華北理工大學(xué)《機械工程測試技術(shù)》重點?摘要：本文詳細(xì)闡述了華北理工大學(xué)《機械工程測試技術(shù)》課程的重點內(nèi)容，包括測試系統(tǒng)的基本組成、信號的分類與描述、傳感器原理與應(yīng)用、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集與處理以及測試系統(tǒng)的特性分析等方面。通過對這些重點知識的梳理，有助于學(xué)生更好地掌握該課程的核心要點，為今后從事機械工程領(lǐng)域的測試工作奠定堅實基礎(chǔ)。一、引言《機械工程測試技術(shù)》是機械工程專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，它涉及到機械工程領(lǐng)域中各種物理量的測量原理、方法和技術(shù)。該課程對于培養(yǎng)學(xué)生運用現(xiàn)代測試技術(shù)解決實際工程問題的能力具有重要意義。通過學(xué)習(xí)本課程，學(xué)生應(yīng)掌握測試系統(tǒng)的基本理論和方法，能夠正確選擇和使用傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集設(shè)備等，對機械工程中的各種信號進(jìn)行采集、處理和分析，從而獲得有用的信息，為機械產(chǎn)品的設(shè)計、制造、質(zhì)量控制等提供依據(jù)。二、測試系統(tǒng)的基本組成（一）傳感器傳感器是測試系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，它能夠?qū)⒈粶y量（如力、位移、速度、溫度等）轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的電量輸出。常見的傳感器有應(yīng)變片、電感式傳感器、電容式傳感器、壓電式傳感器、熱電偶、熱電阻等。不同類型的傳感器適用于不同的測量場合，其工作原理和特性也各不相同。例如，應(yīng)變片利用電阻應(yīng)變效應(yīng)將外力引起的應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化；壓電式傳感器基于壓電效應(yīng)，將力轉(zhuǎn)換為電荷輸出，常用于測量動態(tài)力和加速度等。（二）信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路的作用是將傳感器輸出的微弱信號進(jìn)行放大、濾波、調(diào)制解調(diào)、阻抗匹配等處理，使其滿足后續(xù)電路或儀器的要求。例如，對傳感器輸出的毫伏級電壓信號進(jìn)行放大，以提高信號的幅值；通過濾波電路去除信號中的噪聲干擾，提高信號的純度；對于調(diào)制信號進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)出原始信號等。（三）數(shù)據(jù)采集與記錄裝置數(shù)據(jù)采集與記錄裝置用于采集經(jīng)過調(diào)理后的信號，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)行存儲或進(jìn)一步處理。它包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)據(jù)采集卡等。數(shù)據(jù)采集的過程包括采樣和量化，采樣頻率應(yīng)滿足采樣定理，以避免混疊現(xiàn)象的發(fā)生。記錄裝置可以將采集到的數(shù)據(jù)存儲在硬盤、U盤等存儲介質(zhì)中，以便后續(xù)分析。（四）顯示與分析設(shè)備顯示與分析設(shè)備用于將采集到的數(shù)據(jù)以直觀的方式顯示出來，并進(jìn)行各種分析處理。常見的顯示設(shè)備有示波器、顯示器等，它們可以實時顯示信號的波形、幅值、頻率等參數(shù)。分析設(shè)備則可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析、時域分析、統(tǒng)計分析等，提取信號的特征信息，為故障診斷、性能評估等提供依據(jù)。三、信號的分類與描述（一）信號的分類1.確定性信號與隨機信號確定性信號：可以用明確的數(shù)學(xué)關(guān)系式描述的信號，包括周期信號和非周期信號。周期信號是按一定時間間隔重復(fù)出現(xiàn)的信號，如正弦信號、方波信號等；非周期信號則不具有周期性，如指數(shù)衰減信號等。隨機信號：不能用確定的數(shù)學(xué)關(guān)系式描述的信號，其取值具有隨機性，如噪聲信號、振動信號等。2.連續(xù)信號與離散信號連續(xù)信號：在時間上連續(xù)取值的信號，其幅值也可以是連續(xù)的或離散的。離散信號：僅在離散時間點上取值的信號，通常是對連續(xù)信號進(jìn)行采樣得到的。3.模擬信號與數(shù)字信號模擬信號：信號的幅值隨時間連續(xù)變化，其物理量是連續(xù)的。數(shù)字信號：信號的幅值和時間均離散化，以二進(jìn)制代碼表示，便于計算機處理。（二）信號的描述1.時域描述時域描述是直接觀察信號隨時間變化的情況，常用的時域參數(shù)有均值、方差、峰值、有效值等。均值反映信號的直流分量，方差表示信號的波動程度，峰值是信號的最大值，有效值則與信號的能量有關(guān)。