本書為“十三五” 國家重點出版物出版規(guī)劃項目———現(xiàn)代機械工程系列精品教材, 普通高等教育“十一五” 規(guī)劃教材。
全書共十章。首先介紹機械測試信號分析和測量系統(tǒng)的基本特性等測試技術(shù)基礎(chǔ)知識; 接著介紹機械工程中常見的參數(shù)式傳感器及其應(yīng)用和發(fā)電式傳感器及其應(yīng)用; 然后對近年來在機械工程測試中應(yīng)用比較廣泛的光電檢測技術(shù)、無損檢測技術(shù)、計算機測試技術(shù)進(jìn)行專門介紹; 后, 從系統(tǒng)角度介紹了測試系統(tǒng)的設(shè)計方法, 并介紹了機械工程中一些典型測試系統(tǒng)的設(shè)計實例。
本書可作為機械工程學(xué)科各專業(yè)本科生的教材, 也可供相應(yīng)專業(yè)工程技術(shù)人員參考。
工業(yè)4. 0 的崛起, 促成了中國制造2025 發(fā)展規(guī)劃的實施。一些代表工業(yè)4. 0 的核心關(guān)鍵技術(shù), 如3D 打印、機器人、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實和人工智能等都得到迅猛發(fā)展。而支撐這些關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展的最基本、最活躍的專業(yè)基礎(chǔ)理論知識都離不開測試技術(shù), 這不但表現(xiàn)在測試技術(shù)本身的各個組成要素———傳感器、信號調(diào)理電路、信號處理以及顯示與記錄設(shè)備等都不斷地得到技術(shù)革新或更新?lián)Q代, 朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化和高度集成化方向發(fā)展, 而且表現(xiàn)在它與互聯(lián)網(wǎng)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)一起廣泛地應(yīng)用到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)、醫(yī)療衛(wèi)生和人民生活的各個領(lǐng)域, 促進(jìn)了這些領(lǐng)域的變革與發(fā)展。
隨著測試技術(shù)近年來的快速發(fā)展, 作為該行業(yè)的高等教育工作者, 我們有責(zé)任為機械工程領(lǐng)域的本科生傳授機械工程領(lǐng)域中測試技術(shù)的最新發(fā)展。
為此, 我們對原來編寫的《機械工程測試技術(shù)》教材進(jìn)行再次修訂。
在本次修訂中, 編者吸取了第2 版和第1 版教材的成功經(jīng)驗和不足教訓(xùn),繼續(xù)強化了教材內(nèi)容的理論與實踐相結(jié)合, 尤其從系統(tǒng)設(shè)計的角度入手, 進(jìn)一步強化了測試系統(tǒng)設(shè)計思想及典型測試系統(tǒng)設(shè)計實例, 其目的是強化學(xué)生對測試技術(shù)知識的深入學(xué)習(xí)和測試系統(tǒng)設(shè)計方法的掌握; 此外, 進(jìn)一步增強了以計算機技術(shù)、光電技術(shù)和無損檢測等為基礎(chǔ)的現(xiàn)代測試技術(shù)的介紹, 力求增新棄舊、優(yōu)化組合, 使本書成為一本緊跟時代發(fā)展的新教材。
本書具有以下特點:1) 既強化了測試技術(shù)基礎(chǔ)知識的講解, 又加重了測試系統(tǒng)的設(shè)計及實用測試技術(shù)的介紹。全書共十章, 前五章屬于測試技術(shù)基礎(chǔ)知識, 著重講解緒論、機械測試信號分析、測量系統(tǒng)的基本特性、參數(shù)式傳感器及其應(yīng)用和發(fā)電式傳感器及其應(yīng)用等基礎(chǔ)知識; 后五章為測試系統(tǒng)設(shè)計及實用測試技術(shù),重在介紹光電檢測技術(shù)、無損檢測技術(shù)、計算機測試技術(shù)、測試系統(tǒng)設(shè)計,以及典型測試系統(tǒng)設(shè)計實例等。
2) 為了強化系統(tǒng)思維, 在分類介紹傳感器的同時, 輔之以相應(yīng)調(diào)理電路的介紹。將參數(shù)式傳感器和發(fā)電式傳感器分別介紹, 既詳細(xì)闡述了它們各自的工作原理及其應(yīng)用, 又介紹了它們各自匹配的電橋、電荷放大器等典型調(diào)理電路, 為學(xué)生迅速、準(zhǔn)確地掌握兩大類傳感器的工作特點及其匹配調(diào)理電路的經(jīng)典搭配, 進(jìn)而組建正確、合理的測量系統(tǒng)帶來了方便。
