《機械工程測試技術(shù)》全冊配套完整教學課件

1、機械工程測試技術(shù)（機械工程測試技術(shù)（1-14周）周） 總學時總學時48，其中理論學時，其中理論學時38+實驗學時實驗學時10上課時間：上課時間：周二周二5.6節(jié)（單），機電樓節(jié)（單），機電樓B311周四周四3.4節(jié)，機電樓節(jié)，機電樓B415總成績總成績=平時成績（占平時成績（占20%）+實驗成績（占實驗成績（占10%） +考試卷面成績（占考試卷面成績（占70%）緒論緒論本章學習要求：本章學習要求：1.掌握測試的基本概念及測試工作的任務掌握測試的基本概念及測試工作的任務2.了解測試技術(shù)的應用情況了解測試技術(shù)的應用情況 3.掌握測試系統(tǒng)的組成掌握測試系統(tǒng)的組成4.了解測試技術(shù)的發(fā)展動態(tài)了解測試技術(shù)

2、的發(fā)展動態(tài) 一、 測試技術(shù)的基本概念測試技術(shù)屬于信息科學范疇。測量：以確定被測對象屬性量值為目的的全部操作，是對已知參數(shù)進行度量。測試是測量測量和試驗試驗的綜合， 是帶有試驗性質(zhì)的測量。試驗：與實驗的區(qū)別。二、測試技術(shù)的任務測試是從客觀事物中提取有關(guān)信息的認識過程。信號與信息的關(guān)系： 信息信息是以信號信號為載體，依靠信號信號來傳輸，通過對信號信號進行分析可以得到信息信息。測試工作的任務： 獲取與研究任務相關(guān)的有用信息，而不是全部信息獲取與研究任務相關(guān)的有用信息，而不是全部信息。信息有用信息獲取無用信息干擾全自動洗衣機中的傳感器：衣全自動洗衣機中的傳感器：衣物重量傳感、衣質(zhì)傳感器、水物重量傳感、

3、衣質(zhì)傳感器、水溫傳感器、水質(zhì)傳感器、洗凈溫傳感器、水質(zhì)傳感器、洗凈度傳感器、液位傳感器、電阻度傳感器、液位傳感器、電阻傳感器傳感器( (衣物烘干檢測衣物烘干檢測) )透光率傳感器透光率傳感器溫濕度傳感器溫濕度傳感器指紋傳感器指紋傳感器三、 測試技術(shù)的應用 1、日常生活（1）產(chǎn)品質(zhì)量測量 在汽車、機床等設備，電機、發(fā)動機等零部件出廠時，必須對其在汽車、機床等設備，電機、發(fā)動機等零部件出廠時，必須對其性能質(zhì)量進行測量和出廠檢驗。性能質(zhì)量進行測量和出廠檢驗。 2 2、機械行業(yè)、機械行業(yè) 機床加工精度測量機床加工精度測量汽車扭距測量汽車扭距測量廣州中鳴數(shù)碼的機器狗廣州中鳴數(shù)碼的機器狗轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動/ /移動

4、位置傳感器、力移動位置傳感器、力傳感器、視覺傳感器、聽覺傳感器、視覺傳感器、聽覺傳感器、接近距離傳感器、傳感器、接近距離傳感器、觸覺傳感器、熱覺傳感器、觸覺傳感器、熱覺傳感器、嗅覺傳感器。嗅覺傳感器。香港理工香港理工AGVAGV自動送自動送貨車模型貨車模型（2）新產(chǎn)品開發(fā)（3）自動控制石化企業(yè)輸石化企業(yè)輸油管道、儲油管道、儲油罐等壓力油罐等壓力容器的破損容器的破損和泄露檢測。和泄露檢測。（4）故障診斷加速度計、光學心率傳感器、皮電反應傳感器、生物電阻抗傳感器、環(huán)境光及紫外線傳感器（5）其他應用航天航天農(nóng)業(yè)農(nóng)業(yè)交通交通醫(yī)療醫(yī)療四、測試系統(tǒng)的組成激勵裝置傳感器被測對象信號調(diào)理反饋、控制顯示記錄信號

