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21 世纪全国应用型本科大机械系列实用规划教材 测 试 技 术 基 础测 试 技 术 基 础 主 编 江征风 郄恩田 张建军 副主编 赵 燕 徐汉斌 张建军 参 编 李如强 张 萍 吴华春 主 审 胡业发 张建军 张建军 内 容 简 介 本书是一本讲述测试技术基础理论及非电量测量的教科书。全书共分 9 章，内容包括绪论，信号及其 描述方法，信号分析与处理，测试系统的基本特性，常用传感器，信号变换及调理，记录及显示仪，机械 振动测试与分析，现代测试技术。 本书可作为高等院校的机械、仪器、测控和自动化等专业学生学习测试技术的教科书，也可作为相关 科技和工程技术人员的参考用书。 图书在版编目CIP数据 测试技术基础/江征风主编. 北京北京大学出版社，2007.1 21 世纪全国应用型本科大机械系列实用规划教材 ISBN 978-7-301-11486-5 Ⅰ. 测⋯ Ⅱ. 江⋯ Ⅲ. 测试技术高等学校教材 Ⅳ. TB4 中国版本图书馆 CIP 数据核字2006第 160645 号 书 名测试技术基础 著作责任者江征风 主编 策 划 编 辑李昱涛 责 任 编 辑郭穗娟 标 准 书 号ISBN 978-7-301-11486-5/TH0066 出 版 者北京大学出版社 地 址北京市海淀区成府路 205 号 100871 网 址 电 话邮购部 62752015 发行部 62750672 编辑部 62750667 出版部 62754962 电 子 邮 箱pup_6 印 刷 者 发 行 者北京大学出版社 经 销 者新华书店 787 毫米1092 毫米 16 开本 17.5 印张 396 千字 2007 年 1 月第 1 版 2007 年 1 月第 1 次印刷 定 价26.00 元 未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。 版权所有 侵权必究 举报电话010- -62752024 电子邮箱fdpup. pku. edu. cn 目 录 第 1 章 绪论........................................................1 1.1 测试的含义 .............................................1 1.2 测试技术在机械工程中的作用 .............2 1.3 测试方法分类与电测法测试系统 .........3 1.3.1 测量的基本方法..........................3 1.3.2 静态测试与动态测试..................4 1.3.3 非电量电测法..............................4 1.3.4 非电量电测法系统的构成..........6 1.4 课程的性质和任务 .................................8 1.5 测试技术的发展动向 .............................8 1.5.1 传感器技术的发展......................8 1.5.2 测量方式多样化..........................9 小结 ..................................................................9 习题 ................................................................10 第 2 章 信号及其描述方法..........................11 2.1 信号的分类与描述 ...............................11 2.1.1 信号的分类................................11 2.1.2 信号的时域描述和频域描述....15 2.2 周期信号与离散频谱 ...........................16 2.2.1 周期信号的傅里叶级数的 三角函数展开............................16 2.2.2 周期函数的奇偶特性................17 2.2.3 傅里叶级数的复指数 函数展开....................................20 2.2.4 傅里叶级数的复指数与 三角函数展开的关系................22 2.2.5 周期信号的强度表述................26 2.3 瞬态信号与连续频谱 ...........................28 2.3.1 傅里叶变换................................29 2.3.2 傅里叶变换的主要性质............31 2.3.3 几种典型信号的频谱................35 2.4 随机信号 ...............................................46 2.4.1 概述............................................46 2.4.2 随机信号的主要特性参数 .......46 小结 ................................................................49 习题 ................................................................50 