華北理工大學(xué)機(jī)械工程測試技術(shù)重點

1、15機(jī)械工程測試技術(shù)緒論1基本的測試系統(tǒng)由傳感器、信號調(diào)理裝置、顯示記錄裝置三部分組成。2 傳感器：感受被測量的變化并將其轉(zhuǎn)換成為某種易于處理的形式，通常為電 量（電壓、電流、電荷）或電參數(shù)（電阻、電感、電容）。3 信號調(diào)理裝置：對傳感器的輸出做進(jìn)一步處理（轉(zhuǎn)換、放大、調(diào)制與解調(diào)、 濾波、非線性校正等），以便于顯示、記錄、分析與處理等。4 顯示記錄裝置：對傳感器獲取并經(jīng)過各種調(diào)理后的測試信號進(jìn)行顯示、記錄、 存儲，某些顯示記錄裝置還可對信號進(jìn)行分析、處理、數(shù)據(jù)通訊等。第1章信號及其描述1測試工作的實質(zhì)（目的、任務(wù)）通過傳感器獲取與被測參量相對應(yīng)的測試信號，利用信號調(diào)理裝置以及計算 機(jī)分析處理技

2、術(shù)，最大限度地排除信號中的各種干擾、噪聲，最終不失真地 獲得關(guān)于被測對象的有關(guān)信息。2按信號隨時間的變化規(guī)律分信號性信聾疋信號詢需矗IRC亍10瞬變信號平穩(wěn)隨機(jī)信號非平穩(wěn)隨機(jī)信號3正弦信號是構(gòu)成其他信號的基本成分!4信號的描述：1 時域描述：以時間作為自變量的信號表達(dá)，反映信號的幅值隨時間的變 化過程。2 頻域描述：以頻率作為自變量的信號表達(dá)，可以揭示信號的頻率結(jié)構(gòu)（組 成信號的各次諧波的幅值、初相位與頻率的對應(yīng)關(guān)系）。3 幅值域描述：以信號的幅值作為自變量的信號表達(dá)，反映信號中的不同 幅值（強(qiáng)度）的概率分布情況。4 時延域描述：以延時時間作為自變量的信號表達(dá)，反映信號在不同時刻 的相互依賴關(guān)

3、系或相近程度。5均值反映了信號變化的中心趨勢，也稱為信號的直流分量。6 絕對均值相當(dāng)于對信號進(jìn)行全波整流后再濾波（平均）。7信號的均值、絕對均值、均方值和均方根值都可作為信號強(qiáng)度的量度。8 方差反映了信號偏離均值的程度，即信號中交流（諧波）成分的大小。9頻域描述的目的是要得到信號的頻譜，即信號的頻率構(gòu)成。一一信號中包括哪些頻率的正弦諧波成分這些諧波成分的幅值及初相位是 怎樣的10 了解信號的頻譜，對設(shè)計動態(tài)測試方法、測試裝置有著重要的意義，是實現(xiàn) 不失真測試的技術(shù)保障。11要了解信號的頻譜，通常是要根據(jù)信號的類別，借助于不同的數(shù)學(xué)工具來實 現(xiàn)。其中最基本的數(shù)學(xué)工具是傅立葉級數(shù)（FS）和傅立葉變

4、換（FT）。12通過對周期信號的時域表達(dá)式進(jìn)行傅立葉級數(shù)展開，可得到周期信號的頻譜 （頻率構(gòu)成）。一一傅立葉級數(shù)是進(jìn)行周期信號頻譜分析的數(shù)學(xué)工具！13周期信號頻譜的數(shù)學(xué)表達(dá)有兩種形式：1 三角函數(shù)形式展開式一一頻譜情況直觀明了2 復(fù)指數(shù)形式展開式一一便于有關(guān)分析運算14任何周期信號都是由無窮多個頻率、幅值、初相位互不相同的正弦諧波信號 疊加而成的！15周期信號頻譜的特點：1 離散性：周期信號的頻譜是離散的，由一系列離散的譜線組成。2 收斂性：工程中常見的周期信號，其諧波幅值總的趨勢是隨諧波次數(shù)的 增加而減小。通?？珊雎暂^高次諧波的影響。3 諧波性：每條譜線對應(yīng)于一個諧波分量，只出現(xiàn)在基頻的整數(shù)