Ⅳ 3) 加強以計算機技術(shù)、光電技術(shù)、無損檢測等為基礎(chǔ)的現(xiàn)代測試技術(shù)的講解。首先, 將“計算機測試技術(shù)” 作為一章, 試圖反映測試技術(shù)向自動化和智能化發(fā)展的新趨勢, 以及計算機在測試技術(shù)中的應(yīng)用與發(fā)展, 幫助學(xué)生或工程技術(shù)人員學(xué)會運用所學(xué)的測試技術(shù)知識設(shè)計或構(gòu)建現(xiàn)代的測試系統(tǒng);其次, 專門設(shè)置了“光電檢測技術(shù)” 和“無損檢測技術(shù)” 兩章, 重在介紹諸如激光、光纖等先進(jìn)光電檢測技術(shù), 以及超聲波、紅外、工業(yè)CT 等無損檢測技術(shù)。
4) 強化了測試系統(tǒng)設(shè)計中的典型架構(gòu)類型介紹、設(shè)計基本原則、設(shè)計步驟和典型放大、濾波電路, 以及設(shè)計中所必需的抗干擾設(shè)計技術(shù)和精度設(shè)計技術(shù)。同時更新了最后一章“典型測試系統(tǒng)設(shè)計實例”, 通過對一些典型工程實用測試系統(tǒng)的設(shè)計方法和設(shè)計過程的詳細(xì)介紹, 進(jìn)一步從理論與實際兩方面強化對學(xué)生的測試系統(tǒng)設(shè)計能力的培養(yǎng)。
本書建議教學(xué)學(xué)時數(shù)為40~60 學(xué)時。測試基礎(chǔ)知識為本科生教學(xué)必講內(nèi)容, 測試系統(tǒng)設(shè)計及實用測試技術(shù)為選講內(nèi)容, 教師可根據(jù)課程的學(xué)時數(shù)或具體情況來選取其中的部分章節(jié)內(nèi)容, 并應(yīng)輔以相應(yīng)的實驗實踐環(huán)節(jié)。
本書修訂分工為: 第1 章由西安交通大學(xué)張小棟教授修訂, 第2 章由西安交通大學(xué)張慶副教授修訂, 第3 章由西安交通大學(xué)王晶副教授修訂, 第4 章由西安交通大學(xué)張周鎖教授修訂, 第5 章由西安建筑科技大學(xué)馬松齡副教授修訂, 第6 章由西安交通大學(xué)陳花玲教授和李博副教授修訂, 第7 章由新疆大學(xué)李長勇副教授修訂, 第8 章由西安交通大學(xué)景敏卿教授修訂, 第9 章由西安交通大學(xué)張西寧教授修訂, 第10 章由馬松齡副教授( 10. 1 節(jié))、張周鎖教授(10. 2 節(jié))、張小棟教授( 10. 3 節(jié))、陳花玲教授( 10. 4 節(jié))、張西寧教授(10. 5 節(jié)) 和景敏卿教授(10. 6 節(jié)) 共同修訂。本書由陳花玲教授任主編,張小棟教授和張慶副教授任副主編, 并負(fù)責(zé)全書的統(tǒng)稿及修改工作。
鑒于上述特點, 本書得到機械工業(yè)出版社與西安交通大學(xué)的共同推薦與支持, 決定再版第3 版。在此, 編者對機械工業(yè)出版社與西安交通大學(xué)的大力支持與幫助表示衷心的感謝。
由于本書是在第2 版和第1 版基礎(chǔ)上改編的, 為此, 本書編者對先后參與第1 版、第2 版教材編寫的西安交通大學(xué)的厲彥忠、吳筱敏、王銘華、苗曉燕、徐光華、侯成剛、梁霖老師, 以及西安理工大學(xué)的楊靜老師、華南理工大學(xué)的康龍云老師表示衷心的感謝。
全體編者熱切期望使用本書的讀者提出寶貴意見, 以便進(jìn)一步提高本書質(zhì)量。為此, 我們將不勝感謝!編 者
第3 版前言
第2 版前言
第1 版前言
1 緒論 1
1. 1 課程的意義及目的 1
1. 1. 1 本課程的意義 1
1. 1. 2 本課程的目的 2
1. 2 測試方法的分類與系統(tǒng)組成 4
1. 2. 1 測試方法的分類 4
1. 2. 2 測試系統(tǒng)的組成 5
1. 3 測試技術(shù)的發(fā)展 6
1. 3. 1 傳感器技術(shù)的發(fā)展 6
1. 3. 2 計算機測試技術(shù)的發(fā)展 8
1. 4 本課程的研究內(nèi)容 11
思考題與習(xí)題 11
2 機械測試信號分析 12
2. 1 信號的表示與分類 12
2. 1. 1 信號的表示 12
2. 1. 2 信號的分類 13
2. 2 信號的時域分析 14
2. 2. 1 時域信號特征參數(shù) 14
2. 2. 2 時域相關(guān)分析 15
2. 3 信號的頻譜分析 17
2. 3. 1 周期信號的頻譜分析 18
2. 3. 2 非周期信號的頻譜分析 22
2. 3. 3 隨機信號的頻譜分析 27
2. 4 信號的時頻分析 30
2. 5 機械信號的測量誤差與信號預(yù)處理 33
2. 5. 1 測量誤差及其分類 33
2. 5. 2 信號的預(yù)處理 35