5、處理觀察者轉(zhuǎn)換、放大、調(diào)制 解調(diào)、濾波、運算、A/D轉(zhuǎn)換、分析五、測試技術(shù)的發(fā)展趨勢1、利用新發(fā)現(xiàn)的材料和新發(fā)現(xiàn)的生物、物理、化學效應開發(fā)出的新型傳感器光纖流速傳感器光纖流速傳感器熒光材熒光材料制作料制作的電子的電子鼻傳感鼻傳感器器2、傳感器+嵌入式計算機 智能傳感器 振動網(wǎng)絡傳感器振動網(wǎng)絡傳感器嵌入式計算機嵌入式計算機智能壓力網(wǎng)絡智能壓力網(wǎng)絡傳感器傳感器智能智能傾角傾角RS232RS232傳感器傳感器IC總線數(shù)字溫度總線數(shù)字溫度傳感器傳感器3、主要傳感器和測試儀器生產(chǎn)廠商(2)振動/噪聲傳感器 丹麥丹麥B&K（振動測量、聲學測量領(lǐng)域最富盛名振動測量、聲學測量領(lǐng)域最富盛名）http:/

6、 美國美國霍尼威爾霍尼威爾公司（有全球最大公司（有全球最大傳感器傳感器技術(shù)研究中心）技術(shù)研究中心） http:/ 美國國家儀器公司美國國家儀器公司(全球最大的計算機虛擬儀器生產(chǎn)商全球最大的計算機虛擬儀器生產(chǎn)商)http:/ 信號及其表述信號及其表述本章學習要求：本章學習要求：1.1.了解信號分類方法了解信號分類方法 2.2.掌握信號描述方式掌握信號描述方式3.3.會利用傅立葉變換求信號的頻譜會利用傅立葉變換求信號的頻譜4.4.掌握幾種典型信號的頻譜掌握幾種典型信號的頻譜1.1 信號的分類一、確定性信號和非確定性信號；0t0t特點：特點：可以用數(shù)學關(guān)系式表示； 已知某一時刻 ，可以確切的知道x(

7、 )； 相同條件下得到的信號相同。 確定性信號確定性信號周期信號周期信號非周期信號非周期信號 按信號幅值隨時間變化的規(guī)律不同，將信號分為確定性確定性信號和非確定性信號信號和非確定性信號。( (一一) ) 確定性信號確定性信號定義：定義：可以用明確數(shù)學關(guān)系式描述用明確數(shù)學關(guān)系式描述的信號稱為確定性信號。定義：定義：按一定時間間隔周而復始重復出現(xiàn)周而復始重復出現(xiàn)的信號。 x ( t ) = x ( t + nT ) n1, 2, 3(2)一般周期信號一般周期信號,如方波、三角波。x(t)ttx(t)000t(1)諧波信號諧波信號，如正弦信號 x ( t ) = 2cos2 2、非周期信號、非周期信

8、號x(t)0t矩形脈沖信號矩形脈沖信號定義：確定性信號中那些不具有周期重復性的信號。定義：確定性信號中那些不具有周期重復性的信號。包括 準周期信號：由兩種以上周期信號合成的，但各周期分量瞬變非周期信號：除準周期信號之外的非周期信號。無公共周期。衰減振動信號衰減振動信號確定性信號周期信號 非周期信號 諧波信號 一般周期信號 準周期信號 瞬變非周期信號 （二）隨機信號（二）隨機信號 定義：無法用明確的數(shù)學關(guān)系式表達的信號。定義：無法用明確的數(shù)學關(guān)系式表達的信號。特點：特點：1、不能用確切的數(shù)學關(guān)系式表示。 2、不能準確表達將來某一時刻的值。如天氣變化。 3、實驗每次結(jié)果都不同。 4、只能用概率統(tǒng)計

