華北理工大學《機械工程測試技術》重點

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--內頁可以根據(jù)需求調整合適字體及大小--華北理工大學《機械工程測試技術》重點(總31頁)PAGE機械工程測試技術緒論基本的測試系統(tǒng)由傳感器、信號調理裝置、顯示記錄裝置三部分組成。傳感器：感受被測量的變化并將其轉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）。信號調理裝置：對傳感器的輸出做進一步處理（轉換、放大、調制與解調、濾波、非線性校正等），以便于顯示、記錄、分析與處理等。顯示記錄裝置：對傳感器獲取并經過各種調理后的測試信號進行顯示、記錄、存儲，某些顯示記錄裝置還可對信號進行分析、處理、數(shù)據(jù)通訊等。信號及其描述測試工作的實質（目的、任務）通過傳感器獲取與被測參量相對應的測試信號，利用信號調理裝置以及計算機分析處理技術，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于被測對象的有關信息。按信號隨時間的變化規(guī)律分正弦信號是構成其他信號的基本成分！信號的描述：時域描述：以時間作為自變量的信號表達，反映信號的幅值隨時間的變化過程。頻域描述：以頻率作為自變量的信號表達，可以揭示信號的頻率結構（組成信號的各次諧波的幅值、初相位與頻率的對應關系）。幅值域描述：以信號的幅值作為自變量的信號表達，反映信號中的不同幅值（強度）的概率分布情況。時延域描述：以延時時間作為自變量的信號表達，反映信號在不同時刻的相互依賴關系或相近程度。均值反映了信號變化的中心趨勢，也稱為信號的直流分量。絕對均值相當于對信號進行全波整流后再濾波（平均）。信號的均值、絕對均值、均方值和均方根值都可作為信號強度的量度。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。頻域描述的目的是要得到信號的頻譜，即信號的頻率構成?！盘栔邪男╊l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了解信號的頻譜，對設計動態(tài)測試方法、測試裝置有著重要的意義，是實現(xiàn)不失真測試的技術保障。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)學工具來實現(xiàn)。其中最基本的數(shù)學工具是傅立葉級數(shù)（FS）和傅立葉變換（FT）。通過對周期信號的時域表達式進行傅立葉級數(shù)展開，可得到周期信號的頻譜（頻率構成）。——傅立葉級數(shù)是進行周期信號頻譜分析的數(shù)學工具！周期信號頻譜的數(shù)學表達有兩種形式：三角函數(shù)形式展開式——頻譜情況直觀明了復指數(shù)形式展開式——便于有關分析運算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！周期信號頻譜的特點：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。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。諧波性：每條譜線對應于一個諧波分量，只出現(xiàn)在基頻的整數(shù)倍上。歐拉公式復指數(shù)ejθ表示單位正弦向量！復指數(shù)ejnω0t表示幅值為1、隨時間通過對非周期信號（瞬變信號）的時域表達式進行傅立葉變換，可得到非周期信號的頻譜（頻率構成）。——傅立葉變換是進行非周期信號頻譜分析的數(shù)學工具！非周期信號頻譜的特點：非周期信號的頻譜是連續(xù)的，其頻譜中包含所有頻率的諧波成分。X(f)具有“單位頻率寬度上的幅值、相位非周期信號的幅值譜密度X(f)為有限值，但各次諧波分量的幅值X(f傅立葉變換的性質：線性疊加性質，對稱性質，時間尺度改變性質，頻移性質，卷積分性質，微分性質，積分性質。矩形窗函數(shù)是一種在時域有限區(qū)間內幅值為常數(shù)的窗信號，它在信號分析處理中有著重要的應用，主要用于在時域內截取某信號的一段記錄長度。