机械工程测试技术基础--机械测试大作业
哈工大机械工程测试技术基础大作业
机械工程测试技术基础大作业题目：信号的分析与系统特性班级：学生姓名：评阅教师：作业成绩哈尔滨工业大学2019年月题目 信号的分析与系统特性 15分题目：写出下列信号中的一种信号的数学表达通式，求取其信号的幅频谱图（单边谱和双边谱）和相频谱图，若将此信号输入给特性为传递函数为)(s H 的系统，试讨论信号参数的取值，使得输出信号的失真小。
（选其中一个信号一个题号）作业要求：（1）要求学生利用第1章所学知识，求解信号的幅频谱和相频谱，并画图表示出来。
（2）分析其频率成分分布情况。
（3）利用第2章所学内容，画出表中所给出的系统)(s H 的伯德图。
（4）对比（2）、（3）的图分析将（2）所分析的信号作为输入)(t x ，输入给（3）所分析的系统)(s H ，求解其输出)(t y 的表达式，并且讨论信号的失真情况（幅值失真与相位失真），若想减小失真，应如何调整系统)(s H 的参数。
目录一．求解信号的幅频谱和相频谱 (4)1. 时域表达式 (4)2. 时域信号的傅里叶变换 (4) (6)二.频率成分分布情况 (6)三．)(sH的伯德图 (7)1. 一阶系统 (7)2. 二阶系统 (7)四．讨论减小失真的措施 (8)1. 一阶系统响应 (8)2. 二阶系统响应 (10)一．求解信号的幅频谱和相频谱1. 时域表达式2. 时域信号的傅里叶变换常值分量余弦分量的幅值正弦分量的幅值则方波信号可分解为：转换为复指数展开式的傅里叶级数：C n=1T0∫x(t)ⅇ−jnw o tⅆt=T02−T021T0(∫Aⅇ−jnw o tⅆtτ+∫−Aⅇ−jnw o tⅆt)−τ=1T0∫A(ⅇ−jnw o t−ⅇjnw o t)ⅆt=τAT01jnw0(ⅇ−jnw o t−ⅇjnw o t)|0τ=2AT0nw012j(ⅇjnw o t−ⅇ−jnw o t)=jAnπ当n=0，±2，±4，…时，Cn=0;当n=±1，±3，±5，…时，Cn=−j2Anπ因此，幅频函数为：Cn =−j2Anπ=−j12nπ,n=±1，±3，±5，…An=2| Cn|=4Anπ=24nπ,n=1，3，5，…相频函数为：Φn=arctan C n Ic nR =arctan(−∞)=−π2，n=1，3，5，…Φn=arctan C n Ic nR =arctan(+∞)=π2，n=-1，-3，-5，…单边幅频图：双边幅频图：相频图：二.频率成分分布情况由信号的傅里叶级数形式及其频谱图可以看出，矩形波是由一系列正弦波叠加而成，正弦波的频率由w0到3w，5w……，其幅值由4Aπ,4A3π,4A5π,……依次减小，各频率成分的相位都为0。
机械工程测试技术大作业
振动测试在机械设备的故障诊断、预防性维护和优化设计等方面具有广泛应用。
压力测试
压力测试是评估机械设备承受压力能 力的重要手段，主要用于气瓶、压力 容器、管道等高压系统的检测。
压力测试对于保障机械设备的安全运 行和防止事故发生具有重要意义。
质量满足要求。
对未来研究的建议
进一步研发先进的测试技术
随着机械工程领域的不断发展和技术的不断创新，需要进一步研发更高效、准确和智能的 测试技术，以满足更高的测试需求。
加强测试技术的标准化和规范化
为了提高测试结果的可靠性和可比性，需要加强测试技术的标准化和规范化工作，制定统 一的测试标准和方法。
加强测试技术在实践中的应用研究
通过测试技术对生产过程中的各个 环节进行监控和评估，可以及时发 现和解决生产过程中的瓶颈和问题， 从而提高生产效率。
降低成本
通过测试技术对产品进行早期检测 和评估，可以减少后期维修和返工 的成本，从而降低整体成本。
测试技术的发展历程
传统测试技术
未来测试技术
传统的测试技术主要依靠人工操作和 经验判断，测试精度和效率相对较低。
意义。
位置和速度测试
位置和速度测试是机械工程测 试中用于评估机械设备运动性 能的方法。
