吉林大学机械工程测试技术复习资料(DOC)

机械工程测试技术绪论1、测试基本任务：—获取有用信号。2、误差定义：测量误差=测量结果-真值3、误差分类：系统误差、随机误差、粗大误差4、误差表示：绝对误差，相对误差=绝对误差÷真值第一章信号及其描述1、信号分类：2、傅里叶级数三角函数展开式3、欧拉公式4、傅里叶级数复数函数展开式5、周期信号频谱具有三个特点：（1）周期信号的频谱是离散的。（2）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）各频率分量的谱线高度表示该谐波的幅值或相位角。6、周期信号强度表示：7、傅里叶变换对：8、傅里叶变换的主要性质1）奇偶虚实性：奇偶性不变，偶函数虚实性不变，奇函数虚实性相反。2）对称性：3）时间尺度改变特性：(1)当时间尺度压缩(k1)时，图c其频谱的频带加宽，幅值降低。(2)当时间尺度扩展(k1)时，图a其频谱的频带边窄，幅值增高。(3)压缩时间尺度,提高处理信号效率,后续处理频带加宽,容易失真。(4)扩展时间尺度，处理后续信号容易，但效率太低。4）时移和频移特性：5）卷积特性：6)微分和积分特性：9、几种典型信号频谱：（一）矩形窗函数的频谱：（二）δ函数及其频谱δ函数的采样性质：（1）任意函数f(t)与δ(t-t0)的乘积是一个强度为f(t0)的δ函数δ(t-t0)。（2）该乘积在有限区间的积分是f(t)在t=t0的值f(t0)（3）此性质对连续信号的离散采样是十分重要的。δ函数与其它函数的卷积：（三）正、余弦函数的频谱密度函数：（四）周期单位脉冲序列的频谱：)()()(00ttxtttx第二章测试装置的基本特性一、对测量装置的基本要求：输入量、输出量，系统的传输特性，知道其中两个可以推出第三个。二、线性系统及其主要性质：叠加原理、比例特性、、、频率保持性三、测量装置的特性静态特性、动态特性、负载特性、抗干扰性四、测量装置的静态特性：五、测量装置的动态特性的数学描述1、传递函数（复数域H（s））2、频率响应函数（频域H（w））3、脉冲响应函数（时域h（t））dttdydttdx)()(0000)()(ttdttydttx六、环节的串联和并联1、环节串联：2、环节并联：七、一阶二阶系统的特性八、测量装置对任意输入的响应：系统的输出就是输入与系统的脉冲响应函数的卷积。九、实现不失真测试的条件：十、测试装置动态特性的测试：采用方法：频率响应法、阶跃响应法十一、测量装置的抗干扰：测量装置的干扰源：电磁场干扰、电源干扰、信道干扰。第三章常用传感器一、传感器的分类按被测量分类：①位移传感器②力传感器③温度传感器按工作原理分类：①机械式②电气式③光学式④流体式按信号变换特征：①物性型②结构型按敏感元件与被测对象之间的能量关系分:①能量转换型②能量控制型按输出信号分类：①模拟式②数字式二、机械式传感器以弹性体为敏感元件，将被测量转换为弹性变形（或应变）的传感器优点：结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等。缺点：弹性变形不能过大；受结构间隙影响大，惯性大，固有频率低，只宜用于检测缓变或静态被测量。三、电阻式传感器电阻式传感器—是一种把被测量转换为电阻变化的传感器。分类：（1）变阻器式（2）电阻应变式1、变阻器式传感器（电位差计式）分类：（1）直线位移型（2）角位移型（3）非线性型2、电阻应变式传感器应用范围：测量力、应变、位移、加速度、扭矩等分类：（1）金属应变片式（2）半导体应变式特点：（1）体积小；（2）动态响应快；（3）测量准确度高；（4）使用方便（一）金属电阻应变片种类：常用的有丝式和箔式，其工作原理一样（二）半导体应变片优点：灵敏度高。缺点：（1）温度稳定性差（2）灵敏度分散度大(由于晶向杂质等因数）（3）非线性大小结：（1）金属丝电阻应变片利用导体形变引起电阻变化。（2）半导体应变片是利用半导体电阻率变化而引起电阻的变化。