2.頻域描述頻域描述是將信號分解為不同頻率的正弦分量之和，通過頻譜分析可以得到信號的頻率成分和分布情況。常用的頻域分析方法有傅里葉變換，它可以將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號，得到信號的頻譜圖。頻譜圖直觀地顯示了信號中各個頻率成分的幅值大小，有助于分析信號的特征和頻率特性。3.幅值域描述幅值域描述主要關(guān)注信號幅值的分布情況，常用的參數(shù)有概率密度函數(shù)、概率分布函數(shù)等。概率密度函數(shù)表示信號幅值在某一范圍內(nèi)出現(xiàn)的概率密度，概率分布函數(shù)則表示信號幅值小于某一值的概率。四、傳感器原理與應(yīng)用（一）電阻式傳感器1.應(yīng)變片應(yīng)變片是最常用的電阻式傳感器之一，它通過粘貼在被測物體表面，感受物體的應(yīng)變，從而引起電阻的變化。應(yīng)變片的電阻變化與應(yīng)變之間的關(guān)系為：$\DeltaR/R=K\varepsilon$，其中$\DeltaR$為電阻變化量，$R$為初始電阻，$K$為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，$\varepsilon$為應(yīng)變。應(yīng)變片廣泛應(yīng)用于力、壓力、扭矩等測量場合。2.熱電阻熱電阻是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性來測量溫度的傳感器。常見的熱電阻有鉑電阻和銅電阻，它們的電阻值與溫度之間具有良好的線性關(guān)系。熱電阻常用于工業(yè)溫度測量、溫度控制等領(lǐng)域。（二）電感式傳感器電感式傳感器利用電磁感應(yīng)原理將被測量轉(zhuǎn)換為電感的變化，常見的有自感式和互感式傳感器。自感式傳感器如變氣隙式、變面積式、螺線管式電感傳感器，通過改變氣隙、面積或線圈匝數(shù)等因素來改變自感系數(shù)；互感式傳感器如變壓器式傳感器，利用互感原理工作。電感式傳感器常用于位移、厚度、振動等測量。（三）電容式傳感器電容式傳感器以電容量的變化來檢測被測量，其靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)快。常見的電容式傳感器有變極距型、變面積型和變介質(zhì)型。變極距型電容傳感器的電容量與極距成反比，變面積型與面積成正比，變介質(zhì)型與介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)。電容式傳感器廣泛應(yīng)用于位移、壓力、加速度等測量。（四）壓電式傳感器壓電式傳感器基于壓電效應(yīng)工作，當(dāng)受到外力作用時，會產(chǎn)生電荷輸出。它具有靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，常用于測量動態(tài)力、沖擊力、加速度等。壓電材料有石英晶體、壓電陶瓷等。（五）傳感器的選擇與應(yīng)用在實際應(yīng)用中，選擇合適的傳感器至關(guān)重要。需要考慮的因素包括測量精度、測量范圍、靈敏度、線性度、響應(yīng)特性、抗干擾能力、工作環(huán)境等。根據(jù)不同的測量要求，合理選擇傳感器的類型，并進(jìn)行正確的安裝和使用，以確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。五、信號調(diào)理電路（一）放大電路1.基本放大電路常用的基本放大電路有共射極放大電路、共集電極放大電路和共基極放大電路。共射極放大電路具有較高的電壓放大倍數(shù)，但輸入電阻較低；共集電極放大電路的電壓放大倍數(shù)小于1，但輸入電阻高、輸出電阻低，具有電流放大作用；共基極放大電路的電壓放大倍數(shù)較高，輸入電阻低、輸出電阻高。2.集成運算放大器集成運算放大器是一種高增益、高輸入電阻、低輸出電阻的多級直接耦合放大電路。它可以組成各種類型的信號放大電路，如反相比例放大器、同相比例放大器、加法放大器、減法放大器等。通過合理設(shè)計電路參數(shù)，可以實現(xiàn)對信號的精確放大。（二）濾波電路1.濾波器的分類濾波器按其選頻特性可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。低通濾波器允許低頻信號通過，抑制高頻信號；高通濾波器則相反；帶通濾波器只允許某一頻段內(nèi)的信號通過；帶阻濾波器抑制某一頻段內(nèi)的信號，允許其他頻段信號通過。2.濾波器的設(shè)計方法常用的濾波器設(shè)計方法有巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器、橢圓濾波器等。這些濾波器具有不同的特性，可以根據(jù)實際需求選擇合適的設(shè)計方法和參數(shù)，以滿足濾波要求。（三）調(diào)制解調(diào)電路1.調(diào)制原理調(diào)制是將低頻信號加載到高頻載波信號上的過程，常用的調(diào)制方式有調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）和調(diào)相（PM）。調(diào)幅是使載波的幅值隨調(diào)制信號的大小變化；調(diào)頻是使載波的頻率隨調(diào)制信號變化；調(diào)相是使載波的相位隨調(diào)制信號變化。