《机械工程测试技术》复习.ppt

2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 1 机械工程测试技术 考试安排考试时间 5月8日18 00 20 00 考试地点 逸夫楼 请参加考试的学生携带好本人有效的身份证件 2 一 基本概念测量 测试 测试基本任务 测试系统组成 传感器 信号 信号调理 信号处理 量值 量纲 法定计量单位 基准和标准 测量方法 测量误差 量程 测量范围 漂移 传感器 信号调理 传输 信号处理 显示记录 激励装置 反馈 控制 观察者 被测对象 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 3 二 信号的分类 信号分类 确定性信号随机信号 连续信号离散信号 能量信号功率信号 周期信号非周期信号 准周期信号瞬变非周期信号 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 4 三 信号的时域描述和频域描述 时域描述 频域描述 基频 n次谐波 周期信号傅里叶级数三角函数展开离散单边频谱 周期信号傅里叶级数复指数展开式连续双边频谱 瞬变非周期信号与连续频谱 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 5 四 傅里叶变换的主要性质 1 奇偶虚实性2 对称性3 时间尺度改变特性4 时移和频移特性5 卷积定理6 微分和积分特性 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 6 五 几种典型信号的频谱1 矩形窗函数的频谱2 函数及其频谱3 正 余弦函数的频谱密度函数4 周期单位脉冲序列的频谱 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 7 六 测试装置的基本特性1 线性系统时不变线性系统 定常数线性系统 2 主要性质叠加原理 比例特性 频率保持性3 有关测试和测试装置的若干概念准确度 频率范围 信噪比 动态范围4 测量装置的特性 静态特性 动态特性 负载特性 抗干扰性 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 8 七 测量装置的静态特性 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 9 八 测量装置的动态特性1 传递函数 频率响应函数 脉冲响应函数2 环节串联 并联3 一阶系统及特性4 二阶系统及特性5 系统对任意输入和单位阶跃输入的响应6 不失真测试7 测量装置动态特性的测量8 负载效应9 测量装置的抗干扰 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 10 九 传感器1 定义 分类 物性型传感器 结构型传感器2 电阻式传感器 3 电感式传感器4 电容式传感器 5 压电式传感器6 磁电式传感器 7 霍尔元件8 固态图像传感器 9 其它10 传感器选用原则 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 11 十 电桥信号调理直流电桥及平衡条件交流电桥及平衡条件不平衡电桥平衡电桥 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 12 十一 调制与解调调制 解调调幅及解调整流检波和相敏检波调频及解调 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 13 相敏检波时 对原信号可不必再加偏置 电路设计变压器B二次输出电压比A二次输出电压大 相敏检波原理说明 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 14 图4 21鉴频器原理 P139 uf uo ua C2 R2 幅值检波部分 频率 电压线性变换部分 a R1 C1 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 15 十二 滤波器滤波器分类 低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器理想滤波器 实际滤波器及特征参数 截止频率 带宽 纹波 幅度 倍频程选择 滤波器因数恒带宽比滤波器 品质因数 倍频程 上下截止频率 带宽 中心频率恒带宽滤波器 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 16 十三 信号处理基本概念 信号分析 数字化问题 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 17 离散傅立叶变换的图解推演 a 模拟信号及其傅立叶变换b 采样信号及其傅立叶变换c 离散信号及其傅立叶变换d 矩形窗函数及其傅立叶变换e 矩形窗函数采样信号及其傅立叶变换f 频域采样函数及其傅立叶逆变换g 离散信号傅立叶变换 离散傅立叶变换步骤 1 时域采样2 时域截断3 频域采样 时域采样引起频域周期化 频域采样引起时域周期化 当窗函数的宽度T 时 sinc函数就变成 函数 由于T不够宽带来误差从而产生波纹和泄漏 18 十三 信号处理基本概念 随机信号 相关系数自相关函数性质 范围 最大值 偶函数 很大时不确定性 周期信号保留了频率和幅值而丢失了相位信息互相关函数性质 范围 最大值 非偶函数 周期信号保留了频率 幅值 相位差信息 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 20 一般 任意两个复数不能比较大小 复数z的实部Re z x 虚部Im z y realpart imaginarypart 判断复数相等 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 21 1 点的表示 数z与点z同义 二 复数的几何表示 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 22 2 向量表示法 称向量的长度为复数z x iy的模或绝对值 以正实轴为始边 以为终边的角的弧度数称为复数z x iy的辐角 z 0时 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 23 辐角无穷多 Argz 0 2k k Z z 0时 辐角不确定 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 24 由向量表示法知 3 三角表示法 4 指数表示法 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 25 0 Re Im A 正负频率 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 26 Re Im Re Re Im Im t t t t 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 27 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 28 傅立叶级数和频谱图 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 29 实频谱图与纵轴偶对称 虚频谱图与纵轴奇对称 cnR 1 2an 1 2an cnI 1 2bn 1 2bn 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 30 从傅立叶变换到拉普拉斯变换 e tx t 的付氏变换为 上述积分是 j 的函数 令 