机械测试技术复习指导.doc

1、量值：用数值和计量单位的乘积来表示。它被用来定量地表达被测对象相应属性的大小。

2、基本量和导出量：从彼此有关许多量中选取某些量作为相互独立基本量，其余量由基本量按照一定函数关系来定义称为导出量。

3、量纲和量的单位：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。一个量纲是唯一的，量纲单位可有多个，但不同的单位制必须被标准化。工程上的无量纲量实际上是一个数。

4、计量 当测量涉及实现单位统一和量值准确可靠时称为计量。

5、基准是用来保存、复现计量单位的计量器具，是具有现代科学技术所能达到的最高准确度的计量器具。通常分为国家基准、副基准、工作基准。

6、计量器具检定是指为评定计量器具的计量特性，确定其是否符合法定要求所进行的全部工作。必须遵守检定规程，其内容包括：适用范围、计量器具的计量特性、检定项目、检定条件、检定方法、检定周期、检定结果的处理。计量器具的检定规程分为国家、部门和地方三种。

7、测量装置：测量系统是指为了确定被测量值所必须的器具和辅助设备的总体。包括传感器、测量变换器、检测器。
按信号随时间的变化特征分类 -- 确定性信号与非确定性信号；
按信号幅值随时间变化的连续性分类 -- 连续信号与离散信号；
按信号的能量特征分类 -- 能量信号与功率信号；
1、确定性信号：可用明确数学关系式描述的信号。
2、非确定性信号：不能用数学关系式描述的信号。
3、准周期信号:由多个周期信号合成，其中至少有一对频率比不是有理数。
4、能量信号：在所分析的区间（-∞，∞），能量为有限值的信号称为能量信号。（一般持续时间有限的瞬态信号是能量信号）满足条件：
5、功率信号：在所分析的区间（-∞，∞），能量不是有限值．此时，研究信号的平均功率更为合适（一般持续时间无限的信号都属于功率信号）。
时域描述：反映信号随时间变化；
频域描述：反映信号的组成成分；
幅值域描述：反映信号幅值大小的分布；
时延域描述：反映信号间的相互关系。
周期信号的描述
1、傅里叶级数的三角函数展开式：
2、傅里叶级数的复指数函数展开式：
3、欧拉公式
4、周期信号的频谱的特点：具有离散性、谐波性和收敛性
1) 周期信号频谱是离散的；
2)每条谱线只出现在基波频率的整倍数上，不存在非整倍数的频率分量；
3)各频率分量的谱线高度与对应谐波的振幅成正比。工程中常见的周期信号，其谐波幅值
总的趋势是随谐波次数的增高而减小的。
例1、求周期方波的傅立叶级数（复指数函数形式）

非周期信号的频域分析手段是傅立叶变换。
非周期信号可以看成是周期T0→∞的周期信号，区间从（－ T0 /2, T0 /2）趋于（－∞，∞），
频谱的频率间隔△ω＝ω0＝2π／T0 →dω，离散的nω0变为连续的ω，求和变为积分。

傅立叶变换对;

或

连续幅值谱 连续相位谱 频谱密度函数

例2、求双边指数衰减函数的频谱。

例3、求符号函数和单位阶跃函数的频谱。

单位阶跃函数可以看作是单边指数衰减函数a→0时的极限形式。

d函数: 是一个理想函数，是物理不可实现信号。

常用传感器工作原理
传感器是能感受规定的被测量、并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成(GB766-87)。
获得传感器信号的两种方法：直接获得电信号的变化（开关传感器）；将物理量变换成电信号的变化（水位、压力等）。
一是 敏感作用：感受并拾取被测对象的信号
二是变换作用：被测信号转换成易于检测和处理的电信号
一、传感器的分类
1)按被测物理量分类:(2)按传感器元件的变换原理分类:
物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.
例如:水银温度计,压电测力计.
结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.
例如:电容式和电感式传感器.
电阻式,电容式,电感式,压电式、光电式等.
能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.例如:热电偶温度计,压电式加速度计.
能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.例如:电阻应变片.
能量传递型:从某种能量发生器与接受器进行能量传递过程中实现敏感检测.
例如:超声波发生器和接受器.
二、传感器的工作原理
1、电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器。
金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。

2、电容式传感器
当被测量δ、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。
3、电感式传感器
电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。
3-1、自感型--可变磁阻式

3-2、涡流式 原线圈的等效阻抗Z变化：

3-3、变压器式--差动变压器 工作原理:互感现象

4、磁电式传感器
磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势一种转换器。

4-1、动圈式传感器

4 -2、磁阻式传感器
5、压电式传感器
某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。
q=DF
6、其它传感器

6-1、压磁式传感器（电感式）
铁磁材料在外力作用下，内部发生变形，各磁畴之间的界限发生移动，使磁畴磁化强度矢量转动，从而使材料的磁化强度发生相应变化。材料受到压力时，在作用力方向磁导率减少，而在垂直方向略有增大，作用力取消后，磁导率复原
6-2、霍尔式传感器（磁电式）
金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流通过时，在垂直于电流和磁场方向上将产生电动势。
6-3、磁阻效应传感器（磁电式）
电流在洛仑兹力的作用下使一些载流子往一边偏转，改变磁场的强弱就影响电流密度的分布，表现为半导体的电阻变化。
6-4热电式传感器
把被测量转变成电量变化，原理为热电效应，可分为热电偶、热电阻传感器。
6-5光电传感器
把光信号转变成电量变化，原理为光电效应，按其作用原理又分为外光电效应、内光电效应和光生伏打效应。
三、传感器选用原则
1、灵敏度：传感器灵敏度越高越好，但在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。 a)灵敏度过高引起的干扰问题； b)量程范围。 c)交叉灵敏度问题。
2 线性范围：任何传感器都有一定的线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。
3 响应特性：传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。
4 稳定性：是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。
5 精确度：是表示传感器的输出与被测量的对应程度。
6 测量方式：传感器工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。
第四部分 信号的调理
信号调理的目的是便于信号的传输与处理。
1.传感器输出的微弱电信号，需要放大或进行阻抗变换，才能输送到显示、记录或分析仪器中去。 
2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。
3.便于信号的远距离传输，需要对传感器测量信号进行调制解调处理。
电 桥
1、直流电桥的平衡条件
2、直流电桥的输出电压
电容传感器

