工程测工程测试试技技术术主编：熊诗波主编：熊诗波黄长艺黄长艺机械工业出版社机械工业出版社机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础1高级教学0绪论绪论本章学习要求：本章学习要求：0.1掌握测试技术的概念及研究内容掌握测试技术的概念及研究内容0.2了解测试技术的应用情况了解测试技术的应用情况0.3了解测试技术的发展动态了解测试技术的发展动态0.4了解主要测试仪器生产厂商了解主要测试仪器生产厂商0.5学习本课程要求学习本课程要求思考题思考题机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础2高级教学绪论绪论0.1测试技术的基本概念测试技术的基本概念测试技术是实验科学的一部分，主要研究各种测试技术是实验科学的一部分，主要研究各种物理量的测量原理物理量的测量原理和和测量信号分析处理测量信号分析处理方法。方法。测试技术是进行各种科学实验研究和生产过程测试技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数测量必不可少的手段，起着人的感官的作用。参数测量必不可少的手段，起着人的感官的作用。通常先通常先将被测物理将被测物理量转换为电量量转换为电量，再，再对电信号进行处理对电信号进行处理和输出。如图所示和输出。如图所示的声级计。的声级计。3高级教学一测试技术的重要性一测试技术的重要性测试技术的基本任务：测试技术的基本任务：获取有用的信息获取有用的信息测量：测量：确定被测物属性量值，确定被测物属性量值， 如：长度、重量等如：长度、重量等测试：测试：具试验性质的测量具试验性质的测量 测量测量+ +试验试验测试的作用：测试的作用：认识客观世界认识客观世界 检验科学理论和规律的正确性检验科学理论和规律的正确性测试的应用：测试的应用：工、农、医、国防、交通、环工、农、医、国防、交通、环 保、生活安全等保、生活安全等4高级教学 二、测试过程和测试系统的一般组成二、测试过程和测试系统的一般组成 信息：信息：蕴涵在信号中，信号的内容。蕴涵在信号中，信号的内容。 非物质的，非物质的， 无能量。无能量。 信号：信号：信息的载体信息的载体 电、光、力、声，电、光、力、声， 物质的，有能量。物质的，有能量。 例：讲话（声）、警报声例：讲话（声）、警报声 （声）、烽火台（光）。（声）、烽火台（光）。5高级教学测试系统框图测试系统框图 6高级教学一一般般说说来来，测测试试系系统统由由传传感感器器、中中间间变变换换装装置置和显示记录装置三部分组成。和显示记录装置三部分组成。传感器传感器将被测物理量（如噪声，温度）检出并将被测物理量（如噪声，温度）检出并转换为电量，转换为电量，中间变换装置中间变换装置对接收到的电信号用硬对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经件电路进行分析处理或经A/D变换后用软件进行信变换后用软件进行信号分析，号分析，显示记录装置显示记录装置则测量结果显示出来，提供则测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。给观察者或其它自动控制装置。信息提取信息提取信息调理信息调理7高级教学 传感器：传感器：被测试量转换为同种或别种量值输出被测试量转换为同种或别种量值输出 电信号电信号 信号调理：信号调理：将来自传感器的信号转换成更适于将来自传感器的信号转换成更适于 传输和处理的形式传输和处理的形式 例：调幅、调频例：调幅、调频 信号处理：信号处理：对信号运算，滤波，分析对信号运算，滤波，分析 信号显示、记录：信号显示、记录：8高级教学测试技术的工程应用测试技术的工程应用在工程领域，科学实验、产品开发、生产监在工程领域，科学实验、产品开发、生产监督、质量控制等，都离不开测试技术。测试技术督、质量控制等，都离不开测试技术。测试技术应用涉及到航天、机械、电力、石化和海洋运输应用涉及到航天、机械、电力、石化和海洋运输等每一个工程领域。等每一个工程领域。9高级教学1、工业自动化中的应用、工业自动化中的应用a)机械手、机器人中的传感器机械手、机器人中的传感器转转动动/移移动动位位置置传传感感器器、力力传传感感器器、视视觉觉传传感感器器、听听觉觉传传感感器器、接接近近距距离离传传感感器器、触触觉觉传传感感器器、热热觉觉传传感感器器、嗅觉传感器。嗅觉传感器。