拉普拉斯变换与傅立叶变换 傅立叶变换 e tx t 为实常数 A 如果积分不收敛 则x t 的傅里叶变换不存在 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 31 拉普拉斯变换 付氏逆变换为 两边同乘e t B 令 A B 两式为 即存在关系 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 32 若 则有 这就是的傅里叶变换 表明 连续时间傅里叶变换是双边拉普拉斯变换在或是在轴上的特例 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 33 由于 所以拉氏变换是对傅立叶变换的推广 的拉氏变换就是的傅立叶变换 只要有合适的存在 就可以使某些本来不满足狄里赫利条件的信号在引入后满足该条件 即有些信号的傅氏变换不收敛而它的拉氏变换存在 这表明拉氏变换比傅立叶变换有更广泛的适用性 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 34 傅里叶变换和拉普拉斯变换的意义傅立叶变换就是把一个信号 分解成无数的正弦波 或者余弦波 信号 并确定每个正弦波的幅度和每个正弦波之间的相位差 傅里叶变换简单通俗理解就是把看似杂乱无章的信号考虑成由一定振幅 相位 频率的基本正弦 余弦 信号组合而成 傅里叶变换的目的就是找出这些基本正弦 余弦 信号中振幅较大 能量较高 信号对应的频率 从而找出杂乱无章的信号中的主要振动频率特点 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 35 拉普拉斯变换 LaplaceTransform 是工程数学中常用的一种积分变换 它是为简化计算而建立的实变量函数和复变量函数间的一种函数变换 拉普拉斯变换的这种运算步骤对于求解线性微分方程尤为有效 在经典控制理论中 对控制系统的分析和综合 都是建立在拉普拉斯变换的基础上的 引入拉普拉斯变换的一个主要优点 是可采用传递函数代替微分方程来描述系统的特性 这就为采用直观和简便的图解方法来确定控制系统的整个特性 见信号流程图 动态结构图 分析控制系统的运动过程 见奈奎斯特稳定判据 根轨迹法 以及综合控制系统的校正装置 见控制系统校正方法 提供了可能性 拉普拉斯变换在工程学上的应用 应用拉普拉斯变换解常变量齐次微分方程 可以将微分方程化为代数方程 使问题得以解决 在工程学上 拉普拉斯变换的重大意义在于 将一个信号从时域上 转换为复频域 s域 上来表示 在线性系统 控制自动化上都有广泛的应用 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 36 单边拉普拉斯变换 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 37 初始条件的影响 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 38 拉氏变换性质 2 时域微分性质 3 时域积分性质 1 线性性质 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 39 一 传递函数 系统传输特性复数域表现 取拉氏变换得 2 13 其中 为复变量 是与输入和系统初始条件有关的 称为系统传递函数 反映系统本身特性 若初始条件全为零 即 使得 2 14 2 1 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 40 系统对单位阶跃输入的响应 单位阶跃输入为 其L氏变换为 一阶系统传递函数 一阶系统输出为 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 41 一阶系统输出 改变形式为 L氏反变换 一阶系统输出为 2 40 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 42 二阶系统传递函数 二阶系统输出为 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 43 合理的供电系统 供电系统的抗干扰措施应用时有顺序吗 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 44 电阻应变片 图3 11动态电阻应变仪框图 为什么振荡器相当于乘法器 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 45 双螺旋管圈差动型传感器常接于电桥两个桥臂上 线圈电感L1 L2随铁心位移而变化 其输出特性如图 3 14 所示 图3 14双螺管线圈差动型电桥电路及输出特性 a u L2 L1 x 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 46 3 7一个电容测微仪 其传感器的圆形极板半径r 4mm 工作初始间隙 0 3mm 问 1 工作时 如果传感器与工件的间隙变化量 1 m时 电容变化量是多少 2 如果测量电路的灵敏度S1 100mV pF 读数仪表的灵敏度S2 5格 mV 在 1 m时 读数仪表的指示值变化多少格 解 1 2 B S1S2 C 100 5 4 94 10 3 2 47格 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 47 4 2有人在使用电阻应变仪时 发现灵敏度不够 于是试图在工作电桥上增加电阻应变片数以提高灵敏度 试问 在下列情况下 是否可提高灵敏度 说明为什么 1 半桥双臂各串联一片 2 半桥双臂各并联一片 解答 电桥的电压灵敏度为即电桥的输出电压和电阻的相对变化成正比 由此可知 1 半桥双臂各串联一片 虽然桥臂上的电阻变化增加1倍 但桥臂总电阻也增加1倍 其电阻的相对变化没有增加 所以输出电压没有增加 故此法不能提高灵敏度 2 半桥双臂各并联一片 桥臂上的等效电阻变化和等效总电阻都降低了一半 电阻的相对变化也没有增加 故此法也不能提高灵敏度 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 48 4 7试从调幅原理说明 为什么某动态应变仪的电桥激励电压频率为10kHz 而工作频率为0 1500Hz 解答 为了不产生混叠 以及解调时能够有效地滤掉高频成分 要求载波频率为5 10倍调制信号频率 动态应变仪的电桥激励电压为载波 频率为10kHz 所以工作频率 即允许的调制信号最高频率 为0 1500Hz是合理的 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 49 3 4有一电阻应变片 其灵敏度Sg 2 R 120 设工作时其应变为1000 问 R 将此应变片接成如图所示电路 试求1 无应变时电流表示值 2 有应变时电流表示值 3 电流表指示相对变化量 4 试分析这个变量能否从表中读出 毫安表难以分辨出0 025mA的电流 不能从表中读出 1 5V 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 50 4 1以阻值R 120 灵敏度S 2的电阻丝应变片与阻值为120 的固定电阻组成电桥 供桥电压为3V 并假定负载电阻为无穷大 当应变片的应变为2 和2000 时 分别求出单臂 双臂电桥的输出电压 并比较两种情况下的灵敏度 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础 51 4 10已知RC低通滤波器 R 1k C 1 F 1 确定各函数式H s H j A 2 当输入信号 x 10sin1000t时 求输出 y 并比较其幅值及相位关系 2020年3月27日星期五 机械工程测试技术基础