位置和速度测试采用传感器进 设备的运动 特性和精度。
位置和速度测试在机械设备的 运动控制、精度检测和故障诊 断等方面具有广泛应用。
04
测试技术在机械工程中的应用
发动机测试
测试技术的作用
测试技术在机械工程中发挥着至关重要的作用，它能够确保产品、设备或系统 的性能和质量满足设计要求，同时也能为改进和优化提供数据支持和反馈。
机械工程测试技术基础考试题B及答案备课讲稿
机械工程测试技术基础考试题 B 及答案一、填空题(每题1分，共10分)1. 构成信号x(t)的各频率分量的集合称为________ 。
2. 在时间信号x(t)幅值不变的条件下，若x(t) X(f)，则x(kt)(k>0)。
3. 如果函数与某一连续信号f(t)相乘，则其乘积仅在t=0处得到__________ 其余各点(t 0)之乘积均为零。
4. 在平稳随机过程中，若任一单个样本函数的时间平均统计特征等于该过程的集合平均统计特征，这样的平稳随机过程称为_______ 随机过程。
5. 当测量装置的输入x有一个增量x，引起其输出y发生相应变化y，则该装置的绝对灵敏度为S= ________ 。
6. 两个传递函数各为H i(s)和H2(S)的环节，其串联后所组成的系统的传递函数H(s)为_____ 。
7. 半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的______ 效应。
8. 涡流式传感器的变换原理是利用______ 在交流磁场中的涡流效应。
9. 设两光栅刻线间的夹角为，栅距均为W，则二者所生成之英尔条纹间的距离B H_= __ 。
10. 信号的时域描述是信号时间历程的直接记录，频域描述则反映了信号的_______ 。
二、单项选择题(在下列每小题四个备选答案中选出一个正确答案，并将其字母标号填入题干的括号内。
每小题1分，共20分)1. 二阶装置的动态特性参数是它的()A. 时间常数B.传递函数H(s)C. 固有频率°和阻尼比D.功率谱2. 差动变压器式电感传感器是把被测位移量转换成（）的变化装置，通过这 一转换从而获得相应的电压输出。
A.线圈自感 B.线圈互感 C 丄C 调谐振荡D.RC 调谐振荡3. 智能传感器具有辨认、识别与判断的功能，它是由（ ）而成。
A.智能型材料研制 B.传感器与记忆合金组装D. 传感器与计算机组合）B. 下截止频率越低 D.下截止频率越咼T s 米样后，其频谱将具有（ ）特征。
机械工程测试技术基础大作业哈工大
哈尔滨工业大学•机电工程学院机械工程测试技术基础I课程大作业设计人：段泽军学号: 1120810810院系: 机电工程学院专业:机械设计制造及其自动化班级: 1208108 ________2015年5月指导教师: 工慧蚯目录目录 ....................................................... I I题目一：信号的分析与系统特性 (1)机械工程测试技术基础课程大作业任务书 (1)一,方波信号的数学表达式 (2)1, 方波信号的时域表达式 (2)2, 时域信号的傅里叶变换 (2)二，频率成分分布情况 (3)三，系统分析 (3)1, 一阶系统 (3)2, 二阶系统 (3)四，系统响应分析 (6)1，一阶系统响应 (6)2,二阶系统响应 (6)题目二：传感器综合运用 (8)机械工程测试技术基础课程大作业任务书 (8)一，基本原理 (9)1, 变面积式电容传感器 (9)2, 变极距式电容传感器 (10)3, 所示为变介电常数式电容传感器 (10)二，电容传感器的设计 (11)三，测量电路 (11)四，测量方案简图 (12)2015年5月题目一信号的分析与系统特性段泽军题目一：信号的分析与系统特性机械工程测试技术基础课程大作业任务书题目要求：写出所给信号的数学表达通式，其信号的幅频谱图(单•边谱和双边谱)和相频谱图，若将此信号输入给特性为传递函数为H(s)的系统，讨论系统参数的取值，使得输出信号的失真小。
