机械检测与故障诊断复习.doc

机械故障检测诊断思考题及参考答案
一.填空判断
1.按照信号分类方法，右图信号属于（）信号.
2.任意两个周期信号的合成信号为周期信号。

（）
A.对
B.错
3.电阻式传感器一般采用直流电桥进行放大。

（）
A.对
B.错
4.从理论上说50IIz和60IIz方波信号的互相关函数为（）0
A.零
B.常数
C.周期信号.
D.非周期信号
5.为避免采样时的频率混迭误差，对20】Iz正弦波信号一般应采用（）IIz频率采样。

A. 40
B. 100
6.当t二0时，自相关函数Rx（0）的值等于（）o
A.零
B.无穷大
C.最大值.
D.均值
7.涡流传感器可以探测水泥制品表面的缺陷。

（）
A.对
B.错
&任意两个周期信号的合成信号为周期信号。

（）
A.对
B.错
9.当t二0时，自相关函数Rx（0）的值等于（）o
A.零
B.无穷大
C.最大值
D.均值
10.信号的幅值域分析中概率密度函数提供了信号（）分布的信息。

A.沿频率
B.沿幅值
C.沿时间
11・用于探伤的超声波频率主要为（）o
A. 20IIz〜20kIIz
B. 1 〜5MIIz
12.超声探伤中尺寸检出极限为超声波（）o
A.波长
B.波长的一半
13.分析式铁谱仪只能检测油样的磨粒大小和相对数量，直读式铁谱仪则可以确定磨粒的类型
和成分。

（）
A.正确
B.错误
14.超声波分纵波（疏密波）和横波，横波可以在气体和液体中传播，但是纵波只能在固体中
传播。

（）
A.正确
B.错误
15.非周期信号包括准周期信号和（）
A.瞬态信号
B.噪声信号
16.工程测量中仪器表头的示值是信号的（）。

A.最大值
B.平均值C：有效值
17.信号的（）反映了信号绕均值波动的程度。

A.方差
B.均方值
二、概念术语
1.故障：
2.故障诊断：
3.现代的诊断技术：
4.信噪比
5.采样定理
6.齿轮的固有频率
7.准周期信号
8.噪声：
9.无损检测
10.鬼线
11.频响范围
三、分析题
1 •下面是大型空气压缩机传动装置简图和在减速箱上测得的振动信号波形和频谱，请从频谱上读岀信号的特征参数，并判断那一根传动轴是主要的振动源，说明判断依据？
宀21 八6小
0 Hz 125
提示：f=n/60
2.采用什么信号处理方法可将下图中的周期信号中的白噪声信号消除。

采用自相关分析法。

根据自相关函数的性质周期信号的自相关函数仍为周期信号，且周期不变。

周期信号和随机信号两部分组成的信号经自相关处理后随机信号的自相关函数迅速衰减为零，而周期信号的自相关函数仍为周期信号。

3 •分析式铁谱仪的工作原理？
4.举例说明超声探伤的应用范围？
5.请谈谈通过本门课程学习后你对设备检测与诊断技术的认识，以及你对课程内容、教学手段和教学方法的意见和建议。

6.机械振动信号是如何分类的，结合工程实例分析故障检测信号构成及主要类型。

7.设备监测与故障诊断的技术手段有哪些。

&信号相关性分析的意义是什么，结合工程实际谈自相关函数在信号分析中的应用。

9•如何进行信号的频谱分析，画图说明信号的功率谱，幅值谱，相位谱，虚频谱, 实频谱。

10.信号时域分析中有那些特征参数，说明其工程意义。

11.机械故障检测常用的传感器有那些，简述其工作原理和性能特点。

12•振动信号分析处理设备有那些，说明其性能特点。

1、机械振动测量传感器有那几类，其频响范围怎样?
四、问答题
答案：
1）振动位移传感器，电涡流位移传感器0〜10kHz
2）振动速度传感器，磁电式速度传感器10〜20 kHz
3）振动加速度传感器，压电加速度传感器0〜50 kHz
2、计算机辅助测试系统是怎样组成的？
答案：计算机辅助测试系统由微机加插卡式硬件和采集分析软件组成。

