机械工程测试技术案例优质PPT.ppt

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信号：

信息的载体电、光、力、声，物质的，有能量。

例：

讲话（声）、警报声（声）、烽火台（光）。

测试系统框图,一般说来，测试系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三部分组成。

传感器将被测物理量（如噪声，温度）检出并转换为电量，中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经A/D变换后用软件进行信号分析，显示记录装置则测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。

信息提取,信息调理,传感器：

被测试量转换为同种或别种量值输出电信号信号调理：

将来自传感器的信号转换成更适于传输和处理的形式例：

调幅、调频信号处理：

对信号运算，滤波，分析信号显示、记录：

测试技术的工程应用,在工程领域，科学实验、产品开发、生产监督、质量控制等，都离不开测试技术。

测试技术应用涉及到航天、机械、电力、石化和海洋运输等每一个工程领域。

1、工业自动化中的应用,a）机械手、机器人中的传感器转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。

测试技术的工程应用,在各种自动控制系统中，测试环节起着系统感官的作用，是其重要组成部分。

密歇根大学的机械手装配模型,广州中鸣数码的机器狗,b）AGV自动送货车,超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位置；

红外线色彩传感器运动轨迹和AGV小车位置识别；

条形码传感器，货品识别。

测试技术的工程应用,香港理工AGV模型,c）生产加工过程监测,测试技术的工程应用,切削力传感器，加工噪声传感器，超声波测距传感器、红外接近开关传感器等。

密歇根大学数字化工厂,测试技术的工程应用,2、流程工业设备运行状态监控,在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。

通常建立24小时在线监测系统。

测试技术的工程应用,3、产品质量测量,在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。

图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。

通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。

汽车扭距测量,机床加工精度测量,测试技术的工程应用,4、楼宇控制与安全防护,为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。

在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。

图示为某公司楼宇自动化系统。

该系统分为：

电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监控。

测试技术的工程应用,5、家庭与办公自动化,在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。

全自动洗衣机中的传感器：

衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器（洗净度）液位传感器，电阻传感器（衣物烘干检测）。

指纹传感器,透光率传感器,测试技术的工程应用,6、其他应用,航天,农业,交通,医学,测试技术的工程应用,鼠标:

光电位移传感器,摄像头:

CCD传感器,声位笔:

超声波传感器,麦克风:

电容传声器,声卡:

A/D卡+D/A卡,软驱:

速度,位置伺服,7、PC机中的测试技术应用,测试技术的发展趋势,1、传感器方面,a）利用新发现的材料和新发现的生物、物理、化学效应开发出的新型传感器,荧光材料制作的电子鼻传感器,生物酶血样分析传感器,b）传感器+嵌入式计算机智能传感器,振动网络传感器,嵌入式计算机,智能压力网络传感器,智能倾角RS232传感器,IC总线数字温度传感器,测试技术的发展趋势,无线传感器网络是采用无线通信的方式将大量的传感器节点形成一个多跳的、自组织的监控网络,无线通信传输，避免布线困难直接数字化，信号可靠性高自组织、维护方便、扩展性好,由于机组长时间生产厚料，炉区快冷段冷却风机在长时间高温和满负荷的运行状态下，轴承座温度值较高且呈上升趋势。

对该轴承进行冷却。

轴承座温度逐渐恢复正常，从而避免了轴承在长时间高温高速运行状态下发生研磨的可能性。

冷轧厂四辊轧机轴承温度监测,四辊轧机的轴承温度可以间接地反映设备的运行状态。

轧辊轴承所处的工作环境极其恶劣，在生产中长期有乳化液进行喷淋，若用传统的有线方式进行监测，难以安全布线，无法实现实时监测。

利用无线传感器网络技术，并对其进行高密封等级防护（IP68）。

测试技术的发展趋势,2、测量信号处理方面,计算机虚拟仪器技术,用PC机仪器板卡代替传统仪器用计算机软件代替硬件分析电路,优点,我们的工作,主要传感器和测试仪器生产厂商,3、测量分析仪器,参考书目,胡均安，曾光奇，工程测试基础，华中科技大学出版社。

贾民平、张洪廷，测试技术，高等教育出版社。

黄长艺、严普强，机械工程测试技术基础，机械工业出版社。

常作升、范福均，机械工程测试技术基础，西安交通大学出版社陈杰等，传感器与检测技术，高等教育出版社吴正毅，测试技术与测试信号处理，清华大学出版社王建民，机械工程测试技术，机械工业出版社卢文祥，机械工程测试.信息.信号处理，华中理工大学出版社樊尚春，信号与测试技术，北京航空航天大学出版社,课程特点,1、熟练地对信号进行频域分析，系统掌握系统的静、动态特性尤其是动态特性的分析和评价方法，了解常用传感器的信号转换原理，信号转换的基本方法。

2、测试技术所涉及的学科范围较广。

3、本课程的理论性和实践性都很强。

第二章信号及其描述第一节信号的分类与描述一、信号的分类：

（一）确定性信号：

确定函数x（t）或表格表示周期信号:

x（t）=x（t+nT）（n=1,2,3,.）,周期信号,非周期信号：

准周期信号，瞬变信号（瞬变非周期信号）,准周期信号:

由多个周期信号合成，但各信号频率不成公倍数。

如：

瞬变信号（瞬变非周期信号）:

