第3讲 铁道工程测试与检测技术

本文由329069052贡献
pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。

建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。

测试与检测技术测试与检测技术
在铁道工程中的应用基本知识构架中间转换系统信号处理测试与检测系统的特性传感器
1.1 测试的基本概念
计算机技术自动控制技术通信技术测试技术
测试技术属于信息科学范畴；测试技术属于信息科学范畴；是实验科学的分支；测试是测量与试验（实验）的简称。

测试是测量与试验（实验）的简称测试是具有试验性质的测量，或可以理解为测量和试验的综合；认识客观世界的手段，科学研究的基本方法。

测试的基本任务是获取信息。

信息——信号——测试与检测信息——信号——测试与检测
信息本身不具备传输、交换的功能，只有通过信号才能实现这种功能，所以测试与检测技术与信号密切相关。

信息、信号、测试与测试系统之间的关系是：获取信息是测试的目的，信号是信息的载体，测试是得到被测参数信息的技术手段。

测试(检测) 测试(检测)目的和意义
促进相关专业理论和技术研究行业服务( 行业服务(工程研究、产品开发、质量监控、性能试验等；) 性能试验等；性能试验等 ) 产品研发和成果转化带动相关行业发展测试与检测技术的功能
是人们感觉器官（眼、耳、鼻、舌、身）所产生的视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉的延伸和代替。

生物体的感官就是天然的传感器。

1.2
测试(检测) 测试(检测)系统的组成
测试(检测) 测试(检测)系统的组成（图）
激励装置传被测对象号调理处理感器信号示记录信显观察者被测量（参数）
数字测量系统
传感器信号调理电路1
输模拟量入接口算机接口开关量计出输数字量
传感器信号调理信号传输信号处理显示记录
轨道道路
反馈、控制
传感器
信号调理电路n
1
数字测量系统说明
在数字测量系统中，传感器和信号调理电路部分与模拟测量系统相同，一般情况下，也为模拟信号。

输入接口与输出接口之间的信号为数字信号。

输入接口：将模拟信号转换为数字信号，般为数输入接口：将模拟信号转换为数字信号，一般为数据采集卡（或采集板）。

输出接口：主要将数字信号转换成外设所需的信号，供显示、记录或使用。

数字测量系统中传输的信号为数字信号，具有抗干扰能力强、测量速度快、精度高、实现功能多等特点。

测试系统的组成说明
通过激励装置作用于被侧对象，使之产生有用的信息于其中的一种新的信号，如轨道激振测量其固有频率。

传感器是将被测信息转变成某种电信号的器件；信号调理环节是把来
自传感器的信号转换成更适合于进一步传输和处理的形式；信号处理环节主要是对信号进行各种运算和分析；信号显示、记录环节是将信号以易于观察和的分析的形式来显示或存贮。

1.3
测试与检测技术的发展方向
传感器：新型、微型、智能、无损；测试仪器：高精度、多功能、小型化、在线监测、性能标准化和低价格；参数测量和数据处理以计算机为核心，使测量、分析、处理、打印、绘图、状态显示及故障报警向自动化、集成化、网络化发展。

虚拟仪器
1.4
测试与检测技术涉及的内容
1.5
铁道工程测试与检测举例
1.6 测试技术在其它方面的应用
航空航天：如用于结构应力测量和加载测试和控制。

在电力、动力工程中用于设备的强度试验：在土木工程及水利工程中应用于建筑结构应力测量、楼房耐震试验，大型水坝施和蓄水过程应力监测楼房耐震试验，大型水坝施工和蓄水过程应力监测等。

在冶金、化工、材料工程中应用于材料性能试验；在机械工程中：结构和机械部件的应力、振动测量；在医学、生物力学、体育运动领域中：科学研究
综合性技术。

涉及：
传感技术力学
微电子技术
计算机技术
信号处理技术
精密机械
电学
数学
自动控制技术
测试轨道结构及部件的受力与变形；测量轨道几何形位，如几何形位、平顺性。