测试技术的工程应用测试技术的工程应用在各种自动控制系统中，测试环节起着系统感官的作在各种自动控制系统中，测试环节起着系统感官的作用，是其重要组成部分。用，是其重要组成部分。密歇根大学的机械手装配模型密歇根大学的机械手装配模型广州中鸣数码的机器狗广州中鸣数码的机器狗10高级教学b)AGV自动送货车自动送货车 超声波测距传感器、判断超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位置；建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器运动轨迹和红外线色彩传感器运动轨迹和AGV小车位置小车位置识别；条形识别；条形码传感器，码传感器，货品识别。货品识别。测试技术的工程应用测试技术的工程应用香港理工香港理工AGV模型模型11高级教学c)生产加工过程监测生产加工过程监测测试技术的工程应用测试技术的工程应用切削力传感器，加切削力传感器，加工噪声传感器，超工噪声传感器，超声波测距传感器、声波测距传感器、红外接近开关传感红外接近开关传感器等。器等。密歇根大学数字化工厂密歇根大学数字化工厂12高级教学测试技术的工程应用测试技术的工程应用2、流程工业设备运行状态监控、流程工业设备运行状态监控在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在小时在线监测系统。线监测系统。石化企业输石化企业输油管道、储油管道、储油罐等压力油罐等压力容器的破损容器的破损和泄露检测。和泄露检测。13高级教学测试技术的工程应用测试技术的工程应用3、产品质量测量、产品质量测量在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。必须对其性能质量进行测量和出厂检验。图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。工程师可以了解产品质量。汽车扭距测量汽车扭距测量机床加工精度测量机床加工精度测量14高级教学测试技术的工程应用测试技术的工程应用4、楼宇控制与安全防护、楼宇控制与安全防护为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。度监测、电梯运行状况。图示为某公司楼宇自动化系图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、统。该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水控制、停车管理、水/废水管废水管理和电梯监控。理和电梯监控。烟雾传感器亮度传感器红外人体探测器15高级教学测试技术的工程应用测试技术的工程应用5、家庭与办公自动化、家庭与办公自动化在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。全自动洗衣机中的传感器：全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器传感器，透光率光传感器(洗净度洗净度)液位传感器，电液位传感器，电阻传感器阻传感器(衣物烘干检测衣物烘干检测)。指纹传感器指纹传感器透光率传感器透光率传感器温湿度传感器温湿度传感器温度传感器温度传感器16高级教学测试技术的工程应用测试技术的工程应用6、其他应用、其他应用航天航天农业农业交通交通医学医学17高级教学测试技术的工程应用测试技术的工程应用鼠标鼠标:光电位移传感器光电位移传感器摄像头摄像头:CCD传感器传感器声位笔声位笔:超声波传感器超声波传感器麦克风麦克风:电容传声器电容传声器声卡声卡:A/D卡卡+D/A卡卡软驱软驱:速度速度,位置伺服位置伺服7、PC机中的测试技术应用机中的测试技术应用18高级教学测试技术的发展趋势测试技术的发展趋势1、传感器方面、传感器方面a)利利用用新新发发现现的的材材料料和和新新发发现现的的生生物物、物物理理、化化学学效效应开发出的新型传感器应开发出的新型传感器荧光材荧光材料制作料制作的电子的电子鼻传感鼻传感器器生物酶血样分析传感器生物酶血样分析传感器热热/光光电量电量19高级教学b)传感器传感器+嵌入式计算机嵌入式计算机智能传感器智能传感器振动网络传感器振动网络传感器嵌入式计算机嵌入式计算机智能压力网络智能压力网络传感器传感器智能智能倾角倾角RS232RS232传感器传感器IC总线数字温度总线数字温