第一章绪论测试.docx
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第一章绪论测试
第一章绪论
第一节概述
一、什么是测试——相关术语
①测量——指以确定被测对象“量值”为目的的实验过程。
②计量——如果测量涉及实现单位统一和量值准确可靠的,称为计量。
③测试——是测量和试验(Measurement&Test)的综合,含有测量和实验两方面的含义,是指具有试验性质的测量。
测试是人们从客观事物中提取所需信息,借以认识客观事物,并掌握其客观规律的一种科学方法。
二、为什么要学习、掌握测试技术——测试的作用和意义
1.没有测试就没有科学,科学始于测量
①测试是人们探索、认识事物不可缺少的技术手段(信息来源、上游技术),近代科学技术的发展更是如此;
②现代新的科学发现、技术发明及其发展均以精确测试为基础和前提。
因为,在测试过程中借助专门的仪器设备、通过试验和运算,可获得研究对象的有关信息。
在测试过程中,需要选用专门的仪器设备,设计合理的实验方法和进行必要的数据处理,从而获得被测对象有关信息及其量值。
广义来看,测试属于信息科学的范畴。
一般说来,信息的载体称为信号,信息蕴涵于信号之中。
信息是通过某些物理量的形式来表现的,而这些物理量的形式就是信号。
例如,单自由度质量弹簧系统的动态特性可以通过质量块的位移—时间关系来描述,质量块位移的时间历程就是信号,它包含着该系统的固有频率和阻尼率等特征参数,这些特征参数就是所需要的信息。
分析采集到这些信息,就掌握了这一系统的动态特性。
2.现代机电系统及各种控制均以精确测试为基础和前提条件
随着机电一体化和生产过程自动化的发展,先进的测试与信号分析设备已成为生产系统不可缺少的组成部分。
因为,测试技术与信号分析技术在生产过程和机构运行中起着类似人的感觉器官的作用。
如宇航测控、木材干燥、生产过程控制、生产线控制、产品质量测控等。
3.为新产品设计、开发提供基础数据(小试—中试—工业化)
三、机械工程与测试技术
机械工程测试的对象——是机械系统(包括各种机械零件、机构、部件和整机)及其相关组成部分(包括与机械系统有关的电路、电器等)。
机械工程测试过程——包括测量、试验、测试、计量、检验、故障诊断、测控等过程。
机械工程测量的两个基本任务:
一是提供被测对象(如产品)的质量依据;
二是提供机械工程设计信息、制造控制信息、研究开发所信息等。
现在,设计、工艺、测试三者共同构成了机械工程的三大技术支柱。
广义来看,测试属于信息科学的范畴。
一般说来,信息的载体称为信号,信息蕴涵于信号之中。
信息是通过某些物理量的形式来表现的,而这些物理量的形式就是信号。
例如,单自由度质量弹簧系统的动态特性可以通过质量块的“位移—时间”关系来描述,质量块位移的时间历程就是信号,它包含着该系统的固有频率和阻尼率等特征参数,这些特征参数就是所需要的信息。
分析采集到这些信息,就掌握了这一系统的动态特性。
三、测试工作的研究内容
(1)测试的目的——获取对象的状态、运动规律及有关特征、属性等。
(2)测试工作——为实现上述目的的所有工作,就构成测试工作。
(3)测试工作研究内容:
①探求和确定最优“信息-信号”匹配关系;
②确定最优信号的获取、变换、存储、传输、处理、显示和记录的方法、手段及仪器设备。
四、测试技术的发展现状与发展趋势
测试技术随着现代科学技术的发展而迅速发展。
其现状归纳起来有以下几个方面:
1.从单一学科向多学科相互借鉴和渗透发展,形成综合各学科成果的各种测量系统。
2.动态测试的发展越来越快。
3.智能传感器和计算机技术的发展和应用,使得测试系统向自动化、智能化的方向发展。
4.测试系统的在线实时能力进一步提高。
5.测试与技术密切结合,实现“以信息流控制能量流和物质流”。
发展趋势——智能化、虚拟化、集成化、微型化、仿生化趋势