电阻应变片传感器应用注意事项标定、贴片工艺、动态特性、温度补偿四、电感式传感器自感型可变磁阻式灵敏度S与气隙长度平方成反比，δ越小，S越高。涡流式利用金属导体在交流磁场中的涡电流效应。涡流式传感器的应用方式：δ可作为位移、振动测量；变化ρ和μ可作为材质鉴别和探伤。涡电流式传感器测量电路：（1）阻抗分压式调幅电路（2）调频电路互感式—差动变压器式电感传感器优点：精度高（0.1μm级）线性范围大（±100mm），稳定度好，使用方便，广泛用于直线位移测量。五、电容式传感器根据电容器变化的参数可分为（1）极距变化型（2）面积变化型（3）介质变化型特点：（1）面积变化型优点是输出与输入成线性关系。（2）灵敏度较低。（3）适用较大直线及角位移测量。测量电路（一）电桥型电路（二）直流极化电路（三）谐振电路（四）调频电路（五）运算放大器电路六、压电式传感器压电式传感器是一种可逆型换能器（机械能↔电能），广泛应用于力、压力、加速度测量。也用于超声波发射和接受装置。1.压电效应2.晶体结构纵轴线z-z称为光轴，过六角棱线垂直于光轴的轴线x-x称为电轴，垂直于棱面的轴线y-y称为机械轴3.纵横向效应4.压电材料七、磁电式传感器（一）动圈式（恒磁通式）1．线速度型e=NBlvsin当B、W、l均为常数时，感应电动势大小与线圈运动线速度成正比。这也是一般常见惯性式速度计的工作原理。2．角速度型(二)磁阻式（变磁通式）八、热电式传感器（一）热电偶传感器热电偶回路的特点1）均质导体定律：若回路的两种导体相同，则无论两节点温度如何，热电偶回路中的总热电动势为零；2）若两接点温度相同，则尽管导体材料不同，热电偶回路中的总热电动势也为零；3）热电偶的热电动势与导体材料的中间温度无关，而只与接点温度有关；4）中间温度定律：热电偶在接点温度T1、T3时的热电动势，等于热电偶在接点温度为T1、T2和T2、T3时的热电动势总和；5）中间导体定律：在热电偶回路中接入第三种材料的导线，只要第三种导线的两端温度相同，第三种导线的引入不会影响热电偶的热电动势。6）标准电极定律：当温度为T1、T2时，用导体A、B组成的热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势的和（二）热电阻传感器1、热电阻传感器——利用电阻随温度变化的特点制成的传感器。主要用于对温度和与温度有关的参数测定。2、按热电阻的性质分类：金属热电阻（热电阻）半导体热电阻（热敏电阻）3、热电阻的组成：电阻体、绝缘套管、接线盒等。九、半导体传感器（一）磁敏传感器分类：（1）霍尔元件（2）磁阻元件（3）磁敏管（二）光敏传感器十、光纤传感器十一、传感器选用原则1．灵敏度（1）适当（2）多维测量交叉灵敏度小（3）与测量范围协调2．响应特性（1）不失真（2）响应时间短（动态测量尤为重要）3．线性（1）线性度好（2）线性范围宽4．可靠性可靠性高，考虑设计、制造、环境（油、粉尘、磁场、湿度）5．精确度原则上精确度↑↑，考虑经济性。6．测量方式（1）接触式-非接触式（2）在线-非在线7．其它体积，结构，价格，维修，采购和更换。第四章信号调理、处理和记录一、电桥1、分类：按激励电压（1）直流电桥（2）交流电桥按输出方式（1）不平衡桥式电路（2）平衡桥式电路2、直流电桥：传感器可以三种形式接入电桥：半桥单臂连接：半桥双臂连接：全桥连接：显然，电桥接法不同，输出电压也不同，三种接法电桥输出之比为1：2：4，全桥最大。电桥的和差特性：1)若相邻两桥臂电阻同向变化，所产生的输出电压的变化将相互抵消；2)若相邻两桥臂电阻反向变化，所产生的输出电压的变化将相互叠加。3、交流电桥：交流电桥平衡必须满足两个条件：（1）相对两桥臂阻抗之模的乘积应相等（2）它们的阻抗角之和也必须相等电容电桥平衡条件电感电桥平衡条件二、调制与调节：调制—一个信号的某些参数在另一个信号控制下而发生变化的过程。