度传感器传感器测试技术的发展趋势测试技术的发展趋势20高级教学测试技术的发展趋势测试技术的发展趋势2、测量信号处理方面、测量信号处理方面计算机虚拟仪器技术计算机虚拟仪器技术用用PC机仪器板卡机仪器板卡代替传统仪器代替传统仪器用计算机软件用计算机软件代替硬件分析电路代替硬件分析电路优优点点我们的工作我们的工作21高级教学绪论绪论0.4主要传感器和测试仪器生产厂商主要传感器和测试仪器生产厂商2、振动、振动/噪声传感器噪声传感器丹麦丹麦B&K（振动测量、声学测量领域最富盛名振动测量、声学测量领域最富盛名）http:/www.bksv.com/1、工业自动化类传感器、工业自动化类传感器美国美国霍尼威尔霍尼威尔公司（有全球最大公司（有全球最大传感器传感器技术研究中心）技术研究中心）http:/www.honeywell.com/china22高级教学0.4主要测试仪器生产厂商主要测试仪器生产厂商3、测量分析仪器、测量分析仪器美国国家仪器公司美国国家仪器公司(全球最大的计算机虚拟仪器生产商全球最大的计算机虚拟仪器生产商)http:/www.ni.com/美国美国Agilent公司公司(原惠普公司仪器部，著名的测试仪器商原惠普公司仪器部，著名的测试仪器商)http:/www.agilent.com.cn/23高级教学4、参考书目、参考书目0.4主要测试仪器生产厂商主要测试仪器生产厂商胡均安，曾光奇，工程测试基础，华中科技大学出版社。胡均安，曾光奇，工程测试基础，华中科技大学出版社。贾民平、张洪廷，测试技术，高等教育出版社。贾民平、张洪廷，测试技术，高等教育出版社。黄长艺、严普强，机械工程测试技术基础，机械工业出版社。黄长艺、严普强，机械工程测试技术基础，机械工业出版社。常作升、范福均，机械工程测试技术基础，西安交通大学出版社常作升、范福均，机械工程测试技术基础，西安交通大学出版社陈杰等，传感器与检测技术，高等教育出版社陈杰等，传感器与检测技术，高等教育出版社吴正毅，测试技术与测试信号处理，清华大学出版社吴正毅，测试技术与测试信号处理，清华大学出版社王建民，机械工程测试技术，机械工业出版社王建民，机械工程测试技术，机械工业出版社卢文祥，机械工程测试卢文祥，机械工程测试.信息信息.信号处理，华中理工大学出版社信号处理，华中理工大学出版社樊尚春，信号与测试技术，北京航空航天大学出版社樊尚春，信号与测试技术，北京航空航天大学出版社24高级教学5、学术刊物、学术刊物0.4主要测试仪器生产厂商主要测试仪器生产厂商Test&MeasurementWorldOnline传感器世界传感器世界中国仪器仪表中国仪器仪表仪器技术与传感器仪器技术与传感器自动化与仪表自动化与仪表测控技术测控技术电子产品世界电子产品世界今日电子今日电子自动化博览自动化博览工业计量工业计量工控工业自动化工控工业自动化ECN/世界电子元器件世界电子元器件电子设计技术电子设计技术EDNCHINA25高级教学绪论绪论0.5学习本课程要求学习本课程要求从进行动态测试工作所必备的基本条件出发，在学完本从进行动态测试工作所必备的基本条件出发，在学完本课程后须具备下列几方面知识：课程后须具备下列几方面知识：1、掌握信号的、掌握信号的时域和频域的描述方法时域和频域的描述方法，建立明确，建立明确的信号的的信号的频谱结构频谱结构的概念；掌握的概念；掌握频谱分析和相关分频谱分析和相关分析析的基本原理和方法，掌握数字信号分析中的一些的基本原理和方法，掌握数字信号分析中的一些基本概念。基本概念。2、掌握测试装置基本特征的评价方法和、掌握测试装置基本特征的评价方法和不失真测不失真测试条件试条件，并能正确的运用于测试装置的分析和选择。，并能正确的运用于测试装置的分析和选择。掌握掌握一阶、二阶一阶、二阶线性系统动态特性及其测定方法。线性系统动态特性及其测定方法。26高级教学绪论绪论思考题：思考题：1. 列出你身边的测试技术应用的例子。列出你身边的测试技术应用的例子。3、了解常用传感器、常用信号调理电路和记录仪器、了解常用传感器、常用信号调理电路和记录仪器的工作原理和性能，并能较合理地选用。的工作原理和性能，并能较合理地选用。4、对动态测试工作的基本问题有一个比较完整的概、对动态测试工作的基本问题有一个比较完整的概念，并能初步运用于机械工程中某些参量的测试。念，并能初步运用于机械工程中某些参量的测试。