再微机扩展槽种插入ADC卡，或用集成有ADC的通用单片机，自编或调用采集、分析处理软件，组成一个测试系统。

3、信号的幅值域分析有那些指标？
答案：幅值概率（分布）密度函数、峰值（峰峰值）、均值、方差，均方值、有效值（均方根）、偏态指标、峭度指标、等
4、红外测温的工作原理？
答案：被测物体发出的红外光线经光学系统聚集后，入射的红外探测器上。

在红外辐射的作用下，探测器产生一个正比于辐射能量的电信号，由放大器放大和A/D 转换后，在数字显示器上显示温度值。

5、电涡流振动位移传感器的工作原理
答案：当一块金属导体置于一个由通有高频电流的线圈所产生的交变磁场中或在磁场中运动时，由于电磁感应的作用，金属导体内将产生一个闭合的电流环，此即“电涡流”。

电涡流将产生一个预交变磁场相反的涡流磁场来阻碍原交变磁场的变化，从而使原线圈的阻抗、电感和品质因素都发生变化，且它们的变化量与线圈到金属导体之间的距离的变化量有关，于是就把位移量转化成了电量。

6、计算机数据采集分析系统的特点有那些？
答案：
1）具有高性能ADC。

2）配有专用预处理模块，如预处理压电式加速度传感器信号的电荷放人器、适应各型热电偶的放人器、多路程控抗混迭低通滤波与放人器等，可直接接入各类传感
器作多通道测试。

3）有较强功能的采集分析软件，如0.001Hz〜1OOOKH刁范围任选采样频率，各种吋域与幅值域分析、基于FFT的各种频域分析、现代吋序分析和小波分析等。

7.机械故障诊断的研究内容包括那几方面？
答案：
1）对机器运行现状的识别诊断
2）对其运行过程的监测
3）对其运行趋势的预测
& 红外测温的特点？答案：
1）非接触式测量，可以对远距里，高速运动、带电物体进行方便测量，而且不影响被测目标的温度分布。

2）反应速度快，辐射速度仅次于光速，比热平衡原理温度测量相应时间短两个数量级以上。

可以适时显示。

3）灵敏度高，一般有0. 1°C的温度分辨率和毫米级的空间分辨率。

4）测温范围广，可选择不同仪器实现负几I•到上千摄氏度的测量。

9、计算机化测试的最主要的特点有那些?
答案：与传统的模拟式或者数字仪器相比，计算机化测试仪器最主要的优点有以下几条: （1）能够对信号进行复杂的分析处理，比如基于FFT的时域和频域分析、振动模态分析等；
（2）能进行高精度、高分辨率和高速实时分析处理。

比如用软件对传感器和测试环境所引起的非线性误差进行修正；
（3）性能可靠、稳定，维修方便；
（4）能够以多种型式输出信息，各类图形图标能直观地显示分析结果，信息的存储便于建立档案、调用分析结果对测试对彖进行计算机辅助设计或仿真等；
（5）具有多功能特性；
（6）能自动进行测试和故障监控。

10、计算机辅助测试由什么组成？
答案：计算机辅助测试由微机加插卡式硬件和采集分析软件组成，再微机扩展槽种插入ADC卡，或用集成有ADC的通用单片机，自编或调用采集、分析处理软件, 组成一个测试系统。

11、什么是模拟信号和数字信号?
答案：随时间变化连续变化的物理量经传感器和调理电路被转换为与之对应的连续的电压或电流信号叫模拟信号，信号波形模拟着信息的变化而变化信号称为模拟信号；数字信号是把连续的模拟信号通过离散的取值量化后所获得的信号，数字信号的幅度取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。

12、什么是A/D转换和D/A转换？
答案：为了将采集到的信号输入到计算机进行处理，将被测的模拟量转换成与之相对应的数字量的过程称之为模数转换；为了将计算机处理的数据进行模拟的显示、记录或输入控制系统进行系统控制，将计算机处理后的数字量转化为模拟量的过程称为数模转换。