9、方法來描述。二、連續(xù)信號和離散信號二、連續(xù)信號和離散信號 若連續(xù)，則為模擬信號連續(xù)信號的幅值 若離散，則為量化信號 若連續(xù)，則為采樣信號離散信號的幅值 若離散，則為數(shù)字信號按獨立變量取值是否連續(xù)，信號連續(xù)信號：獨立變量取值連續(xù)離散信號：獨立變量取值離散三、能量信號和功率信號一般持續(xù)時間有限的瞬態(tài)信號是能量信號。如矩形脈沖信號、指數(shù)衰減信號等。2( )xt dt 若信號在區(qū)間（-，），則認為能量是有限的，這樣的信號稱為能量信號能量信號。滿足：若信號在區(qū)間（-，）的能量無限，但在有限區(qū)間（ ， ）的平均功率是有限的，即滿足1t2t這種信號稱為功率信號功率信號。如正弦信號x（t）sint一般持續(xù)時間

10、無限的信號都屬于功率信號。21)(1)(2122ttdttxttdttx為什么要進行頻域分析?1.2 信號的描述幅頻圖相頻圖例2：畫出 幅頻譜和相頻譜。)42cos(cost2)(ttx時域描述:以時間為自變量來表示信號。頻域描述:以頻率為自變量來表示信號。)cos()(000txtx例1：畫出 幅頻譜和相頻譜。怎么來進行頻域分析?220000)(1TTdttxTa其中，常值分量2200n00cos)(2TTtdtntxTa余弦分量2200n00sin)(2TTtdtntxTb正弦分量若x(t)為偶函數(shù)，則 0nb1000)sincos()(nnntnbtnaatx(n=1,2,3)若x(t)

11、為奇函數(shù)，則 0 00ana1.2.1 1.2.1 周期信號的描述周期信號的描述一、傅里葉級數(shù)的三角函數(shù)展開式與周期信號的單邊頻譜一、傅里葉級數(shù)的三角函數(shù)展開式與周期信號的單邊頻譜 1. 1.傅里葉級數(shù)的三角函數(shù)展開式傅里葉級數(shù)的三角函數(shù)展開式任意周期信號x(t)在區(qū)間(-T/2，T/2)只要滿足：連續(xù)或只連續(xù)或只 有有限個第一類間斷點有有限個第一類間斷點，且只有有限個極值點只有有限個極值點，均可展開成：0220)(00tTATtAtxnnabarctann22nnnbaA其中正、余弦合并后得正、余弦合并后得（n n1 1，2 2，33）例3：求周期方波的頻譜。2.2.周期信號的單邊頻譜周期信

12、號的單邊頻譜1n0n0)cos)(ntnAatx（正、余弦合并后得正、余弦合并后得周期函數(shù)的頻譜特點：離散性離散性：頻譜是離散的諧波性諧波性：譜線只出現(xiàn)在基頻的整數(shù)倍上收斂性收斂性：諧波幅值隨諧波次數(shù)增高而衰減二、傅里葉級數(shù)的復指數(shù)函數(shù)展開式與雙邊頻譜二、傅里葉級數(shù)的復指數(shù)函數(shù)展開式與雙邊頻譜220n000e)(1TTtjndttxTC式中， ntjnn0eC) t (x（n=0, 1, 2,）利用歐拉公式：nCjnnmneneCCjICRCnenmnCRCIarctanC 2nm2nenCICRC周期信號的頻譜描述是通過傅里里葉級數(shù)展開式得到的，兩種展開式之間的聯(lián)系：tn0costjne01

13、.三角式復指數(shù)式2.三角式頻率范圍0+ ，單邊頻譜；復指數(shù)式頻率范圍-+，雙邊頻譜。3.頻譜是等價的，表示的是同一信號，信號的成分和信息量沒有增減。各次諧波幅值和相位間的關(guān)系：nn21AC 00aC 幅值： （n0 ） （n0）nnnC0相位：n1，2，3n=0n=-1,-2,-3例4：求周期方波的雙邊頻譜。作業(yè)1：已知信號)2t 3cos(tcos4)4tcos(32) t (x2試畫出其單邊頻譜和雙邊頻譜。作業(yè)2：分別用三角函數(shù)展開式和復指數(shù)展開式 求周期方波信號的雙邊頻譜。1.2.2 非周期信號的描述準周期信號瞬變非周期信號一、傅里葉變換一、傅里葉變換1.1.傅里葉變換及其存在條件傅里葉

