测试技术教案

目 录序言第一章 信号分析基础1-1 信号分类及描述1-2 周期信号的频谱1-3 非周期信号的频谱第二章 测试系统的特性2-1 测试系统的静态特性2-2 测试系统的动态特性2-3 测试系统的不失真条件第三章 电阻应变式传感器3-1 金属电阻应变式传感器3-2 半导体应变式传感器3-3 金属电阻应变式传感器的应用第四章 电感式传感器4-1 自感式电感传感器4-2 互感式电感传感器（差动变压器）4-3 电涡流式传感器第五章 电容式传感器5-1 工作原理与特性5-2 测量电路5-3 电容式传感器的应用第六章 压电式传感器6-1 压电效应及压电材料6-2 测量电路6-3 压电式传感器的应用第七章 光电式传感器7-1 光敏电阻7-2 光电二极管和三极管7-3 光电池7-4 光电式传感器的应用第八章 热电传感器8-1 概述8-2 电阻式温度传感器8-3 热电偶第九章 记录仪器9-1 光线示波器9-2 函数记录仪9-3 磁带记录仪复习序 言目的和要求：使学生了解测试技术课程的性质，相关学科及其重要性。测试系统的基本组成及各部分功能。测试技术的发展趋势。这门课程的教学内容以及对于学生学习掌握这门课程的基本要求。课时安排：1 学时授课内容：一 目的及重要性测试技术是一门综合性很强的技术学科，它以物理学、电子学、材料学，自动控制和数字技术等为基础。其目的是研究材料和构件的状态（包括正常工作状态和故障状态诊断） ，检查和测量自动化生产过程中的各种工艺参数。监视和控制生产过程的运行，鉴定产品质量，为新产品改进设计提供数据。21 世纪是信息时代，获取信息，处理信息，运用信息。测试技术的重要性在于它是获得信息并对信息进行必要处理的基础技术，是获取信息和处理加工信息的手段，无法获取信息则无法运用信息。对机械制造专业，由于机械加工精度和生产过程自动化水平的不断提高，从单机自动化、自动化生产线、加工中心、柔性加工，甚至无人化工厂的过度过程实际上就是测试技术在机械制造中的应用水平不断提高。二 系统的组成测试系统是用来检测信息的硬件设备和软件组成的系统。系统组成框图如下：作用：1、传感器：按照一定规律将被测量转换成同种或别种信号显示输出给下一个单元。2、信号调理：将来自传感器的信号转换成更适合进一步传输和处理的形式。3、信号处理：接受来自于信号调理单元的信号，并进行必要的运算、滤波、分析，将结果输出给显示记录或反馈、控制单元。4、显示记录：以观察者易于识别的形式将处理后的检测信号结果显示出来，被测对象传感器信号调理传输信号处理显示记录观察者激励装置 反馈、控制或者存储起来，以供使用。5、传输：从接受信号到处理、输出信号的全部传输过程，传输过程贯穿于各个单元环节之中，一般不单独设置。如单独讨论传输单元时，则专指长距离的信号传输。这是因为在长距离传输信号时，如果方法、设备选用不当，很可能加入大量干扰信号，丢失有用信号，以至无法检测。一个测试系统不论由多少单元组成，都必须满足一个基本原则：即各环节的输出量与输入量之间应保持一一对应，一定比例和尽量不失真的原则。所以，组成测试系统时，应着重考虑尽可能减小和消除各种干扰信号。三 发展趋势1、 电路设计的改进：广泛采用各种运算放大器和大规模集成电路，使测试系统的硬件电路大大简化，而且提高了系统的稳定性和可靠性。例如有效地减小了负载效应、线形误差、温漂、零漂误差等。2、 物性型传感器的大力开发：传感器是依靠敏感材料本身的某种特殊物性随被测量的变化来实现信号转换，即可利用这种压电材料将非电的压力信号转换为电信号。因此，这类传感器的开发实质上是新材料的开发。它的优点有：使可测量量增多；使传感器的集成化、小型化和性能提高。3、 计算机在测试系统中的应用：由于计算机是硬件电路和系统软件及应用软件相结合的智能化设备，在测试系统中的应用不仅大幅度地提高测试系统的精度、测量能力和工作效率，而且由于通过应用软件引入了许多新的分析手段和方法，使测试系统具有实时分析、记忆、逻辑判断、自校、自适应控制和自动补偿能力。四 课程内容及要求 本课程主要讨论机械工程动态测试中所涉及的各种信号及信号的分类和描述、测试系统的组成和基本特性、常用的传感器、中间变换电路及记录仪器的工作原理，以及几个常见物理量的测试方法。要求学生掌握以下几方面：1、 掌握信号在时域和频域的描述方法明确信号的频谱概念；掌握频谱分析和相关分析的基本原理和方法；了解功率谱分析的原理及应用。