13、时域采样的定义是什么？
答案：把以一定的时间间隔从连续时间信号中抽取样本值构成离散时间序列的过程称为时域采样。

14、理想取样的采样信号是什么？
答案：在理想的取样情况下，连续信号乙⑴对采样脉冲函数载波的调幅过程，Xs (r)=兀(r)M),即把兀(r)称为理想取样的采样信号。

15、频谱的周期延拓如何产生的？
答案：一个连续时间信号经过理想取样后，其频谱以采样频率®或2TI IT S为间隔而重复，
16、解释有限频带信号
我们把这个过程称为频谱的周期的延拓。

答案：如果信号乙⑴的频带是有限的，即信号匕⑴的频谱只在区间(一©, ©) 为有限值，而在此区域之外为零，这样的信号称为有限频带信号。

17、采样定理?
答案：为了使取样后的频谱不产生“混叠”，即不产生失真，在信号兀⑴的频带受限的情况下，采样频率应等于或者大于信号最高频率的两倍，即心2%或者 (/；. >2/w),这就
18、抗混叠滤波处理?
是采样定理。

答案：对于不是带限信号的出⑴，为了防止频谱“混叠”，在抽样之前，可以模拟
低通滤波器滤去高频成分，使其称为带限信号，这种处理称为抗混叠滤波处理。

答案：实际滤波器不可能有理想的截止特性，在其截止频率龙之后总有一定的过 渡带,所以实际的釆样频率选为（3〜4） £。

20、 量化的定义以及量化的方法
答案：量化是将每个采样点的信号幅值与一组离散电平值相比较，以最接近的电 平代替该幅值，代替该幅值电平的二进制数码就是编码。

量化通常采用截尾和舍入两种方法。

21、 量化误差出现的原因
答案：若取信号兀⑴可能出现的最大值为A,量化单位为△,当信号无⑴落在某一 小间隔内，经过舍入方法而变为有限值时，将会因为量化而产生误差，这个误差 称为量化误差。

22、 D/A 转换器的基本组成
答案：D/A 转换器一般由数码缓冲寄存器、模拟电子开关、参考电压、解码网络和 求和电路等组成。

23、 A/D 转换器的转换过程
答案:A/D 转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通过取样、保持、量化和 编码四个步骤完成。

24、 D/A 转换器的主要技术指标
答案：（1）转换精度，指在D/A 转换器的输入端加上给定的数字量吋所测得的实 际模拟量输出值和理论输出值之间的差异程度，通常用最大绝对误差或相对误差 来表示。

这个静态的转换误差是增义误差、零位误差和非线性误差等的综合。

（2） 分辨率，D/A 的分辨率是指其数字量输入变化一个小单位时，所对应的模拟量输出 的变化量与满度输出值之比；（3）线性度，是指转换器实际的输入一输出特性曲 线与理想的输入=输出直线的偏离程度；（4）微分非线性误差，它表示在输入数 字量的整个范围内，相邻两个数码之间的模拟量输出跃变值差异程度。

（5） D/A 转 换吋间，当输入数字量产生满度值的变化吋，其模拟量输出达到稳态值所需的时 间；（6）温度系数，在满刻度条件下，其工作环境温度升高1°C 引起输出模拟量变 化的百分比。

