机械工程测试技术课件整理版

机械工程测试技术基础主讲：何柏绪论•了解测试的基本概念•理解测试的基本内容与任务•掌握信号和信息的关系•理解测试系统的组成及各环节功能•了解测试信息处理技术的发展方向第一节测试技术概况1测试的基本概念•测量：是指确定被测对象属性量值为目的的全部操作。•试验：对未知事物探索性的认识过程•测试：是具有试验性质的测量，或者可以理解为测量和试验的综合。2、测试技术的内容和任务•测试技术研究的主要内容为：被测量的测量原理、测量方法、测量系统以及数据处理四个方面。•测试技术的基本任务（1）设计时为产品质量和性能提供评价（2）设备改造时为提高质量和产量提供依据（3）振动和噪声测量（4）故障诊断（5）设备监控、质量控制3、测试系统的组成•测试系统是指由相关的器件、仪器和测试装置有机组合而成的具有获取某种信息之功能的整体。测试系统框图•传感器：直接用于被测量，并能按一定规律将被测量转换成同种或别种量值输出。这种输出通常是电信号。•信号调理：把来自传感器的信号转换成更适合于传输和处理的形式。如幅值放大、阻抗的变化转换成电压的变化、或阻抗的变化转换成频率的变化。•信号处理：接受来自条理的信号，并进行各种运算、滤波、分析，将结果输至显示记录或控制系统。•信号显示、记录：以观察者易于识别的形式来显示测量的结果，或将结果进行存储，供必要时使用。工程测试问题总是处理输入量x(t)、装置（系统）的传输特性h(t)和输出量y(t)三者之间的关系。如图：输入(激励)输出(响应)系统x(t)X(s)X(ω)y(t)Y(s)Y(ω)h(t)H(s)H(ω)信息信号•信息的定义：事物运动的状态和方式•信息的基本性质1．可识别通过各种探测与检测手段识别2．可以转换可从一种形态转换成另一种形态如：语言、文字、图象、图表，电信号，电压电流3．可以存贮如：计算机，内外存贮器，磁盘，光盘，录音带4．可以传输如：电视，电话，手机信号：传输信息的载体信息蕴含于信号之中4测试技术的发展动向•1）测量方式的多样化•2）视觉测试技术•3)尺寸继续向两个极端发展智能化集成化1.测量方式多样化1.测量方式多样化包括：（1）动态测量（2）虚拟仪器（3）便携式测量仪器（4）组合式测量方（5）多传感器融合技术在制造过程中的应用2视觉测试技术视觉测试技术是建立在计算机视觉研究基础上的一门新兴测试技术。与计算机视觉研究的视觉模式识别、视觉理解等内容不同，视觉测试技术重点研究物体的几何尺寸及物体的位置测量，如三维面形的快速测量、大型工件同轴度测量、共面性测量等。它可以广泛应用于在线测量、逆向工程等主动、实时测量过程。3两个极端发展•两个极端就是指相对于现在测量尺寸的大尺寸和小尺寸。通常尺寸的测量已被广为注意，也开发了多种多样的测试方法。近年来，由于国民经济的快速发展和迫切需要，使得很多方面的生产和工程中测试的要求超过了我们所能测试的范围，如飞机外形的测量、大型机械关键部件测量、高层建筑电梯导轨的准直测量、油罐车的现场校准等都要求能进行大尺寸测量；微电子技术、生物技术的快速发展，探索物质微观世界的需求，测量精度的不断提高，又要求进行微米、纳米测试。纳米测量也多种多样，有光干涉测量仪、量子干涉仪、电容测微仪、X射线干涉仪、频率跟踪式法珀标准量具、扫描电子显微镜(SEM)、扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)、分子测量机M3(molecularmeasuringmachine)等。课程的学习要求掌握信号的分类及其在时域和频域内的描述方法，建立明确的信号频谱的概念。掌握测试装置的静、动态特性。掌握常用传感器的工作原理、基本特性、使用范围和传感器的选用原则。了解机电工程中常见参量的测试方法。