2、 掌握测试装置静、动态特性的评价方法和不失真测试条件；能正确运用于测试装置的分析和选型。3、 了解常用传感器、测量电路和记录仪器的工作原理和性能，并能合理的选用。4、 对动态测试的基本问题有一个完整的概念，并通过实验初步学会机械工程中某些参量的测试。重点：1、 测试系统的基本组成及其功能；2、 课程内容介绍及要求。难点：测试系统的基本组成及其功能。方法：以课堂讲授为主，结合学生在生活和宣传媒体上了解到的有关测试技术的在日常生活以及工业生产领域，尤其是所学专业领域中的应用，说明课程的重要性和意义。从人类技术发展的角度，说明测试技术与其他学科的联系和发展的依赖性。小结：测试系统一般由传感器，信号调理，信号处理，显示记录和传输环节组成。课程要求学生掌握信号的分类，时域和频域以及频谱分析的概念等；系统的静、动态特性和不失真条件；各种传感器及其测量电路，记录仪器的原理和使用。思考题：新材料科学，数字技术和计算机技术对测试技术的发展有哪些影响？第一章 信号及其描述目的和要求：使学生掌握工程测试中所遇到的各种信号的分类方法及信号的种类；信号的描述方法；掌握周期信号和非周期信号的频谱分析方法。课时安排：4 学时授课内容：1-1 信号分类及描述信号的概念：信号是某一特定信息的载体，它包含着反映被测物理系统的状态或特性的某些信息。1-1 信号的分类（图）一、根据物理性质分为非电信号和电信号。分类：信息是包含在某些物理量中的，我们将物理量称为信号。实际中，根据物理性质，可以将信号分为非电信号和电信号。非电信号：随时间变化得力、位移、速度等信号电信号：随时间变化的电流、电压、磁通等信号。非电信号和电信号可以借助于一定的装置互相转换。在实际中，对被测的非电信号通常都是通过传感器转换成电信号，再对此电信号进行测量。二、按信号在时域上变化的特性分：静态信号和动态信号。1、静态信号：在测量期间内其值可认为是恒定的信号；2、动态信号：指瞬时值随时间变化的信号。一般信号都是随时间变化的时间函数，即为动态信号。动态信号又可根据信号值随时间变化的规律细分为确定性信号和随机信号三、按信号取值情况分：连续信号和离散信号。1、连续信号：信号的数学表达式中的独立变量取值是连续的；2、离散信号：信号的独立变量取离散值，不连续。将连续信号等时距采样后的结果就是离散信号1-2 信号的描述一、时域描述：人们直接观测或记录的信号一般是随时间变化的物理量，以时间作为独立变量的描述方法。它的特点是：只能反映信号的幅值随时间变化的规律。从时域图形中可以知道信号的周期、峰值和平均值等，可以反映信号变化的快慢和波动情况，比较直观、形象，便于观察和记录。二、频域描述：是以频率作为独立变量而建立的信号与频率的函数关系。它的特点是：研究信号的频率结构，即组成信号的各频率分量的幅值及相位的信息。三、二者的关系：它们是从不同的侧面观察，二者之间有着密切的关系且互为补充。我们之所以要对信号做不同域中的分析和描述，是因为我们分析一个信号所要解决的问题不同，所需要掌握信号的不同方面的特征。三、信号的时域描述方法：1、 确定性信号：指可以精确地用明确的数学关系式描述的信号，它可用一个确定的时间函数，按它的波形是否有规律的重复，还可分为周期性信号和非周期性信号。(1)周期性信号：是按一定周期重复出现的信号，可用数学表达式表示为：X（t）=x(t+nT) n=1,2,3 T 为周期(2)非周期性信号：指不具有周期性重复的信号称为非周期性信号。又分为准周期信号和瞬变非周期信号 准周期信号：由两种以上的周期信号组成，但其组成分量间不存在公共周期，因而无法按某一时间间隔周而复始重复出现。设信号 x(t)由两个简谐信号合成，即x(t)=A1sin2 t+A2sin(3t+ ),可见，两个信号均为简谐信号，即为周期信号，但二者的角频率分别为 1=2 ,2=3,其周期 T1=2 ，T2=2 /3，两个周期没有最小公倍数，即角频率的比值为无理数，说明二者之间没有公共周期，所以，信号 x(t)是非周期的，但又是由周期信号合成的，故称之为准周期信号。 瞬变非周期信号：在一定时间区域内存在，或随着时间的增长而衰减至零的信号。2、 随机信号是无法用数学解析式来表达的，也无法预见未来任何时刻的瞬时值的信号。