1, 利用第1章所学知识，求解信号的幅频谱和相频谱，并画图表示；2, 分析其频率成分分布情况；3, 利用第2章所学内容，画出表中所给出的系统H(s)的伯徳图；4, 对比2、3图分析将2所分析的信号作为输入x(t),输入给3所分析的系统H(s),求解其输出y(t)的表达式，并且讨论信号的失真情况(幅值失真与相位失真)若想减小失真，应如何调整系统H(s)的参数。
机械制造基础大作业
金属材料的强韧化原理和方法摘要：本文系统地论述了金属材料的强韧化原理和方法，以便指导实际生产中的加工。
关键词：金属材料强韧化介绍：强度是指金属材料在静载荷作用下，抵抗变形和断裂的能力；韧性是指金属材料在断裂前吸收的断裂变形功和断裂功的能力。
一、金属材料的强化从金属材料的强化途径来看，金属材料的强化方法主要有两大类：一是提高合金的原子间结合力，提高其理论强度，并制得无缺陷的完整晶体，如晶须。
已知铁的晶须的强度接近理论值，可以认为这是因为晶须中没有位错，或者只包含少量在形变过程中不能增殖的位错。
这种强化方法只有在几种特殊的金属中才得到应用。
另一强化途径是向晶体内引入大量晶体缺陷，如位错、点缺陷、异类原子、晶界等，这些缺陷阻碍位错运动，也会明显地提高金属强度。
事实证明，这是提高金属强度最有效的途径。
对工程材料来说，一般是通过综合的强化效应以达到较好的综合性能。
具体方法有固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、细化晶粒强化、择优取向强化、复相强化、纤维强化和相变强化等,这些方法往往是共存的。
下面简要的予以介绍：1、结晶强化结晶强化就是通过控制结晶条件，在凝固结晶以后获得良好的宏观组织和显微组织，从而提高金属材料的性能。
它包括：（1）细化晶粒。
细化晶粒可以使金属组织中包含较多的晶界，由于晶界具有阻碍滑移变形作用，因而可使金属材料得到强化。
同时也改善了韧性，这是其它强化机制不可能做到的。
（2）提纯强化。
在浇注过程中，把液态金属充分地提纯，尽量减少夹杂物，能显著提高固态金属的性能。
夹杂物对金属材料的性能有很大的影响。
采用真空冶炼等方法，可以获得高纯度的金属材料。
2、形变强化也叫加工硬化，金属材料经冷加工塑性变形可以提高其强度。
这是由于材料在塑性变形后位错运动的阻力增加所致。
如铜合金。
3、固溶强化通过合金化(加入合金元素)组成固溶体，使得融入固溶体中的原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使塑性变形更加困难，从而使合金固溶体的强度与硬度增加的现象。
通过大作业提高互换性与技术测量课程教学效果
机 械产 品 必须 具 有 良好 的性 能 和 较好 的经 济 性 ， 互 换 性 与技 术 测 量 课程 从 几 何精 度 和 产 品经 济 性 方 面来 阐述 ， 是 作 为 机 械工 程 师 到车 间 工 人所 必须 具 备 的知 识 。 但 是 由于 互换 性 与 技术 测 量课 程本 身特点 ， 知识点零散 ， 符号代号多 ， 实际经验总结多而前后逻辑性不 强， 由于 学 生本 身 没有 工 程 实 践 背 景 ， 理 解 困难 ， 兴趣不 大 ， 即使 掌 握 了基 本 知识 ， 也 不会 用 ， 过 段 时 间就 忘 记 了【 ｌ ｌ 。 基 于此 ， 对 于 该课 程 的 教学 改 革 一 直 是 关 注 的 热 点 ，许 多 教 师 从 不 同方 面进 行 教 学 改 革， 教学效果有一定提高。 根据作者多年从事该课 程教学经验 ， 提出了以大作业来巩固提 高教 学 效 果 的教 学 改 革方 案 。本文 介 绍 了 大作 业 应 该 涵 盖 的 内容 ， 对 学生 完 成 大作 业 过程 中组 织 实施 方 法 ， 以及 对学 生 提 交 的 大 作业 进行 点 评 总结 等 。 ２大作业 内容设计 以大 作 业 来 巩 固互 换性 与技 术 测 量 知 识 ， 提高教学效果 ， 首先 要 精心 选 择 大作 业 题 目。 大作 业 即不 同 于一 般 的 习题 也 不 同于 实 际 工 程设 计 。一 般 的习 题 主要 是 为 训 练强 化 某 个 概念 ， 多是 不 联 系 实 际的小题 目。大作业也不同于做一个 实际机械产品的设计 ， 因为完 成 实 际机 械 产 品 的 的设 计 需 要 几 十个 甚 至 上 百个 学 时 ， 而完 成 一 个 大 作 业一 般 只 需 ６ 到８ 个学 时， 直接 采 用 实 际 的工 程 题 目无 法 在 短 时 间 内完成 。 大 作 业对 学 生来 说 是 一次 理 论联 系实 际高 强 度 的工 程 实践训练 。 因此设计大作业的题 目要来 自生产实际且要经过仔细的 斟酌 ， 恰如其分精心提炼 ， 使之既要有很强工程性又要合理简化。 总的看来 ， 互换性与技术测量大作业题 目的选择要体现如下几
机械设计大作业二设计螺旋起重器(千斤顶)
机械设计大作业二-设计螺旋起重器（千斤顶）机械设计大作业报告二：设计螺旋起重器（千斤顶）一、设计题目：螺旋起重器（千斤顶）的设计二、设计背景与目的在工程领域，起重器是必不可少的设备之一，用于进行物体的提升、降落和搬运。
螺旋起重器作为一种常见的起重器，具有结构简单、操作方便、稳定性好等优点。
本次设计的目的是设计一款结构合理、性能稳定的螺旋起重器（千斤顶），以满足实际工程应用的需求。
三、设计要求与参数1.设计要求（1）最大起重量：1000kg（2）最大起重高度：100mm（3）螺旋直径：16mm（4）螺旋长度：根据实际需要确定（5）设备应具有足够的强度和稳定性，能够承受较大的载荷和冲击。
2.设计参数（1）材料选择：优质碳素结构钢（如Q235）（2）驱动方式：手动操作（3）传动方式：螺旋传动（4）结构形式：采用紧凑型设计，便于携带和使用。
四、设计步骤与方案1.确定总体方案根据设计要求和参数，确定螺旋起重器的总体方案。
主要包括传动方式、结构形式、操作方式等。
考虑到手动操作的特点，设计时应注重设备的便携性和易用性。
2.结构设计根据总体方案，进行结构设计。
主要包括螺旋部分的长度、直径和材质选择，以及支撑部分的材料和结构形式等。
在设计过程中，应考虑到设备的强度、刚度和稳定性要求。
3.传动系统设计根据总体方案和结构设计，进行传动系统的设计。
主要包括传动轴的直径、长度和材质选择，以及齿轮或蜗轮蜗杆等传动元件的选择和设计。
在设计过程中，应考虑到传动效率、平稳性和使用寿命等因素。
4.操作系统设计根据总体方案和结构设计，进行操作系统的设计。
主要包括操作手柄的形状、长度和材质选择，以及操作机构的运动方式和结构设计等。
在设计过程中，应考虑到操作简便、省力和安全等因素。
5.校核与分析对所设计的螺旋起重器进行校核与分析，主要包括强度校核、刚度校核和稳定性分析等。
确保设备能够满足实际工程应用的要求，具有较高的安全性和可靠性。
6.图纸绘制与说明根据所设计的螺旋起重器，绘制相关图纸，包括总装图、部件图和零件图等。
机械原理大作业-连杆机构
设计内容
结论
1. 机构结构分析 1）计算机构自由度，确定机构是否有确定运动。
机构自度 F=1
本机构中，n= 5 ， pL= 7
，pH = 0
则有：F=3n-2PL –PH= 3*5-2*7=1
是否有确定
机构确定运动判断： 因 F= 1 ，原动件个数= 1 ，可知： 自由度等于原动件数，机构有确定 的运动。
➢ 求解速度 vB 、角速度 2 ： 矢量方程：
大小 ？ √ ？ 方向 ⊥BD ⊥OA ⊥AB
逆时针方向 ➢ 求解速度 vC 、2 杆质心 S2 的速度 vs2 ：
vB =1.57m/s 2 =0.36rad/s， 逆时针方向