（7）电源抑制比，当电源电压发生变化吋，所引起的模拟输出变化 量与相应的电源变化量之比称为电源抑制比。

25、 泄漏的定义以及窗函数如何选择？
答案：矩形窗函数的傅里叶变换W （f ）是一无限带宽的连续频域函数。

因此，截断 后信号的频谱与原Xs(f)相比，原谱峰值必将降低，原幅值为零的频带亦将出现 非零值。

这相当于使原比较集中在某一频域区域的能量向该区域外散。

这一现象 叫泄漏。

19、 实际采样频率的选择范
Mil
窗函数的选择，应考虑被分析信号的性质与处理要求。

如果仅要求精确读出主瓣频率，而不考虑幅值精度，则可选用主瓣宽度比较窄而便于分辨的举行窗；如果分析窄带信号，且有较强的干扰噪声，则应选用旁瓣幅度小的窗函数。

26、微机化测试分析仪器的组成及原理？
答案：微机化测试分析仪器由传感器、信号采集系统、信号处理系统和传输线路组成。

(1)信号预处理
式，它一般包括四个部分：
对远距离送来的调制信号进行解调。

对信号放大或衰减，以适应模数转换器(ADC)的工作范围。

抗混滤波，按ADC所允许的采样频率将模拟信号中的高频分量滤掉，避免数字处理时产生频混。

隔离或保留信号中的直流分量。

(2)信号采集
转换器(A/D)o
细内容将在后续章节中讨论。

(3)数字信号处理
专用微机型和通用微机型。

专用微机型
定功能设计或选用，以减少成本和满足专用要求。

有的还增加专用数字处理芯片以完成特定的数字运算，如FFTo
通用微机型PC机)
为主来进行数字信号处理。

理论上，使用者可以任意扩充通用微机型测试分析仪的功能，仪器中的微机也可作它用。

（4）显示记录及通信擦写寄存器EPROM内。

若配有通信接口，可与其它微机通信。

27、测试仪器所经历的三个阶段
答案：
（一）模拟式仪器
第一代仪器是模拟式仪器。

它由模拟电路来实现其功能。

厂家按仪器的预定功能, 用模拟器件组成各种电路，对传感器拾取的模拟电信号进行各种变换，显示及记录。

它精度低、速度慢、仪器功耗大、适应性差。

（二）数字式仪器
第二代仪器是数字式仪器。

主要由数字电路来实现其功能，在测试精度、速度和仪器寿命方而比模拟式仪器都有较大的提高。

（三）微机式仪器
七十年代以来，随着信号数字处理理论及大规模集成电路的发展，出现了以微机为核心的微机化仪器。

28、实现A/D转换的方法
答案：
实现A/D转换有多种方法，主要有逐次逼近式，积分式和并行式。

积分式
是将被测信号在一时间间隔内的积分值（均值）作采样值，能较好抑制外界电磁场对被测信号的干扰，但转换速度较低。

逐次逼近式
直接抽取被测信号瞬时值，对ADC的各位逐次比较得到采样值，转换速度较高，但抗干扰能力低。

并行式
对ADC的各位同步比较，转换速度极高，每秒可达一亿次以上。

29、A/D转换的主要技术指标
答案：
（1）转换精度，A/D转换器的输出与理想数学模型输出的接近程度表示转换精度;
(2)转换速率，指在单位吋间内完成A/D转换的次数；
(3)分辨率反映了 A/D转换器所能分辨的被测量的最小值；
(4)稳定度，指在被测量不变的条件下，一段时间内A/D输出显示数的稳定性。

30、采样保持的基本原理
答案：采样保持电路具有采样和保持两个状态。

处于采样状态时，电路的输岀始终跟随输入模拟信号；处于保持状态时，电路的输出保持着前一次采样结束前瞬时的输入模拟量。

采样保持主要由保持电容器，输入输出缓冲放大器，以及逻辑控制开关组成。

采样
期间，逻辑控制开关闭合，输入端放大器的输出通过开关给电容器款速充电；保持期间，逻辑控制开关断开，由于输出断运算放大器的输入阻抗极高，在理想情况下，电容器将保持充电时的最终值，直到本次采样完成，A/D完成一次模数转换，所产生的数字量对应采样保持器开始保持的电压值。

31、多通道数据采集的类型
答案：按不同的要求，这种多通道数据采集系统乂分为单ADC型和多ADC型。

⑴单ADC型
用多路模拟开关轮流切换各路模拟信号，分时进行A/D转换，若此系统单通道最高采集频率为f(HZ),采集通道为n,因多路模拟开关作n次切换，每个通道的采样频率fs 将小于f/n o
分时不同步
采样时差无要求，可用演示图屮的单ADC型，多通道分时共享S/II 和ADCo 分时同步
ADC型，各路S/H电路同步工作，一直保持到n路信号分时转换完毕。

