交通建设装备测试技术

前言

随着我国交通基础设施建设的飞速发展，交通建设与装备专业人才的需求日益增加，培养和造就具有现代交通建设装备设计、运用、维护、测试及管理等能力
的高级工程技术人才是交通类高校义不容辞的职责。“交通建设装备测试技术”课程是机械设计及理论(工程机械方向)研究生和交通建设与装备专业本科生的专业课，所涉及的内容是研究生和本科生必须要掌握的专业基础知识。由于交通建设装备使用性能及工作环境的特殊性，特别是现代控制理论的运用，对整车及关键零部件的性能测试及整车运行工况的实时监测尤为重要，而目前还没有专门针对交通建设装备测试技术课程的教材。为了满足机械设计及理论(工程机械方向)研究生和交通建设装备专业本科生的教学需要，主编联合了国内相关高校一直从事该课程教学并具有丰富教学经验的教师，共同完成该教材的编写工作。针对交通建设装备与传统机械设备存在较大使用性能差异性的事实，编写组将采用选编结合的方法开展该教材的编写，即教材以使用多年的教学讲义为基础，综合参编者的教学经验以及交通工程施工过程中积累的实践经验与技术技能，力求编写出一本具有较高质量并具有良好应用价值的机械设计及理论(工程机械方向)研究生和交通建设装备专业本科生所急需的教材。
本教材主要讲授交通建设装备测试技术的基础理论和测试技术与方法，内容涉及交通建设装备检测系统中的各个组成部分，即测试信号分析与处理、测试系统特性分析、常用传感器原理与测试电路、测试信号转换与调理、测试数据分析、计算机测试系统、典型道路施工机械与装备的性能试验等内容。本教材以加强基础、突出应用、力求反映国内外交通建设装备的测试理论与方法为编写指导思想，全面新颖地讲述现代测试技术知识，重点讲述测试技术在道路施工机械与装备上的测试方法、应用、技术手段等内容。在传统测试教材的基础上，突出其应用性、特色性和先进的检测技术与手段。本书主要特色如下： 
（1） 以应用为目的，理论以必需、够用为尺度，使学生综合运用所学的交通建设装备设计、制造、测试技术等知识，针对现场实际，解决道路施工机械与装备整车及关键零部件的性能和工作过程测试，以及故障检测等问题。
（2） 以交通建设装备测试技术为主线，阐述机械测试的基本原理和方法，通过介绍典型测试技术在道路施工机械与装备测试中的应用，突出对测试原理、方法的具体应用。
（3） 测试原理、信号处理讲授与测试案例分析相结合，以问题的提出为导入，以问题的解决为目标，以解决测试方案的规律性为总结，以点带面，强调对知识的综合应用。
（4） 既有作为教材的理论体系，又有指导具体测试应用的实例分析，实用性、应用性强。
本书由李军教授、陈仁祥副教授、徐向阳副教授编著。其中第1、10(10．1节、10．2节、10．4节)章由李军编写，第2、3、5、7章由陈仁祥编写，第4、6、8、9、10(10．3节、10．5节)章由徐向阳编写。
鉴于学识和经验有限，本书疏漏之处在所难免，望同行专家和读者不吝指教。

编者
2018年10月

《交通建设装备测试技术》主要讲授交通建设装备测试技术的基础理论和测试技术与方法。内容涉及交通建设装备检测系统中的各个组成部分，即信号分析与处理、测试系统的特性分析、常用传感器原理与测试电路、测试信号调理与输出、测试数据分析、计算机测试系统以及典型道路施工机械与装备的性能测试与试验和应用等内容。

重庆交通大学机电与车辆工程学院院长。*高等学校高职高专机械制造类专业指导委员会委员，日本琦玉工业大学访问学者，重庆市大渡口区科技顾问。近几年来先后主持完成了省部级自然科学基金项目4项、省部级教育教学改革项目2项；获国家发明专利2项；先后在《汽车工程》、《四川大学学报（工程科学版）》等国内外重要学术期刊和学术会议上发表论文62篇；主编高校教材4部，其中省部级规划教材1部。（主编《汽车发动机构造与维修》（38万字，重庆大学出版社出版，2006年1月）、《高等级公路机械化施工设备与技术》（40万字，人民交通出版社出版，2003年8月）《互换性与测试技术（、二、三版）》（42万字，普通高等院校“十一五”规划教材、普通高等院校机械类精品教材华中科技大学出版社,2014年6月）。
教育背景：
1981年9月~1985年6月 武汉理工大学，工学学士学位；
1992年9月~1995年6月 重庆大学硕士研究生，工学硕士；
2002年9月~2011年6月 重庆大学博士研究生，工学博士。
工作经历：
1985年7月~2000年1月 重庆交通学校教师；
2000年1月~2005年7月 重庆交通大学应用技术学院机电工程系主任；