思考題與習(xí)題 36
3 測量系統(tǒng)的基本特性 38
3. 1 測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性 38
3. 2 一般測量系統(tǒng)的動態(tài)特性 41
3. 2. 1 線性定常系統(tǒng)及其基本特性 41
3. 2. 2 測量系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù) 43
3. 3 典型測量系統(tǒng)的動態(tài)特性 44
3. 3. 1 理想測量系統(tǒng)的動態(tài)特性 44
3. 3. 2 一階測量系統(tǒng)的動態(tài)特性 46
3. 3. 3 二階測量系統(tǒng)的動態(tài)特性 47
3. 4 動態(tài)測量誤差及補償 49
3. 4. 1 測量系統(tǒng)的動態(tài)測量誤差 49
3. 4. 2 動態(tài)測量誤差的補償方法 52
思考題與習(xí)題 54
4 參數(shù)式傳感器及其應(yīng)用 55
4. 1 電阻式傳感器 55
4. 1. 1 電阻應(yīng)變式傳感器 56
4. 1. 2 熱電阻式傳感器 60
4. 1. 3 電阻式傳感器的直流電橋調(diào)
理技術(shù) 62
4. 1. 4 電阻式傳感器的應(yīng)用 66
4. 2 電感式傳感器 68
4. 2. 1 電感式傳感器工作原理 68
4. 2. 2 交流信號的調(diào)理技術(shù) 71
4. 2. 3 電感式傳感器的應(yīng)用 76
4. 3 電容式傳感器 79
4. 3. 1 電容式傳感器工作原理 79
4. 3. 2 電容式傳感器的應(yīng)用 82
4. 4 電渦流傳感器 84
4. 4. 1 電渦流傳感器工作原理 84
4. 4. 2 電渦流傳感器的信號調(diào)理 86
4. 4. 3 電渦流傳感器的應(yīng)用 87
思考題與習(xí)題 90
5 發(fā)電式傳感器及其應(yīng)用 91
5. 1 壓電式傳感器 91
5. 1. 1 壓電效應(yīng)與壓電材料 91
Ⅹ
5. 1. 2 壓電元件及其等效電路 92
5. 1. 3 壓電傳感器的調(diào)理電路 93
5. 1. 4 壓電式傳感器的應(yīng)用 95
5. 2 磁電式傳感器 98
5. 2. 1 磁電式傳感器基本原理及測
量電路 98
5. 2. 2 磁電式傳感器的應(yīng)用 99
5. 3 霍爾傳感器 101
5. 3. 1 霍爾效應(yīng)和霍爾傳感器 101
5. 3. 2 霍爾元件的測量電路和誤差
補償 102
5. 3. 3 霍爾傳感器的應(yīng)用 104
5. 4 熱電偶傳感器 105
5. 4. 1 熱電偶工作原理 106
5. 4. 2 熱電偶基本定律 107
5. 4. 3 熱電偶冷端溫度補償 108
5. 4. 4 熱電勢的測量 109
5. 4. 5 熱電偶的分類及應(yīng)用 110
5. 5 紅外探測器 111
5. 5. 1 紅外探測器基本工作原理 112
5. 5. 2 紅外線探測器的應(yīng)用 113
思考題與習(xí)題 115
6 光電檢測技術(shù) 117
6. 1 光電檢測器的工作原理與性能
比較 117
6. 1. 1 常用光電檢測器的工作原理 118
6. 1. 2 光電檢測器性能比較 121
6. 2 典型光電檢測方法及系統(tǒng)應(yīng)用 122
6. 2. 1 光源及其特性 123
6. 2. 2 非相干光電檢測方法及應(yīng)用 124
6. 2. 3 相干光電檢測方法及應(yīng)用 129
6. 3 固態(tài)圖像傳感器及其應(yīng)用 131
6. 3. 1 固態(tài)圖像傳感器測量原理 131
6. 3. 2 固態(tài)圖像傳感器的應(yīng)用 133
6. 4 光纖傳感器測量技術(shù) 135
6. 4. 1 光纖傳感器基本原理 135
6. 4. 2 光纖傳感器的應(yīng)用 137
思考題與習(xí)題 138
7 無損檢測技術(shù) 139
7. 1 超聲波檢測技術(shù) 139
7. 1. 1 超聲波檢測技術(shù)簡介 139
7. 1. 2 超聲波無損檢測原理 140
7. 1. 3 超聲波無損檢測的應(yīng)用 142
7. 2 工業(yè)CT 檢測技術(shù) 143
7. 2. 1 工業(yè)CT 成像技術(shù)簡介 143
7. 2. 2 工業(yè)CT 工作原理 144
7. 2. 3 工業(yè)CT 檢測系統(tǒng)的應(yīng)用 145
7. 3 磁粉檢測技術(shù) 146
7. 3. 1 磁粉檢測技術(shù)簡介 146
7. 3. 2 磁粉檢測技術(shù)原理 147