第二节测量的基础知识一、测量误差的基本概念1．真值：客观存在的量值。测量的目的得到真值2．测量误差：测量误差=测量值-真值二、测量误差产生的原因1．测量方法引起的误差基准误差（基准不统一）方法误差，物理量转换为电量转换误差，安装操作误差。2．设备引起的误差测量器件的误差，如标准法码，量规，刻度尺，电器电阻误差等。如设计误差，零件误差，安装误差，系统老化等3．环境条件引起的误差如：温度、湿度、气压、光照、电磁场，振动等。4．测量人员引起的误差三、测量误差的分类系统误差测量系统本身所有的误差随机误差不可预知变化的误差粗大误差由读数，操作，记录，计算机失误引起，或设备突然故障，粗大误处理方法易除。精度、精密度、及准确度1.精密度：表示示值的分散程度，表现为示值在平均值左右波动，反应了随机误差的大小和程度，精密度高则随机误差小。2.准确度：表示示值均值的准确程度，表现为均值与真值的相差程度，反映了系统误差的大小和程度。准确度愈低则系统误差愈大。3.精确度（精度）：表示精密度和准确度的综合程度。反映了随机误差和系统误差合成的大小和程度。a）精密度b）正确度c）准确度........................................不确定度：意味着对测量结果可信性、有效性的怀疑程度或不肯定程度，是定量说明测量结果的质量的一个参数。测量不确定度就是说明被测量之值分散性的参数，它不说明测量结果是否接近真值。测量不确定度用标准〔偏〕差表示，这时称其为标准不确定度。第一章信号及其描述•了解信号的分类•掌握对周期性信号及非周期信号的描述•了解随机信号第一节信号的分类与描述一信号的分类1确定性信号和非确定性信号（随机信号）确定性信号能用明确的数学关系式或图象表达的信号称为确定性信号。非确定性信号(随机信号)是无法用明确的数学关系式表达的信号。分类图•周期信号是按一定时间间隔周而复始出现，无始无终的信号。x(t)=x(t+nT)式中，n任意整数（n=1.2……）T——周期•非周期信号是确定性信号中不具有周期重复性的信号。T→∞2连续信号和离散信号连续信号是其数学表示式中的独立变量取值是连续的信号。离散信号是其数学表示式中的独立变量取值是离散的信号。能量信号当x(t)满足时，则信号的能量有限，称为能量有限信号，简称能量信号。满足能量有限条件，实际上就满足了绝对可积条件。功率信号若x(t)在区间(-∞,+∞)的能量无限，不满足上式条件，但在有限区间(-T/2,T/2)满足平均功率有限的条件则称为功率信号。dttx)(221)(1212ttdttxtt二信号的时域和频域描述•时域描述以时间t为独立变量的，直接观测或记录到的信号。信号时域描述直观地出信号瞬时值随时间变化的情况。•频域描述信号以频率f为独立变量的，称为信号的。频域描述则反映信号的频率组成及其幅值、相角之大小。•时域描述和频域描述为从不同的角度观察、分析信号提供了方便。运用傅里叶级数、傅里叶变换及其反变换，可以方便地实现信号的时、频域转换。第二节周期信号及其离散频谱一傅里叶级数的三角函数展开式对于满足狄里赫勒条件：函数在(-T/2，T/2)区间连续或只有有限个第一类间断点，且只有有限个极值点的周期信号，均可展开成：常值分量余弦分量幅值正弦分量幅值式中：a0，an，bn为傅里叶系数；T0为信号的周期•常值分量A0=a0幅值相位An——ω的关系称为幅值频谱图（幅值谱）φn—ω的关系称相位频谱图（相位谱）频谱二傅里叶级数的复指数展开式幅值相位1求周期方波的(幅值谱)(相位谱)频谱？解：(1)方波的时域描述为：傅里叶级数相位谱幅值谱分析把周期函数X（t）展开为傅立叶级数的复指数函数形式后，可分别以和作幅频谱图和相频谱图；也可以的实部或虚部与频率的关系作幅频图，分别称为实频谱图和虚频谱图.