现代测试技术 第一课信息、信号和测试系统

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1、现代测试技术 第一讲 信息 信号和测试系统信息 信号和测试系统 主讲 何闻 hewens 2007年秋季 现代制造工程研究所 2007 9 20 现代制造工程研究所 内容提要 信息 信号 测试系统 2007 9 20 现代制造工程研究所 信息 测试技术与信息的关系 信息的概念 信息的作用 信息的性质 关于信息学科的几个概念 2007 9 20 现代制造工程研究所 测试技术与信息的关系 测试是人们认识客观事物的方法 测试过程 是从客观事物中摄取有关信息信息的认识过程 测试技术属于信息信息科学范畴 是信息信息技术三 大支柱 测试控制技术 计算机技术和通信 技术 之一 测试技术与 信息 密不可分 2

2、007 9 20 现代制造工程研究所 信息的概念 信息的说法 信息的定义 信息与消息的关系 信息与情报 知识的关系 2007 9 20 现代制造工程研究所 信息的说法 信息时代 信息管理系统 中国信息报 地理信息系统 信息社会 招聘信息 2007 9 20 现代制造工程研究所 信息的定义 控制论创始人之一 N Wiener 美 信息论奠基人 C E Shannon 美 信息就是信息 不是物 质 也不是能量 信息就是人和外界互相作 用的过程中互相交换的内 容的名称 意大利学者 G Longo 信息是事物之间的差异 而不是事物本身 信息是事物运动 的状态和方式 统一 信息是熵的减少 因为熵 是不定

3、性的度量 所以信 息就是能够用来消除不定 性的东西 2007 9 20 现代制造工程研究所 例 机床主轴径向跳动测试 信息 机床主轴运动状 态 径向跳动量 2007 9 20 现代制造工程研究所 信息与消息的关系 消息是由符号 文字 数字或语言组成 的序列 一份电报 一句话 一段文字 和报载的新闻都是消息 消息中包含的事先不确定的内容就是信 息 一则消息可能含有丰富的信息 也 可能只包含很少的信息 消息是信息的载体 信息是消息中蕴涵 的尚未确定的内容 2007 9 20 现代制造工程研究所 信息与情报 知识的关系 情报是指带有某种情况的消息和报告 多带机密性质 知识是指人们在实践中 的认识和经

4、验 情报只是信息的一个类 而不是全体 知识是一种信息 但知识也是信息的一 部分 而不是全体 2007 9 20 现代制造工程研究所 信息的作用 信息是宇宙三要素之一 物质 能量和信息 如果没有信息 人类将无法生存 物质 能量与信息之间具有三位一体 相辅相 成的关系 物质运动的动力是能量 而信息是 关于物质运动状态的特征 只要有运动的物 质 就需要有能量 也就会存在信息 2007 9 20 现代制造工程研究所 信息是人类生存在宇宙上的重要条件 海啸 地震 火山 预知这些信息 更好地生存 2007 9 20 现代制造工程研究所 物质 能量与信息三位一体 以上讲中的机械振动测试为例 如果没有物质材料

5、 就不存在加速度传 感器 电荷放大器 信号分析仪等 如果没有能量 电荷放大器和信号分析 仪就无法工作 如果没有信息 该连接组成的测试系统 就失去了意义 2007 9 20 现代制造工程研究所 例 机械振动的测试 2007 9 20 现代制造工程研究所 信息的性质 信息可以识别 信息可以通过人的感官直接识别 也 可以通过各种探测工具间接识别 信息可以转换 信息可以由一种形态转换成另一种形 态 如数码相机可以将外界带有信息的图象信号转换 为二进制代码 信息可以存贮 人用脑神经细胞存贮信息 计算机采 用内存或硬盘存贮信息 录像机 录音机采用磁带存 贮信息 信息可以传输 人与人之间采用语言 表情 动作

