兵器实验学

　　本书针对硕士、博士研究生相关专业及从事兵器实验工程技术人员的特点和相关课程大纲的要求，系统地介绍了测量误差、测量不确定度的分析及处理方法、工程信号的分析基础知识及常用信号处理方法、测量系统静动态特性分析方法、动态误差的含义及修正方法，系统地介绍了常见兵器动态参量的测试方法、特点及相关的处理方法，这些参量包括应力、应变、力及转矩，动态压力，温度及热通量，噪声，位移、速度、加速度等运动参量，振动，膛口流场，弹丸姿态及密集度，材料动态参数等。本书可作为武器系统与发射工程、地面武器机动工程、过程装备与控制工程等兵器专业研究生的教科书或参考书，亦可供相关专业的研究生、教师及工程技术人员参考。

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第1篇　兵器测试基础知识
第1章　兵器测试技术基础……………………………………………………………………… 8
1．1　测量的基本方法………………………………………………………………………… 8
1．1．1　测量的分类………………………………………………………………………… 8
1．1．2　测量具有普遍科学意义的条件…………………………………………………… 9
1．2　标准量及常用量的传递方法…………………………………………………………… 10
1．2．1　标准量……………………………………………………………………………… 10
1．2．2　兵器测试中常用量的传递方法…………………………………………………… 11
1．3　测量系统………………………………………………………………………………… 13
1．3．1　测量系统的组成…………………………………………………………………… 14
1．3．2　现代测试系统……………………………………………………………………… 16
1．3．3　虚拟仪器…………………………………………………………………………… 20
1．4　测量误差及处理………………………………………………………………………… 21
1．4．1　测量误差…………………………………………………………………………… 21
1．4．2　常用误差处理方法及误差的合成与分配………………………………………… 24
1．4．3　测量误差的合成与分配…………………………………………………………… 27
1．5　测量不确定度的评定…………………………………………………………………… 28
1．5．1　不确定度评定的基本知识………………………………………………………… 28
1．5．2　标准不确定度的A 类评定……………………………………………………… 31
1．5．3　标准不确定度的B类评定……………………………………………………… 32
1．5．4　测量不确定度的合成……………………………………………………………… 34
1．5．5　扩展不确定度的计算方法………………………………………………………… 36
第2章　工程信号及其可测性分析…………………………………………………………… 38
2．1　概　述…………………………………………………………………………………… 38
2．2　工程信号的分类………………………………………………………………………… 38
2．2．1　按信号随时间变化的规律分类…………………………………………………… 38
2．2．2　按信号随时间变化连续性分类…………………………………………………… 41
2．2．3　其他分类方法……………………………………………………………………… 41
2．3　周期信号频谱与可测性………………………………………………………………… 42
2．3．1　周期信号的分解和频谱…………………………………………………………… 42
2．3．2　周期信号的可测性分析…………………………………………………………… 48
2．4　非周期信号的频谱分析………………………………………………………………… 51
2．4．1　时限信号的分解和频谱…………………………………………………………… 51
2．4．2　时限信号的可测性分析…………………………………………………………… 54
2．5　随机信号的处理及分析………………………………………………………………… 54
2．5．1　随机信号的特征参数……………………………………………………………… 54
2．5．2　离散随机信号的特征估计………………………………………………………… 58
2．6　典型激励信号描述……………………………………………………………………… 62
2．6．1　冲激函数及其谱分析……………………………………………………………… 62
2．6．2　单位阶跃信号及其谱分析………………………………………………………… 64
2．6．3　单位斜坡信号及其频谱…………………………………………………………… 66
第3章　测量系统的基本特性………………………………………………………………… 67
3．1　概　述…………………………………………………………………………………… 67
3．1．1　测量系统的基本要求……………………………………………………………… 67
3．1．2　测量系统的线性化………………………………………………………………… 68
3．2　测量系统的静态标定与静态特性……………………………………………………… 69
3．2．1　静态标定…………………………………………………………………………… 69
3．2．2　静态特性指标……………………………………………………………………… 71
3．3　测量系统的动态特性…………………………………………………………………… 75
3．3．1　动态参数测试的特殊问题………………………………………………………… 75
3．3．2　测量系统动态特性的分析方法及主要指标……………………………………… 76
3．3．3　测量系统的数学模型……………………………………………………………… 77
3．3．4　传递函数…………………………………………………………………………… 77
3．3．5　频率响应函数……………………………………………………………………… 79
3．3．6　冲激响应函数……………………………………………………………………… 80
3．4　测量系统的动态特性分析……………………………………………………………… 80
