本书为“十三五” 国家重点出版物出版规划项目———现代机械工程系列精品教材, 普通高等教育“十一五” 规划教材。
全书共十章。首先介绍机械测试信号分析和测量系统的基本特性等测试技术基础知识; 接着介绍机械工程中常见的参数式传感器及其应用和发电式传感器及其应用; 然后对近年来在机械工程测试中应用比较广泛的光电检测技术、无损检测技术、计算机测试技术进行专门介绍; 后, 从系统角度介绍了测试系统的设计方法, 并介绍了机械工程中一些典型测试系统的设计实例。
本书可作为机械工程学科各专业本科生的教材, 也可供相应专业工程技术人员参考。
工业4. 0 的崛起, 促成了中国制造2025 发展规划的实施。一些代表工业4. 0 的核心关键技术, 如3D 打印、机器人、物联网、云计算、大数据、虚拟现实和人工智能等都得到迅猛发展。而支撑这些关键技术发展的最基本、最活跃的专业基础理论知识都离不开测试技术, 这不但表现在测试技术本身的各个组成要素———传感器、信号调理电路、信号处理以及显示与记录设备等都不断地得到技术革新或更新换代, 朝着智能化、网络化、微型化和高度集成化方向发展, 而且表现在它与互联网、计算机技术和通信技术一起广泛地应用到工农业生产、国防建设、医疗卫生和人民生活的各个领域, 促进了这些领域的变革与发展。
随着测试技术近年来的快速发展, 作为该行业的高等教育工作者, 我们有责任为机械工程领域的本科生传授机械工程领域中测试技术的最新发展。
为此, 我们对原来编写的《机械工程测试技术》教材进行再次修订。
在本次修订中, 编者吸取了第2 版和第1 版教材的成功经验和不足教训,继续强化了教材内容的理论与实践相结合, 尤其从系统设计的角度入手, 进一步强化了测试系统设计思想及典型测试系统设计实例, 其目的是强化学生对测试技术知识的深入学习和测试系统设计方法的掌握; 此外, 进一步增强了以计算机技术、光电技术和无损检测等为基础的现代测试技术的介绍, 力求增新弃旧、优化组合, 使本书成为一本紧跟时代发展的新教材。
本书具有以下特点:1) 既强化了测试技术基础知识的讲解, 又加重了测试系统的设计及实用测试技术的介绍。全书共十章, 前五章属于测试技术基础知识, 着重讲解绪论、机械测试信号分析、测量系统的基本特性、参数式传感器及其应用和发电式传感器及其应用等基础知识; 后五章为测试系统设计及实用测试技术,重在介绍光电检测技术、无损检测技术、计算机测试技术、测试系统设计,以及典型测试系统设计实例等。
2) 为了强化系统思维, 在分类介绍传感器的同时, 辅之以相应调理电路的介绍。将参数式传感器和发电式传感器分别介绍, 既详细阐述了它们各自的工作原理及其应用, 又介绍了它们各自匹配的电桥、电荷放大器等典型调理电路, 为学生迅速、准确地掌握两大类传感器的工作特点及其匹配调理电路的经典搭配, 进而组建正确、合理的测量系统带来了方便。
Ⅳ 3) 加强以计算机技术、光电技术、无损检测等为基础的现代测试技术的讲解。首先, 将“计算机测试技术” 作为一章, 试图反映测试技术向自动化和智能化发展的新趋势, 以及计算机在测试技术中的应用与发展, 帮助学生或工程技术人员学会运用所学的测试技术知识设计或构建现代的测试系统;其次, 专门设置了“光电检测技术” 和“无损检测技术” 两章, 重在介绍诸如激光、光纤等先进光电检测技术, 以及超声波、红外、工业CT 等无损检测技术。
4) 强化了测试系统设计中的典型架构类型介绍、设计基本原则、设计步骤和典型放大、滤波电路, 以及设计中所必需的抗干扰设计技术和精度设计技术。同时更新了最后一章“典型测试系统设计实例”, 通过对一些典型工程实用测试系统的设计方法和设计过程的详细介绍, 进一步从理论与实际两方面强化对学生的测试系统设计能力的培养。
本书建议教学学时数为40~60 学时。测试基础知识为本科生教学必讲内容, 测试系统设计及实用测试技术为选讲内容, 教师可根据课程的学时数或具体情况来选取其中的部分章节内容, 并应辅以相应的实验实践环节。
本书修订分工为: 第1 章由西安交通大学张小栋教授修订, 第2 章由西安交通大学张庆副教授修订, 第3 章由西安交通大学王晶副教授修订, 第4 章由西安交通大学张周锁教授修订, 第5 章由西安建筑科技大学马松龄副教授修订, 第6 章由西安交通大学陈花玲教授和李博副教授修订, 第7 章由新疆大学李长勇副教授修订, 第8 章由西安交通大学景敏卿教授修订, 第9 章由西安交通大学张西宁教授修订, 第10 章由马松龄副教授( 10. 1 节)、张周锁教授(10. 2 节)、张小栋教授( 10. 3 节)、陈花玲教授( 10. 4 节)、张西宁教授(10. 5 节) 和景敏卿教授(10. 6 节) 共同修订。本书由陈花玲教授任主编,张小栋教授和张庆副教授任副主编, 并负责全书的统稿及修改工作。