27高级教学四、测试技术的发展：四、测试技术的发展：五、课程的研究对象和性质五、课程的研究对象和性质： 研究对象：研究对象：机械工程动态测试中常用的传感器，机械工程动态测试中常用的传感器， 信号调理电路及记录仪器的工作原理信号调理电路及记录仪器的工作原理 测试装置基本特性的评价方法测试装置基本特性的评价方法 测试信号的分析和处理测试信号的分析和处理 常见物理量的测试方法常见物理量的测试方法 技术基础课：技术基础课： 目的：目的：选用测试装置，初步掌握进行动态测试选用测试装置，初步掌握进行动态测试 所需的基本知识和技能所需的基本知识和技能 性质：性质：很强的实验性很强的实验性28高级教学 第一章第一章 信号及其描述信号及其描述 第一节第一节信号的分类与描述信号的分类与描述 一、信号的分类：一、信号的分类：（一）确定性信号（一）确定性信号：确定函数：确定函数x(t)或表格表示或表格表示 周期信号周期信号: : x（t）=x(t+nT)（n=1,2,3,.） 29高级教学非周期信号：非周期信号：准周期信号，例：准周期信号，例： 瞬变非周期信号瞬变非周期信号: :30高级教学信号：简单周期信号简单周期信号复杂周期信号复杂周期信号瞬态信号瞬态信号瞬态信号瞬态信号:持续时间有限的信号，如持续时间有限的信号，如31高级教学随机信号随机信号：无法用无法用x(t)描述，不能准确预测描述，不能准确预测 其未来瞬时值，但具某些统计特性，其未来瞬时值，但具某些统计特性， 用概率统计方法由过去估计未来。用概率统计方法由过去估计未来。 例：天气预报，树叶在风中的飘动例：天气预报，树叶在风中的飘动 噪声信号噪声信号(平稳平稳)噪声信号噪声信号(非平稳非平稳)统计特性变异统计特性变异32高级教学（二）连续信号二）连续信号：独立变量取值连续，幅值：独立变量取值连续，幅值可以连续也可以离散可以连续也可以离散离散信号：离散信号：独立变量取值离散独立变量取值离散幅值连续幅值连续幅值不连续幅值不连续采样信号采样信号33高级教学模拟信号：模拟信号：独立变量和幅值均连续独立变量和幅值均连续数字信号：数字信号：若离散信号的幅值也是离散若离散信号的幅值也是离散幅值连续幅值连续采样信号采样信号34高级教学能量信号：能量信号： 例：矩形脉冲信号，衰减指数信号例：矩形脉冲信号，衰减指数信号功率信号：功率信号： 例：单自由度振动系统作无阻尼自由振动例：单自由度振动系统作无阻尼自由振动 35高级教学 二、信号的二、信号的时域时域描述和描述和频域频域描述描述 为什么要对信号进行频域描述？为什么要对信号进行频域描述？信号的时域与频域描述是否包含同样的信息量？信号的时域与频域描述是否包含同样的信息量？1. .时域描述：时域描述：以时间为独立变量以时间为独立变量，反映信号，反映信号 幅值幅值时间时间变化的关系变化的关系 不能提示信号的频率组成不能提示信号的频率组成2.频域描述：频域描述：信号的信号的频率组成及其幅值相角频率组成及其幅值相角之之 大小大小揭示：揭示：幅值幅值频率，频率，相位相位频率频率 幅频谱幅频谱 相频谱相频谱36高级教学例：周期方波例：周期方波 若将其傅立叶级数展开若将其傅立叶级数展开： 其中：其中： 37高级教学即：即：n=1,3,5,. 其频域描述：其频域描述：幅频谱，相频谱幅频谱，相频谱 38高级教学 第二节第二节 周期信号与离散频谱周期信号与离散频谱傅立叶级数的三角函数展开式傅立叶级数的三角函数展开式 在有限区间上，凡满足狄里赫利条件的周期函数在有限区间上，凡满足狄里赫利条件的周期函数( (信号信号) ) 都可以展开成傅立叶级数都可以展开成傅立叶级数 狄里赫利条件狄里赫利条件：设设x(t)x(t)是以是以2 2 为周期的函数，若它满足为周期的函数，若它满足：在一个周期内连续或只有有限个第一类间断点，并且在一个周期内连续或只有有限个第一类间断点，并且至多只有有限个极值点，则至多只有有限个极值点，则x(t)x(t)傅立叶级数收敛且傅立叶级数收敛且1 1）当）当t t是是x(t)x(t)的连续点时，级数收敛于的连续点时，级数收敛于x(t)x(t)2)2)当当t t是是x(t)x(t)的间断点时，级数收敛于的间断点时，级数收敛于 39高级教学傅立叶级数的三角函数展开式傅立叶级数的三角函数展开式：:信号的直流分量信号的直流分量 0 0时的幅值时的幅值 n=1,2,3. 