电感传感器

电阻传感器

二、调制与解调
1、目的：解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。
先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，然后利用交流放大器进行放大，最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号。
三、滤波器　
滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分．
1 滤波器分类（根据滤波器的选频作用分）
低通滤波器（Low pass filter)高通滤波器(High pass filter)带通滤波器(band pass filter)
带阻滤波器(band stop filter)
2 滤波器的性能参数
理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和相位都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。
1、纹波幅度d ：波动幅度d与幅频特性平均值A0相比应小于-3dB。
2、截止频率fc :幅频特性值等于0.707A0所对应的频率．
3、带宽B：上下两截频间的频率范围称为带宽。恒带宽滤波器 B=fc2-fc1、恒带宽比滤
器 B=fc1（2n-1)
4、中心频率f0:
5、品质因数Q: 中心频率和带宽之比称为品质因数
6、倍频程选择性W:指在上截止频率fc2与 2fc2之间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量。
7、滤波器因素λ:滤波器选择性，定义为滤波器幅频特性的-60dB带宽与-3dB带宽的比。
3 RC无源滤波器 　
在测试系统中，常用RC滤波器。因为这一领域中信号频率相对来说不高。而RC滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且选用标准阻容元件 。

第六部分 测试系统的基本特性
测试系统是测量装置、标定装置和激励装置总称。
当输入、输出是可测量的(已知)，可以通过它们推断系统的传输特性。由此根据测试要达到的要求正确合理选用仪器。
1 组成测试系统应考虑的因素
1)技术性能
　精度：是与评价测试装置产生的测量误差大小有关的指标。
精密度（precision）：示值重复性（ 随机误差） 准确度（accuracy）：系统误差
绝对误差 = 测量结果－被测真值 相对误差= 绝对误差/被测真值 x 100%
引用误差= 绝对误差/满量程值x 100％ 仪器的精度等级一般用最大引用误差来标称。
分辨力：指能引起输出量发生变化时输入量的最小变量，表明测试装置分辨输入量微小变化的能力。
测量范围：是指测试装置能正常测量最小输入量和最大输入量之间的范围。 静态测量：幅值 动态测量：幅值和频率
稳定性：是指在一定工作条件下，当输入量不变时，输出量随时间变化的程度。
温漂 零漂
可靠性：是与测试装置无故障工作时间长短有关的一种描述。
2、测试系统基本要求
理想的测试系统应该具有单值的、确定的输入－输出关系。对于每一输入量都应该只有单一的输出量与之对应。知道其中一个量就可以确定另一个量。其中以输出和输入成线性关系最佳。
线性系统性质：a)叠加性 b)比例性 c)微分性 d)积分性 e)频率保持性
线性系统的这些主要特性、特别是符合叠加原理和频率保持性，在测量工作中具有重要作用。
3、 测试系统静态响应特性
如果测量时，测试装置的输入、输出信号不随时间而变化，则称为静态测量。静态测量时，测试装置表现出的响应特性称为静态响应特性。
1、非线性：标定曲线与拟合直线的偏离程度就是非线性度。 非线性度=B/A×100%
2、灵敏度：当测试装置的输入x有一增量△x，引起输出y发生相应的变化△y时，则定义: S=△y/△x
3、回程误差：测试装置在输入量由小增大和由大减小的测试过程中，对于同一个输入量所得到的两个数值不同的输出量之间差值最大者为hmax，则定义回程误差为回程误差=(hmax/A)×100%

(3)、影响测量的因素及其消除方法
1）、温度的影响及温度补偿
温度自补偿应变片、电路补偿片
在测试操作中须满足以下三个条件：
工作片和补偿片必须是相同，补偿板和待测试件的材料必须是相同，工作片和补偿片的温度条件必须是相同或位于同一温度环境下。
2）、减少贴片误差
应变片与主应变方向应一致。
3）、力求应变片实际工作条件和额定条件一致，一定基长的应变片有一定的允许极限频率。
4）、排除测量现场的电磁干扰
5）、测点的选择
应根据以最少的测点达到足够真实地反映结构受力状态的原则来选择测点。
a）、预先进行受力分析，找出危险断面、危险位置；
b）、截面尺寸急剧变化的部位或孔槽导致应力集中的部位；
c）、无法确定时，测点均匀分布；
d）、利用结构与载荷的对称性，减少测点；
e）、在不受力或已知应力、应变位置上安排一个测点，以便进行监视和比较；
f）、防止干扰；
g）、动态测量时，多采用单片半桥测量。

3、力的测量
（1）、动态测力装置的使用特点
1）、动态测力装置的动态误差、负载效应、弹性力和实际作用力在幅值和相位不一样、系统向应为近似模型。
2）、注意减少交叉干扰
3）、测力装置频率特性的测定
（2）、测力传感器的标定
1）、静态标定
标定曲线、灵敏度、各向交叉干扰度
2）、动态标定
4、扭矩的测量
1、应变式扭矩传感器的工作原理