矩形窗函數(shù)的頻譜是連續(xù)的，頻譜范圍無限寬廣。信號的截斷相當于信號與窗函數(shù)相乘，截斷后的信號的頻譜等于二者的卷積分，因此也具有連續(xù)、無限寬廣的頻譜。δ函數(shù)的性質抽樣性質（篩選性質）：δ函數(shù)可以把信號x(t)在脈沖發(fā)生時刻t0時的函數(shù)值x卷積（分）性質：任一信號x(t)與單位脈沖函數(shù)δ(t-t0)卷積分的結果，相當于把信號x(t)δ函數(shù)的頻譜：單位脈沖函數(shù)數(shù)δ(t)的頻譜密度恒等于1。數(shù)δ函數(shù)具有無限寬廣的頻譜，且在任何頻率上的譜密度都是相等的。這種信號稱為理想的白噪聲。由δ函數(shù)及傅立葉變換的性質得到的結論周期單位脈沖序列周期單位脈沖序列的頻譜也是一個周期脈沖序列。周期單位脈沖序列的典型應用是等時間間隔采樣控制。采樣間隔（周期）Ts越小，其頻譜譜線間隔1/T相關函數(shù)分為自相關函數(shù)和互相關函數(shù)。

測試裝置的基本特性理想的測試裝置應該具有單值的、確定的輸入/輸出特性。其中以線性的輸入/輸出特性是最期望的。靜態(tài)特性：測試裝置對不隨時間變化或隨時間緩慢變化的信號所呈現(xiàn)出來的傳輸特性動態(tài)特性：測試裝置對隨時間快速變化的信號所呈現(xiàn)出來的傳輸特性線性系統(tǒng)：輸入信號與輸出信號滿足如下線性微分方程關系的系統(tǒng)（裝置）。若線性系統(tǒng)微分方程中的各系數(shù)（取決于系統(tǒng)的結構參數(shù)）不隨時間變化，則稱之為時不變系統(tǒng)（定常系統(tǒng)）。既是線性又是時不變的系統(tǒng)稱為線性時不變系統(tǒng)。線性時不變系統(tǒng)的主要性質：比例疊加性質、時不變性質、頻率保持性質、微分積分性質。頻率保持性是線性時不變系統(tǒng)非常重要的性質之一，據(jù)此可通過信號分離技術排除各種干擾與噪聲，最大限度地提取出信號中的有用信息。根據(jù)微分積分性質性質，不僅可以大大簡化某些信號分析、特性分析等計算問題，還可實現(xiàn)某些物理量的間接測量。例如，只要測得位移、速度、加速度信號中的一個，就可根據(jù)線性時不變系統(tǒng)的微分、積分性質確定出其他兩個信號。靜態(tài)標定條件：沒有加速度、沖擊、振動環(huán)境溫度為20±5℃相對濕度不大于85％大氣壓力為±靜態(tài)特性的主要指標：（靜態(tài)）靈敏度、線性度、回程誤差。（靜態(tài)）靈敏度：希望靈敏度在全量程內保持常數(shù)，輸入/輸出特性為線性。實際測試裝置在不同工作點處的靈敏度一般是不同的。實際輸入/輸出特性一般是非線性的。實際測試裝置的靈敏度通常要隨時間、溫度等因素的變化而變化的——靈敏度漂移。隨時間變化——時間漂移（時漂）/h隨溫度變化——溫度漂移（溫漂）/℃靈敏度一般是有量綱的，例如：mV/mm、pC/MPa、mV/mV線性度：線性度也稱為線性誤差、非線性度、非線性誤差。線性度是測試裝置的精度指標之一，其值越小越好。為保證測試的精度，實際的測試裝置應工作在線性較好的區(qū)域。同時，應采取各種軟、硬件方面的技術措施，最大限度地減小線性度。線性度不超過規(guī)定數(shù)值的測量范圍稱為線性范圍?；爻陶`差：測試裝置沿正、反兩個方向（輸入從小到大、從大到?。┕ぷ鲿r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數(shù)。（也稱為遲滯）動態(tài)特性描述方法（數(shù)學模型）：時（間）域：脈沖響應函數(shù)h(t)復頻域：傳遞函數(shù)H(s)頻（率）域：頻率響應函數(shù)H(jω)脈沖響應函數(shù)為測試裝置在特定輸入情況下的輸出，實質反映的是測試裝置的動態(tài)特性。脈沖響應函數(shù)h(t)由系統(tǒng)微分方程隱含。測試裝置對任意輸入的響應等于脈沖響應函數(shù)與輸入的卷積分。y(t)=h(t)*x(t)傳遞函數(shù)：測試裝置輸出信號y(t)的拉普拉斯變換Y(s)與輸入信號x(t)的拉普拉斯變換X(s)之比，用H(s)表示。