由于随机信号具有某些统计特征，可以用概率统计的方法由其过去来估计未来，但它只能近似的描述，存在误差。3、 离散信号描述方法有： x(n)离散图形表示法：n1 2 3 4 5 6 7 数字序列表示法： n n1 n2 n3 n7x(n) x(1) x(2) x(3) x(7)1-2 周期信号的频谱分析 (频域描述)一、周期信号的分解1、傅立叶三角级数展开式： （1-4 ）式中，0基波角频率， 0=2/T=20；T周期；n=1，2，3；a0=1/T T/2 -T/2 x(t)dt;an=2/TT/2 -T/2 x(t)cos n0tdt;bn=2/TT/2 -T/2 x(t)sin n0tdt将式（2-4）中同类项合并，得 (1-5); 式（14） （15）表明周期信号可以用一个常值分量 a0和无限多个谐波分量之和表示。其中 A1cos(0t-1)为一次谐波分量。基波的频率与信号的频率相同，高次谐波的频率为基频的整数倍。高次谐波又可分为奇次谐波（n 为奇数）和偶次谐波（n 为偶数） ，这种把一个周期信号 x(t)分解为一个直流分量 a0和无数个谐波分量之和的方法称为傅立叶分析法。2、复数傅立叶级数傅立叶级数也可以写成复制数形式为： ，Cn 成为复数傅立叶系数，它的模和相角表示 n 次谐波和相位，即Cna2 nb2 n An/2； narctg（-bn）/an二、周期信号的频谱同常用频谱图来表示信号分解的结果，如：有频谱图可以看出周期信号的频谱具有以下特点：离散性：频谱是由不连续的谱线组成，每条谱线代表一个谐波分量。这种频谱称为离散频谱。谐波性：每条谱线只能出现在基波频率的整数倍。谱线之间的间隔等于基频率的整数倍。收敛性：个频率分量的谱线高度表是该谐波的幅值或相位角工程中常见的周期信号，其谐波幅度总的趋势是随谐波次数的增高而减小的。因为谐波的幅度总趋势是随谐波次数的增高而减小的，信号的能量主要集中在低频分量，所以谐波次数过高的那些分量，所占能量很少，高频分量可忽略不计。工程上提出了一个信号频带宽度的概念。信号频带的大小与允许误差的大小有关。通常把频谱中幅值下降到最大幅值的 1/10 时所对应的频率作为信号的频宽，称为 1/10 法则。1-3 非周期信号的频谱一、频谱密度函数当周期信号的周期趋于无限大时，周期信号将演变成非周期信号。其傅立叶表达式为：（1-6）周期信号的频谱是离散的，谱线间得间隔为 02/T 。当信号周期区域无限大时，周期信号就演变为非周期性信号，谱线间的间隔趋于无限小量 d，非连续变量 n0变成连续变量，T 用 2/d 代替，求和运算变成求积分运算。式 2-6 中 X（ ）表示角频率为 处的单位频带宽度内频率分量的幅值与相位，称为函数 x（t）的频谱密度函数，为复数形式：其中，| X(f)|为信号在频率 f 处的幅值谱函数， (f)为信号在频率 f 的相频谱函数。总之，非周期信号的频谱可由傅立叶变换得到，它是频率的连续函数，故频谱为连续谱。二、傅立叶变换得主要性质1 叠加性 若 x1(t)和 x2(t)的傅立叶变换分别为 X1（ ） 和 X2（ ） ，则a1x1（ t） a2x2(t) a X1（ ） a X2（ ）2 对称性 若 x(t) X( ), 则 X(t) 2 x(- )对称性表明：若时域信号 X(t)与频谱函数 X( )有相同波形，则 X(t)的频谱为 2 x(- )，它与 x(t)有相似波形。3 时延特性 若 x(t) X( )， 则 x(t-t 0) e j t0 X( )时延特性表明：时域信号沿时间轴延迟时间 t0，则在频域中乘以因子 e j t0，即减小一个相位角 t0，而频幅特性不变。4 频移特性 若 x(t) X( )，x(t) e j t0X( - 0)频移特性表明：若时域信号 x（t）乘以因子 ej t0，则对应的频谱 X（）将沿频率轴平移 0。这种频率搬移过程，在电子技术中就是调幅过程。5 时间尺度特性（或称比例特性） 若 x(t) X( )，则 x(at) 1/aX( /a)时间尺度特性表明：信号在时域压缩 a 倍（a1）时，在频域中频带加宽，幅值压缩1/a 倍；反之信号在时域扩展（a1时，在频域中将引起频带变窄，但幅值增高。重点：信号的分类，信号的时域及频域描述方法；周期信号的傅立叶三角级数展开及频谱分析，幅频谱和相频谱；非周期信号的傅立叶变换及频谱分析。