类。准周期信号：准周期信号由多个周期信号合成，但各周期信号的频率比为无理数（不具有公共周期），因此属于非周期信号。但由于其频谱具有周期信号频谱的特点，故称之为准周期信号。瞬变信号：现实中的瞬变信号一般均为能量有限信号。2. 非确定性信号 不能用确定的数学函数表示其随时间变化

4、规律的信号，也称为随机信号或随机过程。随机信号一般用统计参数（数学期望、方差等）表示其特征，包括平稳随机信号（过程）和非平稳随机信号（过程）两类。10. 信号的描述方法是在不同变量域内对信号进行的各种数学描述，可以揭示信号的某些数据特征，是信号分析的基础。 “域”指的是描述信号时的自变量，即考察信号的着眼方面。信号的描述主要在以下几个变量域内进行： 时间域（简称时域）：以时间作为自变量的信号表达，反映信号的幅值随时间的变化过程。 频率域（简称频域）：以频率作为自变量的信号表达，可以揭示信号的频率结构（组成信号的各次谐波的幅值、初相位与频率的对应关系）。幅值域： 以信号的幅值作为自变量的信号表达，反映信号中的不同幅值（强度）的概率分布情况。时延域：以延时时间作为自变量的信号表达，反映信号在不同时刻的相互依赖关系或相近程度。信号的时域描述：1. 均值 在观测时间内，信号幅值的平均值。均值反映了信号变化的中心趋势，也称为信号的直流分量。 2. 绝对均值 在观测时间内，信号幅值绝对值的平均值。绝对均值相当于对信号进行全波整流后再滤波（平均）。 3. 均方值 在观测时间内，信号幅值平方的平均值。

5、 4. 均方根值（有效值） 均方值的正平方根称为信号的均方根值（有效值）。 均方值可以看成是电信号（电流或电压）作用在单位电阻上的平均功率，因此也常称为信号的平均功率；均方根值也称为信号的有效值。 信号的均值、绝对均值、均方值和均方根值都可作为信号强度的量度。 5. 方差 在观测时间内，信号的瞬时幅值与均值之差的平方的平均值。方差反映了信号偏离均值的程度，即信号中交流（谐波）成分的大小。 6. 标准偏差 方差的正平方根称为信号的标准偏差（简称标准差）。 均值、方差、均方值三者之间具有如下关系： 信号的频域描述：频域描述的目的是要得到信号的频谱，即信号的频率构成。 了解信号的频谱，对设计动态测试方法、测试装置有着重要的意义，是实现不失真测试的技术保障。 要了解信号的频谱，通常是要根据信号的类别，借助于不同的数学工具来实现。 其中最基本的数学工具是傅立叶级数（FS） 和傅立叶变换（FT） 。 11. 周期信号的频谱：通过对周期信号的时域表达式进行傅立叶级数展开，可得到周期信号的频谱（频率构成）。傅立叶级数是进行周期信号频谱分析的数学工具。 周期信号频谱的数学表达有两种形式： 三角函数形式展

6、开式（频谱情况直观明了）、复指数形式展开式（便于有关分析运算）。 任何周期信号都是由无穷多个频率、幅值、初相位互不相同的正弦谐波信号叠加而成的。 以直流分量及各次谐波的频率 为横坐标，以直流分量及各次谐波的幅值 、初相位 为纵坐标作图，得到如频谱图。周期信号频谱的特点：（1）离散性 周期信号的频谱是离散的，由一系列离散的谱线组成。（2）谐波性 每条谱线对应于一个谐波分量，只出现在基频的整数倍上。（3）收敛性 工程中常见的周期信号，其谐波幅值总的趋势是随谐波次数的增加而减小。通常可忽略较高次谐波的影响。 12. 非周期信号的频谱：通过对非周期信号（瞬变信号）的时域表达式进行傅立叶变换，可得到非周期信号的频谱（频率构成）。傅立叶变换是进行非周期信号频谱分析的数学工具。 （非周期信号不包括准周期信号。准周期信号虽然属于非周期信号，但其频谱具有周期信号频谱的特点） 非周期信号频谱的特点；（1）非周期信号的频谱是连续的，其频谱中包含所有频率的谐波成分。（2）X( f )具有“单位频率宽度上的幅值、相位”的含义，故非周期信号的频谱严格上应称为频谱密度函数（简称频谱）。（3）非周期 信号的幅值谱密度