關于傳遞函數(shù)的說明傳遞函數(shù)H(s)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！傳遞函數(shù)H(s)為關于算子s的有理分式，其中包含了測試裝置關于瞬態(tài)（暫態(tài)）響應和穩(wěn)態(tài)響應的全部信息。s=α+jωα——反映測試裝置的瞬態(tài)響應特性；jω——反映測試裝置的穩(wěn)態(tài)響應特性傳遞函數(shù)H(s)分母中s的最高冪次n稱為系統(tǒng)的階次。對于穩(wěn)定的系統(tǒng)，n≥m。傳遞函數(shù)H(s)的分母完全由系統(tǒng)的結構所決定，分子則取決于輸入（激勵）、輸出（響應）的作用位置。傳遞函數(shù)H(s)是一種描述測試裝置動態(tài)特性的數(shù)學模型，因此不同的測試裝置可能具有相同形式的傳遞函數(shù)——相似系統(tǒng)。頻率響應函數(shù)：初始條件為零時輸出信號y(t)的單邊傅里葉變換Y(jω)與輸入信號x(t)的單邊傅里葉變換X(jω)之比，用H(jω)表示。頻率響應函數(shù)反映的是測試裝置的穩(wěn)態(tài)響應特性！關于頻響函數(shù)的說明頻率響應函數(shù)H(jω)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！頻率響應函數(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)響應特性?！ㄟ^給測試裝置輸入不同頻率的正弦諧波激勵，測出測試裝置對應的穩(wěn)態(tài)輸出，即可得到測試裝置的頻率響應。頻率響應函數(shù)一般為關于頻率ω的復函數(shù)。一階系統(tǒng)——慣性環(huán)節(jié)一階系統(tǒng)動態(tài)特性特點一階系統(tǒng)的動態(tài)特性只與時間常數(shù)τ有關。當ω?1/τ時，A(ω)≈1，φω當ω=1/τ時，Aω當ω?1/τ時，φω→90°，Aω以-20dB/十倍頻程的斜率衰減。因此，上述一階系統(tǒng)具有“低通”一階系統(tǒng)還有“高通”的形式，其傳遞函數(shù)形式為：二階系統(tǒng)——振蕩環(huán)節(jié)二階系統(tǒng)動態(tài)特性特點二階系統(tǒng)的動態(tài)特性受固有頻率ωn和阻尼比ξ阻尼比影響系統(tǒng)的工作狀態(tài)：無阻尼（ξ=0）、過阻尼（ξ>1）、欠阻尼（0<ξ<1）、臨界阻尼（ξ當ξ=0.707且ω≤0.4ωn時，A(ω)≈1，φω≈-t0ω。當ω?二階系統(tǒng)存在共振現(xiàn)象：幅值共振：共振頻率ωr=ωn相位共振：當ω=ωn時，必有φ二階系統(tǒng)還有“高通”、“帶通”的形式。一般的機械系統(tǒng)在一定條件下大多可近似看成是二階的“質量-彈簧-阻尼”系統(tǒng)。高階系統(tǒng)可以看成是由若干個一、二階系統(tǒng)經過串聯(lián)、并聯(lián)或反饋組成的。多個環(huán)節(jié)串聯(lián)H(s)=多個環(huán)節(jié)并聯(lián)H存在反饋環(huán)節(jié)H算子阻抗法不失真測試的涵義實時測控：y一般測試：y在輸入信號的頻帶內，測試裝置的幅頻特性值保持恒定，相頻特性值與信號的頻率保持線性比例關系。一、二階系統(tǒng)實現(xiàn)不失真測試的條件一階系統(tǒng)：τ≤0.2/ω二階系統(tǒng)：ξ=0.707ω