难点：周期信号的傅立叶三角级数展开及频谱分析；非周期信号的傅立叶变换及频谱分析；信号的频带宽度。方法：简要复习傅立叶三角级数展开和傅立叶变换的数学知识，并进行周期信号和非周期信号的频谱分析，展示周期信号的离散性频率分量组成和非周期信号的连续性频率分量组成，展示各谐波分量的幅值与其所对应频率的反比关系即收敛性引出信号频宽的概念及确定频宽的方法。小结： 信号的分类方法有两种：根据信号的物理特性分为：电信号和非电信号根据信号的变化规律分为： 号非 确 定 性 信 号 （ 随 机 信 瞬 变 非 周 期 信 号准 周 期 信 号非 周 期 信 号周 期 信 号确 定 性 信 号动 态 信 号静 态 信 号 信号的描述方法有两种：时域描述即反映信号随时间变化的规律；频域描述即反映信号的频率组成以及各频率分量的幅值和相位情况。 周期信号可以通过傅立叶三角级数展开分解为一个常值分量和无限多个谐波分量的和的形式，其频谱呈现离散性，谐波性和收敛性。 非周期信号可以通过傅立叶变换频谱密度函数，其频谱呈现连续性。思考题：1、为什么频谱分析要同时考察幅频和相频特性？2、周期信号的频带宽度的意义。第二章 测试系统的特性目的和要求：使学生了解测试系统的基本组成及各组成单元的功能和相互联系；系统的静态特性和动态特性；工程领域内的一阶系统、二阶系统及其响应特性，参数时间常数 和阻尼率 对于一阶系统和二阶系统的重要影响；对于测试系统的最基本也是最重要的要求即不失真要求及其不失真条件。课时安排：4 学时授课内容：2-1 测试系统概述1、由传感器、信号调理器和记录显示器组成的系统一般称为测试系统，如图被测量2、通常把测试系统中能够完成一定功能的部件成为测试装置。衡量一个测试系统的性能，可根据其输入特性、输出特性和传递特性进行评价。 输入特性指输入信号的性质、输入范围、输入阻抗。输入信号是电量还是非电量；输入范围决定了输入信号的上下限；输入阻抗的大小决定了输入能量。 输出特性包括输出信号的性质、输出范围和输出阻抗等。 传递特性指测试装置输出量与输入量之间的关系。4、 系统特性的划分：当被测量不随时间变化或变化缓慢时，输出量与输入量之间的关系成为静态特性，可以用代数方程表示。当被测量随时间迅速变化时，输出量与输入量之间的关系称为动态特性，可以用微分方程表示。2-2 测试系统的静态特性一、静态特性指标1.灵敏度：灵敏度是指测试装置在静态测量时，输出增量 y 与输入增量 x 之比，即Sy/x 线性装置的灵敏度 S 为常数，是输入与输出关系直线的斜率，斜率越大，其灵敏度就越高。非线性装置的灵敏度 S 是一个变量，即 Xy 关系曲线的斜率，输入量不同，灵敏度就不同，通常用拟合直线的斜率表示装置的平均灵敏度。灵敏度的量纲由输入和输出的量纲决定。若输出和输入的量纲相同，则称放大倍数。应该注意的是，装置的灵敏度越高，就越容易受外界干扰的影响，即装置的稳定性越差。如图 21（c）2.线性度：理想的测试装置静态特性曲线是条直线，但实际上大多数测试装置的静态特性曲线是非线性的。实际特性曲线与参考直线偏离的程度称为线性度，用线性误差表示为LL m/A100应当注意，量程越小，线性化带来的误差越小，因此要求线性化误差小的场合可以采取分段线性化。如图 21（a）3.回差：在输入量增加和减少的过程中，对于同一输入量会得到大小不等的输出量，在全部测量范围内，这个差别的最大值与标称输出范围之比称回差。即hhm/ym100回差是由运动部件之间的摩擦、间隙、变形材料的内摩擦及磁性材料的磁滞现象等引起的。如图 21（b）传感器 信号调理器 记录显示器图 21 测试系统静态特性4.系统静态特性的其他描述 漂移：指输入量不变时，经过一定的时间后输出量产生的变化。由于温度变化而产生的漂移称温漂。 分辨力：指仪器可能检测出的输入信号最小变化量。分辨力除以满量程称分辨率。 稳定度：指测试装置在规定条件下，保持其测试特性不变的能力。通常在不指明影响时，稳定度指装置不受时间变化影响的能力。 精度：是与评价测试装置产生的测量误差大小有关的指标。2-2 测试系统的动态特性动态测量时，被测信号是随时间迅速变化的，此时，输出将受到测试装置动态特性的影响；当输入信号随时间迅速变化时，测试装置的特性就不能用代数方程描述，而必须用微分方程描述。理想的测试装置