《機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)》緒論及第一章1

工程測試技術(shù)主編：熊詩波黃長藝機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)1編輯ppt0緒論本章學(xué)習(xí)要求：0.1掌握測試技術(shù)的概念及研究內(nèi)容0.2了解測試技術(shù)的應(yīng)用情況0.3了解測試技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)0.4了解主要測試儀器生產(chǎn)廠商0.5學(xué)習(xí)本課程要求思考題機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)2編輯ppt緒論0.1測試技術(shù)的基本概念

測試技術(shù)是實(shí)驗(yàn)科學(xué)的一部分，主要研究各種物理量的測量原理和測量信號(hào)分析處理方法。

測試技術(shù)是進(jìn)行各種科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究和生產(chǎn)過程參數(shù)測量必不可少的手段，起著人的感官的作用。通常先將被測物理量轉(zhuǎn)換為電量，再對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理和輸出。如圖所示的聲級(jí)計(jì)。

3編輯ppt一．測試技術(shù)的重要性測試技術(shù)的基本任務(wù)：獲取有用的信息測量：確定被測物屬性量值，如：長度、重量等測試：具試驗(yàn)性質(zhì)的測量測量+試驗(yàn)測試的作用：認(rèn)識(shí)客觀世界檢驗(yàn)科學(xué)理論和規(guī)律的正確性測試的應(yīng)用：工、農(nóng)、醫(yī)、國防、交通、環(huán)保、生活安全等4編輯ppt

二、測試過程和測試系統(tǒng)的一般組成信息：蘊(yùn)涵在信號(hào)中，信號(hào)的內(nèi)容。

非物質(zhì)的，無能量。信號(hào)：信息的載體電、光、力、聲，

物質(zhì)的，有能量。例：講話（聲）、警報(bào)聲（聲）、烽火臺(tái)（光）。5編輯ppt測試系統(tǒng)框圖

6編輯ppt

一般說來，測試系統(tǒng)由傳感器、中間變換裝置和顯示記錄裝置三部分組成。

傳感器將被測物理量（如噪聲，溫度）檢出并轉(zhuǎn)換為電量，中間變換裝置對(duì)接收到的電信號(hào)用硬件電路進(jìn)行分析處理或經(jīng)A/D變換后用軟件進(jìn)行信號(hào)分析，顯示記錄裝置則測量結(jié)果顯示出來，提供給觀察者或其它自動(dòng)控制裝置。

信息提取信息調(diào)理7編輯ppt傳感器：被測試量轉(zhuǎn)換為同種或別種量值輸出電信號(hào)信號(hào)調(diào)理：將來自傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換成更適于傳輸和處理的形式例：調(diào)幅、調(diào)頻信號(hào)處理：對(duì)信號(hào)運(yùn)算，濾波，分析信號(hào)顯示、記錄：8編輯ppt測試技術(shù)的工程應(yīng)用

在工程領(lǐng)域，科學(xué)實(shí)驗(yàn)、產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)監(jiān)督、質(zhì)量控制等，都離不開測試技術(shù)。測試技術(shù)應(yīng)用涉及到航天、機(jī)械、電力、石化和海洋運(yùn)輸?shù)让恳粋€(gè)工程領(lǐng)域。

9編輯ppt1、工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用

a)機(jī)械手、機(jī)器人中的傳感器

轉(zhuǎn)動(dòng)/移動(dòng)位置傳感器、力傳感器、視覺傳感器、聽覺傳感器、接近距離傳感器、觸覺傳感器、熱覺傳感器、嗅覺傳感器。

測試技術(shù)的工程應(yīng)用

在各種自動(dòng)控制系統(tǒng)中，測試環(huán)節(jié)起著系統(tǒng)感官的作用，是其重要組成部分。密歇根大學(xué)的機(jī)械手裝配模型廣州中鳴數(shù)碼的機(jī)器狗10編輯pptb)AGV自動(dòng)送貨車