测量轨道结构及部件振动；轨道结构及其部件的参数：弹性（刚度、轨道结构及其部件的参数弹性（刚度阻尼）、各种阻力轨道结构及其部件的振动：轨道结构及部件的状态检测桥梁、路基、隧道……桥梁、路基、隧道…………
测试与检测资料的分析与总结--测试与检测资料的分析与总结报告
2 （测试与检测）系统及其特性
表征输出量与输出量之间关系称为特性表征输出量与输出量之间关系称为特性（characteristics） . characteristics）
2.1（ 2.1（测试与检测）系统的基本特性
测试系统作用是完成信息的采集和处理甚至传输。

传输。

测试系统一般由传感器、信号调理、信号传测试系统一般由传感器信号调理信号传输、信号处理、显示记录等环节组成。

测试系统的复杂程度取决于被测信息检测的难易程度以及所采用的试验方法, 程度以及所采用的试验方法, 对测试系统的基本要求，可靠性、实用性、通用性、经济性等。

摘要理论说明采用的仪器，设备及方法采用的仪器设备及方法试验与检测结果及分析结论与建议参考文献
2．1 2．2 2．3
测试系统的基本特性测试系统的静态特性测试系统的动态特性
线性测试系统的特性
输入 x（t）
叠加原理
x1（t） y1（t）线性系统 x2（t） y2（t）线性系统
比例特性
[测试]系统
输出
（定常线性系统、（激励）时不变线性系统）（响应）
y（t）
x（t）线性系统
y（t）
叠加原理比例特性微分特性
积分特性频率保持特性
x1（t）+ x2（t）线性系统
y1（t）+ y2（t）
k x（t）线性系统
k y（t）
轨距无接触测量
检测装置
微、积分特性
sin(ωt )
线性系统 d x/dt /dt 线性系统 dy/ d / dt
频率保持特性
A(ω ) sin[ ω t + φ (t )]
输出
2.2 （测试与检测）系统的静态特性测试与检测）系统的静态特性
当输入量x是恒量（处于稳定状态）或是变化很缓慢的量，即与时间无关时，输出量Y一般也应与时间无关，换句话说，输般也应与时间无关，换句话说，输入和输出均不随时间而变化。

这样的测量称为静态测量。

称为静态测量。

与时间无关的特性称为静态特性（static 与时间无关的特性称为静态特性（static characteristics）。

characteristics）。

惯性基准轨道不平顺测量
y
∫
t
x (t )dt
线性系统
∫
t
y (t )dt
o
输入
静态特性
示值误差与示值重复性非线性（Non-linearity）误差非线性（Non-linearity）误差灵敏度（ Sensitivity） Sensitivity）分辨力（Resolution）分辨力（Resolution）量程（Range）和测量(动态) 量程（Range）和测量(动态)范围（Dynamic Range） Range）回程误差（Hysteresis）回程误差（Hysteresis）稳定性和漂移（Drift）稳定性和漂移（Drift） 2.3 （测试与检测）系统的动态特性
测试装置的动态特性（测试装置的动态特性（dynamic
characteristics） characteristics）是指输入量随时间变化，输出动态与静态（动态与静态（测试与检测）
动态与静态（动态与静态（测试与检测）的主要区别是前者对系统频率特性的要求。

系统频率特性的要求。

表征系统动态特性的技术指标是带宽（Band表征系统动态特性的技术指标是带宽（BandBand width），是指测试装置适用的频率范围，在该 width），是指测试装置适用的频率范围，在该频率范围内，测试装置能保证它的有关性能指标如灵敏度、非线性误差等。

量随输入量而变化的关系。

由于测试装置一般都是线性系统（不严格是），所以它们的数学模型是常系数线性微分方程。

3
表达系统传输特性的方法 (数学模型) 数学模型)
第3章
传感器（Sensor）传感器（Sensor）
传感器
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

微分方程传递函数频率响应函数脉冲响应函数
描述系统的数学模型
系统的数学模型常用的论域: 时域复域: 自动控制系统大多采用. 频域: 测试系统大多使用.
传感器是将力、温度或距离等各种工业量改变为电信号输出的元件。