鉴于上述特点, 本书得到机械工业出版社与西安交通大学的共同推荐与支持, 决定再版第3 版。在此, 编者对机械工业出版社与西安交通大学的大力支持与帮助表示衷心的感谢。
由于本书是在第2 版和第1 版基础上改编的, 为此, 本书编者对先后参与第1 版、第2 版教材编写的西安交通大学的厉彦忠、吴筱敏、王铭华、苗晓燕、徐光华、侯成刚、梁霖老师, 以及西安理工大学的杨静老师、华南理工大学的康龙云老师表示衷心的感谢。
全体编者热切期望使用本书的读者提出宝贵意见, 以便进一步提高本书质量。为此, 我们将不胜感谢!编 者
第3 版前言
第2 版前言
第1 版前言
1 绪论 1
1. 1 课程的意义及目的 1
1. 1. 1 本课程的意义 1
1. 1. 2 本课程的目的 2
1. 2 测试方法的分类与系统组成 4
1. 2. 1 测试方法的分类 4
1. 2. 2 测试系统的组成 5
1. 3 测试技术的发展 6
1. 3. 1 传感器技术的发展 6
1. 3. 2 计算机测试技术的发展 8
1. 4 本课程的研究内容 11
思考题与习题 11
2 机械测试信号分析 12
2. 1 信号的表示与分类 12
2. 1. 1 信号的表示 12
2. 1. 2 信号的分类 13
2. 2 信号的时域分析 14
2. 2. 1 时域信号特征参数 14
2. 2. 2 时域相关分析 15
2. 3 信号的频谱分析 17
2. 3. 1 周期信号的频谱分析 18
2. 3. 2 非周期信号的频谱分析 22
2. 3. 3 随机信号的频谱分析 27
2. 4 信号的时频分析 30
2. 5 机械信号的测量误差与信号预处理 33
2. 5. 1 测量误差及其分类 33
2. 5. 2 信号的预处理 35
思考题与习题 36
3 测量系统的基本特性 38
3. 1 测量系统的静态特性 38
3. 2 一般测量系统的动态特性 41
3. 2. 1 线性定常系统及其基本特性 41
3. 2. 2 测量系统频率响应函数 43
3. 3 典型测量系统的动态特性 44
3. 3. 1 理想测量系统的动态特性 44
3. 3. 2 一阶测量系统的动态特性 46
3. 3. 3 二阶测量系统的动态特性 47
3. 4 动态测量误差及补偿 49
3. 4. 1 测量系统的动态测量误差 49
3. 4. 2 动态测量误差的补偿方法 52
思考题与习题 54
4 参数式传感器及其应用 55
4. 1 电阻式传感器 55
4. 1. 1 电阻应变式传感器 56
4. 1. 2 热电阻式传感器 60
4. 1. 3 电阻式传感器的直流电桥调
理技术 62
4. 1. 4 电阻式传感器的应用 66
4. 2 电感式传感器 68
4. 2. 1 电感式传感器工作原理 68
4. 2. 2 交流信号的调理技术 71
4. 2. 3 电感式传感器的应用 76
4. 3 电容式传感器 79
4. 3. 1 电容式传感器工作原理 79
4. 3. 2 电容式传感器的应用 82
4. 4 电涡流传感器 84
4. 4. 1 电涡流传感器工作原理 84
4. 4. 2 电涡流传感器的信号调理 86
4. 4. 3 电涡流传感器的应用 87
思考题与习题 90
5 发电式传感器及其应用 91
5. 1 压电式传感器 91
5. 1. 1 压电效应与压电材料 91
Ⅹ
5. 1. 2 压电元件及其等效电路 92
5. 1. 3 压电传感器的调理电路 93
5. 1. 4 压电式传感器的应用 95
5. 2 磁电式传感器 98
5. 2. 1 磁电式传感器基本原理及测
量电路 98
5. 2. 2 磁电式传感器的应用 99
5. 3 霍尔传感器 101
5. 3. 1 霍尔效应和霍尔传感器 101
5. 3. 2 霍尔元件的测量电路和误差
补偿 102
5. 3. 3 霍尔传感器的应用 104
5. 4 热电偶传感器 105
5. 4. 1 热电偶工作原理 106
5. 4. 2 热电偶基本定律 107
5. 4. 3 热电偶冷端温度补偿 108
5. 4. 4 热电势的测量 109
5. 4. 5 热电偶的分类及应用 110
5. 5 红外探测器 111
5. 5. 1 红外探测器基本工作原理 112
5. 5. 2 红外线探测器的应用 113
思考题与习题 115
6 光电检测技术 117
6. 1 光电检测器的工作原理与性能
