普通高等学校机械工程基础创新系列教材” 由清华大学、 重庆大学、 北京科技大学、 西南交通大学等多所高校国家教学名师、 名教授主编, 以国家教学成果奖、 国家精品课程、 国家精品资源共享课程、 国家 “ 十二五” 规划教材遴选精神、 卓越工程师培养理念为编写思想和内容支
撑 , 是强调工程背景和工程应用的高校机类、 近机类平台课教材, 力求反映当今最新专业技术成果和教研成果, 适应当前教学实际, 本系列教材特色鲜明, 可作为现有经典教材的补充。 本书是其中的一分册。

本书在满足相关专业对测试技术课程要求的前提下, 注意精选教学内容, 加强素质教育, 突出创新能力的培养。 拓宽知识面, 力求重点突出、 语言通达。 书中采用了新的国家标准。 主要内容包括: 信号与信号分析、 测试系统特性分析、 常用传感器、 信号调理、 数字信号处理、 数据处理与误差分析、 显示与记录仪器、 典型传感与测试系统设计的工程应用。

本书适合作为普通高等学校测试技术课程的教材, 也可供有关工程技术人员参考使用。

本书是根据教育部组织实施的 “ 高等教育面向 21 世纪教学内容和课程体系改革计

划 ” 中 “ 工程测试技术课程教学基本要求” 的精神, 结合北京工业大学 《 传感与测试技术课程教学大纲》 的内容, 由北京工业大学材料与制造学部具有教学和实践经验的新老教师编写的。

“ 工程测试技术” 是高等理工科院校各专业一门重要的技术基础课程, 通过对本课程的学习, 可培养学生正确地选用测试系统, 掌握对常见物理量进行动态测试的基本知识和技能。 本课程具有很强的实践性, 在学习过程中可提高解决实际问题的能力, 对学生学习后续专业课程以及将来的实际工作具有深远影响。 本书在满足相关专业对本课程要求的基础上, 注意精选教学内容, 加强素质教育, 突出创新能力的培养; 拓宽知识面, 力求重点突出、 语言通达。 本书内容密切联系工业生产及日常生活实际, 注重工程实践, 并提供了大量工程案例。

本书由焦敬品、 何存富担任主编, 胥永刚、 刘秀成、 高翔担任副主编。 其中参加本

书编写的有焦敬品 ( 第 1、 4、 8、 9 章) 、 崔玲丽 ( 第 2、 4 章) 、 刘秀成 ( 第 3 章) 、 马建峰 ( 第 4、 5 章) 、 胥永刚 ( 第 4、 6 章) 、 刘增华 ( 第 7 章) 。 本书由高翔、 李跃娟、

何宝凤负责校稿。

同时王大康教授对本书提出了许多宝贵意见, 大大提高了本书的质量, 在此表示衷心感谢!