第 3 章 信号分析与处理...............................53 3.1 数字信号处理基础 ...............................53 3.1.1 数字信号处理的基本步骤 .......54 3.1.2 采样、混叠和采样定理 ...........55 3.1.3 量化和量化误差 .......................57 3.1.4 截断、泄漏和窗函数 ...............59 3.2 相关分析及其应用 ...............................63 3.2.1 相关的概念 ...............................63 3.2.2 相关系数与相关函数 ...............64 3.2.3 自相关及其应用 .......................65 3.2.4 互相关及其应用 .......................68 3.3 功率谱分析及其应用 ...........................74 3.3.1 巴塞伐尔Pas定理.............74 3.3.2 功率谱分析及其应用 ...............75 3.4 相干函数 ...............................................80 小结 ................................................................81 习题 ................................................................82 第 4 章 测试系统的基本特性.....................84 4.1 系统的输入/输出与系统特性 ..............84 4.1.1 理想测试系统线性时 不变系统 ...................................86 4.1.2 实际测试系统线性近似 ...........87 4.2 测试系统的静态特性 ...........................88 4.2.1 灵敏度 .......................................88 4.2.2 非线性度 ...................................89 4.2.3 回程误差 ...................................89 4.3 系统动态特性的数学描述及 其物理意义............................................90 4.3.1 传递函数 ...................................91 4.3.2 频率响应函数与频响曲线 .......92 测试技术基础 VI VI 4.3.3 权函数........................................94 4.3.4 测试系统中环节的 串联与并联................................95 4.4 系统实现动态测试不失真的 频率响应特性........................................97 4.5 常见测试系统的频率响应特性 ...........99 4.5.1 一阶系统....................................99 4.5.2 二阶系统..................................103 4.6 测试系统动态特性的测试 .................106 4.6.1 稳态响应法..............................106 4.6.2 脉冲响应法..............................107 4.6.3 阶跃响应法..............................108 4.7 组成测试系统应考虑的因素 .............111 小结 ..............................................................113 习题 ..............................................................114 第 5 章 常用传感器......................................117 5.1 概述 .....................................................117 5.1.1 传感器的定义..........................117 5.1.2 传感器的分类及要求..............119 5.2 电阻传感器 .........................................120 5.2.1 可调电位器..............................121 5.2.2 应变式电阻传感器..................121 5.2.3 其他电阻传感器......................126 5.3 电容传感器 .........................................130 5.3.1 电容传感器的变换原理..........130 5.3.2 电容传感器的应用实例..........133 5.4 电感传感器 .........................................135 5.4.1 可变磁阻式电感传感器..........136 5.4.2 涡流式电感传感器..................139 5.4.3 差动变压器式电感传感器......142 5.4.4 电感传感器的应用实例..........143 5.5 磁电传感器 .........................................144 5.5.1 动圈式动磁式 磁电传感器..............................145 5.5.2 磁阻式磁电传感器..................146 5.6 压电传感器 .........................................147 5.6.1 压电效应..................................147 5.6.2 压电传感器及其 等效电路..................................148 5.6.3 前置放大器 .............................151 5.6.4 压电传感器的应用 .................152 5.7 磁敏传感器 .........................................154 5.7.1 半导体磁敏传感器 半导体霍尔元件...................155 5.7.2 磁敏传感器的应用 .................157 5.8 几种新型传感器 .................................158 5.8.1 光纤传感器 .............................158 5.8.2 薄膜传感器 .............................160 小结 ..............................................................162 习题 ..............................................................162 第 6 章 信号变换及调理.............................164 6.1 电桥 .....................................................164 6.1.1 直流电桥 .................................164 6.1.2 交流电桥 .................................168 6.2 调制与解调 .........................................169 6.2.1 概述 .........................................169 6.2.2 幅值调制调幅与解调...........171 6.2.3 调频及解调测量电路 .............177 6.3 滤波器 .................................................180 6.3.1 滤波器的分类 .........................180 6.3.2 理想滤波器 .............................181 6.3.3 实际 RC 滤波器 ......................183 6.3.4 恒带宽比滤波器和 恒带宽滤波器 .........................187 小结 ..............................................................190 习题 ..............................................................191 第 7 章 记录及显示仪.................................194 7.1 概述 .....................................................194 7.2 光线示波器 .........................................195 7.2.1 光线示波器的工作原理和 结构组成 .................................195 7.2.2 振动子特性 .............................196 7.2.3 光线示波器的种类和选用 .....198 7.3 记录仪 .................................................199 7.3.1 笔式记录仪 .............................199 7.3.2 磁带记录仪 .............................202 7.3.3 新型记录仪 .............................206 目 录 VII VII 7.4 磁盘记录器 .........................................208 7.5 数字显示系统 .....................................210 小结 ..............................................................214 习题 ..............................................................214 第 8 章 机械振动测试与分析...................216 8.1 概述 .....................................................216 8.2 振动的基本知识 .................................218 8.2.1 振动的分类..............................218 8.2.2 单自由度系统的受迫振动......218 8.2.3 多自由度系统振动..................221 8.2.4 机械阻抗的概念......................222 8.3 振动的激励 .........................................223 8.3.1 激振的方式..............................223 8.3.2 激振设备..................................225 8.4 测振传感器拾振器...........................229 8.4.1 常用测振传感器的类型..........229 8.4.2 惯性式拾振器的工作原理......229 8.4.3 压电式加速度拾振器..............231 8.4.4 选择测振传感器的原则..........231 8.5 振动信号分析仪器 .............................232 8.6 振动测试系统及数据处理实例 .........233 8.7 机械结构的固有频率和 阻尼率估计..........................................237 8.7.1 总幅值法..................................237 8.7.2 分量法......................................239 8.7.3 矢量法 .....................................241 小结 ..............................................................242 习题 ..............................................................243 第 9 章 现代测试技术.................................244 9.1 概述 .....................................................244 9.2 现代测试系统的基本概念 .................244 9.3 现代测试系统的基本组成 .................246 9.4 现代测试系统的特点 .........................247 9.5 虚拟测试仪器技术 .............................247 9.5.1 虚拟仪器含义及其特点 .........247 9.5.2 虚拟仪器的组成 .....................249 9.5.3 虚拟仪器典型单元模块 .........251 9.5.4 虚拟仪器开发系统 .................252 9.5.5 虚拟仪器的应用 .....................253 9.5.6 LabVIEW 简介........................253 9.6 智能仪器 .............................................254 9.6.1 智能仪器的工作原理 .............255 9.6.2 智能仪器的功能特点 .............255 9.6.3 智能仪器的发展概况 .............256 9.7 现代测试系统实例 .............................257 小结 ..............................................................258 习题 ..............................................................259 附录 部分章节的计算题答案...................260 参考文献.............................................................263 第 1 章 绪 论 教学提示引导初学者正确理解机械工程测试的基本概念。测试的含义，测量和测试 的联系及区别，非电量电测法的基本概念，系统的基本构成。 教学要求正确理解测量与测试的含义，掌握非电量电测法基本系统的构成，了解本 课程应用领域。 1.1 测试的含义 测试是人们认识客观事物的方法。测试技术泛指测量和试验两个方面的技术。 对生产、生活和科学研究活动中的各种物理量的确定构成了测量的全部内涵。测量的 过程或行为就是进行一个被测量与一个预定标准之间的定量的比较，从而获得被测对象的 数值结果。被测量表示被观察和被量化的特定物理参数，这个物理参数称为测量过程的输 入量。 如图 1.1 所示，为了确定某人的身高一个被测量，通常采用标准长度的米尺一个预 定标准对其进行测量，通过被测量与预定标准之间的定量比较，从而得到此人实际的身高 被测对象的数值结果。 