目录

第1章绪论

1．1现代测试技术的发展与现状

1．2交通建设装备测试技术的基本内容

1．3本课程的研究对象与学习方法

思考题

参考文献

第2章测试信号分析与处理

2．1概述

2．2信号与测试系统

2．3信号的分类及描述

2．3．1信号的定义

2．3．2信号的分类

2．3．3信号的时域和频域描述方法

2．3．4周期信号及其频谱

2．3．5非周期信号及其频谱

2．3．6典型信号及其频谱

2．3．7随机信号描述

2．4数字信号处理

2．4．1离散傅里叶变换

2．4．2离散傅里叶变换的性质

2．4．3采样定理

2．4．4泄漏与加窗处理

2．4．5栅栏效应

2．4．6快速傅里叶变换

思考题

参考文献

第3章测试系统特性分析

3．1概述

3．2测量误差

3．3测试系统的静态特性

3．4测试系统的动态特性

3．4．1线性系统及其微分方程

3．4．2测试系统动态传递特性的频域描述

3．5测试系统实现不失真测试的条件

3．6测试系统动态特性的测定

思考题

参考文献

第4章常用传感器原理与测试电路

4．1概述

4．2传感器的分类

4．3电阻应变式传感器

4．3．1金属应变式传感器

4．3．2压阻式传感器

4．3．3应变式传感器的应用

4．4电感式传感器

4．4．1可变磁阻式传感器

4．4．2电涡流式传感器

4．4．3差动变压器式传感器

4．5电容式传感器

4．5．1电容式传感器的工作原理与特性

4．5．2电容式传感器的应用

4．6压电式传感器

4．6．1压电效应及压电元件的结构

4．6．2电荷放大

4．6．3压电式传感器的应用

4．7磁电式传感器

4．7．1磁电式速度传感器

4．7．2感应同步器

4．7．3磁栅式传感器

4．8霍耳传感器

4．8．1霍耳传感器的工作原理

4．8．2霍耳传感器的测量电路

4．8．3霍耳传感器的应用

4．9光电式传感器

4．10光纤传感器

4．11超声波传感器

4．12传感器的发展方向

4．13传感器的选用原则

思考题

参考文献

第5章测试信号转换与调理

5．1概述

5．2电桥

5．2．1直流电桥

5．2．2交流电桥

5．3信号的调制与解调

5．3．1幅值调制与解调原理

5．3．2角度调制与解调原理

5．4滤波器

5．4．1滤波器的分类

5．4．2理想滤波器

5．4．3实际滤波器

5．5信号的传输及干扰抑制

5．6信号的显示与记录装置

思考题

参考文献

第6章测试误差分析与试验数据处理

6．1概述

6．1．1示值

6．1．2测试误差的定义及其表示方法

6．1．3测试误差的主要来源

6．1．4测试误差的性质与分类

6．1．5测试精度和精密度

6．2测量误差与异常数据的处理

6．2．1来伊达准则——3σ准则

6．2．2肖维纳准则

6．2．3格拉布斯准则

6．3静态试验数据分析

6．4动态试验数据处理

6．4．1动态试验数据处理概述

6．4．2交通装备行驶平顺性的试验评估

6．4．3动态信号处理的栅栏效应与细化技术

6．5数字信号分析与处理

6．5．1数字信号处理的概念及理论基础

6．5．2数字信号的处理方法

6．5．3DSP的历史、特点及发展前景

6．5．4数字信号处理应用举例

思考题

参考文献

第7章虚拟仪器及测试系统

7．1概述

7．2计算机测试系统的组成技术

7．2．1多路模拟开关与采样/保持电路

7．2．2数模转换技术

7．2．3模数转换技术

7．2．4A/D通道方案的确定

7.3虚拟测试系统开发平台

7．3．1虚拟仪器概述

7．3．2LabVIEW虚拟仪器开发系统

7．4车载网络系统

7．4．1CAN总线概述

7．4．2CAN总线协议

思考题

参考文献

第8章交通建设装备振动测试

8．1概述

8．2典型测振传感器

8．2．1磁电式速度传感器

8．2．2压电式加速度传感器

8．2．3电阻应变式加速度传感器和压阻式加速度传感器

8．2．4伺服式加速度传感器

8．2．5光纤传感器

8．3振动测量与试验

8．3．1振动测量的基本方法