时域相互转换数学工具频域周期信号→傅里叶级数→离散频谱周期信号←傅里叶积分←离散频谱周期信号频谱的三大特点1离散性周期信号的频谱是离散的。2谐波性每条谱线只出现在基波频率的整数倍上，基波频率是诸分量频率的公约数。3收敛性各频率分量的谱线高度表示该谐波的幅值或相位角。工程中常见的周期信号，其谐波幅值的总趋势是随谐拨次数的增高而减少的。三、周期信号的强度表述峰值是信号可能出现的最大瞬时值均值有效值平均功率maxtxxpdttxTTx000)(1dttxTxTrms00201dttxTpTav00201第三节、瞬变非周期信号与连续频谱非周期信号通常解释为周期T→∞因而不具周期性不满足傅氏级数的展开条件，所以分解需应用傅氏积分非周期信号x(t)，在任一有限区间满足狄氏条件，在无限区间绝对可积，则可进行到频域中的转换，描述频谱，称为时x(t)的傅氏变换。一、傅里叶变换逆变换正变换dewxtxdtetxwXtjtj)(21)()()(X(ω）称为x(t)的傅里叶变换(FT)x(t)称为X(ω）的傅里叶逆变换(IFT)当以ω=2πfdtefxtxdtetxfXftjftj22)()()(符号简记式中是频域函数的模，为信号x(t)的幅值谱φ（f）为相位谱)(Re)(Imarctan)()(Im)(Re)()()(Im)(Re)(22)(fxfxffXfxxeXfxfxfxfj)(fx二、傅氏变换的基本性质1．奇偶虚实性2．线性叠加性3．对称性4.尺度改变5.时移表1.3傅里叶变换的主要性质例求指数衰减信号x(t)的频谱。000)(ttAetxt（α＞0）2222)()(AjAjAeeAdtetxwxtjttj)arctan(arctan)()()(2222222222222AaAAAx相位谱幅值谱解：当ω=0X(ω)=A/αΦ(ω)=0ω→+∞X(ω)→+0Φ(ω)→-π/2ω→-∞X(ω)→-0Φ(ω)→+π/2三、几种典型信号的频谱1、矩形窗函数的频谱01t22TtTtfTjfTjftjeefjdtetfW2122函数及其频谱tS1、定义在ε时间内激发一个矩形脉冲，其面积为1。当ε趋于0时，的极限就称为δ函数，记做δ(t)。δ函数称为单位脉冲函数。δ(t)的特点有：tS从面积的角度来看（也称为δ函数的强度）0,00,ttt2、δ函数的采样性质dttSdtt0lim3、函数与其他函数的卷积特性3、正、余弦函数的频谱密度函数tfjtfjtfjtfjeetfeejtf0000220220212cos212sin正、余弦函数可以写成正余弦函数的傅立叶变换如下：000000212cos212sinfffftfffffjtf4、周期单位脉冲序列的频谱sndefsnTtTtcomb,等间隔的周期单位脉冲序列常称为梳状函数其傅立叶级数的复指数形式dteTtcombTccTfecTtcombtssstskfjTTsskkssnfjkkdefs2222,1,/1,为系数式中第四节随机信号一、概述随机信号(非确定性信号)随机信号是不能用确定的数学关系式来描述的不能预测其未来任何瞬时值，任何一次观测值只代表在其变动范围中可能产生的结果之一，但其值的变动服从统计规律。其特点1）时间函数不能用精确的数学关系式来描述；2）不能预测它未来任何时刻的准确值；3）对这种信号的每次观测结果都不同，但大量地重复试验可以看到它具有统计规律性。描述方法只能用数理统计概率方法。各态历经随机过程平稳过程随机过程非平稳过程表示随机信号的单个时间历程称为样本函效，某随机现象可能产生的全部样本函数的集合(也称总体)称为随机过程。二、随机信号的主要特征参数dttxTTTx01lim1均值、方差和均方值(1)均值为均值表示信号的常值分量。(2)方差描述随机信号的波动分量，它是偏离均值的平