14、變換及其存在條件直接求傅里葉變換復習：周期信號的傅里葉級數(shù)的復指數(shù)展開式：ntjnTTtjnntjnTTtjnntjnnedtetxedtetxTeCtx00000000022220)(2)(1)(0n，離散變量 連續(xù)變量求和符號積分符號 。()( )1( )()2jtjtXx t edtx tXed( )( )21( )2jtjtjtjtdx tx t edt ex t edt ed帶入上式得( )X的傅里葉逆變換稱為( )x t( )X稱為的傅里葉變換( )x t當T時，周期信號相鄰譜線間隔無窮小，T20122f將將為了避免出現(xiàn)為了避免出現(xiàn)代入上式，得傅里葉變換的存在條件：(1)連續(xù)或只有

15、有限個間斷點；(2)有限個極值點；(3)無限區(qū)間上絕對可積，即( )x t dtx tXfedfjft( )()2Xfx t edtjft()( )22.2.瞬變非周期信號的頻譜瞬變非周期信號的頻譜()()()jfXfXfe2( )( )( )(cos2sin2)( )cos2( )sin2( )( )jftRIX fx t edtx tftjft dtx tftdtjx tftdtXfjXf22( )( )( )RIX fXfXf偶函數(shù)奇函數(shù)()Xff幅頻譜相頻譜瞬變非周期信號的頻譜是連續(xù)的ff)()()(arctan)(fXfXfRI例：求矩形窗函數(shù)R( )wt的頻譜。矩形窗函數(shù)為 R0(

16、2)( )1(22)0(2)tTw tTtTtT 例：求指數(shù)函數(shù)0( )( 0 )1時，時域中窗寬縮小，相當于信號被壓縮，導致頻域波形中頻帶變寬；當a 0 )0時(0t1)，ym(t)與y(t)同相，檢波器輸出uf(t)0；x(t)0時(t1t2)，ym(t)與y(t)反相，檢波器輸出uf(t)0 x(t)0時，無論調(diào)制波是否為正，相敏檢波器的時，無論調(diào)制波是否為正，相敏檢波器的輸出波形均為正，即保持與調(diào)制信號極性相同。輸出波形均為正，即保持與調(diào)制信號極性相同。三、應用電路三、應用電路動態(tài)電阻應變儀動態(tài)電阻應變儀的工作原理電橋電橋放大器放大器相敏檢波相敏檢波低通濾波低通濾波顯示記錄顯示記錄載波

17、振蕩器載波振蕩器x(t)電阻應變片電阻應變片1 1）動態(tài)電阻應變儀的組成部分：）動態(tài)電阻應變儀的組成部分：2）動態(tài)電阻應變儀各部分的作用如下： 電橋、放大器、相敏檢波器、濾波器、振蕩器、電源。電橋：電橋：將應變片電阻的變化轉(zhuǎn)換為電流或電壓信號。振蕩器振蕩器：供給正弦波交流電壓作為電橋的工作電壓，并通過信號電壓對它進行調(diào)幅，輸出調(diào)幅電壓信號送入放大器，同時它也為相敏檢波器提供參考電壓。放大器：放大器：由于電橋輸出的信號非常微弱，必須經(jīng)過放大器將電橋送來的調(diào)幅電壓進行不失真放大。低通濾波器：低通濾波器：由于通過相敏檢波后，波形中還包含著載波及其高次諧波，因此需要通過低通濾波器濾掉被測應變信號以外的

18、高頻成分，得到信號的原形。相敏檢波器相敏檢波器：它既具有檢波器的作用，又能完成辨別被測信號相位（如應變信號的拉伸或壓縮性質(zhì)）的任務，實現(xiàn)解調(diào)。動態(tài)電阻應變儀就是利用交流電橋進行調(diào)幅，利用相敏檢波動態(tài)電阻應變儀就是利用交流電橋進行調(diào)幅，利用相敏檢波進行解調(diào)的。進行解調(diào)的。5.4 5.4 濾波器濾波器濾波器濾波器是一種選頻裝置，它只允許一定頻帶范圍內(nèi)的信號通過， 同時極大地衰減其它頻率成分。 濾波器作用：作用： 濾除干擾噪聲，去除無用信號；分離不同頻率的有用信號；對測量儀器或控制系統(tǒng)的頻率特性進行補償。一、濾波器的分類：一、濾波器的分類： 濾波器濾波器按構(gòu)成濾波器的元件類型RC濾波器RL濾波器按電