vC =1.56m/s vs2 =1.53m/s
-3-
➢ 求解速度 vE 、角速度 4 ： 矢量方程：
动态静力学参数：m2=20 kg ， JS2 = 1.1 kg m2 ，m5=50 kg
表 2 阻抗力参数表
班级序号 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Fr /N
500 600 700
800
900
1000 1100 1200 1300 1400
-1-
机械原理模块训练一
二、 训练要求
通过对干草压缩机六杆机构进行结构分析、运动分析和力分析，对该设备的运动性能做出 定量的计算，为新设备的设计与评价提供依据。 机构结构分析：了解机构组成，学会对机构工作原理简图表达，判断机构的结构组成是否可行。 机构运动分析：已知原动件运动参数情况下，学会求解机构输出端和机构中关键点的运动参数。 机构动态静力分析：当已知工作阻力时，需要给机器配置动力，通过平衡力求解可以获得；当 机器安装时需要知道支座的反力，可通过动态静力分析获得。
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7.155 0.493 0.119
6.532 0.379 0.087
0.1
0.5
0.707
（°)
精品
. w
精品
.
-5.7106
-26.5651
-35.2603
w0
3 w0
-16.700
-56.3099
-64.7573
5 w0
-26.5651
-68.1986
-74.2046
当 H (s )
s2
wn w )2
)
wn
wd = 1- 2 是系统在阻尼比为 时（ <1）做有阻尼振荡时的圆频率
3
=-
arctan
(
2 1-( w
1- 2 )2 -2
2
)
wn
当 H (s) 1 时， 利用 matlab 中 simulink 进行仿真得到如下输出响应： s 1
由结果知：为了实现近似不失真，要求 w<< 1 。
求解其输出 y(t )的表达式，并且讨论信号的失真情况（幅值失真与相位失真）若想减小失 真，应如何调整系统 H (s) 的参数。
精品
. 解：求解周期性三角波的傅里叶函数。 在一个周期中，三角波可以表示为：
常值分量 余弦分量幅值： 正弦分量幅值：
相频谱：
所以 取：
则： 所以
（1）利用 matlab 画出三角波函数的幅频谱如下： 双边谱：
（2）分析其频率成分分布情况。教师可以设定信号周期T0 及幅值 A ，每个学生的取值
不同，避免重复。
（3）利用第 2 章所学内容，画出表中所给出的 H (s) 系统的伯德图，教师设定时间常
数 或阻尼比 和固有频率n 的取值，每个同学取值不同，避免重复。
（4）对比 2、3 图分析将 2 所分析的信号作为输入 x(t )，输入给 3 所分析的系统 H (s) ，
下图绘制出了在不同的时间常数下一阶系统对于不同的 下幅值和相位被放大和滞后
精品
. 的变化趋势。
精品
.
当 H(s )
s2
40n 2 ns
n2 时，
利用 matlab 中 simulink 进行仿真利用仿真数据，得
到如下输出响应：
由结果知：为了实现近似不失真，阻尼比 =(0.65~0.7) ，输入信号中不可忽视的最高频率应
谱）和相频谱图，若将此信号输入给特性为传递函数为 H (s) 的系统，试讨论信号参数的取
值，使得输出信号的失真小。
名称
H (s)
、n 、
波形图
三角波
H(s) 1 s 1
H(s )
s2
40n 2 ns
n2
0.005，0.01 0.015，0.02 等
教师指定
x(t) A
0 T0/2
T0
t
作业要求 （1）要求学生利用第 1 章所学知识，求解信号的幅频谱和相频谱，并画图表示出来。
小于（0.6~0.8）wn ，以使 A(w)=A 尽量接近。
下图绘制出了在不同的 下二阶系统对于不同的 下幅值和相位被放大和滞后的变化 趋势。
精品
.