8．3．2振动试验设备

8．3．3测试系统的定度和校准

8．3．4振动测试应用实例

思考题

参考文献

第9章交通建设装备噪声测量

9．1概述

9．2声学基础理论

9．2．1声波和噪声

9．2．2噪声的物理度量

9．2．3噪声测量中的级与级的单位分贝

9．2．4声压级的叠加、扣除和平均

9．3噪声的频谱和频带

9．4噪声的主观评价

9．5噪声测量原理和常用仪器

9．6交通建设装备的噪声测量

思考题

参考文献

第10章典型道路施工机械与装备的性能试验

10．1概述

10．2道路施工机械与装备的分类与试验要求

10．2．1道路施工机械与装备的分类

10．2．2道路施工机械与装备试验的一般要求

10．3压实机械的性能测试

10．3．1试验标准

10．3．2试验设备及原理

10．3．3试验方法

10．4摊铺机械的性能测试

10．4．1试验标准及要求

10．4．2试验设备及原理

10．4．3试验方法

10．5挖掘机械的性能测试

10．5．1试验标准及要求

10．5．2试验设备及原理

10．5．3试验方法

10．6养护机械的性能测试

10．6．1试验标准

10．6．2试验设备及原理

10．6．3试验方法

思考题

参考文献

《交通建设装备测试技术》主要讲授交通建设装备测试技术的基础理论和测试技术与方法。内容涉及交通建设装备检测系统中的各个组成部分，即信号分析与处理、测试系统的特性分析、常用传感器原理与测试电路、测试信号调理与输出、测试数据分析、计算机测试系统以及典型道路施工机械与装备的性能测试与试验和应用等内容。

重庆交通大学机电与车辆工程学院院长。*高等学校高职高专机械制造类专业指导委员会委员，日本琦玉工业大学访问学者，重庆市大渡口区科技顾问。近几年来先后主持完成了省部级自然科学基金项目4项、省部级教育教学改革项目2项；获国家发明专利2项；先后在《汽车工程》、《四川大学学报（工程科学版）》等国内外重要学术期刊和学术会议上发表论文62篇；主编高校教材4部，其中省部级规划教材1部。（主编《汽车发动机构造与维修》（38万字，重庆大学出版社出版，2006年1月）、《高等级公路机械化施工设备与技术》（40万字，人民交通出版社出版，2003年8月）《互换性与测试技术（、二、三版）》（42万字，普通高等院校“十一五”规划教材、普通高等院校机械类精品教材华中科技大学出版社,2014年6月）。
教育背景：
1981年9月~1985年6月 武汉理工大学，工学学士学位；
1992年9月~1995年6月 重庆大学硕士研究生，工学硕士；
2002年9月~2011年6月 重庆大学博士研究生，工学博士。
工作经历：
1985年7月~2000年1月 重庆交通学校教师；
2000年1月~2005年7月 重庆交通大学应用技术学院机电工程系主任；

CHAPTER
第1章绪论

1．1现代测试技术的发展与现状
测试技术是指测试过程中所涉及的测试理论、测试方法、测试设备等。随着科学技术的发展，测试理论不断提高，测试方法不断更新，测试设备不断升级。测试是科学研究的基本方法，其基本任务是获取有用的信息，是表达与验证科学理论与规律的有效手段。测试技术与计算机技术、通信技术并称为三大信息技术。在工程领域中测试技术至关重要，新工艺、新产品离不开测试，同时对一些老旧的大型机械设备的故障诊断、寿命预测等也需要测试，装备系统越先进、自动化程度越高，对测试技术的要求就越高，由此带来的测量成本也在增加，目前测量成本已达到装备成本的50%~70%。测试应用的领域涉及现代大工业生产、基础学科研究、宇宙开发、海洋探测、军事国防、环境保护、资源调查、医学诊断等。
测量和测试技术(measurement and test technique)统称为测试技术。测量(measurement)是指以确定被测对象的量值为目的而进行的实验过程，测试是具有试验性质的测量，如果测量涉及实现单位统一和量值准确可靠则被称为计量。因此研究测量、保证测量统一和准确的科学被称为计量学(metrology)。同时由于测试与测量技术紧密相连，本书不严格区分测量与测试，统称为测试。测试系统的一般构成如图11所示，测试系统中每一个环节的知识点如图12所示。

