機械工程測試技術(韓建海、尚振東、郭愛芳圖書)

《機械工程測試技術》是2010年清華大學出版社出版的圖書，作者是韓建海、尚振東、郭愛芳等。

基本介紹

• 書名：機械工程測試技術
• 作者：韓建海、尚振東、郭愛芳等
• ISBN：9787302222750
• 定價：29.8元
• 出版社：清華大學出版社

基本信息

書名：機械工程測試技術

書號：9787302222750

作者：韓建海、尚振東、郭愛芳等

定價：29.8元

出版日期：2010-5-1

出版社：清華大學出版社

內容簡介

本書主要介紹了與機械工程相關的測試技術的基本概念、基礎理論和套用技術。全書圍繞測試系統的組成，講述了常用感測器的原理與套用、測試信號調理電路、信號分析與處理、計算機測試系統、測試系統的特性、測試系統的干擾及其抑制、機械工程中常見量的測試等內容。

本書以典型案例教學為主線，貫穿整個理論教學和實驗教學的全過程，強化工程實際套用，突出學生能力培養，重點介紹如何根據具體測試任務制定和最佳化測試方案、恰當選擇器件和部件、合理設計測試系統各模組、構建滿足特定功能和技術指標的測試系統、正確處理測試數據等，力求體現先進性、實用性，注意反映當今測試技術發展的新成果和新動向。

本教材適應普通高等院校機械類、近機械類各專業測試技術課程使用，同時可供有關工程技術人員參考。

前言

教育部高等學校機械設計製造及其自動化專業教學指導分委員會於2007年會同中國機械工程學會、清華大學出版社組成“中國機械工程學科教程研究組”。研究組構造了機械工程本科專業教育的知識體系和框架，建立了良好的課程知識體系，出版了《中國機械工程學科教程》。

本書採用測試知識邊界再設計的方法，根據機械類、近機械類專業“測試技術”教材大綱編寫，體現了《中國機械工程學科教程》中的思想，是“中國機械工程學科教程配套系列教材編審委員會”的立項項目。

本書定位為面向普通院校機械類、近機械類各專業測試技術課程的教材。按照套用型高級人才的培養目標和強化工程實際套用能力培養的要求，本書更加注重測試技術的系統套用，從工程套用角度審視信號測試的整體問題。隨著測試技術的發展，許多測試器件都已商品化，而無需重新設計。因此，儘量刪減元器件的內部工作原理，而將測試方案的制定和最佳化、器件的選擇和套用等內容作為重點進行講解。

本書以學生能力培養為目標，組織安排相關的教學內容，以典型工程實際案例教學為主線，貫穿整個理論教學和實驗教學的全過程。在內容的編排上遵循由淺入深、由具體到抽象、循序漸進的規律。按感測器、調理電路、信號分析與處理、測試系統特性等順序安排內容，依次對測試系統各組成部分的原理、功能、套用等做了介紹，重點放在原理和套用，然後針對機械工程中常見的被測量的測試方法進行講解，使教材的整體章節系統與工程實際中的測試系統緊密地結合起來。在內容的具體編寫上，立足於測試技術理論知識和工程實際套用的恰當結合，強化工程實際套用，內容全面、豐富，重點突出，層次清楚，既注重基礎理論，又強調知識的綜合套用，力求體現先進性、實用性，注意反映當今測試技術發展的新成就和新動向。

全書共分8章。首先從我們身邊的測試技術談起，介紹了測試系統的基本概念、基礎理論和套用技術，然後圍繞著測試系統的組成，講述了常用感測器的原理與套用、測試信號調理電路、信號分析與處理、計算機測試系統、測試系統的特性、測試系統的干擾及其抑制、機械工程中常見量的測試等內容，每章均附有習題。

本書由河南科技大學的教師編寫。第1章由韓建海執筆，第2、5章和8.3節、8.4節由郭愛芳執筆，第4章和第6章由尚振東執筆，第3章由王恆迪執筆，第7章由韓紅彪執筆，8.1節、8.2節由蔡海潮執筆，馬偉在大綱制定、內容安排、實驗教學等方面做了大量工作。全書由韓建海、馬偉擔任主編，負責統稿，尚振東、郭愛芳、王恆迪和韓紅彪擔任副主編，協助統稿。

