机械工程测试技术-绪言第一章

7/9/2020
14
四、基准和标准
基准：是用来保存、复现计量单位的计量器具。
国家基准：在特定计量领域内，用来保存和复现 该领域计量单位并具有最高的计量特 性，经国家鉴定、批准作为统一全国 量值最高依据的计量器具。
副 基 准：通过与国家基准对比或校准来确定其 量值，并经国家鉴定、批准的计量器 具，副基准的位置仅低于国家基准。
20
（二）连续信号与离散信号
连续信号—信号数学表达式中的独立变量取 值是连续的则称为连续信号。
离散信号—若独立变量取离散值，则称为离 散信号。
x(t) 连续信号
x(t) 离散信号
0
7/9/2020
t
0
t
21
（三）能量信号和功率信号
x(t)—电压信号，加到电阻R上，其瞬间功率为：
P(t) x2 (t) 若R = 1 时 P(t)x2(t)
的测试系统，初步掌握测试信号的
7/9/2020 分析与处理方法。
6
学习内容：
（1）信号时域和频域描述方法，建立信号频
谱结构的概念，掌握频谱分析和相关分析
的基本原理和方法。
（2）掌握测量装置基本特性的评价方法和不 失真测试条件，掌握一阶、二阶线性系统 动态特性及其测定方法。
（3）了解常用传感器，常用信号调理工作原 理和性能，较合理运用。数字信号处理初 步。
n 1
x(t)a0 Ansin(n0tn) （1-9）（频域描述） n1
式中
7/9/2020
An an2 bn2
tan n
an bn
an2 bn2
n
bn
an
31
二、周期信号的幅频谱和相频谱
可见，周期信号是由无数多个不同频率的
谐波叠加而成的。各频率成分是ω0的整数
倍，相邻频率间隔为 Δω0 =ω0 =2π/Τ0 ，
准周期信号 瞬变非周期信号
17
（一）确定性信号与随机信号
1、确定性信号—可表示为一个确定的时间函 数，因而可确定其任何时刻的量值。
2、随机信号—一种不能准确预测其未来瞬时 值，也无法用数学关系描述，它具有某些 统计特征，由概率统计来估计其未来。
7/9/2020
18
1、确定性信号
(1)周期信号—按一定时间间隔而复始重复出现，无 始无终的信号，可表示为：
ω0—基频， Ansin0 (tn)称为 n 次谐波。
A n - 的关系为幅频谱， n - 的关系为相频谱。
An a0 A1
A2
A3 A4
φn
0
ω0 2ω0 3ω0 4ω0 ω 0
φ1
φ3
2ω0
4ω0
ω0
3ω0
ω
7/9/2020
幅频谱和相频谱示意图 φ2
φ4
32
例：一个周期方波的一种时域描述形式表示为：
信号处理—进行各种运算、滤波分析、结果输出、记录和控制
7/9/2020
4
系统。
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
激励装置—有些信息来自可检测信号，用激励装置使其处于充分 显示这些参量特性的状态中，以有效检测载有这些消 息的信号。
消 息—隐含于按一定规则组织起来的约定“符号”中的信息 。
展开成傅里叶级数
x(t)a0 (anco n0 stbnsin n0t) （1-7）
常值分量
n 1
1 T0
a0
T0
2 T0
x(t) dt
2
余弦分量
an
2 T0
T0
2 T0
x(t)cons0tdt
2
（1-8）
正弦分量
2
bn
T0
T0
2 T0
x(t)sinn0tdt
2
其中T0—x(t)的周期 ω0=2π/T0（圆频率）n=1,2,3,…
成 绩：平时（出勤，作业）20%，考试80%， 实验（出勤，报告）一票否决
授课教师：吉野 辰萌，y_chenmengjlu.edu 教 室：第1-9周，周一5,6节，一教#222
周四3,4节，逸夫楼#A206
7/9/2020
2
绪 言（教材1-9页）
一、测试技术的重要性
测量—以确定被测物属性量值为目的的全部操作。 测试—是具有试验性质的测量，可理解为测量与试验的结合 。 测试基本任务—获取有用信号。
7/9/2020
30
将式（1-7）x(t)a0 (anco n0 stbnsin n0t) 改写成 n1
x (t) a 0 n 1a n 2 b n 2 (a n 2 a n b n 2c o sn0 ta n 2 b n b n 2s in n0 t)