显然，这种多路分时同步釆集系统对S/H电路的质量有较高的要求。

适配。

⑵多ADC型
S/II电路和ADCo多ADC型价格高，主要用于高速数据采集或对多路信号有非常严格的同步釆集要求的场合，例如，要精确分析多路信号的相关关系的场合。

32、专用微机化测试分析仪的特点
答案：专用微机化分析仪的特点是“小”或“专”。

DSP为核心的用于相关分析、频域分析、数字滤波、语音识别和图象处理等这些专门用途的分析仪。

33、单片机的功能答案：单片机的引入，使测量、处理和控制功能于--体，使发展缓慢的传统仪表产生了根本性变革。

对小型专用仪表，单片机在非线性补偿和抑制噪声方面起着非常突出的作用。

非线性补偿
____________________ 引入单片机，容易用软件进行非线性补偿。

例如热电偶，其输出热电势与被测温差呈非线性，可在测量范围内用多项式拟合此非线性关系，亦可将测量范围分段，作不同的多项式拟合，将拟合公式写入EPROM。

测量时单片机能立即按所测电势计算出相应的温度。

在EPROM 写入不同类型的热电偶的拟合公式，就可配接多种热电偶测温。

抑制、消除测量噪声
式ADC或用软件对所采数据进行定周期积分，或用算术平均、移动平均等方法来消除。

又如压力测量中不需要的高频脉动，可用数字滤波的方法来消除。

34、虚拟仪器技术的定义
答案：由使用者自己编制，调用软件来开发仪器功能，完成原来由硬件及固化软件完成的工作，软件成了仪器，这类个人仪器为虚拟仪器，称这种主要由使用者自己设计、制造仪器的技术为虚拟仪器技术。

35、虚拟仪器软件开发平台应具有的功能
答案：与一般的软件平台相比，虚拟仪辭软件开发平台应具有以下的功能：
1、便于编程
2、内置丰富的函数库，且方便开发者调用相关的各种工程运算方法。

3、强有力的人机界面
至装饰物等，以供开发者快捷组成图、文、声、色并茂，方便操作、控制、观察
的仪器“软”面板。

4、方便快捷的通信
ADC插卡及标准接口总线(RS232、GPIB等)的通讯编程，调用各类可程控仪器驱动程序的编程。

5、提供尽可能多的常规测试虚拟仪器范例
■的软件开发平台，它应尽可能多的利用PC的各种技术，并能随PC的发展而同步发展，例如。

支持PC的多种操作系统，能调用其它开发平台(VB、VC等)开发的应用软件，生成的数据能被通用的字处理软件、电子表格及图形处理软件、通用数据库调用等等。

36、自己构建一个简单的虚拟仪器的流程
答案：1、点出前而板
2、点出框图面板
3、前面板布局
4、方块图编程
5、程序运行
37、自动测试系统的特点及形式
答案：(1)测试速度快
(2)高准确度测试结果
(3)长时间定时或不间断测试
(4)适合于危险或难于进入现场的测试
(5)适合多参数、高要求和数量多的测试
38、总线的分类标准由那些以及各怎么分
答案：(1)按功能，总线可分为地址总线，数据总线和控制总线。

(2)按微机系统的结构层次，总线又可分为片内总线，芯片总线，板极总线和外部总线四种。

片内总线 CPU芯片内部各功能单元电路间信息传输。

芯片总线
板极总线ADC插卡、彩显卡和声卡等)，以组成完整的微机及仪器系统。

外部总线种较大的系统，习惯上称为通信总线，如下面要介绍的RS232C, GPIB等。

(3)按信息位传送方式，总线又可分为并行总线和串行总线。

39、GPIB接口总线的主要特征
答案：(1)最多可连接15台仪器(包括主控微机)
Talker ),听者(Listener)和控者(Controller) 三种。

(2)接口总线24条
16条信号线又分为8条数据线，3条数据字节传输控制线和5条接口管理线。

(3)总线长度限定为20m
接多台仪器时，可按仪器数乘每根电缆长来限制总长。

要取决于速度最低的仪器。

(5)工作环境
适宜在电磁干扰较弱的实验室和生产环境测试中使用。

40、VXI标准接口总线的优点和应用有那些？
答案：VXI标准接口总线的优点：VXI主机架还可插入一内嵌式高档微机，形成机架外无计算机的独立系统，数据传输速度更高。