傳感器傳感器的定義：能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。通常由敏感元件和轉換元件組成。傳感器按參量轉換特征分結構型傳感器：依靠傳感器結構參數(shù)（如形狀、尺寸等）的變化實現(xiàn)測量變換。物性型傳感器：利用某些功能材料本身所具有的內在物理性質及物理效應實現(xiàn)測量物性型傳感器是未來傳感器的發(fā)展方向。按能量轉換關系分：能量轉換型（發(fā)電型）：工作時由能量變換元件自主產生能量，通常不需要外加電源。能量控制型（參量型）：工作時需外加電源提供能量，被測量的變化對能量轉換起控制作用。按輸出信號狀態(tài)分模擬傳感器：傳感器輸出連續(xù)的模擬信號。數(shù)字傳感器：傳感器輸出離散的數(shù)字信號或脈沖信號。電阻式傳感器分類：變阻器式，電阻應變式，敏感電阻式。電阻應變式傳感器（電阻應變片）測量原理性能特點金屬應變片的電阻變化主要是基于金屬材料的應變效應：1+2μ?λE，S≈1+2μ半導體應變片的電阻變化主要是基于半導體材料的壓阻效應：λE?1+2μ，S≈λE（多在半導體應變片的靈敏度高、體積小、動態(tài)特性好，但溫度穩(wěn)定性和重復性不如金屬應變片，非線性誤差大。測量電路主要應用[1] 直接測定結構的應力或應變[2] 將應變片貼于彈性元件上制成各種用途的應變傳感器（電子稱、扭矩傳感器）電容式傳感器分類：變極距型、變面積型、變介質型變極距型電容傳感器測量原理差動式連接性能特點：靈敏度高，缺點是量程小、線性差變面積型電容傳感器測量原理性能特點：量程大、線性好，缺點是靈敏度低。變介質型電容傳感器測量原理測量電路主要應用：電容式差壓變送器、電容式接近開關、電容式液位計電感式傳感器的分類：自感型、互感型、渦流型自感傳感器（可變磁阻式）測量原理差動式連接差動連接的優(yōu)點改善了線性度可實現(xiàn)對某些誤差的補償提高了靈敏度性能特點測量電路互感傳感器（差動變壓器）測量原理測量電路主要應用：精密微小位移測量、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件的應力和位移、差動變壓器式張力測量控制系統(tǒng)。渦流傳感器測量原理磁通的變化相當于線圈等效阻抗的變化。Φ線圈的等效阻抗Z=f(δ,ω,I,R,W,μ,ρ)測量電路主要應用：位移測量、電渦流式傳感器測量位移、振幅測量、轉速的測量、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壓電效應的種類縱向壓電效應——沿x方向施力，在y-z平面上產生電荷橫向壓電效應——沿y方向施力，在y-z平面上產生電荷切向壓電效應——沿y-z平面或x-z平面施加剪切力，在y-z平面上產生電荷等效電路等效為一個電荷源和固有電容的并聯(lián)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靈敏度電荷靈敏度——單位作用力所產生的電荷S電壓靈敏度——單位作用力所形成的電壓S兩種靈敏度之間的關系（后接前置放大器后）：Se=傳感器制成后，Sq一定，不隨外電路的變化而發(fā)生變化。若更換壓電測試系統(tǒng)的電纜，因Cc變化而必導致壓電晶片的串聯(lián)與并聯(lián)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）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）壓電傳感器的放電時間常數(shù)越大越好。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。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，但其線路復雜、成本高。壓電傳感器的應用：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)

信號調理裝置按電橋供電電源的性質分：直流電橋、交流電橋按橋臂元件的阻抗性質分：純電阻電橋、純電容電橋、純電感電橋、容性電橋、感性電橋按電橋輸出的測量方式分：平衡電橋、不平衡電橋直流電橋平衡條件：R將傳感器（如電阻應變片）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關系差動連接的優(yōu)點：改善了線性度可實現(xiàn)對某些誤差的補償提高了靈敏度交流電橋平衡條件：Z1Z調制：用原始緩變信號（通常為被測信號）控制高頻信號的某個特征參數(shù)（幅值、頻率、相位等），使所得已調波的相應參數(shù)隨被測信號的變化而變化。解調：從處理后的已調波中將原始緩變信號還原出來。