5、倍上。16 歐拉公式eie = cos+jsinei0 =cos0 - JsinO復(fù)指數(shù)1 e1 %表示單位正弦向量！J 嚴(yán)如=cosM0)f + ysin/i pC/MPa mV/mV12線性度：1 線性度也稱為線性誤差、非線性度、非線性誤差。2 線性度是測試裝置的精度指標(biāo)之一，其值越小越好。3 為保證測試的精度，實際的測試裝置應(yīng)工作在線性較好的區(qū)域。同時，應(yīng) 釆取各種軟、硬件方面的技術(shù)措施，最大限度地減小線性度。4 線性度不超過規(guī)定數(shù)值的測量范圍稱為線性范圍。13回程誤差：測試裝置沿正、反兩個方向(輸入從小到大、從大到小)工作時 所呈現(xiàn)的實際輸入/輸出特性之間的最大差異與量程之比的百分?jǐn)?shù)。

6、(也稱為 遲滯)14動態(tài)特性描述方法(數(shù)學(xué)模型)：1 時(間)域：脈沖響應(yīng)函數(shù)h(t)2 復(fù)頻域：傳遞函數(shù)H(s)3 頻(率)域：頻率響應(yīng)函數(shù)H(1 jco)15脈沖響應(yīng)函數(shù)為測試裝置在特定輸入情況下的輸出，實質(zhì)反映的是測試裝置 的動態(tài)特性。16脈沖響應(yīng)函數(shù)h(t)由系統(tǒng)微分方程隱含。17測試裝置對任意輸入的響應(yīng)等于脈沖響應(yīng)函數(shù)與輸入的卷積分oy(t)=h(t)*x(t)18傳遞函數(shù)：測試裝置輸出信號y(t)的拉普拉斯變換Y與輸入信號x(t)的拉普 拉斯變換X之比，用H表示。19關(guān)于傳遞函數(shù)的說明1傳遞函數(shù)H雖然由輸入、輸出信號定義，但其反映的是測試裝置的特性,與輸入、輸出信號無關(guān)！2 傳遞函

7、數(shù)H為關(guān)于算子s的有理分式，其中包含了測試裝置關(guān)于瞬態(tài)（暫 態(tài)）響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的全部信息。1 s 1= 1 a 1+ 11 a反映測試裝置的瞬態(tài)響應(yīng)特性；1他一一反映測試裝置的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性3 傳遞函數(shù)H分母中s的最高幕次n稱為系統(tǒng)的階次。對于穩(wěn)定的系統(tǒng)，n Mm。4 傳遞函數(shù)H的分母完全由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)所決定，分子則取決于輸入（激勵）、 輸出（響應(yīng)）的作用位置。5 傳遞函數(shù)H是一種描述測試裝置動態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型，因此不同的測試 裝置可能具有相同形式的傳遞函數(shù)一一相似系統(tǒng)。20頻率響應(yīng)函數(shù)：初始條件為零時輸出信號y（t）的單邊傅里葉變換Y（1他）與輸入信號x（t）的單邊傅里葉變換X（1他）之比，用H

8、（1他）表示。頻域X(問 _ IH(je)1付氏變換At 4付氏反變換時域x(f) fMr拉氏變換 t拉氏反變換復(fù)頻域Xj (H(s)1 土$）H (jd)=j(/) = /(/)*.v(/)H(.v) =AW21頻率響應(yīng)函數(shù)反映的是測試裝置的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性!22關(guān)于頻響函數(shù)的說明1 頻率響應(yīng)函數(shù)H（1j）雖然由輸入、輸出信號定義，但其反映的是測試裝置的特性，與輸入、輸出信號無關(guān)！2 頻率響應(yīng)函數(shù)反映的是測試裝置對不同頻率正弦諧波信號的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特 性。通過給測試裝置輸入不同頻率的正弦諧波激勵，測出測試裝置對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)輸出，即可得到測試裝置的頻率響應(yīng)。3 頻率響應(yīng)函數(shù)一般為關(guān)于頻率1的復(fù)函數(shù)。A(a

9、)=+ Im2|7/(H(M)的模，幅頻特性，輸出對輸入的幅值比Re|H(購)H(的輻角,相頻特性，輸出對輸入的相位差23 一階系統(tǒng)一一慣性環(huán)節(jié)傳遞函數(shù))=ZS+ 1頻響函數(shù)JOT + 1幅頻特性、/1 + (砂)*相頻特性0(0)=怡 iT1 (一如)24 一階系統(tǒng)動態(tài)特性特點1 一階系統(tǒng)的動態(tài)特性只與時間常數(shù)1 丫有關(guān)。當(dāng)1co 111/T時，1A(co) lull,1pl(101)1- 1C0To3當(dāng)1co 1= 11/t時，1Al(1col)1= 111 /Vl 21(1 1 3dB),190,1A 1(1-a”人 NT1Al31丿以-上uat5/-n苗列甘王trj園卒農(nóng)嘆。v1 +