图 1.1 测量过程与输入量和输出量的关系 比较的标准必须与被测量具有相同的特征，这些标准通常是被法定的或被承认的机构 或组织规定和确认，如国际标准化组织ISO或中国国家标准化管理委员会SAC。如图 1.1 所示，“米”便是一个明确规定的长度标准。 机械测量的范畴中除了长度、质量、时间等基本量之外，还包括温度、应变，以及有 关液流、声学和运动如位移、速度、加速度有关的参数等。 试验是对被研究的对象或系统进行实验性研究的过程。通常是将被研究对象或系统置 于某种特定的或人为构建的环境条件下，通过实验数据来探讨被研究对象的性能的过程。 图 1.2 所示为汽车乘坐舒适性的台架试验。坐椅处的加速度是衡量乘坐舒适性的指标之一。 测试技术基础 2 2 坐椅的加速度由置于坐椅处的加速度计测量，而液压振动台则提供汽车在颠簸道路上行驶 的状态模拟，测量得到的加速度的实验数据反映了汽车乘坐舒适性的一个指标。 衡量乘坐舒适性的指标之一坐椅处 的加速度 加速度计 液压振动台 模拟道路的颠簸 状态 图 1.2 实验与测量的关系 综上所述，通过实验得到的实验数据成为研究对象的重要依据如通过坐椅处加速度值 来评价该车的乘坐舒适性，如果超标，则表示应改进该车的设计，而测量的重要性在于它 提供了系统所要求的和实际所取得的结果之间的一种比较。测试是具有试验性质的测量， 是测量和试验的综合。测试过程是借助专门设备，通过合适的实验和必要的数据处理，从 研究对象中获得有关信息的认识过程。所以，测试科学属于信息科学范畴，又被称为信息 探测工程学。 对于信息，一般可理解为消息、情报或知识，例如古代烽火是外敌入侵的信息。从物 理学观点出发来考虑，信息不是物质，也不具备能量，但它却是物质所固有的，是其客观 存在或运动状态的特征。因此，可以理解为信息是事物运动的状态和方式。 信息本身不是物质，不具有能量，但信息的传输却依靠物质和能量。我们把传输信息 的载体称为信号。信息蕴涵于信号之中。例如古代烽火，人们观察到的是光信号，而它所 蕴涵的信息则是“外敌入侵”。 信号是物理性的，是物质，具有能量。人类获取信息需要借助信号的传播，信号的变 化则反映了所携带信息的变化。 测试工作的目的就是获取研究对象中有用的信息，而信息蕴涵于信号之中。因此，测 试工作就是信号的获取、加工、处理、显示记录及分析的过程。 1.2 测试技术在机械工程中的作用 人类从事的社会生产、经济交往和科学研究活动总是与测试技术息息相关。首先，测 试是人类认识客观世界的手段之一，是科学研究的基本方法。科学的基本目的在于客观地 描述自然界。科学定律是定量的定律，科学探索离不开测试技术，用定量关系和数学语言 来表达科学规律和理论也需要测试技术， 验证科学理论和规律的正确性同样需要测试技术。 事实上，科学技术领域内，许多新的科学发现与技术发明往往是以测试技术的发展为基础 第 1 章 绪论 3 3 的，可以认为，测试技术能达到的水平，在很大程度上决定了科学技术发展水平。 同时，测试也是工程技术领域中的一项重要技术。工程研究、产品开发、生产监督、 质量控制和性能试验等都离不开测试技术。在自动化生产过程中常常需要用多种测试手段 来获取多种信息，来监督生产过程和机器的工作状态并达到优化控制的目的。 在广泛应用的自动控制中，测试装置已成为控制系统的重要组成部分。在各种现代装 备系统的设计制造与运行工作中，测试工作内容已嵌入系统的各部分，并占据关键地位。 测试技术已经成为现代装备系统日常监护、故障诊断和有效安全运行的不可缺少的重要 手段。 1.3 测试方法分类与电测法测试系统 测试是为了获取研究对象中的有用信息。也就是说，被研究对象的信息量总是非常丰 富的，而测试工作是根据一定的目的和要求，获取有限的、观测者感兴趣的某些特定信息， 而不是企图获取该研究对象的全部信息。有关信息的基本知识在本书第 2 章讲述。 从研究对象获取的信号所携带的信息往往很丰富，既有研究者所需要的信息，也含有 大量不感兴趣的其他信息，后者统统被称为干扰。相应地，对于信号也有“有用信号”和 “干扰信号”的提法，但这是相对的。在一种场合被认为是“干扰”的信号，在另一种场 合则可能是“有用”的信号。例如，齿轮噪声对工作环境是一种“干扰”，但对于评价齿 轮副的运行状态和进行故障诊断时，又成为“有用”的了。测试工作的一个重要任务就是 从复杂的信号中排除干扰信号，提取出有用信号，此过程称为信息的处理和分析。有关信 息的处理和分析知识在第 3 章讲述。 由于被测信号和测试系统的多样性和复杂性，产生了各种类型的测试方法，以及多种 类型的测试系统。 1.3.1 测量的基本方法 1. 直接比较法 直接比较法就是通过直接与标准比较来进行测量。如测量桌子的长度，可采用钢卷尺 作为测量标准。将桌子的长度与这个标准做比较，就可得到桌子的长度是多少米，因为所使 用的标准钢卷尺上的“米”数便等于该桌子的长度，这就是通过直接的比较确定长度的 测量方法。而所使用的标准钢卷尺则称作二次标准，而原始长度标准则与光速有关。 2. 间接比较法 间接比较法必须使用某种形式的测量系统。如图 1.2 所示，为了检测汽车坐椅的加速 度，可以用加速度传感器并后接放大和变换电路，将加速度转换为一个模拟电量输出，该 模拟量的输出可通过记录设备最终表示成记录纸上的位移形式，该记录纸上的“位移”的 变化规律与汽车坐椅的加速度变化规律一致。此方法表明，通过记录纸上的“位移”的间 接测量得到了汽车坐椅加速度值。间接法是应用最广泛的测量方法。 又如图 1.3 所示的中国杆秤，是通过杠杆来完成质量旧称重量的间接测量。 测试技术基础 4 4 图 1.3 间接比较测量法 1.3.2 静态测试与动态测试 如果测试时信号不随时间变化，或随时间变化非常缓慢以至于可以忽略，则称这种测 试是静态测试。