x (t) a 0 a n 2 b n 2 (s inn c o sn0 t c o sn s in n0 t)
7/9/2020
3
二、测试过程和测试系统的一般组成
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
传 感 器—直接作用于被测量，按一定规律将被测量转换成同 样或别种量输出（通常是电信号）的器件。
信号调理—把来自传感器的信号进一步转换成更适合传输和处 理的形式。如幅值放大、阻抗转换成电压、频率等 。
信 号—把消息转换成更便于传输和处理的信息。信号是消息
的载体，是消息的一种表现形式。
7/9/2020
5
信号分类—电信号、光信号、力信号、磁信号等。
三、课程研究内容和性质
教学目的：
对现代动态测试工作有一个较完整的概
念，并运用于机械工程中某些参数
的测试。能够确定检测机械工程中
各种物理量的测试方法，设计合理
0
Adt]
1 [(A)(0T0)AT0]0
T0
22
7/9/2020
35
2T 0 /2
20
T 0 /2
a n T 0[ T 0 /2 x (t)cn o 0 ts d T 0 t[ T 0 /2 A cn o 0 ts d 0A tcn o 0 ts ] d
令式中第一项t=-t,则
同理，令式中第一项t=-t ，则
20
T 0 /2
2T 0 /2
b n T 0 [T 0 /2 A ( 1 )sn i0 n t( d 1 ) t0 A sn i0 n t] d T 0 t[2 0 A sn i0 n t] d
1
t2
x2(t) dt
t2 t1 t1
（1-6）
这种信号称为功率有限信号或功率信号。
7/9/2020
23
二、信号的时域描述和频域描述
时域描述：直接观测或测量的信号，一般以 时间为 独立变量描述。
特点：直接反映信号幅值随时间变化的 关系。
频域描述：把时域描述信号经适当方法变换， 以频率为独立变量来表示的信号
机械工程测试技术
Mechanical Engineering Measurement and Test Technology
7/9/2020
1
教 材：《机械工程测试技术基础》
熊诗波 黄长艺 主编 机械工业出版社
参 考 书：《机械工程测量与试验技术》
黄长艺 卢文祥主编 机械工业出版社
总 学 时： 40= 授课34 + 实验 6
7/9/2020
7
四、测试技术的概况与发展（自学第一节）
1、电路改进 采用放大电路和集成电路，提高其性能 。2、新型传感器应用
（1）物性型传感器开发 （2）集成、智能化传感器的开发
（a）变参量测量化传感器 （b）传感器与放大、运算、补偿电路一体化。 （3）化学传感器开发
3、广泛应用信息技术
4、多变量测量系统的开发
7/9/2020
8
7/9/2020
9
7/9/2020
10
五、测量的基础知识（自学第二节一至八）
一、量与量纲
量值：用数值和计量单位的乘积来表示，用于定量地 表达被测对象相应属性的大小(如3.4m；15kg； 40℃)
量纲：代表一个实体（被测量）的确定特征，而量纲 单位则是该实体的量化基础。
如长度是一个量纲，而厘米则是长度的一个单 位。一个量纲是惟一的，然而一种特定的量纲 则可用不同的单位来测量。
。
特点：分解信号频率结构，呈现频率与
7/9/2020
幅值、频率与相位的关系。 24
x(t)sin0t
7/9/2020
25
x(t)sin0t13sin30t
7/9/2020
26
x(t)sin0t1 3sin30t1 5sin50t
7/9/2020
27
x (t) sin 0 t 1 3 sin 3 0 t 1 5 sin 5 0 t 1 7 sin 7 0 t
工作基准：通过与国家基准或副基准对比或校准 ，用来检定计量标准的计量器具。
7/9/2020
15
五、测量误差
1) 误差定义：测量误差=测量结果-真值 (0-1)
2) 误差分类：
系统误差—对同一被测量进行多次测量过程中，出现某 种保持恒定或按照确定的方式变化的误差。
随机误差—对同一被测量进行多次测量中，误差的正负 号和绝对值以不可预知的方式变化。