超聲波測距傳感器、判斷建筑物內(nèi)人和物所在位置；紅外線色彩傳感器運(yùn)動(dòng)軌跡和AGV小車位置識(shí)別；條形碼傳感器，貨品識(shí)別。測試技術(shù)的工程應(yīng)用

香港理工AGV模型11編輯pptc)生產(chǎn)加工過程監(jiān)測測試技術(shù)的工程應(yīng)用

切削力傳感器，加工噪聲傳感器，超聲波測距傳感器、紅外接近開關(guān)傳感器等。密歇根大學(xué)數(shù)字化工廠12編輯ppt測試技術(shù)的工程應(yīng)用

2、流程工業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控

在電力、冶金、石化、化工等流程工業(yè)中，生產(chǎn)線上設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系到整個(gè)生產(chǎn)線流程。通常建立24小時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)。石化企業(yè)輸油管道、儲(chǔ)油罐等壓力容器的破損和泄露檢測。13編輯ppt測試技術(shù)的工程應(yīng)用

3、產(chǎn)品質(zhì)量測量

在汽車、機(jī)床等設(shè)備，電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等零部件出廠時(shí)，必須對(duì)其性能質(zhì)量進(jìn)行測量和出廠檢驗(yàn)。

圖示為汽車出廠檢驗(yàn)原理框圖，測量參數(shù)包括潤滑油溫度、冷卻水溫度、燃油壓力及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等。通過對(duì)抽樣汽車的測試，工程師可以了解產(chǎn)品質(zhì)量。汽車扭距測量機(jī)床加工精度測量14編輯ppt測試技術(shù)的工程應(yīng)用

4、樓宇控制與安全防護(hù)

為使建筑物成為安全、健康、舒適、溫馨的生活、工作環(huán)境，并能保證系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和管理的智能化。在樓宇中應(yīng)用了許多測試技術(shù)，如闖入監(jiān)測、空氣監(jiān)測、溫度監(jiān)測、電梯運(yùn)行狀況。

圖示為某公司樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為：電源管理、安全監(jiān)測、照明控制、空調(diào)控制、停車管理、水/廢水管理和電梯監(jiān)控。煙霧傳感器亮度傳感器紅外人體探測器15編輯ppt測試技術(shù)的工程應(yīng)用

5、家庭與辦公自動(dòng)化

在家電產(chǎn)品和辦公自動(dòng)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，人們大量的應(yīng)用了傳感器和測試技術(shù)來提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量。全自動(dòng)洗衣機(jī)中的傳感器：衣物重量傳感器，衣質(zhì)傳感器，水溫傳感器，水質(zhì)傳感器，透光率光傳感器(洗凈度)液位傳感器，電阻傳感器(衣物烘干檢測)。指紋傳感器透光率傳感器溫濕度傳感器溫度傳感器16編輯ppt測試技術(shù)的工程應(yīng)用

6、其他應(yīng)用航天農(nóng)業(yè)交通醫(yī)學(xué)17編輯ppt測試技術(shù)的工程應(yīng)用

鼠標(biāo):光電位移傳感器攝像頭:CCD傳感器聲位筆:超聲波傳感器麥克風(fēng):電容傳聲器聲卡:A/D卡+D/A卡軟驅(qū):速度,位置伺服7、PC機(jī)中的測試技術(shù)應(yīng)用18編輯ppt測試技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)1、傳感器方面

a)利用新發(fā)現(xiàn)的材料和新發(fā)現(xiàn)的生物、物理、化學(xué)效應(yīng)開發(fā)出的新型傳感器熒光材料制作的電子鼻傳感器生物酶血樣分析傳感器熱/光電量19編輯pptb)傳感器+嵌入式計(jì)算機(jī)