如果所测试的信号变化较快，称这种测试为动态测试。在动态测试中，测 试系统的各个环节如传感器、放大器等本身有自己的动态特性，而测试的研究对象也具 有特定的动态特性，所以测试信号是上述动态特性的综合反映。因此，通过测试信号确定 研究对象的动态特性比较复杂。本书第 4 章讲述测试系统的特性。 1.3.3 非电量电测法 在机械工程测试中，要测试的信号往往是机械量。从狭义的范围讲，机械量包括与运 动、力和温度有关的物理量，如位移、速度、加速度、外力、重量、力矩、功率、压力、 流量、温度等。为了测试工作的方便，往往需要把被测试的机械量信号转换成其他形式的 信号来处理。根据被测信号的转换方式，又可以把测试分成机械测量法、光测量法、气测 量法、液测量法和电测量法等。 如图 1.4 所示，钢板的厚度通过齿轮齿条机构转变成机械指针的角位移，指针的位移仍 为机械量，因此属于机械测量法。又如百分表测位移、天平砝码称重质量等都属于机械 测量法。 图 1.4 钢板厚度的机械测量法 第 1 章 绪论 5 5 光栅技术、激光测量技术和红外测量技术等都属于光测法。图 1.5 所示的表面粗糙度 的测量属于光测法。光测法的特点是精度高、稳定性好，但对环境条件要求高。一般来说， 光测法宜于在实验室条件下进行，或作为对其他仪器标定使用。 图 1.5 表面粗糙度的光测量法 图 1.6 所示是气动比较仪的工作原理图。中间压力 Pi取决于气源压力 PS以及喷孔 O1 和 O2之间的压降。喷孔 O2的有效尺寸随距离 d 而变化。当 d 变化时，压力 Pi也会发生变 化，这一变化可以用于尺寸 d 的测量。 图 1.6 尺寸 d 的气压测量法 气测量法、液测量法对环境条件要求不高，但由于其可压缩性和响应较迟缓，只适宜 做静态测试。 目前，机械工程中最普遍使用的测量方法是非电量电测法。这种测量方法精度高、灵 敏度高，特别适于动态测试。电测法可以将不同的被测机械量信号转换成相同的电信号， 便于用统一的后继仪器进行处理和计算机分析。同时，利用电测法还便于进行远距离测 量和控制，甚至可以进行无线遥控测量。图 1.2 所示的例子就是典型的非电量电测法，即 加速度传感器将加速度信号变换为电量输出。图 1.7 所示的例子则是表面粗糙度的电测 测试技术基础 6 6 法。可以说，电测法是现代测试技术发展的特点之一。本书重点讲述动态测试中的非电量 电测法。 图 1.7 表面粗糙度的电测法 1.3.4 非电量电测法系统的构成 图 1.2 所示的坐椅舒适性试验中，为了将加速度计中输出的加速度信号传输到观察者， 整个过程就必须力求既不失真，也不受干扰。或者说，要在有严重外界干扰的情况下提取 和辨识出信号中所包含的有用信息，因此在测试工作中往往还需要对信号做必要的变换、 放大等调理。 有时还需要选用适当的方式来激励研究对象信源， 使它处于人为控制的运动 状态如汽车的振动状态，从而产生表征特征舒适性信息的信号振动加速度，图 1.2 中的 液压振动台就是用于激励研究对象汽车的装置，称为激振装置。 据此，非电量电测法的测试系统往往是由许多功能不同的器件所组成。加速度测试系 统框图如图 1.8 所示，由此也可得到基本测试系统框图如图 1.9 所示，一般由测量装置、标 定装置和激励装置组成。 测量装置 激励装置 振动台 反馈控制 速度/ms -1 时间/s 第二级信号调理电路第三级显示与记录 第一级传感器 从加速度计获取带有 去除噪声 积分后得到的 放大后的 “噪声”的电压输出 后的信号 速度电压信号 电压信号 加 速 度 计 放大器滤波器积分器 显示记录 汽车振动 加速度 图 1.8 加速度测试系统框图 第 1 章 绪论 7 7 传感器 激励装置 显示记录信号调理信号分析 被 测 对 象 观测者 标定装置 反馈控制 测量装置 图 1.9 非电量电测法的测试系统框图 1. 测量装置 测量装置是各种测量仪器和辅助装置的总称。测量装置在本书第 5～7 章讲述。测量装 置包括传感器、信号调理与信号分析仪器以及显示、记录仪器三个部分，这三个部分也称 为三级，即 第一级 检测-传感器级或敏感元件-传感器级； 第二级 中间级称为信号调理级； 第三级 终端级或显示-记录级。 传感器感受和拾取被测的非电量信号，并把非电量信号转换成电信号，以便送入后续 的仪器进行处理。本书第 5 章专题讨论传感器。 信号调理仪器也称为中间转换电路，其目的是转换传感器送来的信号。该级对信号执 行一种或多种的基本操作，如实现再转换、放大或衰减、调制与解调、阻抗变换、滤波等 处理，最终使信号变成适合于显示、记录或与计算机外部设备适配的信号。 信号分析仪器目前多指计算机系统或专用数字信号分析仪器，也可以是模拟信号分析 仪器。它主要是对信号进行滤波、运算等，以求得信号中有用的特征值，本书第 6 章专题 讨论信号调理仪与信号分析仪。 显示仪、记录仪器的作用是提供人的知觉能够理解的信息，本书第 7 章专题讨论显示、 记录仪器。 2. 标定装置 标定装置用以找到测量装置的输入与输出之间的确切关系。图 1.2 例子中，通过间接 测量得到了最终的输出记录纸上的“位移”。记录纸上的“位移”的变化规律与汽车 坐椅的加速度变化规律一致，这表明可以通过记录纸上的“位移”定性地确定加速度的 变化规律。但要定量地确定“位移”与加速度的关系多少毫米“位移”代表多大的加速 度，类似于在温度计上做刻度，就必须对测量系统进行标定，标定所使用的装置称为标定 装置。 3. 激励装置 激励装置是根据测试内容的需要，使被测对象处于人为的工作状态，产生表征其特征 信息的信号。 测试技术基础 8 8 1.4 课程的性质和任务 测试工作是一件非常复杂的工作，需要多种科学知识的