将此信号变换成数字信号后，输出到各种测试仪和计算机，即输入到信号处理装置。

传感器是机电一体化的第一基础。

传感器是把对象状态（物理的及化学）的测定量，变换成信号的系统的最初要素。

传感器的检测对象
数量、长度、面积、立体、位置、含量、线性变位、旋转变位、畸变、压力、转矩、流量、流速、加速度、振动、成分配比、水分、离子浓度、混浊度、粒状体、比重/ 水分、离子浓度、混浊度、粒状体、比重水分离子浓度混浊度粒状体比重/ 比重/ 密度、伤痕、湿度、热量、温度、火灾、烟、有害气体和气味等。

传感器的类型测试项目传感器的类型测试项目
力传感器温度传感器距离传感器重量传感器传感器流量传感器光传感器气体传感器湿度传感器…..
传感器的主要检测手段
电、磁、声波（超声波）、红外线、紫外线、激光、微波、可见光线、紫外线激光微波可见光线射线（r射线、X 射线（r射线、X射线）等
传感器的输出特点（1）
输出量为电压、电流或频率的变化，输出量为电压、电流或频率的变化，或者是通过电阻、电容、电感的改变转换为电压、电流、频率的电容、电感的改变转换为电压、电流、变化。

有模拟量和数字量两种形式。

变化。

有模拟量和数字量两种形式。

输出的电信号一般较微弱，输出的电信号一般较微弱，如电压信号为毫伏级甚至微伏级，电流信号为毫安级甚至纳安级。

至微伏级，电流信号为毫安级甚至纳安级。

由于传感器内部存在噪声，由于传感器内部存在噪声，输出信号与噪声混在一起。

若传感器的信噪比较小而输出信号又弱时，则若传感器的信噪比较小而输出信号又弱时，信号淹没在噪声中。

信号淹没在噪声中。

传感器的输出特点（2 传感器的输出特点（2）
传感器的输出特性呈线性或非线性。

传感器的输出特性呈线性或非线性。

外界环境（如温度、湿度、电磁场等）的变化会影响传感器的输出特性。

变化会影响传感的输出特性传感器的发展方向
新型微型智能多功能仿生，研究生物感官
4
举例：
专业测试与检测中
1 超声波传感器
超声波传感器原理
当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中超声波的传播速度不同，在界面上将会产生反射、折射和波形转换等现象。

等现象超声波传感器就是利用被测目标反射的超声回波测量的。

20Hz~20kHz
次声波
可闻声
超声波
使用的传感器
人耳听到的声波频率在20Hz~20kHz（可闻人耳听到的声波频率在20Hz~20kHz（可闻声），频率超过20kHz 声），频率超过20kHz 的叫超声波。

超声波传感器是靠超声波的特性进行自动检测，其输出量为电量。

超声波探伤原理钢轨探伤
T 高频发生器接收放大器 T F B
2 激光传感器
探头缺陷
底面B
激光检测的原理
利用激光的优异特性( 利用激光的优异特性(方向性强、亮度高、单色性好等许多优点) 单色性好等许多优点)，将它作为光源，配以相应的光电元件来实现的。

它具有精度高、测量范围大、检测时间短、非接触式高测量范围大检测时间短非接触式等优点，常用于测量长度、位移、速度、振动等参数。

激光测距原理
将光速为C 将光速为C的激光射向被测目标，测量它返回的时间，由此求得激光器与被测目标间的距离 d。

即：即 d＝C t / 2 t—激光发出与接收到返回信号之间的时间间隔激光测长: 激光测长:
惯性基准轨道不平顺测量
轨距无接触测量
检测装置
5
纵向断面测试仪 Laser-SDP Laser轨距无接触激光测量
激光道床断面测量系统
测量道床断面尺寸掌握维修道砟数量
检测装置
用于测道路的纵向断面（平整度）。

惯性基准轨道不平顺测量
激光隧道断面检测
用于对隧道断面的快速精确检测, 快速精确检测, 特别在施工监测, 别在施工监测, 竣工验收, 工验收, 质量控制等工作中能快速获得隧道断面数据。

桥梁挠度检测仪
用于各种桥梁静态、动态挠曲度的测量，或大测量或大型结构建筑物的变形及震动位移的检测。

3 加速度计
用于车辆、轨道结构等的振动测试
压电加速度计是以压电晶体做敏感件。

体积小、重量轻、输出信号大，固有频率高，可用于测量振动、冲击等信号。

压电式加速度传感器的工作原理
压缩型压电加速度传感器的敏感元件由两个压电片组成，其上放有一重金属制成的惯性质量块，用一预紧硬弹簧将惯性质量块和压电元件片压紧在基座上。