a nT 2 0[T 0 0 /2A cn o0 tsd ( 1 )t T 0 0 /2 A cn o0 tsd ] 0 t
b n T 2 0 [ T T 0 0 //2 2 x (t)sn i0 n td T 2 0 t[ T 0 0 /2 A sn i0 n td T 0 0 /2 A tsn i0 n t] d
7/9/2020
摩(mol)
12
2）辅助单位
弧度（rad）：是一个圆内两条半径在圆周上所 截取的弧长与半径相等时，它们所夹的平面角 的大小。
球面度（sr）：是一个立体角，其顶点位于 球心，而它在球面上所截取的面积等于以球 半径为边长的正方形面积。
3）导出单位
在基本单位和辅助单位选定后，按物理量之 间的关系，由基本单位和辅助单位以相乘或 相除所构成的单位。
(a)准周期信号—由两种以上周期信号合成，但其 组成分量间无法找到公共周期（但有离散频谱）
。
(b)瞬变非周期信号—在一定时间区间内存在，且 随时间增长而衰减至零的信号。
如单质点自由度加阻尼振动
，其质点位移x(t )可表示为
：x(t)x0east in 0t (0)(1-3)
7/9/2020
衰减振荡信号
7/9/2020
11
二、法定计量单位
1）基本单位和单位代码：国际单位制(SI)
长度—米(Metre)
米(m)
质量—千克(Kilogram)
千克(kg)
时间—秒(Second)
秒(s)
温度—开尔文(Kelvn)
开(K)
电流—安培(Ampere)
安(A)
发光强度—坎德拉(Candela) 坎(cd)
物质的量—摩尔(Mol)
R
信号的能量为
x2 (t) dt
当x(t)满足
x2 (t) dt
(1-4)
则认为信号的能量是有限的，并称之为能量有限
信号，简称能量信号。
7/9/2020
22
若信号在区间（-∞，+∞）的能量是无限的，即
x 2 ( t ) d t →∞
（1-5）
而在有限区间（t1,t2）的平均功率是有限的，即
粗大误差—是一种明显超出规定条件下预期误差范围的 误差。
3) 误差表示：绝对误差，用(0-1)公式计算
相对误差=绝对误差÷真值
7/9/2020
16
第一章 信号及其描述
第一节 信号分类与描述 一、信号的分类
信号 分类
7/9/2020
确定性信号 随机信号
连续信号 离散信号
能量信号 功率信号
周期信号 非周期信号
x(t)=x(t+nT0 ) (n=1,2,3,…)
式中 T0—周期
(1-1)
如单自由度无阻尼振动系统
x(t)x0sin(m kt0) （1-2）
x0, φ来自百度文库—取决于初始条件的常数
m —质量 k —弹簧刚度
t —时间
7/9/2020
T0
2 k
0
2
T0
k m
m
A x (t) m
k
19
(2)非周期信号—确定性信号中那些不具有周期重复性 的信号。
7/9/2020
28
x ( t) s in0 t 1 3 s in 3 0 t 1 5 s in 5 0 t 7 1 s in 7 0 t 9 1 s in 9 0 t
7/9/2020
29
第二节 周期信号与离散频谱
一、傅里叶级数(Fourier series)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信号x(t),均可
x(t)x(tn0T)
A x(t) A
0 t T0 / 2 T0 / 2 t 0
付氏级数展开
x (t) A
-T0/2
T0/2
0
t
-A
x(t)a0 (anco n 0 stb nsin n0t) n 1
1 T0/2
10
T0/2
a0
T0
[
T0/2
x(t)dt
T0
[ Adt
T0/2
7/9/2020
13
三、测量方法
直接测量：无需经过函数关系计算，直接通过测量 仪器得到被测值的测量。如测温度、测尺寸。可分 为等精度(等权)直接测量；不等精度(不等权) 直 接测量。
间接测量：指在直接测量的基础上，根据已知函数 关系，计算出被测量的量值的测量。
组合测量：将直接测量或间接测量与被测量值之间 按已知关系组成一组方程(函数关系)，通过解方程 组得到被测值的方法。