3．4．1　典型系统的频率响应……………………………………………………………… 81
3．4．2　典型激励的系统瞬态响应………………………………………………………… 84
3．4．3　相似原理…………………………………………………………………………… 87
3．5　测量系统无失真测试条件……………………………………………………………… 88
3．6　测量系统的动态特性参数获取方法…………………………………………………… 89
3．6．1　阶跃响应法………………………………………………………………………… 89
3．6．2　幅频特性法………………………………………………………………………… 91
3．7　动态误差修正…………………………………………………………………………… 91
3．7．1　频域修正方法……………………………………………………………………… 91
3．7．2　时域修正方法……………………………………………………………………… 92
第2篇　兵器测试信号分析方法
第4章　数字信号处理基础…………………………………………………………………… 94
4．1　z变换…………………………………………………………………………………… 94
4．1．1　序　列……………………………………………………………………………… 94
4．1．2　z变换……………………………………………………………………………… 94
4．1．3　z逆变换…………………………………………………………………………… 99
4．2　离散傅里叶变换(DFT)……………………………………………………………… 100
4．2．1　离散傅里叶级数(DFS) ………………………………………………………… 100
4．2．2　离散傅里叶变换(DFT)的定义………………………………………………… 101
4．2．3　DFT的主要性质………………………………………………………………… 101
4．2．4　DFT与z变换的关系…………………………………………………………… 102
4．3　快速傅里叶变换(FFT)……………………………………………………………… 102
4．3．1　DFT直接计算的工作量………………………………………………………… 102
4．3．2　提高DFT运算效率的思路…………………………………………………… 103
4．3．3　FFT算法………………………………………………………………………… 103
4．4　数字滤波器…………………………………………………………………………… 109
4．4．1　数字滤波器的分类……………………………………………………………… 109
4．4．2　IIR数字滤波器的设计………………………………………………………… 110
4．4．3　FIR数字滤波器的设计………………………………………………………… 112
第5章　工程测试信号处理…………………………………………………………………… 115
5．1　测试信号的表述方法………………………………………………………………… 115
5．1．1　表格法…………………………………………………………………………… 115
5．1．2　图解法…………………………………………………………………………… 116
5．1．3　方程法…………………………………………………………………………… 116
5．2　回归分析……………………………………………………………………………… 117
5．2．1　一元线性回归…………………………………………………………………… 117
5．2．2　多元线性回归…………………………………………………………………… 120
5．2．3　非线性回归……………………………………………………………………… 121
5．2．4　回归分析的应用………………………………………………………………… 123
5．3　功率谱分析…………………………………………………………………………… 124
5．3．1　定　义…………………………………………………………………………… 124
5．3．2　功率谱分析的物理意义………………………………………………………… 125
5．3．3　功率谱分析的实现……………………………………………………………… 126
5．3．4　功率谱的应用…………………………………………………………………… 127
5．3．5　相干函数………………………………………………………………………… 129
5．4　倒频谱技术…………………………………………………………………………… 129
5．4．1　倒频谱分析的基本原理………………………………………………………… 130
5．4．2　倒频谱分析的意义……………………………………………………………… 130
5．4．3　倒频谱技术的应用……………………………………………………………… 130
5．5　频谱细化分析………………………………………………………………………… 132
5．5．1　基于复调制的FFT方法………………………………………………………… 132
5．5．2　相位补偿细化方法……………………………………………………………… 135
5．5．3　频谱细化分析的应用…………………………………………………………… 136
5．6　小波分析在测试信号中的应用……………………………………………………… 137
5．6．1　小波分析的基本原理…………………………………………………………… 137
5．6．2　小波的多分辨率分析…………………………………………………………… 138
5．6．3　小波分析在信号处理中的应用………………………………………………… 139
5．7　动态补偿数字滤波器………………………………………………………………… 141
5．7．1　硬件补偿方法…………………………………………………………………… 143
5．7．2　软件补偿方法…………………………………………………………………… 145
5．7．3　动态补偿滤波器的应用………………………………………………………… 147
第3篇　常用兵器动态参量测试方法及应用
第6章　应力、应变、力及转矩测量技术……………………………………………………… 150
6．1　概　述………………………………………………………………………………… 150