2.解調(diào)原理解調(diào)是調(diào)制的逆過程，用于從已調(diào)制信號中恢復(fù)出原始低頻信號。常用的解調(diào)方法有包絡(luò)檢波、同步檢波等。包絡(luò)檢波適用于調(diào)幅信號的解調(diào)，同步檢波則可用于各種調(diào)制信號的解調(diào)，需要與載波信號同步。（四）阻抗匹配電路阻抗匹配的目的是使信號源與負(fù)載之間實現(xiàn)最大功率傳輸。常用的阻抗匹配電路有變壓器耦合、LC匹配網(wǎng)絡(luò)等。通過適當(dāng)調(diào)整電路參數(shù)，使信號源輸出阻抗與負(fù)載輸入阻抗相等，以提高信號傳輸效率。六、數(shù)據(jù)采集與處理（一）數(shù)據(jù)采集1.采樣定理采樣定理指出，為了能夠從采樣信號中無失真地恢復(fù)出原始信號，采樣頻率$f_s$必須大于等于原始信號最高頻率$f_m$的兩倍，即$f_s\geq2f_m$。違反采樣定理會導(dǎo)致混疊現(xiàn)象的發(fā)生，使恢復(fù)出的信號與原始信號不同。2.采樣方式常見的采樣方式有均勻采樣和非均勻采樣。均勻采樣是在等時間間隔上對信號進(jìn)行采樣；非均勻采樣則根據(jù)信號的特點，在某些時間段內(nèi)增加采樣點數(shù)，以更準(zhǔn)確地捕捉信號的變化。（二）模數(shù)轉(zhuǎn)換模數(shù)轉(zhuǎn)換是將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程，常用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器有逐次逼近型、雙積分型等。逐次逼近型ADC轉(zhuǎn)換速度快，適用于高速數(shù)據(jù)采集；雙積分型ADC抗干擾能力強，常用于對精度要求較高的場合。模數(shù)轉(zhuǎn)換的主要性能指標(biāo)包括分辨率、轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速度等。（三）數(shù)據(jù)處理1.數(shù)字濾波數(shù)字濾波是利用數(shù)字信號處理技術(shù)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。與模擬濾波相比，數(shù)字濾波具有靈活性高、穩(wěn)定性好、可實現(xiàn)復(fù)雜濾波算法等優(yōu)點。常見的數(shù)字濾波算法有均值濾波、中值濾波、低通濾波、高通濾波、帶通濾波等。2.信號特征提取通過對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可以提取信號的特征信息，如頻率、幅值、相位、能量等。這些特征信息可以用于故障診斷、性能評估、模式識別等方面。常用的信號特征提取方法有頻譜分析、小波分析、主成分分析等。3.數(shù)據(jù)存儲與傳輸采集到的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行存儲和傳輸，以便后續(xù)處理和分析。數(shù)據(jù)存儲可以采用硬盤、U盤、存儲卡等存儲介質(zhì)；數(shù)據(jù)傳輸可以通過網(wǎng)絡(luò)接口、USB接口等方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C或其他設(shè)備中。七、測試系統(tǒng)的特性分析（一）靜態(tài)特性1.靈敏度靈敏度是指測試系統(tǒng)輸出量與輸入量之比，它反映了測試系統(tǒng)對被測量變化的敏感程度。靈敏度越高，測試系統(tǒng)對微小變化的響應(yīng)越靈敏。2.線性度線性度是指測試系統(tǒng)輸出與輸入之間的線性程度，通常用非線性度誤差來表示。線性度好的測試系統(tǒng)輸出與輸入成比例關(guān)系，便于分析和處理。3.遲滯遲滯是指測試系統(tǒng)在正反行程中輸出輸入特性曲線不重合的現(xiàn)象，它反映了測試系統(tǒng)的回程誤差。4.重復(fù)性重復(fù)性是指測試系統(tǒng)在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時，所得輸出特性曲線的一致性程度。重復(fù)性好的測試系統(tǒng)測量結(jié)果具有較高的可靠性。（二）動態(tài)特性1.響應(yīng)特性測試系統(tǒng)的響應(yīng)特性包括階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)。階躍響應(yīng)是指系統(tǒng)在輸入為單位階躍信號時的輸出響應(yīng)，它反映了系統(tǒng)的瞬態(tài)特性；頻率響應(yīng)是指系統(tǒng)對不同頻率正弦輸入信號的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，通過頻率響應(yīng)函數(shù)可以描述系統(tǒng)的頻率特性。2.固有頻率與阻尼比固有頻率和阻尼比是描述測試系統(tǒng)動態(tài)特性的重要參數(shù)。固有頻率決定了系統(tǒng)的振動特性，阻尼比影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。適當(dāng)選擇固有頻率和阻尼比可以使測試系統(tǒng)具有良好的動態(tài)