10、ct丿i示統(tǒng)具有“低通”的特性。5 階系統(tǒng)還有“高通”的形式，其傳遞函數(shù)形式為：二階系統(tǒng)一一振蕩環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)叫“畫* 14頻響函數(shù)伽=1_宓）;.2血他）=1 ：/.2&2Q/Q”頻率比幅頻特性A（d） = =/-（創(chuàng)）汗+2弘/） 譏1-+（2刖相頻特性昨+刪卜町爲(wèi)25二階系統(tǒng)動態(tài)特性特點1 二階系統(tǒng)的動態(tài)特性受固有頻率1創(chuàng)n和阻尼比1 的共同影響。2 阻尼比影響系統(tǒng)的工作狀態(tài)：無阻尼（11=10）、過阻尼(1芒1 11）、欠阻尼（10 1 1 E;111）、臨界阻尼(1=1l)o3當(dāng)1芒1=10.707 且1(0 110.41C91 n時，1A(d) 1 11,1 1 -1 180%1A）

11、以-40dB/十倍頻程的速率衰減。因此，上述的二階系統(tǒng)具有“低通”的特性。4 二階系統(tǒng)存在共振現(xiàn)象：幅值共振：共振頻率1創(chuàng)J =1創(chuàng)nJ11121芒2（當(dāng)11 12.5)或1 f1 gl = 10.707i116)1 maxl /I 6)1 nl Ks = dRR = dRR_ 2dL/L 8嚴(yán)性能特點1金屬應(yīng)變片的電阻變化主要是基于金屬材料的應(yīng)變效應(yīng)：11 1+121 h 1 1 XE, 1 S 1=11 1+ 12卩（多在之間）2 半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻變化主要是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng):1 XE1 11 1 + 121 m，1 S 1 1 入E （多在 60170之間）3 半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏

12、度高、體積小、動態(tài)特性好，但溫度穩(wěn)定性和重復(fù) 性不如金屬應(yīng)變片，非線性誤差大。測量電路動態(tài)電阻應(yīng)變儀主要應(yīng)用1 直接測定結(jié)構(gòu)的應(yīng)力或應(yīng)變2 將應(yīng)變片貼于彈性元件上制成各種用途的應(yīng)變傳感器（電子稱、扭矩傳 感器）8 電容式傳感器分類：變極距型、變面積型、變介質(zhì)型9變極距型電容傳感器測量原理差動式連接AC = Ct-Cr _ qA8oA leeA AS2一3q8q性能特點：靈敏度高，缺點是量程小、線性差10變面積型電容傳感器測量原理心dx性能特點：量程大、線性好，缺點是靈敏度低。11變介質(zhì)型電容傳感器測量原理測量電路00皿）丄運算式測量電路相敏檢波s(f)(f)C2 = Cu ACeo（t）ccA

13、C-es */5匕（）差動電容傳感器交流電橋C7 = Co + AC調(diào)頻電路調(diào)頻 振蕩器限幅器+ 8+_ A.比較器+ 8+R Q雙穩(wěn)態(tài) 觸發(fā)器s Q放大器UdC = Cl-C2L 、X脈沖寬度調(diào)制（PWM）電路主要應(yīng)用：電容式差壓變送器、電容式接近開關(guān)、電容式液位計12電感式傳感器的分類：自感型、互感型、渦流型13自感傳感器（可變磁阻式）測量原理S如dS2S1差動式連接應(yīng)=厶_厶A8瓦差動連接的優(yōu)點1 改善了線性度2 可實現(xiàn)對某些誤差的補(bǔ)償提高了靈敏度性能特點測量電路厶=厶+ AL。W) 0差動電感傳感器交流電橋14互感傳感器（差動變壓器）測量原理測量電路We.(tocAx主要應(yīng)用：精密微小

14、位移測量、電感式圓度計、電感式滾柱直徑分選裝置、 表面粗糙度測量、差動變壓器式加速度傳感器、差動壓力變送器、差動傳感 器測量大型構(gòu)件的應(yīng)力和位移、差動變壓器式張力測量控制系統(tǒng)。15渦流傳感器測量原理1 WI 磁通的變化相當(dāng)于線圈等效阻抗的變化。11 ml =廠?。痪€圈的等效阻抗1 z 1= 1 H&cd,I,RW,p,p)分壓調(diào)幅式測量電路主要應(yīng)用：位移測量、電渦流式傳感器測量位移、振幅測量、轉(zhuǎn)速的測量、 工件的定位與計數(shù)、電渦流表面的探傷、電渦流式通道安全檢查門16壓電效應(yīng)的種類縱向壓電效應(yīng)一一沿x方向施力，在y-z平面上產(chǎn)生電荷橫向壓電效應(yīng)一一沿y方向施力，在y-z平面上產(chǎn)生電荷切向壓電效