19、路性質(zhì)有源濾波器無源濾波器按處理信號的性質(zhì)數(shù)字濾波器模擬濾波器按濾波器通頻帶范圍低通濾波器帶阻濾波器高通濾波器帶通濾波器1.1.通頻帶通頻帶允許信號通過的頻率范圍稱為濾波器的通頻帶。2.2.阻帶阻帶被濾波器阻擋或極大地衰減的頻率范圍稱為濾波器的阻帶。3.3.截止頻率截止頻率通頻帶與阻帶的交界頻率稱為截止頻率。三個概念：四種理想濾波器的幅頻特性 二、理想濾波器與實際濾波器二、理想濾波器與實際濾波器 1 1、理想濾波器、理想濾波器理想帶通濾波器 濾波器)(tx)(ty輸入（激勵）輸出（響應）ftf02)(通頻帶內(nèi)0)(AfA阻帶內(nèi)0)(fA濾波器)(tx)(ty輸入（激勵）輸出（響應）t01( )

20、 t2 2、實際濾波器、實際濾波器2) 2) 帶寬帶寬B B上下截止頻率間的頻率范圍。帶寬反映了濾波器的頻率分辨力（分離信號中相鄰頻率成分的能力）。1)1)截止頻率截止頻率幅頻特性值等于 所對應的頻率。012AB越窄，濾波器的分辨力越高。atbtt)(tyabettt稱為是濾波器的建立時間。帶寬、分辨力、建立時間三者的關(guān)系：帶寬越小，分辨力越高，但建立時間越長，濾波器的響應速度越慢。3)3)紋波幅度紋波幅度d d 幅頻特性在頂部的波動幅度。5) 5) 倍頻程選擇性倍頻程選擇性 上截止頻率 與 之間或下截止頻率 與 之間幅頻特性的衰減值，即頻率 變化一個倍頻程時的衰減量。 1cf112cf22c

21、f2cf603dBdBBB6)6)濾波器因素濾波器因素 濾波器幅頻特性值為的-60dB處的帶寬與-3dB 帶寬的比值。4) 4) 品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)Q Q中心頻率和帶寬之比。即Q = fQ = f0 0 / / B B 其中，中心頻率210ccfff 3 3、RCRC無源濾波器無源濾波器 RC濾波器電路簡單，抗干擾能力強，有較好的低頻性能。 （a）RC低通濾波器（b）RC高通濾波器1)1)一階一階RCRC低通濾波器低通濾波器 RC低通濾波器幅頻特性 相頻特性 yyxduRCuudt1( )1Hj21()1()A( )arctan() 一階微分方程頻率響應函數(shù)可以求得濾波器的上截止頻率為：RCfc

22、21212當 f f fff fc2c2 時，輸出 與輸入 的積分成正比，即： 濾波器相當于積分環(huán)節(jié)。1yxuu dtRCxuyu2)2)一階一階RCRC高通濾波器高通濾波器 幅頻特性 相頻特性 1yyxu dtuuRC2()1()A( )arctan(1/) 一階微分方程頻率響應函數(shù)RC高通濾波器jjH1)(可以求得濾波器的下截止頻率為：11122cfRC當 f f f fc1c1時，()1()0A信號不受衰減通過； 當 f ff fc1c1 時，輸出 與輸入 的積分成正比，即： 濾波器相當于微分環(huán)節(jié)。xyduuRCdtxuyu3) RC3) RC帶通濾波器帶通濾波器 下截止頻率 11112121CRfc22222121CRfc上截止頻率 可以看成是低通和高通兩個濾波器串聯(lián)而成。 頻率響應函數(shù) 12( )( )( )HHH幅頻特性和相頻特性 12()()()AAA)()()(21機械工程測試技術(shù)機械工程測試技術(shù) 劉劉 茵茵機械與汽車工程學院機械與汽車工程學院電容式傳感器電容式傳感器工作原理：工作原理：AC