持续时间有限的信号如,非确定性信号（随机信号）：

无法用x（t）描述，不能准确预测其未来瞬时值，但具某些统计特性，用概率统计方法由过去估计未来。

天气预报，树叶在风中的飘动,

（二）连续信号：

独立变量取值连续，幅值可以连续也可以离散离散信号：

独立变量取值离散,模拟信号：

独立变量和幅值均连续数字信号：

若离散信号的幅值也是离散,能量信号：

矩形脉冲信号，衰减指数信号功率信号：

单自由度振动系统作无阻尼自由振动,定义,讨论上述两个式子，只可能出现两种情况：

（有限值）（有限值）满足式的称为能量信号，满足式称功率信号。

定义：

一般说来，能量总是与某一物理量的平方成正比。

令R=1，则在整个时间域内，实信号f（t）的,平均功率,能量,二、信号的时域描述和频域描述为什么要对信号进行频域描述？

信号的时域与频域描述是否包含同样的信息量？

1.时域描述：

以时间为独立变量，反映信号幅值时间变化的关系不能提示信号的频率组成2.频域描述：

信号的频率组成及其幅值相角之大小揭示：

幅值频率，相位频率,幅频谱相频谱,时域描述：

直接观测或记录到的信号，以时间为独立变量的，称其为信号的时域描述。

频域描述：

以频率作为变量的，称其为信号的频域描述。

周期信号与离散频谱,狄里赫里条件:

（1）函数在一周期内极大值与极小值为有限个。

（2）函数在一周期内间断点为有限个。

T：

周期。

注意n的取值：

周期信号“无始无终”,傅里叶展开的意义：

理论意义：

把复杂的周期函数用简单的三角级数表示；

应用意义：

用三角函数之和近似表示复杂的周期函数。

周期信号傅里叶级数的三角函数形式,（n=1,2,3，）,式中-周期；

w0-基频,w0=2/T。

（1）周期偶函数只含直流和余弦项,

（2）周期奇函数只含正弦项,三角函数展开式的另一种形式,周期信号可以看作均值与一系列谐波之和-谐波分析法,傅里叶展开的意义：

频谱图,周期信号的频谱三个特点：

离散性谐波性收敛性,例1：

求周期性非对称周期方波的傅立叶级数并画出频谱图,解：

信号的基频,n次谐波的幅值和相角,最后得傅立叶级数,幅频谱图相频谱图,频谱图,t=0,t=T,周期性非对称方波的1，3，5，7次谐波,定理（收敛定理，狄利赫里充分条件）设f（x）是周期为2的周期函数，如果它满足：

（1）在一个周期内连续或只有有限个第一类间断点，

（2）在一个周期内至多只有有限个极值点，则f（x）的傅里叶级数收敛，并且当x是f（x）的连续点时，级数收敛于f（x）；

收敛定理：

例1设f（x）是周期为2的周期函数，它在,）上的表达式为,将f（x）展开成傅里叶级数,解所给函数满足收敛定理的条件，函数f（x）的傅里叶级数在f（x）的连续点x（xk）处收敛于f（x），在f（x）的间断点xk（k0,1,2,）处收敛于,三角函数系中任何两个不同的函数的乘积在区间,上的积分等于零，即,三角函数系的正交性：

三角函数系：

1，cosx，sinx，cos2x，sin2x，cosnx，sinnx，,积化和差公式：

sinsin=-cos（+）-cos（-）/2coscos=cos（+）+cos（-）/2sincos=sin（+）+sin（-）/2cossin=sin（+）-sin（-）/2,1、两角和、差角的余弦公式,2、两角和、差角的正弦公式,3、二倍角的正、余弦公式,周期信号傅里叶级数的复指数形式,欧拉公式,eix=cosx+isinx，e是自然对数的底，i是虚数单位。

它将三角函数的定义域扩大到复数，建立了三角函数和指数函数的关系，它在复变函数论里占有非常重要的地位。

傅立叶级数的复指数形式,复数傅里叶系数的表达式,其中an，bn的计算公式与三角函数形式相同，只是n包括全部整数。

一般cn是个复数。

因为an是n的偶函数，bn是n的奇函数，因此,即：

实部相等，虚部相反，cn与c-n共轭。

傅里叶级数系数之间的关系,等于三角函数模的一半,与三角函数形式中的相角相等,角速度按其旋转方向可以为正或负，一个向量的实部可以看成为两个旋转方向相反的矢量在其实轴上投影之和，而虚部则为虚轴上投影之差。

中点,信号频域分析是采用傅立叶变换等方法将时域信号变换为频域信号，从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。

大型空气压缩机传动装置故障诊断,频谱分析的应用,频谱分析主要用于识别信号中的周期分量，是信号分析中最常用的一种手段。

案例：

在齿轮箱故障诊断通过齿轮箱振动信号频谱分析，确定最大频率分量，然后根据机床转速和传动链，找出故障齿轮。

螺旋浆设计可以通过频谱分析确定螺旋浆的固有频率和临界转速，确定螺旋浆转速工作范围。

23非周期信号与连续频谱,分两类：

a.准周期信号定义：

由没有公共周期（频率）的周期信号组成频谱特性：

离散性，非谐波性判断方法：

周期分量的频率比（或周期比）不是有理数,b.瞬变非周期信号,几种瞬变非周期信号,一傅立叶变换,非周期信号可看作为周期信号,时，,时的信号，,其为频率间隔，,其频谱是连续的。

设一个周期信号x（t），在（,，,）区间以傅立叶,级数表示：

演变思路：

视作周期为无穷大的周期信号,定义x（t）的傅里叶变换X（）,X（）的傅里叶反变换x（t）:

傅立叶变换对：

将,代入，则有：

幅值谱,相位谱,与,一个非周期信号可以分解为角频率w连续变化的无数谐波,的叠加,称X（w）其为函数x（t）