五、本课程的研究对象和要求
1.本课程的研究对象
(1)本课程研究机械工程中常见物理量和几何量的测量与测试。
例如对机器及其零部件的长度、角度及其精度的测量;对机器设备的振动、噪声的测试;对机器设备的各种物理参量如应力应变、温度、力、压力、流量、扭矩、转速、功率的测量与测试以及对机器设备动、静平衡的测试等。
通过以上的测量与测试,对机器设备的质量进行评价和控制。
(2)研究机械工程测试的方法与系统特性。
达到正确地设计测试方案、正确地使用仪器设备以及正确地进行测量测试结果的分析处理。
(3)研究不失真测试条件和信号分析技术。
以便科学选择测试仪器、组成测试系统;达到能够正确进行信号分析水平。
2.本科程的学习要求
根据本门学科的对象和任务,对高等学校机械类各有关专业来说,“机械工程测试技术与信号分析”是一门主干技术基础课。
通过对本课程的学习,培养合理地选用测试装置,并初步掌握静、动态机械参量测试方法和常用工程试验所需的基本知识和技能,以及一般信号分析理论与方法,为在工程实际中完成对象测试任务打下必要的基础。
具体而言,学生在学完本门课程后应具备以下的知识和技能:
①对机械工程测试工作的概貌和思路有一个比较完整的概念,对机械工程测试系统及其各环节有一个比较清楚的认识,并能初步运用于机械工程中某些静、动态参量的测试和产品或结构的动态特性试验。
②了解常用传感器、中间转换放大器的工作原理和性能,并能依据测试工作的具体要求较为合理地选用。
③掌握测试装置静、动态特性的评价、测试方法,测试装置实现不失真测量的条件,并能正确地运用于测试装置的分析、选择和匹配。
④掌握信号在基本变换域中的描述方法,信号模拟分析、信号数字分析的一些基本概念。
掌握信号频谱分析、相关分析的基本原理和方法,并对其延拓的其他分析方法有所了解。
⑤掌握虚拟仪器、虚拟测试系统和信号分析处理软件系统的基本原理和使用。
⑥通过本课程的学习和实践,应能对机械工程中某些静、动态参数的测试自行选择、设计测试仪器仪表,组建测试系统和确定测试方法,并能对测试结果进行必要的数据处理。
实践要求:
本课程具有很强的实践性。
在教与学的过程中应紧密联系实际,既要注意掌握基本理论,弄清物理概念,同时,也必须加强对学生动手能力的培养,必须通过教学实验和实践环节,使学生尽可能熟练掌握有关的测试技术和测试方法,达到具有初步处理实际测试工作的能力。
知识准备:
由于本门课程综合应用了多学科的原理和技术,是多门学科的交叉,是数学、物理学、电工学、电子学、机械振动工程、自动控制工程及计算机技术的交叉融合,因此,为了学好本门课程,要求学生在学习本课程之前,应当具备有关学科特别是电工学(含电子技术)和微机原理及应用等课程的基础。
第二节测量方法和测量误差
一、测量方法
测量方法的正确与否十分重要,它关系到测量结果是否可靠以及测量工作能否正常进行。
所以,必须根据不同的测量任务和要求,确定合适的测量方法,并据此选择合适的测试装置,组成测试系统,进行实际测试。
如果测量方法不和理,即使有优良的仪器设备,也不能得到满意的测量结果。
测量方法的有多种分类方法,本节主要介绍以下三种分类方法:
1.静态测量和动态测量
这种分类方法是根据被测物理量的性质来划分的。
静态测量及测量那些不随时间变化或变化很缓慢的物理量;动态测量及测量那些随时间迅速变化的物理量。
静态与动态是相对的。
一切事物都是发展变化的,也可以把静态测量看作动态测量的一种特殊形式。
动态测量的误差分析比静态测量更复杂。
2.直接测量、间接测量和组合测量
(1)直接测量—直接测量是用预先标定好的测量仪表,对某一未知量直接进行测量,从而得到测量结果。
例如,用水银温度计测量温度;用压力表测量压力;用万用表测量电压、电流、电阻等。
直接测量的优点是简单而迅速,所以工程上广泛应用。