6、等 传递信息 社会信息的传输采用报纸 杂志 广播等 手段 工程中的信息则借助于机械 光 声 电器件 等 2007 9 20 现代制造工程研究所 关于信息学科的几个概念 信息科学 信息技术 信息论 广义通信系统 2007 9 20 现代制造工程研究所 信息科学 信息科学的概念 信息科学的方法论 信息科学的目的和任务 2007 9 20 现代制造工程研究所 信息科学的概念 信息科学是研究信息现象及其规律的科 学 包括 一是信息本身的有关规律 二是有关利用信息方面的规律 信息科学与材料科学 能量科学三者成 为当代科学技术的主要支柱 信息科学的主体结构是信息论 控制论 系统论 人工智能是三者的综合利用

7、 2007 9 20 现代制造工程研究所 信息科学的方法论 信息分析综合法 信息方法 行为功能模拟法 功能准则 系统整体优化法 系统准则 2007 9 20 现代制造工程研究所 信息分析综合法 该方法源于信息论 就是从信息的 观点出发 抓住对象的信息特征和联系 来分析对象 从而理解和揭示它的工作 机制 或者利用信息科学的原理和方 法 来综合某种系统 从而实现一定的 工作目标 例如 在分析蝙蝠探测目标 信息机制的基础上 研制成功了飞机上 的警戒雷达系统 2007 9 20 现代制造工程研究所 行为功能模拟法 该方法源于控制论 它是信息分析综合法 的实施性准则 该方法是在信息综合时 从行 为的观点

8、出发 以行为的相似性为基础 从功 能上 而不是结构上 来模拟与环境的相互作 用方式 即设计出的系统要求在同样的输入作 用下 它的输出和所模拟的对象相同或相似 例如 研制成功的飞机上的警戒雷达系统与蝙 蝠之间的功能模拟就采用了该方法 2007 9 20 现代制造工程研究所 系统整体优化法 该方法源于系统论 它也是信息分 析综合法的实施性准则 就是在信息综 合时 从系统的观点出发 从整体与部 分之间 整体与外部环境之间的相互联 系中综合地考察对象 进行合理的组 合 从而达到最优地解决问题的目的 比如 在设计飞机上的警戒雷达系统 时 就用到这种方法 2007 9 20 现代制造工程研究所 信息科学的

9、目的和任务 信息科学的目的和任务是扩展人的信息 功能 所谓信息功能是指提取信息 传 递信息 处理信息和产生信息的本领 扩展人的智力功能 即补充大脑处理信 息和产生信息的功能 是信息科学的最 中心任务之一 2007 9 20 现代制造工程研究所 信息技术 信息技术的概念 信息技术和新技术革命的关系 信息技术和传统技术的关系 2007 9 20 现代制造工程研究所 信息技术的概念 凡是可以扩展人的信息功能的技术 都 是信息技术 信息技术包括测试技术 通信技术和计 算机技术 测试技术是人信息感受器官 功能的扩展和延伸 通信技术是人的信 息传输系统 神经系统功能的扩展和延 伸 计算机技术是人的信息处理

10、器官 大脑功能的扩展和延伸 2007 9 20 现代制造工程研究所 信息技术和新技术革命的关系 信息技术 材料技术和能源技术是科学技术中三大基 本技术 新技术均有三大基本技术派生而来 新技术与三大基本技术的关系 见下图 材料技术 信息技术 能源技术 微电子 技术 激光技术 空间技术 海洋技术 生物技术 派生 派生 派生 2007 9 20 现代制造工程研究所 信息技术和传统技术的关系 信息技术在当代整体技术体系中 担负 着对传统技术进行补充 改造和更新的 使命 信息技术在改造传统技术方面 最主要 的贡献将是实现工业生产过程的自动 化 即FA Factory Automation 如下面 原理模

11、型图 2007 9 20 现代制造工程研究所 生产过程自动化系统原理模型 2007 9 20 现代制造工程研究所 信息论 信息论的概念 信息论的研究内容 信息论在工程测试领域中的应用 2007 9 20 现代制造工程研究所 信息论的概念 信息论是一门应用数理统计方法研究信息传输与信息 处理的新兴学科 信息论源于通信工程 其发展背景基于通信系统的以 下问题 1 信息传输的效率 2 信息传输的准确性 3 噪声干扰 4 信道频率特性 等等 现代信息论的基础 1 1948年美国科学家C E Shannon 发表了关于信源和信道特性的通信理论 2 在同一时 期 美国科学家N Wiener发表了关于噪声理