6．2　应变测量基础知识…………………………………………………………………… 150
6．2．1　应变片的工作原理……………………………………………………………… 150
6．2．2　应变片的粘贴…………………………………………………………………… 153
6．2．3　电阻应变片的温度误差及补偿………………………………………………… 155
6．2．4　电阻应变片的信号调理电路及应变仪………………………………………… 157
6．3　力测量………………………………………………………………………………… 164
6．3．1　常用力传感器…………………………………………………………………… 164
6．3．2　力传感器标定…………………………………………………………………… 166
6．3．3　测量实例………………………………………………………………………… 167
6．4　应变、应力测量………………………………………………………………………… 175
6．4．1　基于应变片的应变、应力测量…………………………………………………… 175
6．4．2　基于光纤Bragg光栅应变测量………………………………………………… 180
6．5　转矩测量……………………………………………………………………………… 186
6．5．1　转矩测量原理…………………………………………………………………… 186
6．5．2　常用转矩传感器………………………………………………………………… 187
6．5．3　转矩传感器标定………………………………………………………………… 189
第7章　动态压力测量技术…………………………………………………………………… 191
7．1　概　述………………………………………………………………………………… 191
7．2　铜柱测压法…………………………………………………………………………… 193
7．2．1　铜柱测压法系统组成及工作原理……………………………………………… 193
7．2．2　铜柱静态标定及静态压力对照表的编制……………………………………… 194
7．2．3　温度修正方法…………………………………………………………………… 198
7．2．4　静标体制铜柱测压的技术要点归纳…………………………………………… 198
7．2．5　铜柱测压法静动差分析………………………………………………………… 199
7．3　铜球测压法…………………………………………………………………………… 203
7．3．1　铜球测压系统组成及工作原理………………………………………………… 203
7．3．2　准动态校准技术………………………………………………………………… 204
7．4　动态压力电测法……………………………………………………………………… 206
7．4．1　应变式压力传感器……………………………………………………………… 206
7．4．2　压电式压力传感器……………………………………………………………… 209
7．5　测压系统的标定技术………………………………………………………………… 212
7．5．1　测压系统的静态标定…………………………………………………………… 212
7．5．2　测压系统的动态标定…………………………………………………………… 212
7．5．3　传感器准静态校准……………………………………………………………… 218
7．6　动态压力测量的管道效应…………………………………………………………… 218
7．6．1　传感器的安装…………………………………………………………………… 218
7．6．2　测试系统动态特性分析………………………………………………………… 218
第8章　温度及热通量测量技术……………………………………………………………… 221
8．1　概　述………………………………………………………………………………… 221
8．2　热电偶测温…………………………………………………………………………… 223
8．2．1　热电偶测温原理………………………………………………………………… 223
8．2．2　热电偶的基本实验定律………………………………………………………… 223
8．2．3　热电偶的结构、分类及特点……………………………………………………… 225
8．2．4　热电偶的响应方程及典型工况的测温模型…………………………………… 228
8．2．5　热电偶测量高速气流温度的技术措施………………………………………… 230
8．2．6　热电偶动态补偿方法…………………………………………………………… 231
8．2．7　火箭燃气射流温度分布………………………………………………………… 233
8．3　热电阻测温…………………………………………………………………………… 235
8．3．1　金属丝热电阻测温……………………………………………………………… 235
8．3．2　热敏电阻测温…………………………………………………………………… 237
8．4　热辐射测温…………………………………………………………………………… 238
8．4．1　热辐射原理……………………………………………………………………… 238
8．4．2　热辐射测温的基础理论………………………………………………………… 239
8．4．3　常用热辐射测温仪表…………………………………………………………… 243
8．5　光纤测温……………………………………………………………………………… 246
8．5．1　光纤原理………………………………………………………………………… 246
8．5．2　光纤测温原理…………………………………………………………………… 247
8．6　热通量测量…………………………………………………………………………… 248
8．6．1　简　介…………………………………………………………………………… 248
8．6．2　热通量测量技术………………………………………………………………… 249
8．6．3　Gardon热通量传感器…………………………………………………………… 252
第9章　兵器噪声测量技术…………………………………………………………………… 255
第10章　运动参量测量技术………………………………………………………………… 278