全書由清華大學的王伯雄教授主審。王教授對書稿的編寫提出了不少寶貴的意見和建議，在此表示衷心的感謝。

本書在編寫過程中參閱了同行專家學者和一些院校的教材、資料和文獻，在此向文獻作者致以誠摯的謝意。由於編者水平有限，書中難免存在不足之處和錯誤，敬請廣大讀者不吝指正。

編者

2010年4月

目錄

目錄

CONTENTS

第1章緒論

1.1測試技術概述

1.2測試系統的組成

1.3測試技術的發展趨勢

1.4本書主要內容和學習要求

習題與思考題

第2章感測器

2.1感測器概述

2.1.1感測器的組成與分類

2.1.2感測器的選擇

2.2能量控制型感測器

2.2.1電阻式感測器

2.2.2電容式感測器

2.2.3電感式感測器

2.3能量轉換型感測器

2.3.1壓電式感測器

2.3.2磁電式感測器

2.3.3熱電偶感測器

2.4光電感測器

2.4.1光電器件

2.4.2光纖感測器

2.4.3光柵感測器

2.4.4電荷耦合器件

2.4.5紅外感測器

2.5半導體感測器

2.5.1霍爾感測器

2.5.2氣敏感測器

2.5.3濕敏感測器

2.6項目設計實例

習題與思考題

項目設計

第3章信號轉換與調理

3.1信號轉換與放大

3.1.1信號轉換

3.1.2信號放大

3.2測量電橋

3.2.1直流電橋

3.2.2交流電橋

3.3調製與解調

3.3.1調幅及其解調

3.3.2調頻及其解調

3.4濾波器

3.4.1濾波器的分類

3.4.2濾波器的特性

3.4.3RC有源濾波器

3.4.4恆頻寬濾波器與數字濾波器簡介

3.4.5套用MATLAB設計和分析濾波器

3.5項目設計實例

習題與思考題

項目設計

目錄

第4章測試信號分析與處理

4.1概述

4.1.1信號的概念和分類

4.1.2信號分析

4.2信號的時域分析

4.2.1信號的運算

4.2.2信號的波形變換

4.2.3信號的時域統計參數

4.2.4相關分析

4.3信號的頻域分析

4.3.1周期信號及其頻譜

4.3.2非周期信號及其頻譜

4.3.3功率譜分析

4.4數位訊號分析與處理

4.4.1採樣與採樣定理

4.4.2離散傅立葉變換(DFT)及其快速算法（FFT）

4.4.3FFT套用中的若干問題

4.5現代信號分析方法簡介

4.6項目設計實例

習題與思考題

項目設計

第5章測試系統特性分析

5.1測試系統概述

5.1.1線性系統及其主要性質

5.1.2測量誤差

5.2測試系統的標定

5.3測試系統的靜態特性

5.3.1測試系統的靜態數學模型

5.3.2測試系統的靜態特性參數

5.4測試系統的動態特性

5.4.1測試系統的動態數學模型

5.4.2測試系統動態特性參數的測量

5.4.3實現不失真測量的條件

5.4.4負載效應

5.5測試系統的抗干擾設計

5.5.1電磁干擾

5.5.2禁止、接地與隔離設計

5.5.3電源干擾的抑制

5.6項目設計實例

習題與思考題

項目設計

第6章計算機測試系統

6.1計算機測試系統的組成

6.2微處理器及其選擇

6.3嵌入式計算機測試系統

6.3.1微處理器

6.3.2數據採集系統

6.3.3軟體設計

6.4虛擬儀器測試系統

6.4.1虛擬儀器概述

6.4.2信號調理器和數據採集卡

6.4.3軟體開發平台

6.4.4LabVIEW中的信號分析與處理工具箱

6.4.5LabVIEW在濾波器設計和分析中的套用

6.5常用數據處理算法

6.5.1概述

6.5.2常用數據處理算法

6.6設計項目

習題與思考題

項目設計

第7章機械工程中常見量的測量