12、论 信号滤 波和预测 统计 检测与估计理论 调制以及信息处 理理论等 2007 9 20 现代制造工程研究所 信息论的研究内容 信息论有三种理解 狭义信息论 主要研究信息的测度 信息容量以及信 源和信道编码理论等 这一部分即Shannon信息基本 理论 一般信息论 也主要研究通信问题 但包括噪声理 论 信号滤波与预测 信号调制与信号处理 等等 这一部分理论的代表人是Wiener和前苏联科学家卡尔 莫格洛夫 广义信息论 不仅研究上述内容 而且研究与信息有 关的领域 如心理学 遗传学 神经生理学 语言学 甚至包括社会学中有关信息的问题 2007 9 20 现代制造工程研究所 信息论在测试技术领域中

13、的应用 始于20世纪60年代 采用信息论的观点研究测试 技术领域中的问题 测试系统被视为广义通信系统 传感器被视为一个信息检测与转换装置 引入熵的概念 作为被观测系统不确定性的尺度 基于最大熵定理的最大熵谱分析方法 运用Shannon信道容量理论分析测试系统的最佳信息 传输条件 运用Wiener滤波理论研究剔除噪声 提取源信号的方 法 2007 9 20 现代制造工程研究所 广义通信系统 广义通信系统是指适合于所有信息 流通的系统 其模型如下图 信源发信器 信道受信器 信宿 噪声 2007 9 20 现代制造工程研究所 测试系统是一种广义通讯系统 信息源传感器中间变换 记录存贮分析处理观察者

14、信道 发信器 受信器 信源 信宿 2007 9 20 现代制造工程研究所 信号 信号的概念 信号的分类 信号理论的研究内容和应用领域 2007 9 20 现代制造工程研究所 信号的概念 信号是信息的载体 不同于消息采用符号 文 字 数字或语言来表示 信号采用声 光 电 磁 力 位移 速度 加速度等物理量来表示 可定量描述 信号 Signal 来源于拉丁语 Signum 意思是 信息矢量 Information Vector 信号描述了物理量的变化过程 在数学上可以 采用一个或几个独立变量的函数来描述 2007 9 20 现代制造工程研究所 信号的分类 根据信号分析的需要 有不同的分类方法 确定

15、性信号与非确定性信号 随机信号 能量信号与功率信号 时限信号与频限信号 连续时间信号与离散时间信号 物理可实现信号与物理不可实现信号 2007 9 20 现代制造工程研究所 确定性信号与非确定性信号 确定性信号 可以采用明确的数学关系式 函数表达式 描述的信号 对于随时间变化的 确定性信号 可以预知其任意时刻的信号大小 非确定性信号 不能采用明确的数学关系式 函数表达式 描述的信号 对于随时间变化的 确定性信号 不可以预知其任意时刻的信号大 小 它是一个随机过程 2007 9 20 现代制造工程研究所 确定性信号 确定性信号 周期性信号非周期性信号 正弦周期信号非正弦周期信号准周期信号瞬态信号

16、 2007 9 20 现代制造工程研究所 周期信号与非周期信号 周期信号是定义在区间 每隔 一定时间周而复始出现的信号 对于连 续时间信号可表示为 其中为周期 非周期信号不具有以上周期信号的特 点 没有周期 2 1 0 nnTtxtx T 2007 9 20 现代制造工程研究所 正弦周期信号 例 ttx 2sin 2007 9 20 现代制造工程研究所 非正弦周期信号 例 1 2 1 1 2 1 1 ntn ntn tx 2 1 0 n 2007 9 20 现代制造工程研究所 准周期信号 例 tttx 22sin2sin 2007 9 20 现代制造工程研究所 瞬态信号 例 tetx t 2sin 2 2007 9 20 现代制造工程研究所 非确定性信号 随机过程 平稳过程非平稳过程 遍历过程非遍历过程 2007 9 20 现代制造工程研究所 平稳过程与非平稳过程 平稳过程 随机过程的统计特性不随 时间原点的平移而发生变化 非平稳过程 随机过程的统计特性随 时间原点的平移而发生变化 2007 9 20 现代制造工程研究所 遍历过程与非遍历过程 遍历过程 平稳随机过程中 若单个 样本函数