图11测试系统的构成

图12测试各个环节的知识点

测试可分为动态测试和静态测试。动态测试是指被测试的物理参数随时间变化而变化的测试，如测试运动中的火车速度。静态测试是指被测试的物理参数不随时间变化的测试，如测试被加工过的零件尺寸的长度、宽度及高度。本书主要研究动态测试。
美国武器装备在试验与评定管理中，将试验与评定类型进行划分，其中重要的两种是研制试验与评定、使用试验与评定。研制试验与评定是为验证工程设计和研制过程是否完备而进行的试验与评定，通过研制试验与评定以减小风险，验证和确定设计并确保产品已做好研制性验收准备。使用试验的重点是使用要求、效能和试应用，而不是像研制试验那样证明工程规范。通过对发达国家高新技术产业的研究开发经费和时间的统计分析，得出产品的测试费用、测试周期占产品研发费用和周期的40%左右，并保持上升趋势。因为，高新技术产品与传统产品的一个重要区别在于： 高新科技产品越来越先进，而错误的含量也越来越高。因此，只有通过充分的测试与试验验证，才能有效地降低产品的错误含量，满足使用要求。因此，发达国家越来越重视试验、测试技术，并相应建立了许多专业实验室和工程技术中心，加大投资力度，赋予重要职责，带动产品的开发。由于试验技术主要针对产品特定要求而进行，如产品的研制性和使用性试验与评定技术的重要区域是寿命试验、设计评定／确认试验、设计极限试验、可靠性研制试验、可靠性可用性和维修性综合评估试验、早期使用评估试验、后续使用试验与评定、合格鉴定使用试验与评定等内容，这些均是针对特定产品在特定试验环境按一定试验方案，采用测试或度量设备、系统进行的研究过程。试验技术针对性强，范围广泛。
随着微电子技术、通信技术、计算机网络技术的发展，各种智能信访仪器、总线仪器、VXI仪器、虚拟仪器以及新型智能传感器的相继出现进一步推动了现代测试技术的发展，其发展趋势主要表现在以下几个方面。

第1章绪论
1． 现代传感器技术的发展趋势
现代传感器技术的发展趋势可以从四个方面分析与概括： 一是新材料的开发与应用； 二是实现传感器集成化、多功能化及智能化； 三是实现传感技术硬件系统与元器件的微小型化； 四是通过传感器与其他学科的交叉整合，实现无线网络化。例如，美国霍尼尔公司的ST3000型传感器是一种能够进行检测和信号处理的智能传感器,具有微处理器和存储器功能,可测试差压、静压及温度等。20多年来,智能化传感器有了很大的发展。近年来,智能化传感器开始同人工智能相结合,创造出各种基于模糊推理、人工神经网络、专家系统等人工智能技术的高度智能传感器,称为软传感器技术。它已经在家用电器方面得到应用,相信未来将会更加成熟。智能化传感器是传感器技术未来发展的主要方向，今后智能化传感器无疑将会进一步扩展到化学、电磁、光学和核物理等研究领域。
2． 计算机测试技术的发展
随着计算机技术的发展，测试系统中也越来越多地融入了计算机技术，出现了以计算机为中心的自动测试系统。这种系统既能实现对信号的检测，又能对所获得信号进行分析处理以求得有用信息，这就是计算机测试技术。其包括一般计算机测试系统、网络化测试系统、嵌入式测量系统、虚拟仪器等。
1．2交通建设装备测试技术的基本内容
交通建设装备属于工程装备，常见的交通建设装备根据用途分为以下几类： 挖掘机械、铲土运输机械、压实机械、桩工机械、起重机械、钢筋和预应力机械、混凝土机械、路面机械、装修机械等。在每一大类下，又可以进一步细分。
1． 压实机械
按照工作机构的作用原理不同，压实机械可分为以下几类。
（1) 碾压机械： 是利用滚轮沿着被压实面往返滚动，借滚轮自重的静压力作用，使被压实层产生永久变形。碾压机械包括各种型号的光轮压路机、轮胎压路机、羊脚压路机及各种拖式压路滚等，它们广泛用于土方、砾石、碎石和沥青混凝土路面的压实作业中。
（2) 振动压实机械： 是利用固定在物体上的激振器所产生的激振力，迫使被压实土料产生垂直强迫振动，急剧减小土壤颗粒间的内摩擦力，使颗粒靠近、密实度增加，从而达到压实的目的。振动压实的特点是其表面应力不大，过程时间短，加载频率大，同时还可以根据不同的建筑材料和铺层厚度合理选择振动频率和振幅，以提高压实效果，减少碾压遍数。这种类型的机械有各种振动压路机和振动板。振动压路机适宜压实各种黏性土壤、碎石、水泥混合料以及各种沥青混凝土等，是公路、机场、海港、土石坝等施工的压实设备。
（3) 夯实机械： 是利用具有一定质量的物体，从一定高度处落下，冲击被压实土料，使之被压实。其特点是材料产生的应力变化速度很大。这类机械包括内燃式和电动式夯土机等。夯实机械特别适用于对黏性土壤、砂质黏土和灰土的压实，主要用于作业量不大及狭小场地的压实作业，特别适用路肩和道路维修养护工程等的压实作业。
2． 摊铺机械
摊铺机械按行走方式可分为拖式和自行式两类，其中自行式又分为履带式和轮胎式。
（1) 拖式摊铺机是将接料、输料、分料和熨平等工作装置安装在一个特制的机架上，摊铺作业靠运料自卸车牵引或顶推进行。它的结构简单，制造、使用成本低，但因摊铺能力小、质量差，仅适用于低等级公路的路面养护作业。
（2) 履带式摊铺机一般为大型或超大型摊铺机，其优点是接地比压小，附着性能好，摊铺作业时运行平稳