整个组件就构成了一个惯性传感器。

其固有频率为： f = 21π k / m ，为使加速度传感器正常工作，被测振为使加速度传感器正常工作被测振动的频率f 动的频率f应该远低于加速度传感器的固有频率， f << f n 。

很明显，由于惯性质量块和基座之间的相即对运动为，而它又是一个加速度传感器，压电元件片就受到与之相应的交变压力作用，所以加速度传感器就能输出与被测振动加速度成比例的电荷。

这就是压电式加速度传感器的工作原理。

n
Components of a Sound Level Meter
声级计的组成
4 声级计
用于道路与铁路周围的环境噪声测试
电容式传声器前置放大器前置放大器衰减器放大器（A、B、C、D）计权网络检波器有效值指示表头
C A
6
传声器的原理
把声音信号换成电信号
（传感器）
由物理学可知：
应变片的工作原理
物理量（力）物理量电信号电阻值（长度）
声学测量中最重要的（精度最高的）。

5 电阻应变片( 电阻应变片(Strain g g ) (Strain gauge) 及其组成的各种传感器
R =ρ
l F
式中： R——金属丝的电阻值（Ω）ρ——金属丝的电阻系数（Ω.mm2/m） l ——金属丝的长度（m） F ——金属丝的截面积（mm2 ）
中间转换装置的作用
被测量经传感器转换为电信号后，被测量经传感器转换为电信号后，需要进行调理和处理：目的是便于信号的传输与处理。

目的是便于信号的传输与处理。

提高信噪比；转换成更便于处理、接收和显示的形式；最终转换为仪表示值或输入计算机、控制装置。

某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器测量信进行调制解调处理。

中间转换装置包括
电桥放大
第4章
信号的调制与解调
滤波 A/D与D/A转换 A/D与D/A转换电阻应变仪
（测试与检测系统）的中间转换装置
4.1 电桥电路及平衡原理
电桥是将电阻（电感、电容）等参量的变化转变为电压或电流的一种信号变换电路，其输出变为电压或电流的一种信号变换电路，其输出值可用仪表直接测量，也可送入放大器放大后值可用仪表直接测量也可送入放大器放大后进行处理。

电桥测量电路简单，具有较高的精确度和灵敏度，故应用广泛。

电桥平衡
R1
U DB = E ( R1 R4 ) ? R1 + R2 R3 + R4
1 5
2 C0 R2
3 7 R0 6 8 R0 4
HALF BRIDGE
半桥测量接线法
~
U DB + ΔU DB = E ( R1 + ΔR1 R4 + ΔR4 ) ? R1 + R2 + ΔR1 + ΔR2 R3 + R4 + ΔR3 + ΔR4
R1
R2
ΔU DB =
E ΔR1 ΔR2 ΔR3 ΔR4 ( ? + ) ? 4 R1 R2 R3 R4
1 C0 5
2 6 7 R0
3 R0
4 8
ΔU DB
E = k s (ε 1 ? ε 2 + ε 3 ? ε 4 ) 4
桥路的加减特性
1~8接线柱
7
1 R1
2 C0
5 R4 R0
6 R3 8 R0 4
~
R2 3 7
1 5 R1
2 C0 R2
3 7 R0 6 R3
R4 4 8 R0
FULL BRIDGE
全桥测量接线法
R4 R1 R2 R3
~
剪力法测钢轨垂直力和横向力
1 C0 5 1~8接线柱
2 6 7
3 R0
4 8
R0
钢轨横向力标定
测量钢轨纵向位移和受力( 测量钢轨纵向位移和受力(纵\横)
测量钢轨纵向位移
8
调制目的1 调制目的1
解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。