合并同类项：合并同类项： 即：即： 40高级教学也可写成：也可写成： 频谱图频谱图：幅值谱：幅值谱： 相频谱：相频谱： 基频， n n次谐波次谐波 所以所以: :频谱线是离散的频谱线是离散的 41高级教学例：求周期性三角波的傅立叶级数例：求周期性三角波的傅立叶级数解：解： n=1,3,5n=1,3,5 n=2,4,6n=2,4,6. . ( (利用分部积分法利用分部积分法: :) )42高级教学即：即：代入代入 n=1,3,5n=1,3,5 频谱图频谱图43高级教学二、付立叶级数的复指数函数展开式据欧拉公式： 代入 令： 其中： 44高级教学一般： 注意： 与 共轭，即： 频谱图：频谱图： 实频谱 虚频谱 实偶虚奇 模偶相奇 复指数函数的频谱： 双边谱 三角函数的频谱： 单边谱 负频谱率的理解 ： 45高级教学例12：画出余弦、正弦函数的实、虚部频谱图解：46高级教学例2：画出下列信号的时域波形及频谱47高级教学 例3： 求其谱图 周期信号频谱的特点： 1.离散性2.每条谱线出现在 或 的整数倍上 3.谱线高度表示幅值或相位角， 幅值谱具收敛性工程上常见的周期信号，谐波幅值总的趋势是随谐波次数的增高而减小，所以在频谱分析中没必要取那些次数过高的谐波分量。三三. 周期信号的强度表述周期信号的强度表述峰值： 峰-峰值： 一般希望 在测试系统的线性区域内 48高级教学均值： 信号的常值分量 绝对均值： 有效值（均方根值）： 有效值的平方： 反映功率的大小 49高级教学 第三节第三节 瞬变非周期信号与连续频谱瞬变非周期信号与连续频谱准周期信号：频谱是离散的 非周期信号 瞬变非周期信号：频谱是连续的一傅立叶变换一傅立叶变换非周期信号可看作为周期信号 时， 时的信号， 其为频率间隔， 其频谱是连续的。 设一个周期信号x(t) ，在（ ， ）区间以傅立叶 级数表示： 50高级教学51高级教学傅立叶变换对：傅立叶变换对： 将 代入，则有： 幅值谱 相位谱 52高级教学与 的区别 的量纲与信号幅值的量纲一样，而 的量纲则与信号幅值量纲不一样，它是单位频宽上的幅值， 所以更确切地说 是频谱密度函数是频谱密度函数 53高级教学例1-3 求矩阵窗函数 的频谱其频谱：54高级教学及其图形： 55高级教学56高级教学二、二、 傅立叶变换的主要性质傅立叶变换的主要性质（一）奇偶虚实性 （二）对称性 （三）时间尺度改变特性 57高级教学（五）卷积特性（四）时移和频移58高级教学三、几种典型信号的频谱三、几种典型信号的频谱（一）矩形窗函数（二） 函数及其频谱 1定义定义从面积（函数的强度）的角度看：59高级教学2采样性质对于有时延 3 函数与其他函数的卷积 60高级教学x(t) 和 函数的卷积的结果，就是在发生 函数的坐标位置上（以此作为坐标原点）简单地将 x(t) 重新构图可见：可见：61高级教学（三）正、余弦函数的频谱密度函数（三）正、余弦函数的频谱密度函数62高级教学习题习题1-163高级教学= = n 为“正”时 n 为“负”时 即： n=n 为奇数时 64高级教学65高级教学习题习题1.166高级教学67高级教学习题习题1-5解：68高级教学69高级教学第第四节四节随随机机信信号号一概述 样本函数：样本函数：按时间历程所作的各次长时间的观测记录；按时间历程所作的各次长时间的观测记录； 样本记录：样本函数在有限时间上的部分；样本记录：样本函数在有限时间上的部分； 随机过程：随机过程：同一试验条件下，全部样本函数的集合同一试验条件下，全部样本函数的集合； 70高级教学集合平均：将集合中所有样本函数对同一时刻 的观 测值取平均； 随机过程的各平均值按集合平均值计算；时间平均：按单个样本的时间历程进行平均的计算 随机过程：随机过程： 1。平稳过程：统计特征参数不随时间而变化。 各态历经过程: 非各态历经过程： 2。非平稳过程：71高级教学n二二 随机信号的主要特征参数随机信号的主要特征参数n均值、方差、均方值 概率密度函数n自相关函数 功率谱密度函数n（一）均值，方差，和均方差（一）均值，方差，和均方差常值分量常值分量 波动分量波动分量 强度强度 72高级教学对于对于集合平均集合平均,则则时刻的均值和均方值为时刻的均值和均方值为:73高级教学n（二）概率密度函数：（二）概率密度函数：n表示：信号幅值落在指定区间内的概率；表示：信号幅值落在指定区间内的概率；n 信号幅值的分布信息；信号幅值的分布信息；n概率：概率： 74高级教学概率密度函数概率密度函数: 概率密度函数的作用概率密度函数的作用:1.随机信号幅值分布的信息随机信号幅值分布的信息;2.识别信号的性质识别信号的性质75高级教学作业作业1-8：信号信号 在一个周期内观测在一个周期内观测 概率密度概率密度 76高级教学当当 当当 77高级教学