智能傳感器振動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳感器嵌入式計(jì)算機(jī)智能壓力網(wǎng)絡(luò)傳感器智能傾角RS232傳感器IC總線數(shù)字溫度傳感器測試技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)20編輯ppt測試技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)2、測量信號(hào)處理方面計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù)用PC機(jī)＋儀器板卡代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器用計(jì)算機(jī)軟件代替硬件分析電路優(yōu)點(diǎn)我們的工作21編輯ppt緒論0.4主要傳感器和測試儀器生產(chǎn)廠商2、振動(dòng)/噪聲傳感器丹麥B&K（振動(dòng)測量、聲學(xué)測量領(lǐng)域最富盛名）/1、工業(yè)自動(dòng)化類傳感器美國霍尼威爾公司（有全球最大傳感器技術(shù)研究中心）/china22編輯ppt0.4主要測試儀器生產(chǎn)廠商3、測量分析儀器美國國家儀器公司(全球最大的計(jì)算機(jī)虛擬儀器生產(chǎn)商)/美國Agilent公司(原惠普公司儀器部，著名的測試儀器商)/23編輯ppt4、參考書目0.4主要測試儀器生產(chǎn)廠商胡均安，曾光奇，工程測試基礎(chǔ)，華中科技大學(xué)出版社。賈民平、張洪廷，測試技術(shù)，高等教育出版社。黃長藝、嚴(yán)普強(qiáng)，機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)，機(jī)械工業(yè)出版社。常作升、范福均，機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)，西安交通大學(xué)出版社陳杰等，傳感器與檢測技術(shù)，高等教育出版社吳正毅，測試技術(shù)與測試信號(hào)處理，清華大學(xué)出版社王建民，機(jī)械工程測試技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社盧文祥，機(jī)械工程測試.信息.信號(hào)處理，華中理工大學(xué)出版社樊尚春，信號(hào)與測試技術(shù)，北京航空航天大學(xué)出版社24編輯ppt5、學(xué)術(shù)刊物0.4主要測試儀器生產(chǎn)廠商Test&MeasurementWorldOnline《傳感器世界》《中國儀器儀表》《儀器技術(shù)與傳感器》《自動(dòng)化與儀表》《測控技術(shù)》《電子產(chǎn)品世界》《今日電子》《自動(dòng)化博覽》《工業(yè)計(jì)量》《工控工業(yè)自動(dòng)化》《ECN/世界電子元器件》《電子設(shè)計(jì)技術(shù)EDNCHINA》25編輯ppt緒論0.5學(xué)習(xí)本課程要求

從進(jìn)行動(dòng)態(tài)測試工作所必備的基本條件出發(fā)，在學(xué)完本課程后須具備下列幾方面知識(shí)：1、掌握信號(hào)的時(shí)域和頻域的描述方法，建立明確的信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)的概念；掌握頻譜分析和相關(guān)分析的基本原理和方法，掌握數(shù)字信號(hào)分析中的一些基本概念。2、掌握測試裝置基本特征的評(píng)價(jià)方法和不失真測試條件，并能正確的運(yùn)用于測試裝置的分析和選擇。掌握一階、二階線性系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性及其測定方法。26編輯ppt緒論思考題：

1.列出你身邊的測試技術(shù)應(yīng)用的例子。3、了解常用傳感器、常用信號(hào)調(diào)理電路和記錄儀器的工作原理和性能，并能較合理地選用。4、對(duì)動(dòng)態(tài)測試工作的基本問題有一個(gè)比較完整的概念，并能初步運(yùn)用于機(jī)械工程中某些參量的測試。27編輯ppt四、測試技術(shù)的發(fā)展：五、課程的研究對(duì)象和性質(zhì)：研究對(duì)象：機(jī)械工程動(dòng)態(tài)測試中常用的傳感器，信號(hào)調(diào)理電路及記錄儀器的工作原理測試裝置基本特性的評(píng)價(jià)方法測試信號(hào)的分析和處理常見物理量的測試方法技術(shù)基礎(chǔ)課：目的：選用測試裝置，初步掌握進(jìn)行動(dòng)態(tài)測試所需的基本知識(shí)和技能性質(zhì)：很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)性28編輯ppt