前一信号称为载波(较高频率交变信号)，后一信号(控制信号)称为调制信号，最后输出已调制波。已调制波一般都便于放大和传输。解调—从已调制波中恢复出调制信号的过程。载波调制分类：①调幅(AM)②调频(FM)③调相(PM)它们的已调波分别被称为①调幅波②调频波③调相波1、调幅及其解调调幅过程就相当于频谱“搬移过程”。若把调幅波再次与原载波信号相乘，则频域图形将再一次进行“搬移”。若用一个低通滤波器滤去中心频率为2f0的高频成分，那么将可以复现原信号的频率（只是幅值减小一半，可以放大处理），这一过程叫做“同步解调”。“同步”是指解调时所乘的信号与调制时的载波信号具有相同的频率和相位调幅条件：（1）载波频率f0必须高于原信号中最高频率fm，才能使已调波仍保持原信号的频谱图形。（2）为了减小放大电路失真，信号频宽2fm相对中心频率（载波频率）越小越好。整流检波和相敏检波2、调频及其解调直接调频测量电路压控振荡器变压器耦合的谐振回路鉴频法三、滤波器1、滤波器分类（一般）（1）低通滤波器；（2）高通滤波器；（3）带通滤波器；（4）带阻滤波器；2、理想滤波器理想测量系统的频率响应函数是3、滤波器单位阶跃输入响应：4．响应建立时间：通带越宽，阻衰的高频分量越少，使信号能量更多，更快地通过，所以建立的时间就短；反之，则长。5．建立时间与带宽关系：B*Te=常数=5~10实际RC调谐式滤波器实际滤波器的基本参数：纹波幅度d、截止频率(fc1,fc2)、带宽B和品质因数Q值、倍频程选择性、滤波器因数（或矩形系数）λB—上下截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽，或-3dB带宽，单位Hz。Q—通常把中心频率f0和带宽B之比称为滤波器的品质因数Q。恒带宽比滤波器一种常用的恒带宽比滤波器：恒带宽滤波器（1）相关滤波；（2）变频跟踪滤波第五章信号处理初步信号处理目的:（1）分离信号和噪声，提高信噪比。（2）从信号中提取有用的特征信号。（3）修正测试系统的某些误差（如非线性误差，温度影响）.一、数字信号处理的基本步骤模—数转换（A／D）指模拟信号经采样、量化并转换为二进制的过程。（1）采样：是将连续信号变为离散时间序列信号的过程。（2）截断：将采样得到的离散时间序列乘以窗函数，使之成为有限时间序列的过程。（3）量化：是把采样信号经过舍入变为有限个有效数字的数的过程。（4）编码：将经过量化的值变为二进制数字的过程。二、信号数字化出现的问题时域采样、混叠和采样定理若采样频率fs大于带限信号最高频率fh的2倍，就不会发生混叠。采样定理，也称香农（Shannon）定理量化和量化误差一般认为，量化误差ε(n)为截断、泄漏和窗函数截断就是将信号乘以时域的有限宽矩形窗函数。x(t)是带限信号，截断后成为无限带宽信号，信号能量在频率轴分布扩展的现象称为泄漏。窗函数优劣评价：1、最大旁瓣峰值与主瓣峰值之比；2、最大旁瓣10倍频程衰减率；3、主瓣宽度；频域采样、时域周期延拓和栅栏效应频域采样—频率离散化，无疑是将时域信号“改造”成周期信号。相当于在时域中将窗内的信号波形在窗外进行周期延拓。采样就是“摘取”采样点上对应的函数值，如透过栅栏的缝隙看景，不全面，此现象称之为栅栏效应频率分辨率、整周期截断只有截取的信号长度T正好等于信号周期的整数倍时，才能使分析谱线落在简谐信号的频率上。信号时域、频域的离散化导致频域、时域的周期化。三、随机信号各态历经随机信号主要特征参数：（1）均值、方差和均方值（2）概率密度函数（3）自相关函数（4）功率谱密度函数（一）均值μx、方差σ2x和均方值ψ2x（二）概率密度函数概率密度函数—表示信号幅值落在指定区间内的概率。四、相关分析及应用（一）两个随机变量的相关系数（二）信号的自相关函数自相关函数性质：（三）信号的互相关函数同频率相关，不同频率不相关互相关函数性质：（1）互相关函数不是偶函数（2）图中表明τ=τ0时呈现最大值，时移τ0反映x(t)和y(t)之间的滞后时间。