一般被测量，经传感器变换后，其输出常常是一般被测量经传感器变换后其输出常常是缓变的电信号。

这些信号特别是小信号，在传输过程中，常常被其他干扰信号干扰造成失真。

因此，目前除采用滤波器滤除干扰信号和进行直流放大外，常常采用调制技术把信号调制，经交流放大后传输，再采用解调技术把信号还原。

调制目的2 调制目的2
调制与解调就是把缓慢变化的电信号调制成适宜于交流放大器的一定频率区间的信号，放大或传输后再解调为与原来一样频率的信号。

实际中往往采用更有效的先调制而后交流放大，将信号从低频区推移到高频区，也放大，将信号从低频区推移到高频区，也可以提高电路的抗干扰能力和信号的信噪比。

调制与解调
调制就是使一个信号的某些参数（振幅、调制就是使一个信号的某些参数（振幅、频率、相位）在另一信号如的控制下发生变化的过程。

前一信号成为载波，一般是较高频率的交变信号，后信号（控制信较高频率的交变信号后一信号（控制信号）成为调制信号，调制后输出的是已调制波。

从已调制波中恢复出调制信号的过程称为解调。

解调。

调制的分类
调幅（AM）高频振荡（载波）调幅（AM）高频振荡（载波）的幅度受缓变信号的控制；调频（FM）高频振荡（载波）调频（FM）高频振荡（载波）的频率受缓变信号的控制；变信号的控制调相（PM）高频振荡（载波）调相（PM）高频振荡（载波）的相位受缓变信号的控制；
4.5 A/D与D/A转换 A/D与D/A转换
(A/D & D/A converters) 一般传感器所输出的信号都是模拟被测量在测试时间的连续变化量。

时间的连续变化量。

在进行数字显示或将模拟量输入计算机进行数据处理时，输
入计算机进行数据处理时，就需要将这些模拟量转换为数字信号（ A/D转换）量转换为数字信号（即A/D转换），完成这种功能的装置即为模数（A/D）转换器。

的装置即为模数（A/D）转换器。

经过处理后的数据再要以模拟信号的形式传送出去、显示、记录、控制）又要将数字量转化成模拟量，这一过程称为D/A转换，由数字量转变为模拟量，这一过程称为D/A转换，由数字量转变为模拟量的装置称为（D/A）转换器。

拟量的装置称为（D/A）转换器。

数字信号
模拟信号
精度如何控制？
A/D转换过程
信号
传感器处理的信号
A/D转换过程 A/D转换过程
为了将模拟信号变换成数字信号，为了将模拟信号变换成数字信号，必须经过：
采样（取样）采样（取样）量化编码等三个过程。

等三个过程。

采样（取样、数据采集）
以一定的时间间隔（ Ts）以一定的时间间隔（ Ts ）提取信号的大小（幅度）的操作，使模拟信号在时间幅度）的操作，上离散化；
取样
3 2 1 0 -1 -2 -3
量化
3 2 1 0 -1 -2 -3
计算机处理的信号
编码
编成0 、1 组成的数字
9
采样定理（Nyquist-Shannon ） Nyquist采样频率
Ts 采样频率：采样频率：取样速度应遵循采样定理（取样速度应遵循采样定理（香农或Nyquist ）：如果取样频率大于或者等于模拟信号中最高频率的2 频率的2倍，就能够无失真地恢复出原信号。

就能够无失真地恢复出原信号。

fs = 1
x(t)
预处理
A/D转换
x(t)
预处理
A/D转换数字信号处理系统简图
数字信号处理器或计算机
结果显示
量化误差
量化：将取出的信号大小数值化，量化：将取出的信号大小数值化，并取一定的位数（有限数）。

有限数）量化的精度取决于分辨率。

量化的精度取决于分辨率。

分辨率为满刻度电压与 2n之比值，其中n是ADC的为数，如具有12位分辨率之比值，其中n ADC 的为数，如具有12位分辨率的ADC能分辨出满刻度的1/212或满刻度的0.024%。

ADC能分辨出满刻度的1 或满刻度的0 024% 一个10V满刻度的12位ADC能分辨输入电压变化的最一
个10V满刻度的12位ADC能分辨输入电压变化的最小值为2 44mV。

位数越大的ADC越好。

小值为2.44mV。

位数越大的ADC越好。

量化误差：由A/D的有限分辨率而引起的误差。

量化误差：由A/D的有限分辨率而引起的误差。

声卡: 声卡: 采样频率44.1 kHz
It is amazing that at a sample rate of 44.1 kHz, every 1/44.1 thousandth of a second, a sound is captured - held assigned a binary number - and released!
第5章信号描述、分析与处理
编码：将量化后的信号变成二进制数，即用0 编码：将量化后的信号变成二进制数，即用0和1 的码组合来表示。