(2)间接测量—间接测量是对几个与被测物理量有确切函数关系的物理量进行直接测量,然后把所测得的数据带入关系式中进行计算,从而求出被测物理量。
间接测量方法比较复杂,一般在直接测量很不方便或法进行时,或用间接测量比用直接测量能获得更准确的结果时,才采用间接测量。
(3)组合测量—在测量中,使各个未知量以不同的组合形式出现,根据直接测量和间接测量所得数据,通过解联立方程组求出未知量的数值。
这类测量称为组合测量。
例如,在0~630ºC范围内,铂热电阻温度计的电阻值与温度的关系为:
Rt=R0(1十At+Bt2)(1—1)
式中Rt——在t℃时的铂电阻值(Ω);
R0——在0℃时的铂电阻值(Ω);
A、B——铂电阻的温度系数。
为了确定铂电阻的温度系数,首先需要测量三种不同温度下的电阻值Rt1、Rt2、Rt3,然后再解联立方程组,求知A、B和R0的值。
组合测量比较复杂,但却易达到较高的精度,一般适于科学实验和特殊场合。
3.接触式测量和非接触式测量
根据传感器与被测物理量与被测物体是否接触分为接触式测量和非接触式测量。
较精密的接触式测量要考虑测量力的影响。
二、测量误差
1.误差的定义
被测物理量所具有的客观存在的量值,称为真值x0。
由测试装置测得的结果称为测量值x。
测量值与真值之差称为误差。
误差的表达形式一般有两种:
(1)绝对误差——绝对误差一般即为测得值与真值之差△x,它表示误差的大小。
△x=x-x0(1—2)
真值是一个理想概念,一般是不知道的。
在实际测量中,常用高精度的量值代表真值,称为“约定真值”。
(2)相对误差δ——绝对误差与被测量的真值之比称为相对误差,一般用百分比(%)表示。
因测量值与真值接近,所以也可近似用绝对误差与测量值之比作为相对误差。
δ=
(1—3)
绝对误差只能表示出误差量值的大小,而不便于比较测量结果的精度。
例如有两个温度测量结果15±1℃和50±1℃,尽管它们的绝对误差都是±1℃,显然后者的精度高于前者。
为了方便,还常常使用“引用误差”的概念。
引用误差是一种简化和方便实用的相对误差。
它是以测量仪表某一刻度点的误差为分子,满刻度值为分母所得的比值,即
引用误差=
我国常用的电工、热工仪表就是按引用误差之值进行精度分级的。
在选择仪表时要兼顾仪表的精度等级和测量上限两个方面。
2.误差按特征的分类
根据误差的特征,可将误差分为三类:
系统误差、随机误差和粗大误差。
(1)系统误差—在同一条件下,多次测量同一量值时,绝对值和符号保持不变或在条件改变时按一定规律变化的误差称为系统误差。
例如,由于标准量值的不准确、仪器刻度的不准确而引起的误差。
因为系统误差有规律性,所以应尽可能通过分析和试验的方法加以消除,或通过引入修正值的方法加以修正。
(2)随机误差—在相同条件下,多次测量同一量值时,绝对值和符号以不可预定的方式变化的误差称为随机误差。
例如,仪表中传动部件的间隙和摩擦、连接件的变形等因素引起的误差。
虽然一次测量的随机误差的产生没有确定的规律,但是通过大量的测量发现,在多次重复测量的总体上,随机误差却服从一定的统计规律,最常见的就是正态分布规律。
这种规律之一表现在随着测量次数的增多,绝对值相等、符号相反的随机误差出现的次数趋于相等。
这样,各次测量的随机误差的总和正负抵偿,特别是当测量次数趋于无穷时其总体平均趋于零。
这一性质称为随机误差的抵偿性。
它是随机误差最重要的统计特性。
应当指出,在任何一次测量中,系统误差和随机误差一般都是同时存在的,而且它们之间并不存在严格界限,在一定的条件下还可以相互转化。
例如,仪表的分度误差,对制造者来说具有随机的性质,为随机误差;而对检定部门来说就转化为系统误差了。
随着人们对误差来源及其变化规律认识的深入和测试技术的发展,对系统误差与随机误差的区分会越来越明确。
(3)粗大误差——这种误差主要是由于测量人员的粗心大意、操作错误、记录和运算错误或外界条件的突然变化等原因产生的。