第一章信號(hào)及其描述

第一節(jié)

信號(hào)的分類與描述一、信號(hào)的分類：（一）確定性信號(hào)：確定函數(shù)x(t)或表格表示

周期信號(hào):x（t）=x(t+nT０)（n=1,2,3,…….）

29編輯ppt非周期信號(hào)：準(zhǔn)周期信號(hào)，例：瞬變非周期信號(hào):30編輯ppt信號(hào)：簡單周期信號(hào)復(fù)雜周期信號(hào)瞬態(tài)信號(hào)瞬態(tài)信號(hào):持續(xù)時(shí)間有限的信號(hào)，如31編輯ppt隨機(jī)信號(hào)：無法用x(t)描述，不能準(zhǔn)確預(yù)測其未來瞬時(shí)值，但具某些統(tǒng)計(jì)特性，用概率統(tǒng)計(jì)方法由過去估計(jì)未來。例：天氣預(yù)報(bào)，樹葉在風(fēng)中的飄動(dòng)

噪聲信號(hào)(平穩(wěn))噪聲信號(hào)(非平穩(wěn))統(tǒng)計(jì)特性變異32編輯ppt（二）連續(xù)信號(hào)：獨(dú)立變量取值連續(xù)，幅值可以連續(xù)也可以離散

離散信號(hào)：獨(dú)立變量取值離散

幅值連續(xù)幅值不連續(xù)采樣信號(hào)33編輯ppt模擬信號(hào)：獨(dú)立變量和幅值均連續(xù)數(shù)字信號(hào)：若離散信號(hào)的幅值也是離散幅值連續(xù)采樣信號(hào)34編輯ppt能量信號(hào)：

例：矩形脈沖信號(hào)，衰減指數(shù)信號(hào)功率信號(hào)：

例：單自由度振動(dòng)系統(tǒng)作無阻尼自由振動(dòng)

35編輯ppt

二、信號(hào)的時(shí)域描述和頻域描述為什么要對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域描述？信號(hào)的時(shí)域與頻域描述是否包含同樣的信息量？

1.時(shí)域描述：以時(shí)間為獨(dú)立變量

，反映信號(hào)

幅值—時(shí)間變化的關(guān)系

不能提示信號(hào)的頻率組成2.頻域描述：信號(hào)的頻率組成及其幅值相角之大小

揭示：幅值——頻率，

相位——頻率

幅頻譜相頻譜36編輯ppt例：周期方波

若將其傅立葉級(jí)數(shù)展開：

其中：

37編輯ppt即：n=1,3,5,…..

其頻域描述：幅頻譜，相頻譜

38編輯ppt

第二節(jié)周期信號(hào)與離散頻譜傅立葉級(jí)數(shù)的三角函數(shù)展開式

時(shí)域頻域

在有限區(qū)間上，凡滿足狄里赫利條件的周期函數(shù)(信號(hào))

都可以展開成傅立葉級(jí)數(shù)

狄里赫利條件：設(shè)x(t)是以2

為周期的函數(shù)，若它滿足：在一個(gè)周期內(nèi)連續(xù)或只有有限個(gè)第一類間斷點(diǎn)，并且至多只有有限個(gè)極值點(diǎn)，則x(t)傅立葉級(jí)數(shù)收斂且1）當(dāng)t是x(t)的連續(xù)點(diǎn)時(shí)，級(jí)數(shù)收斂于x(t)2)當(dāng)t是x(t)的間斷點(diǎn)時(shí)，級(jí)數(shù)收斂于

39編輯ppt傅立葉級(jí)數(shù)的三角函數(shù)展開式：:信號(hào)的直流分量

＝0時(shí)的幅值

n=1,2,3…..合并同類項(xiàng)：

即：

40編輯ppt也可寫成：

頻譜圖：幅值譜：

相頻譜：

基頻，n次諧波

所以:頻譜線是離散的

Ano41編輯ppt例：求周期性三角波的傅立葉級(jí)數(shù)解：

n=1,3,5…

n=2,4,6….