由于编者能力所限, 书中难免存在误漏欠妥之处, 真诚希望广大读者不吝指正。

    目 录    
第 1 章  绪论 ……………………………… 1  2. 5. 2 各态历经随机信号的 
1. 1 认识测试与测试技术……………… 1 2. 6   特征参数 …………………… 43 
 1. 1. 1 测试 ………………………… 1   相关分析 ………………………… 45 
 1. 1. 2 测试技术 …………………… 1  2. 6. 1 互相关函数与自相关函数 … 46 
1. 1. 1. 3 测试技术的发展……………… 3 2. 2. 6. 2 相关函数的应用 …………… 48 
 2 测试系统 ………………………… 6  7 功率谱分析及其应用 …………… 51 
1. 3 本课程的主要内容………………… 7  2. 7. 1 自功率谱密度函数 ………… 51 
1. 4 课程的性质、 学习方法及要求 …… 7  2. 7. 2 互功率谱密度函数 ………… 52 
 1. 4. 1 课程性质 …………………… 7  2. 7. 3 工程应用 …………………… 54 
 1. 4. 2 学习方法 …………………… 7 思考题与习题 ………………………… 55 
 1. 4. 3 学习要求 …………………… 7 第 3 章  测试系统特性分析 ……………… 57 
思考题与习题 …………………………… 8 3. 1 认识测试系统特性 ……………… 57 
第 2 章  信号与信号分析 ………………… 9 3. 2 测试系统的静态特性 …………… 58 
2. 1 认识信号 ………………………… 9 3. 3 测试系统的动态特性 …………… 60 
 2. 1. 1 信号的定义 ………………… 9  3. 3. 1 线性系统的数学描述 ……… 60 
2. 2. 1. 2 信号的分类 ………………… 10  3. 3. 2 传递函数 …………………… 62 
 2 信号分析 ………………………… 13  3. 3. 3 频率响应函数 ……………… 63 
 2. 2. 1 信号的时域分析 …………… 13  3. 3. 4 一阶系统和二阶系统的 
 2. 2. 2 信号的频域分析 …………… 13  3. 3. 5 动态特性 …………………… 66 
 2. 2. 3 时域分析与频域分析之间的    测试系统对典型激励的 
2. 3   关系 ………………………… 15 3. 4   响应 ………………………… 71 
  周期信号及其离散频谱 ………… 16   测试系统对任意输入的响应 …… 74 
 2. 3. 1 周期信号的定义 …………… 16 3. 5 测试系统不失真测试条件 ……… 75 
 2. 3. 2 周期信号傅里叶级数的 3. 6 测试系统动态特性的试验测定 … 77 
 2. 3. 3 三角函数展开式 …………… 17 3. 7 负载效应及其减轻方法 ………… 79 
   周期信号傅里叶级数的  3. 7. 1 负载效应 …………………… 79 
2. 4   复指数表达式 ……………… 19  3. 7. 2 减轻负载效应的方法 ……… 80 
  非周期信号与连续频谱 ………… 25 思考题与习题 ………………………… 81 
 2. 4. 1 傅里叶变换 ………………… 26 第 4 章  常用传感器 …………………… 82 
 2. 4. 2 傅里叶变换的性质 ………… 28 4. 1 认识传感器 ……………………… 82 
2. 2. 4. 3 常见信号的傅里叶变换 …… 37  4. 1. 1 传感器的作用 ……………… 83 
 5 随机信号 ………………………… 42  4. 1. 2 传感器的组成和分类 ……… 84 
 2. 5. 1 概述 ………………………… 42  4. 1. 3 传感器的发展趋势 ………… 87 
 
Ⅱ | 传感与测试技术

4. 2 电阻式传感器 …………………… 92 5. 2. 2 测试系统中几种常见的  
 4. 2. 1 滑动变阻器 ………………… 92 5. 2. 3 运算放大器 ……………… 178 
 4. 2. 2 应变式传感器 ……………… 94   放大器及其负载的阻抗  
 4. 2. 3 电桥 ………………………… 99 5. 3   匹配 ……………………… 181 
4. 4. 2. 4 压阻式传感器……………… 108  调制与解调 …………………… 181 
 3 电容式传感器 ………………… 109 5. 3. 1 测试信号的调制…………… 181 
 4. 3. 1 工作原理 ………………… 109 5. 3. 2 调幅与解调 ……………… 182 
 4. 3. 2 类型 ……………………… 110 5. 3. 3 调频与解调 ……………… 187 
 4. 3. 3 电容式传感器的等效 5. 4 滤波器 ………………………… 190 
 4. 3. 4 电路 ……………………… 114 5. 4. 1 滤波器的分类……………… 191 
4.   电容式传感器转换电路 …… 114 5. 4. 2 理想滤波器 ……………… 192 
 4 电感式传感器 ………………… 116 5. 4. 3 实际滤波器及基本参数 …… 193 
 4. 4. 1 自感式 …………………… 116 5. 4. 4 RC 滤波器 ………………… 195 
4. 4. 4. 2 互感式 …………………… 123 5. 4. 5 有源滤波器 ……………… 198 
 5 压电传感器 …………………… 127 5. 4. 6 恒带宽比滤波器与  
 4. 5. 1 压电效应 ………………… 127    恒带宽滤波器……………… 200 
 4. 5. 2 压电传感器工作原理 思考题与习题 ………………………… 203 
 4. 5. 3 及测量电路 ……………… 131 第 6 章  数字信号处理 ………………… 205 
4.   压电传感器的应用 ………… 135 6. 1 认识数字信号处理……………… 205 
 6 磁电式传感器 ………………… 141 6. 2 模 / 数转换与数 / 模转换 ………… 207 
 4. 6. 1 动圈式和动铁式传感器 …… 141 6. 2. 1 数 / 模转换原理 …………… 207 
 4. 6. 2 磁阻式传感器……………… 144 6. 2. 2 数 / 模转换器的技术指标 … 208 
 4. 6. 3 霍尔传感器 ……………… 144 6. 2. 3 模 / 数转换原理 …………… 209 
4. 4. 6. 4 应用 ……………………… 148 6. 2. 4 模 / 数转换器的技术指标 … 210 
 7 光电式传感器 ………………… 149 6. 3 信号的数字化过程……………… 211 
 4. 7. 1 光电传感器测量原理 ……… 149 6. 3. 1 信号的数字化过程 ………… 211 
4. 4. 7. 2 光电元件 ………………… 151 6. 3. 2 时域采样、 混叠和采样  
 8 热电式传感器 ………………… 155 6. 3. 3 定理 ……………………… 213 
 4. 8. 1 热电偶 …………………… 155   量化和量化误差…………… 215 
4. 4. 8. 2 热电阻 …………………… 160 6. 3. 4 频域采样和栅栏效应 ……… 216 
 9 传感器的标定及选用原则 ……… 163 6. 4 傅里叶变换 …………………… 216 
 4. 9. 1 传感器的标定……………… 163 6. 4. 1 离散傅里叶变换 (DFT) … 216 
 4. 9. 2 传感器的选用原则 ………… 173 6. 4. 2 快速傅里叶变换 (FFT) … 217 
思考题与习题 ………………………… 174 6. 4. 3 泄漏及窗函数……………… 220 
第 5 章  信号调理 ……………………… 176 6. 5 数字滤波器 …………………… 225 
5. 1 认识信号调理 ………………… 176 6. 5. 1 数字滤波器的基本原理 …… 225 
5. 2 信号的放大 …………………… 177 6. 5. 2 IIR 数字滤波器的设计 …… 226 
 5. 2. 1 理想运算放大器…………… 177 6. 5. 3 FIR 数字滤波器的设计 …… 228 
 