粗大误差的产生使测量结果有明显的歪曲,凡经证实含有粗大误差的数据应从实验数据中剔除。
第三节系统的相似性和机电模拟
为了测量位移、速度、加速度、力、转速等机械量,常常采用能把机械量变换为电量的机电变换装置。
这不仅需要研究机和电两个方面的有关问题,而且还要从机电耦合的角度去研究。
即不仅要研究机电变换装置机械系统的输入特性和电系统的输出特性,而且还要研究机和电之间的变换特性。
建立机械系统和电系统之间的相似性,对于处理机电系统中的技术问题很有必要。
一、相似系统
能用同一数学模型描述的不同物理系统称为相似系统。
例如,一个由电阻、电容、电感组成的电系统和一个电阻尼器、质量块和弹簧组成的机械系统,尽管·二者物理结构不同,但如果具有相同的数学模型,就称为相似系统。
在研究机械系统时,可以充分利用相似特性进行机电模拟,这样将带来很多方便。
因为一般说来,对电系统的研究方法,特别是动态特性的研究方法比较成熟简便。
二、变量的分类
通常,为了区分变量的物理属性,把变量分为机械量、电学量、声学量、光学量和热学量等等。
但由这种分类方法看不出不同种类的物理量所表现出来的共同特性。
为了研究机电模拟,有必要根据变量的相似特性进行分类。
机械系统和电系统各变量的分类如奉1—1所示。
表1—1变量的分类
系统
变量
通过变量
跨越变量
状态变量
速率变量
状态变量
速率变量
基本关系
y
x
平移
动量p
力f
位移x
速度
转动
角动量p1
转矩M
角位移θ
角速度
电学
电荷Q
电流
磁链Ψ
电势
只由空间或“路”上的一个点来确定的变量称为通过变量,例如,力、电流等。
必须由空间或“路”上的两个点来确定的变量称为跨越变量,例如,电压、位移等。
一般把这两个点中的一个点作为基准点或参考点。
状态变量与时间无关,例如,位移、电荷等均与时间无关。
速率变量是指用状态变量对时间的变化率表示的变量,例如,速度是位移对时间的变化率;电流是电荷对时间的变化率。
通过以上分类方法,可以很明显地表示出机械系统和电系统各变量之间的相似特性:
(1)通过变量的速率变量遵循广义的克希霍夫第一定律。
即一个作用点上通过变量的速率变量总和等于零。
例如,流入任一结点的电流之和等于零,即∑i=0;作用于任一质点上的主动力和惯性力之和等于零,即∑f=0。
(2)跨越变量的速率变量遵循广义的克希霍夫第二定律,即绕闭合回路的和等于零。
例如,闭合回路的电压降之和等于零;闭合路径上诸点顺次形成的相对速度之和等于零。
三、机电模拟
线性机械系统与线性电系统相对应的模拟方案可有多种。
目前经常采用的两种是“力—电压”模拟和“力—电流”模拟。
图1—1所示的机械系统和图1—2所示的电系统其微分方程分别为
(1—4)
(1—5)
式中m——质量块的质量;
c——阻尼系数;
k——弹簧刚度;
v——质量块的运动速度;
f——激励力;
L——电感;
R——电阻;
C——电容;
i——电流;
u——电压。
比较式(1—4)和式(1—5)很容易发现二者类型相同。
这说明两个系统的物理性质虽然不同,但它们具有相同的数学模型,其运动规律相似。
我们很容易找出机电相似系统中的对应项来,并列表如下:
表1—2力—电压模拟
机械系统
力f
速度v
位移x
质量m
阻尼系数c
弹性系数
电系统
电压u
电流i
电荷Q
电感L
电阻R
电容C
因为这种模拟方法是以机械系统的力和电系统的电压相似为基础,所以称为力—电压模拟。
在这种模拟方法中,列出微分方程的条件为:
一个是机械系统一个质点上的合力为零,一个是电系统闭合回路的电压降之和为零。
这种模拟方法的特点是:
(1)机械系统的一个质点用一个串联电回路模拟。
(2)机械系统质点上的力用串联回路上的电压模拟。
与机械系统一个质点连接的各机械元件(质量、阻尼、弹簧)用串联电回路的各电气元件(电感、电阻、电容)模拟。