7、为有限值，但各次谐波分量的幅值为无穷小能量有限。傅立叶变换的性质：傅里叶变换具有线性（比例）叠加、时移、频移、时间尺度改变、对称、微积分、卷积分等性质。13. 几种典型信号的频谱：1. 矩形窗函数及其频谱 矩形窗函数是一种在时域有限区间内幅值为常数的窗信号，它在信号分析处理中有着重要的应用，主要用于在时域内截取某信号的一段记录长度。矩形窗函数的频谱是连续的，频谱范围无限宽广。信号的截断相当于信号与窗函数相乘，截断后的信号的频谱等于二者的卷积分，因此也具有连续、无限宽广的频谱。 2. 单位脉冲函数（ 函数）及其频谱 函数的性质：（1）抽样性质（筛选性质） 函数可以把信号x（t）在脉冲发生时刻t0 时的函数值抽取出 来。 （2）卷积（分）性质 （3）函数的频谱 14. 周期单位脉冲序列 （comb(t,TS） 及其频谱： 周期单位脉冲序列的频谱也是一个周期脉冲序列。 周期单位脉冲序列的典型应用是等时间间隔采样控制。采样间隔（周期） 越小，其频谱谱线间隔1/TS越大，越有利于减小采样所造成的失真。15. 信号的幅值域描述：信号的幅值域描述用来表示信号关于幅值大小的分布情况，数学模型主要有概率

8、密度函数和概率分布函数。1. 概率密度函数 概率密度函数是在观测时间 T 内，信号幅值落在指定区间内的概率的密度。 2. 概率分布函数 概率分布函数（累积概率）定义信号的瞬时幅值小于或等于给定值x的概率，其值在01之间。16. 信号的时延域描述。17.相关 相关系数。 1. 自相关函数 定义：自相关函数用来描述信号在某一时刻的瞬时值与该信号延时时间 以后的瞬时值之间的相似程度，是关于延时时间 的函数。 性质： 周期信号的自相关函数为同周期的周期函数。 周期信号的自相关函数中保留了原周期信号幅值和频率信息，但丢失了相位信息。 周期信号的自相关函数当t 时并不收敛。 对于不含有周期成分的随机信号，利用信号的自相关函数可以非常有效地区别信号的类型。只要信号中含有周期成分，其自相关函数当t 时也不衰减，并具有明显的周期性。 自相关函数的应用：1.表面粗糙度成因的自相关分析 2. 信号类型的判别 2. 互相关函数 互相关函数用来描述一个信号在某一时刻的瞬时值与另一个信号延时时间 以后的瞬时值之间的相似程度，是关于延时时间 的函数。 性质：1. 2. 3. 两频率相同的周期信号的互相关函数仍为同周

9、期的周期函数。 同频周期信号的互相关函数中不仅保留了原周期信号的幅值和频率信息，也保留了相位（差）信息。 同频周期信号的互相关函数当t 时并不收敛。 4. 两频率不同的周期信号的互相关函数等于0（不同频不相关）。 5. 不含同频周期成分的两随机信号的互相关函数当t 时趋于零。若两随机信号中含有同频周期成分，即使t ，它们的互相关函数也不收敛并会出现该频率的周期性。 互相关函数的应用：1. 相关定位（确定管道破损位置） 2. 相关测速（在线测量钢带速度） 3. 利用互相关分析进行故障诊断（振动传递路径识别）18. 信息是事物运动状态和运动方式的反映。信号是信息的载体，其中包含着关于被测对象的有用信息。19. 信号的频谱指的是信号的频率构成，了解信号的频谱是实现不失真测试的重要技术保证。20. 进行非周期信号频谱分析的数学工具是傅立叶变换。非周期信号的频谱为频谱密度，主要特点是频谱的连续性，即频谱中包含着任何频率的谐波成分。21. 测试装置 对被测参量进行传感、转换、信号调理、显示记录的（机械、电子、光学等）装置的统称。 理想的测试装置应该具有单值的、确定的输入/输出特性。其中以线性的输入/输出特性是最期望的。 测试装置的特性: 1. 静态特性 测试装置对不随时间变化或随时间缓慢变化的信号所呈现出来的传输特性 2. 动态特性 测试装置对随时间快速变化的信号所呈现出来的传输特性22. 线性时不变系统: 若线性系统微分方程中的各系数（取决于

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