調制的方法：幅值調制：調幅（AM）頻率調制：調頻（FM）相位調制：調相（PM）脈沖寬度調制：調寬（PWM）調制的目的：有利于提高信號傳輸中的抗干擾能力和信噪比，有利于信號的遠距離傳輸。有利于實現(xiàn)不失真測試。調幅原理：在時域內，調幅就是將調制信號與高頻載波信號相乘的過程，用調制信號去控制已調波的幅值，使所得到的高頻已調波（稱為調幅波、調幅信號）的幅值隨調制信號的變化而變化。在頻域內，調幅過程是一個“頻譜搬移”過程。調幅過程中的載波不僅要保證幅值的高度穩(wěn)定，其頻率也要足夠高。一般應保證f調幅波的頻譜分布在相對變化很窄的一個范圍內，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)。調幅裝置：凡是能實現(xiàn)信號相乘的裝置都可作為調幅裝置（例如：交流電橋、霍耳傳感器等）。同步解調適用于任何形式調制信號的調幅信號的解調。同步解調利用了單位脈沖函數(shù)的卷積分特性，將處理后的調幅信號與載波信號在時域內再乘一次，則在頻域內實現(xiàn)“第二次頻譜搬移”，從而恢復、還原出調制信號原來的頻譜。包絡檢波適用于調制信號為單邊（單極性）變化的調幅信號的解調。通過獲取調幅信號的包絡線還原出調制信號。實現(xiàn)過程全波整流：將雙邊變化的調幅信號調理成單邊變化的調幅信號低通濾波：濾除單邊變化調幅信號中的高頻成分相敏檢波：對于調制信號為雙邊（雙極性）變化的調幅信號的解調，必須使用相敏檢波，以檢出調制信號的極性變化。最常用的相敏檢波電路是二極管環(huán)型相敏檢波電路。調幅的應用電容式測微測振儀動態(tài)電阻應變儀差動變壓器式電感測微儀濾波器的功用主要包括：信號分離（選頻）：根據(jù)需要將特定頻率范圍內的頻率成分分離出來。干擾、噪聲抑制：將可能存在的特定頻率或特定頻率范圍內的噪聲、干擾濾除或抑制掉信號平滑處理：對信號進行平滑處理，即對信號中存在的隨機成分進行處理。濾波器按選頻范圍分低通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器理想濾波器理想濾波器在其通頻帶內應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系，阻帶內的幅頻特性等于零。其頻率響應函數(shù)應為理想濾波器是非因果系統(tǒng)，在物理上不可能實現(xiàn)。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B建立時間反映的是濾波器對輸入的響應速度（濾波時間）；帶寬反映的是濾波器的頻率分辨力?！呦嗝軐嶋H帶通濾波器的幅頻特性曲線幅頻特性平均值A0，紋波幅度d，下截止頻率f帶寬B=fc1-f

顯示記錄裝置檢流計式記錄儀用來記錄已轉換成電流的信號。這種記錄儀的測量部分相當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線所受的力來驅動記錄頭工作原理檢流計式記錄儀（筆式記錄儀、光線示波器等）為二階系統(tǒng)！性能特點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，應滿足ξ=0.707且f靈敏度較高，記錄精度也較高。因轉動慣量較大及游絲剛度較小，故固有頻率較低，加上摩擦，因此其可記錄信號的頻率也較低，通?！?00Hz。

機械振動的測試按振動參數(shù)隨時間的變化規(guī)律分在一定條件下，一般的機械系統(tǒng)大多可近似看成是二階的“質量-彈簧-阻尼”系統(tǒng)。由作用在質量上的力所引起的受迫振動振動系統(tǒng)動態(tài)特性測試、模態(tài)分析的理論基礎！由基礎運動所引起的受迫振動慣性式測振傳感器測振的理論基礎！慣性式測振傳感器測量各振動參數(shù)的工作條件振幅計，當ω?ωn時，z速度計，當ω?ωn時，z加速度計，當ω?ωn時，共振法單自由度系統(tǒng)在受迫振動中，當激振頻率接近固有頻率時，因共振而導致振動響應顯著增大。由振幅響應的幅頻特性曲線估計由振幅響應的相頻特性曲線估計阻尼比可根據(jù)相頻特性曲線在ω=由振幅響應的實