比较 117
6. 1. 1 常用光电检测器的工作原理 118
6. 1. 2 光电检测器性能比较 121
6. 2 典型光电检测方法及系统应用 122
6. 2. 1 光源及其特性 123
6. 2. 2 非相干光电检测方法及应用 124
6. 2. 3 相干光电检测方法及应用 129
6. 3 固态图像传感器及其应用 131
6. 3. 1 固态图像传感器测量原理 131
6. 3. 2 固态图像传感器的应用 133
6. 4 光纤传感器测量技术 135
6. 4. 1 光纤传感器基本原理 135
6. 4. 2 光纤传感器的应用 137
思考题与习题 138
7 无损检测技术 139
7. 1 超声波检测技术 139
7. 1. 1 超声波检测技术简介 139
7. 1. 2 超声波无损检测原理 140
7. 1. 3 超声波无损检测的应用 142
7. 2 工业CT 检测技术 143
7. 2. 1 工业CT 成像技术简介 143
7. 2. 2 工业CT 工作原理 144
7. 2. 3 工业CT 检测系统的应用 145
7. 3 磁粉检测技术 146
7. 3. 1 磁粉检测技术简介 146
7. 3. 2 磁粉检测技术原理 147
7. 3. 3 磁粉检测技术的应用 148
7. 4 渗透检测技术 149
7. 4. 1 渗透检测技术简介 149
7. 4. 2 渗透检测技术原理 150
7. 4. 3 渗透检测技术的应用 150
7. 5 其他技术在无损检测中的应用 151
7. 5. 1 电涡流传感器在无损检测中
的应用 151
7. 5. 2 霍尔传感器在无损检测中的
应用 152
7. 5. 3 红外技术在无损检测中的
应用 153
思考题与习题 154
8 计算机测试技术 155
8. 1 数据采集技术 156
8. 1. 1 模拟信号的数字化处理 156
8. 1. 2 数据的采集与保持 158
8. 1. 3 A-D 转换器类型及性能指标 160
8. 1. 4 A-D 通道方案的确定 161
8. 2 智能仪器 164
8. 2. 1 智能仪器的硬件结构 164
8. 2. 2 智能仪器的软件功能 166
8. 2. 3 智能仪器的自动测量功能 167
8. 2. 4 智能传感器 169
8. 3 虚拟仪器 170
8. 3. 1 虚拟仪器的概念 170
8. 3. 2 虚拟仪器的体系结构 171
8. 3. 3 虚拟仪器软件的开发环境 173
8. 3. 4 虚拟仪器设计举例 175
8. 4 计算机测试系统设计举例 176
思考题与习题 179
Ⅺ
9 测试系统设计 180
9. 1 测试系统设计的基本原则 180
9. 1. 1 测试系统基本架构 180
9. 1. 2 测试系统设计的基本原则及
步骤 183
9. 2 测试系统的精度设计 186
9. 2. 1 测试系统的误差传递 186
9. 2. 2 测试系统的误差分配与校核 188
9. 3 信号的放大与滤波环节设计 189
9. 3. 1 信号放大环节设计 190
9. 3. 2 信号滤波环节设计 191
9. 4 测试系统的抗干扰设计 195
9. 4. 1 干扰因素及传播途径 195
9. 4. 2 常用抗干扰技术 196
思考题与习题 199
10 典型测试系统设计实例 201
10. 1 应变测量案例 201
10. 1. 1 应变测量方法简介 201
10. 1. 2 塔式起重机结构强度测试 206
10. 2 温度测量案例 209
10. 2. 1 温度测量方法简介 209
10. 2. 2 高速机车轴温测试系统 210
10. 3 位移测量案例 215
10. 3. 1 位移测量方法简介 215
10. 3. 2 润滑油膜厚度光纤测试系统 216
10. 4 噪声测量案例 221
10. 4. 1 噪声测量方法简介 221
10. 4. 2 汽车悬架减振器异响声分析 226
10. 5 结构模态分析案例 230
10. 5. 1 模态分析方法简介 230
10. 5. 2 机床模态分析实例 234
10. 6 旋转机械的网络化监测诊断 237
10. 6. 1 设计任务 237
10. 6. 2 网络化监测诊断系统方案 237
10. 6. 3 传感器组 238
10. 6. 4 CPCI 采集监测单元 240
10. 6. 5 网络数据库 242
10. 6. 6 网络化监测诊断软件平台 242
参考文献 245
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