(利用分部積分法:)42編輯ppt即：代入

n=1,3,5…

頻譜圖43編輯ppt二、付立葉級(jí)數(shù)的復(fù)指數(shù)函數(shù)展開式據(jù)歐拉公式：代入令：其中：44編輯ppt一般：注意：與共軛，即：頻譜圖：

實(shí)頻譜

虛頻譜

實(shí)偶虛奇

模偶相奇

復(fù)指數(shù)函數(shù)的頻譜：雙邊譜三角函數(shù)的頻譜：單邊譜負(fù)頻譜率的理解：

45編輯ppt例1－2：畫出余弦、正弦函數(shù)的實(shí)、虛部頻譜圖解：46編輯ppt例2：畫出下列信號(hào)的時(shí)域波形及頻譜47編輯ppt

例3：

求其譜圖

周期信號(hào)頻譜的特點(diǎn)：

離散性2.每條譜線出現(xiàn)在或的整數(shù)倍上3.譜線高度表示幅值或相位角，幅值譜具收斂性工程上常見的周期信號(hào)，諧波幅值總的趨勢(shì)是隨諧波次數(shù)的增高而減小，所以在頻譜分析中沒必要取那些次數(shù)過高的諧波分量。三.周期信號(hào)的強(qiáng)度表述峰值：峰--峰值：一般希望在測試系統(tǒng)的線性區(qū)域內(nèi)48編輯ppt均值：信號(hào)的常值分量

絕對(duì)均值：有效值（均方根值）：

有效值的平方：

反映功率的大小

49編輯ppt第三節(jié)瞬變非周期信號(hào)與連續(xù)頻譜準(zhǔn)周期信號(hào)：頻譜是離散的非周期信號(hào)

瞬變非周期信號(hào)：頻譜是連續(xù)的一．傅立葉變換非周期信號(hào)可看作為周期信號(hào)時(shí)，時(shí)的信號(hào)，其為頻率間隔，其頻譜是連續(xù)的。設(shè)一個(gè)周期信號(hào)x(t)，在（，）區(qū)間以傅立葉級(jí)數(shù)表示：50編輯ppt51編輯ppt傅立葉變換對(duì)：

將代入，則有：幅值譜相位譜52編輯ppt與的區(qū)別的量綱與信號(hào)幅值的量綱一樣，而的量綱則與信號(hào)幅值量綱不一樣，它是單位頻寬上的幅值，所以更確切地說是頻譜密度函數(shù)

53編輯ppt例1-3求矩陣窗函數(shù)的頻譜其頻譜：54編輯ppt及其圖形：55編輯ppt56編輯ppt二、傅立葉變換的主要性質(zhì)（一）奇偶虛實(shí)性

（二）對(duì)稱性

（三）時(shí)間尺度改變特性

57編輯ppt（五）卷積特性（四）時(shí)移和頻移58編輯ppt三、幾種典型信號(hào)的頻譜（一）矩形窗函數(shù)（二）函數(shù)及其頻譜1．定義從面積（函數(shù)的強(qiáng)度）的角度看：59編輯ppt2．采樣性質(zhì)對(duì)于有時(shí)延3．

函數(shù)與其他函數(shù)的卷積

60編輯pptx(t)和函數(shù)的卷積的結(jié)果，就是在發(fā)生函數(shù)的坐標(biāo)位置上（以此作為坐標(biāo)原點(diǎn)）簡單地將x(t)重新構(gòu)圖可見：61編輯ppt（三）正、余弦函數(shù)的頻譜密度函數(shù)62編輯ppt習(xí)題1-163編輯ppt==n為“正”時(shí)

n為“負(fù)”時(shí)

即：n=

n為奇數(shù)時(shí)64編輯ppt