VXI机架体积小、插件紧凑、可靠性高和便于携带。

用插件式仪器组建或更新各种测试系统十分方便，其结构紧凑、可靠性高和价格低廉，是近代仪器发展的重要方向。

VXI标准的单个仪器做成标准尺寸和标准接口的模块插件，插入机架，每个机架可插入多个插件。

主机架不够用，还可以接入多个扩展机架。

每个机架均内设标准接口总线、模拟信号线和多种电源线，既适用于数字式插件，乂适用于预处理模拟式插件。

每个机架自成一个子系统，同一机架内各插件间数据传输速度可达40Mbyte/s,是GPIB的40倍。

主机架与主计算机或机架与机架之间用标准接口总线连接，如GPIB、RS232C. RS422、RS423或其它微机总线。

41、自动测试系统的特点及形式?
答案：自动测试系统多为主计算机管理的主从式多机系统，具体形式常有如下几种：
(1)每通道独立采集和数据预处理的多通道系统
(2)由多台可程控仪器与主计算机组成系统
(3)由插件式仪器与主计算机组成系统
42、自动测试系统的主要通信接口有那些以及各有那些优缺点？
答案：测试系统主要通信接口 RS232C. GPIB和VXI标准接口总线
1、RS232C标准接口总线
1)接口的联接器件
有25条信号线，采用25个引脚的D型(插接件)连接器。

每个引脚都分别定义了信号名称及电平。

2)信号电平和逻辑
RS232接口信号电平规范定义用±12V标称脉冲电平实现信息传送，采用负逻辑。

-5VS-15V为逻辑值“1”，+5VS+15V为逻辑值“0”。

-3Vs+3V为过渡区，接口传送出错，噪声余量为±2V。

RS232C规定其波特率在50-19200间分11个等级，由用户选用。

2、GPIB 接口
(1)最多可连接15台仪器(包括主控微机)
(2)接口总线24条
其中16条信号线乂分为8条数据线，3条数据字节传输控制线和5条接口管理线。

(3)总线长度限定为20ni
连接多台仪器吋，可按仪器数乘每根电缆长来限制总长
(4)数据传送速度
通常为1 xlO"〜2. 5xlO5B/s,传送距离较短时速度最高可达IMB/so
(5)工作环境
适宜在电磁干扰较弱的实验室和生产环境测试中使用。

3、VXT标准接口总线
VXI主机架还可插入一内嵌式高档微机，形成机架外无计算机的独立系统，数据传输速度更高。

VXI机架体积小、插件紧凑、可靠性高和便于携带。

用插件式仪器组建或更新各种测试系统十分方便，其结构紧凑、可靠性高和价格低廉，
43、虚拟仪器的特点？
答案：
（1）打破了传统仪器的“万能”功能概念，将信号的分析、显示、存储、打印和其他管理功能集屮起来交由计算机来处理。

（2）强调“软件就是仪器”的概念，软件在仪器中充当了以往由硬件实现的角色。

（3）仪器由用户自己定义，系统的功能、规模等均可通过软件修改、增删。

（4）仪器在计算机上按统一标准进行设置，使资源的可重复利用率提高。

（5）虚拟仪器技术建立在当今计算机技术和数据采集技术基础上，技术更新速度快。

44、微机型数据采集分析系统的特点有那些？
答案:（1）具有高性能ADC。

（2）
大器、适应各型热电偶的放大器、多路程控抗混迭低通滤波与放大器等，可直接接入各
类传感器作多通道测试。

（3）0. 001Hz〜lOOOKHz范围任选采样频率，各种时域与幅值域分析、基于FFT的各种频域分析、现代吋序分析和小波分析等。

45、什么总线（Bus） ?
答：计算机各种功能部件Z间传送信息的公共通信干线，是由导线组成的传输线束，按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。

46、现场总线？
答：连接猶能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。

主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信。

47、计算机辅助测试方法和系统的组成答：计算机辅助测试(CAT)方法由微机加插卡式硬件和采集分析软件组成。

其微机部分由信号采集子系统、模拟输出子系统及通信接口组成。

方法是ADC卡插入PC机主板的扩展插槽，实现与PC机通信，或用集成有ADC的通用单
片机，自编或调用采集、分析处理软件，就可进行测试分析。