参考文献
[1] 邵东向. 李良主编 机械工程材料测试基础. 哈尔滨工业大学出版社. 2003 年
精品
.
题目二 传感器综合运用
题目：如图所示的工件，根据图中所示测量要求，选用适合的传感器，设计相应的测量方案。 2）工件如图所示，要求测量出工件的刚度值，在力 F 的作用下头部将产生偏角 （约 3 度）。 力的大小为 300N，选择力传感器，及位移传感器，设计测量方案。 作业提示：高精度的角度测量比较难，可以转换为线位移测量。
单边谱：
精品
.
利用 matlab 画出三角波函数的相频谱如下：
（2）由信号的傅里叶级数形式及其频谱图可以看出，三角波是由一系列正弦波叠加而成，
正弦波的频率由 w0 到 3 w0 ，5 w0 ……，其幅值由
依次减小，各频率成分的
相位交替为
。
（3）当 H (s) 1 时，利用 matlab 画出的 bode 图如下： s 1
精度一般根据被测量的公差带利用的是误差不等式来确定，例如公差带达到 10 μm时测量精 度一般应达到公差带的 1/5，即小于 2 μm。满足此精度的传感器有电阻应变式传感器，电
感式传感器等，但考虑精度的同时还要考虑量程等其它方面的因素，参考第 3 章传感器的选 用原则一节。
（4）测量方法是确定成败的，好的测量方法可以充分发挥传感器的性能。学生要根据 被测量的特点及题目要求，综合考虑测量方便，适合于批量测量的特点，确定合理的测量方 案，并画出测量方案简图，可以配必要的文字说明。
当 H (s )
s2
40n 2 ns
n2 ，利用 matlab 画出的 bode 图如下：
（在这里，假定
不变，改变阻尼比 ）
精品
.
(4) 当 H (s) 1 时，对于该输入信号可以对每一项单独计算系统输出相应，然后相加即 s 1
可。
由前知：
对于每一个频率成分，一阶系统的响应为：
y(t)=A'[sin(wt+)-e-t/ sin]
式中 A'= 1
， =-arctan () ， sin=-
1+( )2
1+( 0.5, 0.707 ， w = w0 ，3 w0 ，5 w0 …，即
。，
…
(
)，即
A
w
w0
3 w0
5 w0
的频率成分， 可以得到其相应的响应
0.1
0.5
0.707
7.960 0.851 0.286
θ F
作业要求 （1）学生选题可以多人选一题，但是要求独立完成作业内容。同一测量对象，可以有
多种测量方法，可以用不同传感器。 （2）根据被测物理量选用适合的传感器系列；例如尺寸量测量传感器，电阻应变式传
感器，电感式传感器，电容传感器，磁电传感器、CCD 图像传感器等等。 （3）分析所给任务的测量精度，并根据精度指标初选适合该精度的传感器系列；测量
.
Harbin Institute of Technology
课程大作业说明书
课程名称：机械工程测试技术基础 设计题目：测试技术与仪器大作业 院 系： 班 级： 设 计 者： 学 号： 指导教师： 设计时间： 2014/05/06
哈尔滨工业大学
精品
.
题目一 信号的分析与系统特性
题目：写出下列信号中的一种信号的数学表达通式，求取其信号的幅频谱图（单边谱和双边
40n 2 ns
n2 ，对于该输入信号可以对每一项单独计算系统输出相应，然
后相加即可。 对于每一个频率成分，二阶系统的响应为：
y(t)=Asin(wt+)- d
e- wnt
sin (dt+3)
2 ( w )
A=
1
2
2
[1-
w wn
]2 +4
w wn
， =- arctan ( 1-(