7.1力、扭矩測量

7.1.1拉壓力感測器

7.1.2壓力感測器

7.1.3扭矩感測器

7.1.4力、應力和壓力測試系統的標定

7.2位置、位移等的測量

7.2.1限位開關

7.2.2接近開關

7.2.3物位感測器

7.2.4位移感測器

7.3溫度測量

7.3.1溫度測量方法

7.3.2溫度感測器分類

7.3.3常見溫度感測器

7.3.4溫度感測器的選擇

7.3.5溫度感測器的套用

7.3.6溫度測量系統的標定

7.4振動量的測量

7.4.1概述

7.4.2振動測量方法

7.4.3振動量的測量系統

7.4.4常見的振動感測器

7.4.5加速度感測器的選擇

7.4.6振動測量的套用

7.5項目設計實例

習題與思考題

項目設計

第8章機械設備故障診斷技術

8.1概述

8.1.1機械故障診斷的內容

8.1.2機械故障診斷技術

8.2聲發射診斷技術

8.2.1聲發射原理

8.2.2聲發射技術

8.2.3聲發射信號的處理方法

8.2.4聲發射檢測儀器

8.3滾動軸承的故障診斷

8.3.1滾動軸承故障的檢測方法

8.3.2滾動軸承故障的振動診斷

8.3.3滾動軸承故障的聲發射診斷

8.4項目設計實例

習題與思考題

項目設計

參考文獻

部分章節

第1章緒論機械工程測試技術第1章緒論1. 理解測試與測試技術的概念； 2. 掌握測試系統的組成和測試技術的發展趨勢； 3. 了解本課程的主要內容與學習方法。測試技術屬於信息科學範疇，是信息技術三大支柱（測試控制技術、計算機技術和通信技術）之一。測試技術是用來檢測和處理各種信息的一門綜合技術，在科學研究、工業生產、醫療衛生、文化教育等各個領域都起著相當重要的作用。本章主要介紹測試技術的基本概念，包括測試技術和測試系統； 介紹了測試技術的套用和發展趨勢、測試系統的組成； 同時簡要介紹了本書的主要內容、編寫特點和學習要求。1.1測試技術概述1. 生活中的測試技術測試技術並不神秘，在我們生活中，就會遇到許多套用測試技術的實例。例如： 電子血壓計中人體血壓和心跳的測量、全自動洗衣機中衣服的重量和水位的測量、指紋門鎖中對人手指紋的檢測、電子體溫計對人體溫度的檢測、電冰櫃和電飯煲中的溫度測試、數位相機中的自動對焦、自動門的人體檢測、超市中商品的條形碼掃描、汽車中的燃料量和速度測試等，不勝枚舉。相信隨著科學技術的發展和人們對物質文化生活需求的增長，運用測試技術的機電產品，將在我們的日常生活中扮演更加重要的角色。2. 計量、測量、試驗和測試為了準確理解測試技術的概念，需要先搞清楚下面幾個密切關聯的基本概念。計量（metrology）是實現單位統一、量值準確可靠的活動（JJF—1001—1998通用計量術語及定義4.2）。測量（measurement）是指以確定被測對象的量值為目的而進行的實驗過程。一個完整的測量過程必定涉及被測對象、計量單位、測量方法和測量誤差四要素。試驗（test）是對未知事物探索認識的過程。測試（measurement and test）是測量和試驗的綜合。工程測試可分為靜態測量和動態測試。靜態測量是指不隨時間變化的物理量的測量，例如抽樣測量輥壓後鋼板厚度的尺寸。動態測試是指隨時間變化的物理量的測量，例如數控輥壓機中，為保證生產出厚度合格的鋼板，作為調整滾輪間距的依據，對加工出的鋼板進行的實時連續測量。本書主要是關於如何用技術的手段實現動態測試，涉及測試原理、測試方法、測試系統、測試數據處理等。3. 測試技術測試技術（measurement and test technique）是測量和試驗技術的統稱,是關於將被測量轉換為可檢測、傳輸、處理、顯示或記錄的量，再與標準量比較的過程技術。