           目 录 | Ⅲ 
思考题与习题 ………………………… 233  8. 3. 2 振动子特性 ……………… 266 
第 7 章  数据处理及误差分析 ………… 235 8. 8. 3. 3 光线示波器的种类和选用 … 268 
7. 1 认识数据处理 ………………… 235  4 磁带记录仪 …………………… 269 
 7. 1. 1 测试数据的表示方法 ……… 235  8. 4. 1 磁带记录仪的特点 ………… 269 
7. 7. 1. 2 回归分析及其应用 ………… 237  8. 4. 2 磁带记录仪的构成 ………… 269 
 2 误差分析 ……………………… 244  8. 4. 3 磁带记录仪的工作原理 …… 270 
 7. 2. 1 误差的概念 ……………… 244 8. 8. 4. 4 磁带记录仪的记录方式 …… 272 
 7. 2. 2 误差的分类 ……………… 246  5 新型记录仪 …………………… 272 
 7. 2. 3 误差的来源 ……………… 246  8. 5. 1 数字存储示波器…………… 272 
 7. 2. 4 随机误差的处理…………… 247  8. 5. 2 无纸记录仪 ……………… 273 
 7. 2. 5 系统误差的分析与处理 …… 251 8. 8. 5. 3 光盘刻录机 ……………… 273 
7. 7. 2. 6 粗大误差 ………………… 253  6 虚拟仪器 ……………………… 274 
 3 测量精度 ……………………… 254  8. 6. 1 虚拟仪器的含义及特点 …… 274 
7. 4 线性参数的最小二乘法 ………… 255  8. 6. 2 虚拟仪器的组成…………… 276 
 7. 4. 1 最小二乘法原理…………… 255  8. 6. 3 虚拟仪器开发平台  
 7. 4. 2 最小二乘法的代数算法 …… 257  8. 6. 4 ( LabVIEW) ……………… 280 
思考题与习题 ………………………… 259    虚拟仪器的应用…………… 281 
第 8 章  显示与记录仪器 ……………… 261 思考题与习题 ………………………… 282 
8. 1 认识信号的显示与记录 ………… 261 第 9 章  典型传感及测试系统设计的  
      工程应用 ……………………… 283 
 8. 1. 1 显示与记录仪的功能 ……… 261 9. 1   
8. 8. 1. 2 显示与记录仪的分类 ……… 261   边缘电容检测技术……………… 283 
 2 笔式记录仪 …………………… 263 9. 2 低频漏磁检测技术……………… 287 
 8. 2. 1 检流计式笔录仪…………… 263 9. 3 超声导波检测技术……………… 292 
8. 8. 2. 2 函数记录仪 ……………… 264 9. 4 视觉检测技术 ………………… 295 
 3 光线示波器 …………………… 265 思考题与习题 ………………………… 299 
 8. 3. 1 光线示波器的组成和原理 … 266 参考文献 ………………………………… 300 
 

北京工业大学

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