15、應(yīng)一一沿y-z平面或x-z平面施加剪切力，在y-z平面上產(chǎn)生電荷17等效電路1 等效為一個電荷源和固有電容的并聯(lián)2 等效為一個電壓源和固有電容的串聯(lián) 通過電纜與后續(xù)前置放大器連接后的完整等效電路18靈敏度1Si敏度單位作用力所1 q一 1 F電壓靈敏度一一單位作用力所形成的電壓1 Si e 1l_ei T1920兩種靈敏度之間的關(guān)系（后接前置放大器后）:1 S qlSq Si e = _ = _Cl alCt el+1 C?7Cl Si e 1= 1 (Cl a 1+ 1 ClS e1 Si ql =11 )1傳感器制成后，1 S1測試系統(tǒng)的電纜，因1壓電晶片的串聯(lián)與并聯(lián)clq定，不隨外電路的

16、變化而發(fā)生變化。若更換壓電Cl c變化而必導(dǎo)致1 Si。發(fā)生變化。1 兩晶片串聯(lián)后，電壓靈敏度提高一倍（適用于后接電壓放大器）2 兩晶片并聯(lián)后，電荷靈敏度提高一倍（適用于后接電荷放大器）21圧電傳感器的放電時間常數(shù)越大越好。22電壓放大器適用于高頻信號的測量而不適用于靜態(tài)或低頻信號的測量，但其 線路簡單、成本低。23電荷放大器不僅適用于高頻信號的測量，也適用于低頻信號乃至靜態(tài)信號的 測量，但其線路復(fù)雜、成本高。24壓電傳感器的應(yīng)用：壓電測力傳感器、壓電式刀具切削力測量、壓電式加速度傳感器、狀態(tài)檢測 與故障診斷、PVDF壓電電纜測速原理、壓電式玻璃碎破報警器、壓電式周 界報警系統(tǒng)25第4章信號調(diào)

17、理裝置2按橋臂元件的阻抗性質(zhì)分：純電阻電橋、純電容電橋、純電感電橋、容性電 橋、感性電橋3按電橋輸出的測量方式分：平衡電橋、不平衡電橋4直流電橋平衡條件：1 R1 11 R1 3 1=1 R1 21 R1 45將傳感器（如電阻應(yīng)變片）接入電橋的某個（某些）橋臂上，則電橋的輸出 就與被測量的變化有一一對應(yīng)關(guān)系6差動連接的優(yōu)點：改善了線性度可實現(xiàn)對某些誤差的補(bǔ)償提高了靈敏度各種元件的交流阻抗元件交流阻抗Z阻抗的模|刁|阻抗角（p電阻7?RR0電容C1/（亦）1/（C） 9（r電感厶jccLa）L+ 908 交流電橋平衡條件：1 Zi il Zi 3 1=1 Zi 21 Zi 4，即1|1 Z1 1

18、1|1|1 Z1 31 I 1=1|1 Z1 21|1|1 Z1 41|1(81 (pl 1 1 十 1 (pl 3 1= 1 1101 fl m4 調(diào)幅波的頻譜分布在相對變化很窄的一個范圍內(nèi)，因此有利于信號的交 流放大、有用信號與無用信號的鑒別，有利于保證不失真測試條件的實 現(xiàn)。調(diào)幅裝置：凡是能實現(xiàn)信號相乘的裝置都可作為調(diào)幅裝置（例如：交流電橋、 霍耳傳感器等）。同步解調(diào)適用于任何形式調(diào)制信號的調(diào)幅信號的解調(diào)。同步解調(diào)利用了單位脈沖函數(shù)的卷積分特性，將處理后的調(diào)幅信號與載波信 號在時域內(nèi)再乘一次，則在頻域內(nèi)實現(xiàn)“第二次頻譜搬移”，從而恢復(fù)、還 原出調(diào)制信號原來的頻譜。16包絡(luò)檢波適用于調(diào)制信