上面的分析表明,力—电压模拟是用电系统的跨越变量(电压u)模拟了机械系统的通
过变量(力f);用电系统的通过变量(电流i)模拟了机械系统的跨越变量(速度u)。
在测试时,为了得到速度值,需要在模拟电路中串入电流表测电流,这给模拟实验带来不便。
当采用下述的力—电流模拟时,可克服这一缺点。
不过机械系统常以力激励,而电系统常以电压激励,所以力—电压模拟还是经常被采用的。
图1—1所示的机械系统也可用图1—3所示的电流激励的并联电路来模拟。
图1—1机械系统图1—2电系统图1—3并联电路该并联电路的微分方程为
(1—6)
式中G——电导。
比较式(1—4)和式(1—6),二者也是类型相同。
两个系统对应的相似参量如表1—3所示。
表1—3力—电流相似
机械系统
力f
速度v
位移x
质量m
阻尼系数c
弹性系数
电系统
电流i
电压u
磁链Ψ
电容C
电导G
电感L
因为这种模批方法是以机械系统的力f和电系统的电流i相似为基础的,所以称为“力—电流”模拟。
由表中可见,机械系统的跨越变量速度I/用电系统的跨越变量电压u模拟。
机械系统的通过变量力f用电系统的通过变量电流i模拟。
这种模拟方法的特点是:
(1)机械系统的一个质点用电系统的一个结点模拟。
(2)作用于机械系统质点上的力用流入电路相应节点的电流模拟。
与该质点相连接的机械元件(质量、阻尼、弹簧)用相应结点相连接的电气元件(电容、电导、电感)模拟。
只不过L与
相对应。
(3)当质量块的速度是相对于大地的速度而采用电容模拟质量时,应将电容的一端接电路地线。
这样,电容两端上的电压将模拟质量块相对于大地的速度,可以大大简化电路的画法。
两个或更多个刚性连接的质量块,其相似系统是两个或更多个一端接地的并联电容。
这种模拟方法比较直观,模拟测试实验也比较方便。
例如,要测量两个质点间的相对速度,只要测量相似电路中两个结点间的电压即可,而不必在模拟电路中串入电流表。
本节所述的机电模拟只着重谈了用电系统模拟机械系统,实际上这种模拟是相互的。
第四节测量系统和控制系统
在非电量电测技术和机电控制技术中,经常遇到机械量和电量的相互变换问题。
即一个机电系统可以输入机械量输出电量,也可以输入电量输出机械量。
多数机电变换装置都具有这种可逆的特性。
例如,磁电式传感器、压电式传感器等。
这种可逆的特性叫做机电系统的双向性。
系统的双向性不仅把机械和电气联系起来,而且把测试与控制联系起来。
一、系统、输入和输出
通常的工程测试问题总是处理输入量工x(t)、输出量y(t)和系统本身的特性h(t)三者之间的关系(图1—4)。
广义说来,图1—4所示的系统可以是开环系统,也可以是闭环系统。
有时是一个大系统的子系统,甚至一个图1—4系统、输入和输出
元件。
工程上经常处理以下三个问题:
①已知系统特性和输出量,求输入量;——测试问题
②已知系统特性和输入量,求输出量;——控制问题
③已知输入量和输出量,求系统特性。
——系统辨识
一般说来,问题①属于测试问题;问题②属于控制问题;问题③属于系统辨识问题。
但在实际工作中,三者又密不可分,在测试工作中都会遇到。
例如,问题③是求测试系统本身的特性,常常是测试装置的定度问题。
定度问题又是属于测试技术范畴。
此外,测试与控制也是密不可分的。
二、开环测量系统和闭环测量系统
常用的测量仪器一般是由传感器、测量电路、输出电路和记录显示装置组成的开环测量系统。
每一个组成部分又往往分为若干组成环节。
从而整个仪器的相对误差为各个环节相对误差之和,并且每一个环节的动态特性都直接影响整个仪器的动态特性。
为了保证整机的动态特性和精度,往往要对每一个组成环节都提出严格的技术要求。
环节越多,对每一个环节的要求越严格。
显然,这会使整个仪器制造困难、价格昂贵。
随着科学技术的发展,控制工程的理论和方法在测试技术中得到越来越广泛的应用。
