1绪论

第一章 绪 论

§1-1 测试技术的内容和作用

随着科学技术的蓬勃发展，人类已进入信息时代，毋庸置疑，信息已成为科学技术和人类生活的重要资源。测试技术就是用于检测和处理各种信息的一门综合性技术，它在科学研究、工业生产、医疗卫生、文化教育等各个领域中都起着相当重要的作用。

从测试的含义来讲，它包含着测量和试验两个内容。测量是把被测系统中的某种信息，如运动物体的位移、速度、加速度检测出来，并加以度量；试验则是通过某种人为的方法，把被测系统用专门的装置激发起来，以便对有用信息进行测量。如用于铁道车辆动力试验的滚动模拟试验台，汽车振动实验台，还有普通使用的激振器等就是这种装置。凡需要考察事物的状态、运动和特性等，并要对它进行定量描述时，都离不开测试技术自从哥白尼于1543年发表了创世之作《天体运行论》和伽利略于1590年在比萨斜塔上做了自由落体运动的实验起，开创了实验科学的新纪元，使人类进入了“科学实验时代”。发展到今天，测试已成为人类各项科技活动中不可或缺的组成部分。

测试工作几乎渗透到各行各业。本书重点讨论机械工程中的测试技术，其作用主要表现在以下几个方面：

1.工程过程的实验分析与参数测量。如对各种材料的强度进行试验，以便为合理、经济的机械设计提供科学依据；对载运工具动载构件的应力谱跟踪测量，进而可找出薄弱环节，进行其疲劳寿命与可靠性研究，并为动力补强以及优化设计提供参考依据；对机床的振动特性以及工件的加工精度等进行测量，以便对其性能作出评价，找出改进措施；还有温度测量、噪声测量等等。

2.过程监视与故障诊断。用于监护构件工况，以保证设备高效率的安全运行。如自动加工中刀具磨损及断裂的监视；大型转子设备的现场实时检测等。或用于诊断零部件发生故障的部位和性质，以便及时采取措施。

3.作为自动化或控制系统中的一个环节。例如，计算机辅助制造（CAM）、数控机床(DNC)、自适应控制加工系统乃至柔性制造系统(FMS)，在自动生产过程中都需要对某些物理参量进行检测，并与要求的量值加以比较，以实行过程控制，达到自动调节之目的，使生产过程处于最佳运行状态。这就是实现所谓以信息流对物质流和能量流的控制问题。即使是智能化的工业机器人（智能机器人）的研制也同样离不开测试环节。

4. 生产成品的质量评价。各种机电零部件产品都有技术性能要求，对其成品通过测试，定量做出其质量是否合格的评价也是测试工作的任务之一。

由上可见，测试技术是机械工业发展的一门重要的基础技术。

§1-2 测试工作的任务

前已述及，测试工作的任务就是为了获取有关研究对象的状态、运动和特征等方面的信息。就像物质和能量是客观存在一样，信息也是反映事物运动状态和特征的客观存在。信

息可以产生，也可以消失，同时还可以被携带、存贮和处理。信息是可以度量的。对信息的获取、处理与度量过程就是对事物的认识过程。例如，转子的动不平衡是引起旋转机械振动的主要原因，如何去消除这种动不平衡呢？可以用传感器及其测试系统检测出支承处的动反力以及转子的振动量，并对它进行加工、处理就可以获得转子动不平衡的大小和方位的信息，进而采取相应的消除措施。再如，为了了解机床动态特性的信息，可以通过对外界激励和系统响应的测试而获得。

可见，信息总是通过某些物理量的形式表现出来，这些物理量则称之为信号。信号是信息的载体，信息存在于信号之中。例如对于单自由度振动系统，所测得的质量块位移信号中就包含着我们所感兴趣的固有频率和阻尼比的信息。

动态测试虽然可以用机械的方法、电测的方法，也可以用光测的方法，但从信号的获取、变换、加工、传输、显示和控制等方面看，以电量形式表示的电信号最为方便，故本书中所说的信号，一般都是指随时间变化的电信号。

信号中虽然携带着信息，但是其中既含有我们所需要的有用信息，也含有大量不需要的干扰，测试工作的任务之一就是从复杂的信号成分中提取有用信息。不过，需要指出，“干扰”和“有用”是对立统一的，在一定的条件下可以互相转化。例如齿轮噪声是人们不希望的干扰信号，对工作环境造成污染，但另一方面又可作为有用信号来判断齿轮副的运转状况并进行故障诊断。

为了在外界干扰的情况下，能够提取和辨识出信号中所包含的有用信息，常常需要把信号作必要的变换处理。这与我们熟知的声音和图像发射和接收的道理一样，见图1-1，从中可受到启迪。

图1-1 声音变换与传播过程

§1-3 测试系统的组成及其发展

测试工作是非常复杂的，需要多种学科知识的综合运用，所以，迄今很难给测试规定一个明确的定义和工作范围。从广义角度来讲，测试工作涉及到试验设计，模型理论，传感器，信号的传输、加工、处理与分析，误差理论，控制工程，系统辨识和参数估计等内容。因此测试工作者应该具备这些方面的知识。

从具体应用角度来讲，测试工作包括激励方式，信号的检测、调理、处理、分析以及显示、记录或数据输出等。与之相对应的测试系统框图如图1-2所示。

图1-2 测试系统框图

其中传感器是一种能把被检测的物理量变换为可测信号（通常为电信号））的装置，它是测试系统的首要环节。

信号调理系统是将来自传感器的电信号进行调理和处理，如放大、调制、解调、滤波等，使之变为既保留了原始被测信号中的有用信息，又便于不失真地传输、显示和记录以及有利于后续处理的信号。

显示与记录装置是把经调理后的电信号不失真地记录和显示出来，以便观测、分析和处理。记录和显示的方式一般有模拟和数字两种，前者记录的是模拟信号，而后者则是数字信号。

数据处理装置是对测试结果（曲线或数据）进行处理、运算和分析的装置。数据处理包含回归分析、频谱分析、相关分析、功率谱分析等，其方法也有模拟量分析法和数字量分析法之别。

试验激发装置是人为地模拟某种条件把被测系统中的某种信息激发出来，以便检测。如激振器、振动试验台等。

随着计算机技术的飞速发展，计算机已被广泛地应用于各个领域，测试技术亦不例外。由传感器与计算机结合起来组成的新型测试系统如图1-3所示。这种测试方法是先用传感器及其测量电路将某种物理量变换成所需的电信号，再由A/D转换器（模/数转换器）将模拟信号变换为数字信号，然后通过计算机或数字信号处理器将大量数据进行高速处理，从而获得各种需要的输出。

图1-3 计算机测试系统

用于现代测试技术的计算机及微处理器，扩展了测试数据通道，提高了检测精度，加快了运算速度，拓宽了各种数据处理、存贮、运算的功能，有着广阔的发展前景。尤其微型计算机技术的发展引起了测试技术的新飞跃，一方面，大大促进了集检测、放大、判断和信号处理功能于一体的智能化传感器的发展，再一方面也使得测试过程自动化以及“实时”检测成为可能，并且进一步发展成为具有推断、分析和决策功能的专家系统。

§1-4 课程内容与特点

本课程主要讨论机械工程动态测试中的传感器、中间调理电路及记录装置的工作原理，测试装置静、动态特性的评价方法，测试信号的分析和处理，以及常见的物理量的测