19、號為單邊（單極性）變化的調(diào)幅信號的解調(diào)。通過獲取調(diào)幅信 號的包絡(luò)線還原出調(diào)制信號。17實現(xiàn)過程1 全波整流：將雙邊變化的調(diào)幅信號調(diào)理成單邊變化的調(diào)幅信號2 低通濾波：濾除單邊變化調(diào)幅信號中的高頻成分18相敏檢波：對于調(diào)制信號為雙邊（雙極性）變化的調(diào)幅信號的解調(diào)，必須使 用相敏檢波，以檢出調(diào)制信號的極性變化。19最常用的相敏檢波電路是二極管環(huán)型相敏檢波電路。20調(diào)幅的應(yīng)用1電容式測微測振儀極距變化型參比電容 電容傳感器2動態(tài)電阻應(yīng)變儀應(yīng)變電橋3 差動變壓器式電感測微儀L差動變壓器傳感器低通 濾波器相敏 檢波器顯示記 錄裝董a力振蕩器放大器21濾波器的功用主要包括：1 信號分離（選頻）：根據(jù)需要將

20、特定頻率范圍內(nèi)的頻率成分分離出來。2 干擾、噪聲抑制：將可能存在的特定頻率或特定頻率范圍內(nèi)的噪聲、干 擾濾除或抑制掉3 信號平滑處理：對信號進(jìn)行平滑處理，即對信號中存在的隨機(jī)成分進(jìn)行 處理。22濾波器按選頻范圍分1 低通濾波器2 高通濾波器3 帶通濾波器23理想濾波器理想濾波器在其通頻帶內(nèi)應(yīng)滿足不失真測試條件，即幅頻特性為常數(shù)，相頻特性與頻率保持線性關(guān)系，阻帶內(nèi)的幅頻特性等于零。其頻率響應(yīng)函數(shù)應(yīng)為 24理想濾波器是非因果系統(tǒng)，在物理上不可能實現(xiàn)。25理想濾波器的建立時間Te與帶寬B成反比，它們的乘積為常數(shù)。即1 Bl T e 1= 1 const26建立時間反映的是濾波器對輸入的響應(yīng)速度（濾波

21、時間）；帶寬反映的是濾 波器的頻率分辨力。二者相矛盾27實際帶通濾波器的幅頻特性曲線幅頻特性平均值11 A 0,紋波幅度乩下截止頻率1fl cl.上截止頻率1 fl cl 2帶寬 1 Bl =1 fl cl 1- 1 fl cl 2, 中心頻率1 fl ol = Vl fl Cl 11 fl cl 2,品質(zhì)因數(shù) 1QI加頻率選擇性倍頻程選擇性JF=-20Ig 或 爐=_201g如也 力（人）與兀）濾波器因數(shù)幾M3B_3dB第5章顯示記錄裝置1檢流計式記錄儀用來記錄己轉(zhuǎn)換成電流的信號。這種記錄儀的測量部分相當(dāng) 于一個動圈磁電式檢流計，用放在磁場中的線圈上的載流導(dǎo)線所受的力來驅(qū) 動記錄頭2工作原理

22、0電磁力矩0阻尼力矩0游絲反力矩M = Kt)Mg = -G 恥比例常數(shù)阻尼系對G游絲的扭轉(zhuǎn)剛度靜態(tài)靈敏度S = * G有頻率阻尼比3檢流計式記錄儀（筆式記錄儀、光線示波器等）為二階系統(tǒng)！4性能特點1 檢流計式筆錄儀是一個二階系統(tǒng)。為實現(xiàn)信號的不失真記錄，應(yīng)滿足1 1= 10.707且 1 fl maxi /I fl n 111 n時，Z與被測振動的振幅成正比2 速度計，當(dāng)1 110)1 n時，Z與被測振動的速度成正比 加速度計，當(dāng)13 11創(chuàng)“時，Z與被測振動的加速度成正比共振法單自由度系統(tǒng)在受迫振動中，當(dāng)激振頻率接近固有頻率時，因共振而導(dǎo)致振 動響應(yīng)顯著增大。1 由振幅響應(yīng)的幅頻特性曲線估計2 由振幅響應(yīng)的相頻特性曲線估計阻尼比可根據(jù)相頻特性曲線在1=1n處的斜率估計出來3 由振幅響應(yīng)的實、虛頻特性曲線估計由實、虛頻特性曲線都可估計固有頻率和阻尼比。由于虛頻特性曲線很 陡、很窄，因此常用實頻特性曲線進(jìn)行估計。第7章計算機(jī)輔助測試1數(shù)據(jù)采集過程就是把連續(xù)的模擬電圧信號轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號的過程，這 些數(shù)字信號把原始模擬信號中所包含的關(guān)于被測對象的有用信息