人類認識和改造客觀世界是以測試為基礎的，進入以知識經濟為特徵的資訊時代後，測試控制技術、計算機技術與通信技術一起構成了現代信息的三大基礎。測試技術的水平在相當程度上影響著科學技術發展的速度和深度。許多新的發明製造都與測試技術的創新分不開。科學技術上的某些突破，也是以某一測試方法的突破為基礎的。在現代科學研究和新產品設計中，為了掌握事物的規律性，人們需測試許多有關參數，用以檢驗是否符合預期要求和事物的客觀規律。我們的祖先很早就設計出計時儀器——日晷。17世紀克卜勒發明的望遠鏡可觀測到數億天體。利用現代航天、遙感、遙測技術，處在數萬米高空的測試設備，能夠識別地面1m2的平面輪廓； 掃描隧道電子顯微鏡的分辨力達0.1nm。這些強有力的觀測工具在為人類揭開物質世界奧秘的同時，也對電子技術、材料科學的發展做出了突出貢獻。機械工程領域中的科學實驗、產品開發、生產監督、質量控制等，都離不開測試技術。作為自動化或控制系統中的一個環節，在各種自動控制系統中，測試環節起著系統感官的作用。工業自動化生產過程中，為了保證正常、高效的生產，對生產過程自動化的程度提出了愈來愈高的要求，無論是產品的性能、品質參數還是加工過程中的線上測量，以及產品的包裝等。例如數控工具機中為了精確控制主軸轉速，需要對工具機主軸轉速進行測試。機器人為了獲得手臂末端在作業空間中的位置、姿態和手腕作用力等信息，需要對各個關節的位移、速度和手腕受力進行實時的測試。自動生產線上常需套用測試技術對零件進行分類和計數。圖1.1為機械工程中幾種典型的測試技術套用例子。圖1.1機械工程中幾種典型的測試技術套用例子（a） 機器人中的力、角度等的測試； （b） 自動生產線上的零件計數器； （c） 齒輪故障測試系統圖1.1（續）測試技術的套用涉及每一個工程領域。本書主要以機械工程領域中各種物理量的檢測為研究對象和教學案例，來講解各種物理量的測量原理和測量信號的分析處理方法。1.2測試系統的組成1. 測試系統與測試信號對被測量的測試需要由一套專門的設備來完成。完成對被測量測試的專門設備稱為測試系統。測試系統是通過某種技術方法，從被測對象的運動狀態中提取所需的信息。這個信息從物理的角度講，是以某種信號的形式反映出來的。信息本身不具有能量及物質，信息的傳遞必須藉助於某種中間媒介，而這個包含特定信息的媒介即為信號。信號一般表現為聲、光、電、磁等物理量。在工程實際中，測試系統包括信號的獲取、加工、處理、顯示、反饋、計算等，因此測試系統對被測參量測試的整個過程都是信號的流程。2. 測試系統的組成測試系統可以是某個大型設備中的一部分，例如圖1.1（a）所示的機器人力、角位移測試系統是機器人系統中的一部分。測試系統也可以是專門研製的一種測試儀器，例如圖1.1（b）所示生產線上的零件計數器。測試系統還可以是一系列儀器的組合，例如圖1.1（c）所示的齒輪故障測試系統。雖然測試系統可大可小，其組成儀器可多可少，但都由一些最基本的、功能相同的部分所組成。機器人中的力測試系統由感測器（力感測器）、中間調理電路（整形電路等）和數據輸出器件（數據線等）組成。齒輪故障測試系統由感測器（壓電感測器）、中間調理電路（電荷放大器、信號調理器、數據採集器等）和信號分析、處理、顯示單元（計算機）等組成。可見，測試系統一般主要由感測器、中間調理電路、顯示存儲和輸出裝置三部分組成。這三部分及其與被測對象之間的關係如圖1.2所示。圖1.2測試系統的組成感測器是“感知”被測量信息的工具，就像人們為了從外界獲取信息，必須藉助的感覺器官一樣。感測器是將外界信息按一定規律轉換成電量的裝置，它是測試系統的首要環節。感測器的輸出信號一般很微弱，需要通過濾波、放大、調製解調、阻抗變換、線性化、將電阻抗變換為電壓或電流等。調理電路將感測器輸出的信號轉換成便於傳輸處理、適於觀察記錄的信號。