码组合来表示。

第5章信号描述、分析、处理
5.1 信号及其分类 5.2 信号的描述信号的时域描述信号的频域描述信号频域描述与时域描述的关系各类信号的时、频域描述 5.3 信号分析与处理随机信号分析相关分析谱分析模拟信号处理数字信号处理
信号
道路铁道工程测试中的各种部件位移、速度、加速度。

轨道的各种不平顺；道路的不平度；
什么是信号? 什么是信号?
信号是本身在其传输的起点到终点的过程中所携带的信息的物理表现. 中所携带的信息的物理表现.
例如，在研究一个质量—例如，在研究一个质量—弹簧系统在受到一个激励后的运动状况时，便可以通过系统质量块的位移—时间关系来描述。

反映质量块位移的的位移—时间关系来描述反映质量块位移的时间变化过程的信号则包含了该系统的固有频率和阻尼比的信息。

10
什么是信号? 什么是信号?
信号是随时间[或空间] 信号是随时间[或空间]变化的物理量。

信号是信息的载体，信息是信号的内容. 信号是信息的载体，信息是信号的内容. 依靠信号实现传输电、光、( 声、力、依靠信号实现传输电、光、依靠信号实现传输电光 (噪)声力温度、压力、流量、加速度等。

其中电信号易于变换、处理和传输，测试技术中往往将非电信号转换为电信号进行测量；
信号分析与处理
B、信号的频域
(frequency domain)描述对信号进行频谱分析才能得到，是动态测试所关心的。

揭示信号的频率结构，即信号有那揭示信号的频率结构即信号有那些频率不同的分量、对应关系。

信号的频率结构最终以幅值频谱和相位频谱来直观的描述。

不考虑信号的具体物理性质，将其抽象为变为变量之间的函数关系，从数学上加以间的函数关系从数学加分析研究，从中得出具有普遍意义的结论.
信号的频域描述
应用傅里叶级数或傅里叶变换，对信号进行变换（分解），以频率为独立变量建立信号幅值、相位与频率的函数关系 . 频谱图：以频率为横坐标的幅值、相位变化图频谱图：以频率为横坐标的幅值、相位变化图. 频谱图以频率为横坐标的幅值相位变化图. 幅值谱：幅值—幅值谱：幅值—频率图相位谱：相位—相位谱：相位—频率图频域描述抽取信号内在的频率组成及其幅值和相角的大小，描述更简练、深刻、方便。

信号时域与频域描述的关系
时域描述与频域描述是等价的，可以相互转换，两者蕴涵的信息相同。

时域描述与频域描述各有用武之地. 时域描述与频域描述各有用武之地. 将信号从时域转换到频域称为频谱分析，属于信将信号从时域转换到频域称为频谱分析，属于信号的变换域分析. 号的变换域分析. 采用频谱图描述信号，需要同时给出幅值谱和采用频谱图描述信号，需要同时给出幅值谱和相位谱. 位谱.
频域 Vs. 时域1 时域1
频域分析法是将信号和系统的时间变量函数或序列变换成对应频率域中的某个变量的函数，来研究信号和系统的频域特性。

对于连续系统和信号来说，常采用傅里叶变换和拉普拉斯变换；对于离散系统和信号则采用Z 对于离散系统和信号则采用Z变换。

频域分析法将时域分析法中的微分或差分方程转换为代数方程，给问题的分析带来了方便。

频域 Vs. 时域2 时域2
采用时域法和频域法来描述信号和分析系统，完全取决于不同[测试] 系统，完全取决于不同[测试]任务的需要。

时域描述直观地反映信号随时间变化的情况，频域描述则侧重描述信号的组成成分。

但无论采用哪一种描述法，同一信号均含有相同的信息量，不会因采取不同的方法而增添或减少原信号的信息量。

周期方波信号的时、频域描述
轨道不平顺的时域和频域描述轨道不平顺的时域和频域描述
请参见不平顺问题的课件或相关文献
11
1。