例如,根据反馈控制原理,将开环测量系统接成闭环测量系统,同时提高开环增益、加深负反馈,可以大大改善测量系统的动态特性,提高精度和稳定性。
三、反馈测量系统和反馈控制系统
如图1—5所示,反馈控制系统和反馈测量系统从工作原理来讲是相同的。
所不同的是前者的目的是使输出量(被控制量)精确地受输入量(控制量)的控制;而后者的目的是希望输入量(被测量)能准确地用输出量(测得量)显示
图1—5
出来或记录下来。
此外,反馈测量系统中的被测量的反馈量通常是非电量,测得量一般是电量,反馈装置为逆传感器。
当然,这是对非电量电测技术而言。
一般说来,测量系统比控制系统所需功率较小。
四、测量系统和测试过程
测试系统由一个或若干个功能元件组成。
广义地说,一个测试系统应具有以下的功能,即将被测对象置于预定状态下,并对被测对象所输出的特征信息进行拾取,变换放大,分析处理,判断,记录显示,最终获得测试目的所需要的信息。
图1-6表示测试系统的构成。
由图1-6可见,一个测试系统一般由试验装置、测量装置、数据处理装置和显示记录装置等所组成。
(1)试验装置
试验装置是使被测对象处于预定的状态下,并将其有关方面的内在联系充分显露出来,以便进行有效测量的一种专门装置。
测定结构的动力学参数时,所使用的激振系统就是一种试验装置,如图1-2所示。
激振系统由虚拟仪器中的信号发生器(也可以是单独的信号源)、功率放大器、激振器等组成。
信号发生器提供频率在一定范围内可变的正弦信号,经功率放大后,驱动激振器。
激振器便产生与信号发生器频率一致的交变激振力,此力作用于被测构件上,使构件处于该频率激振下的强迫振动状态。
为保证试验进行所需的各种机械结构也属于试验装置。
图1-7
(2)测量装置
测量装置是把被测量(如激振力和振动所产生的位移)通过传感器变换成电信号,经过后接仪器的变换、放大、运算,变成易于处理和记录的信号,例如在图1-7所示系统中,需要观察在各种频率正弦激振力的作用下,构件产生振动的位移幅值和激振力幅值之比,以及这两个信号相位差的变化情况,为此,采用测力传感器和测力仪组成力的测量装置;用测振传感器和测振仪组成振动位移的测量装置。
被测的机械参量经过传感器变换成相应的电信号,然后再输入到后接仪器进行放大、运算等,变换成易于处理和记录的信号形式。
所以,测量装置是根据不同的机械参量,选用不同的传感器和相应的后接仪器所组成的测量环节。
不同的传感器要求的后接仪器也不相同。
(3)数据处理装置
数据处理装置是将测量装置输出的信号进一步进行处理,以排除干扰和噪声污染,并清楚地估计测量数据的可靠程度。
图1-6中,虚拟仪器中的信号分析仪就是一台数据处理装置,它可以把被测对象的输入(力信号)与输出(构件的振动位移信号),通过相关的分析运算,得到这两个信号中不同频率成分的振动位移和激振力幅值之比及其相位差,并能有效地排除混杂在信号中的干扰信息(噪声),提高所获得信号(或数据)的置信度。
(4)显示记录装置
显示记录装置是测试系统的输出环节,它可将对被测对象所测得的有用信号及其变化过程显示或记录(或存储)下来,数据显示可以用各种表盘、电子示波器和显示屏等来实现。
数据记录则可采用模拟式的各种笔式记录仪、磁带记录仪或光线记录示波器等设备来实现,而在现代测试工作中,越来越多的是采用虚拟仪器直接记录存储在硬盘或软盘上。
第五节动态测试的特点和研究方法
如前所述,动态测试的被测量是随时间而迅速变化的。
仪器的输入量及测试结果(数据或信号)也是随时间而迅速变化的。
动态测试自进入本世纪以来发展越来越快。
由于动态测试的迅速发展,给传统的测量学科带来了广系列观念、研究方祛和技术手段等方面的发展和更新。
首先是观念上的变化。
虽然测量的任务都是以测
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