7. 3. 3 磁粉檢測技術(shù)的應(yīng)用 148
7. 4 滲透檢測技術(shù) 149
7. 4. 1 滲透檢測技術(shù)簡介 149
7. 4. 2 滲透檢測技術(shù)原理 150
7. 4. 3 滲透檢測技術(shù)的應(yīng)用 150
7. 5 其他技術(shù)在無損檢測中的應(yīng)用 151
7. 5. 1 電渦流傳感器在無損檢測中
的應(yīng)用 151
7. 5. 2 霍爾傳感器在無損檢測中的
應(yīng)用 152
7. 5. 3 紅外技術(shù)在無損檢測中的
應(yīng)用 153
思考題與習(xí)題 154
8 計算機測試技術(shù) 155
8. 1 數(shù)據(jù)采集技術(shù) 156
8. 1. 1 模擬信號的數(shù)字化處理 156
8. 1. 2 數(shù)據(jù)的采集與保持 158
8. 1. 3 A-D 轉(zhuǎn)換器類型及性能指標(biāo) 160
8. 1. 4 A-D 通道方案的確定 161
8. 2 智能儀器 164
8. 2. 1 智能儀器的硬件結(jié)構(gòu) 164
8. 2. 2 智能儀器的軟件功能 166
8. 2. 3 智能儀器的自動測量功能 167
8. 2. 4 智能傳感器 169
8. 3 虛擬儀器 170
8. 3. 1 虛擬儀器的概念 170
8. 3. 2 虛擬儀器的體系結(jié)構(gòu) 171
8. 3. 3 虛擬儀器軟件的開發(fā)環(huán)境 173
8. 3. 4 虛擬儀器設(shè)計舉例 175
8. 4 計算機測試系統(tǒng)設(shè)計舉例 176
思考題與習(xí)題 179
Ⅺ
9 測試系統(tǒng)設(shè)計 180
9. 1 測試系統(tǒng)設(shè)計的基本原則 180
9. 1. 1 測試系統(tǒng)基本架構(gòu) 180
9. 1. 2 測試系統(tǒng)設(shè)計的基本原則及
步驟 183
9. 2 測試系統(tǒng)的精度設(shè)計 186
9. 2. 1 測試系統(tǒng)的誤差傳遞 186
9. 2. 2 測試系統(tǒng)的誤差分配與校核 188
9. 3 信號的放大與濾波環(huán)節(jié)設(shè)計 189
9. 3. 1 信號放大環(huán)節(jié)設(shè)計 190
9. 3. 2 信號濾波環(huán)節(jié)設(shè)計 191
9. 4 測試系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計 195
9. 4. 1 干擾因素及傳播途徑 195
9. 4. 2 常用抗干擾技術(shù) 196
思考題與習(xí)題 199
10 典型測試系統(tǒng)設(shè)計實例 201
10. 1 應(yīng)變測量案例 201
10. 1. 1 應(yīng)變測量方法簡介 201
10. 1. 2 塔式起重機結(jié)構(gòu)強度測試 206
10. 2 溫度測量案例 209
10. 2. 1 溫度測量方法簡介 209
10. 2. 2 高速機車軸溫測試系統(tǒng) 210
10. 3 位移測量案例 215
10. 3. 1 位移測量方法簡介 215
10. 3. 2 潤滑油膜厚度光纖測試系統(tǒng) 216
10. 4 噪聲測量案例 221
10. 4. 1 噪聲測量方法簡介 221
10. 4. 2 汽車懸架減振器異響聲分析 226
10. 5 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析案例 230
10. 5. 1 模態(tài)分析方法簡介 230
10. 5. 2 機床模態(tài)分析實例 234
10. 6 旋轉(zhuǎn)機械的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測診斷 237
10. 6. 1 設(shè)計任務(wù) 237
10. 6. 2 網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測診斷系統(tǒng)方案 237
10. 6. 3 傳感器組 238
10. 6. 4 CPCI 采集監(jiān)測單元 240
10. 6. 5 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫 242
10. 6. 6 網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測診斷軟件平臺 242
參考文獻(xiàn) 245
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