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1、测试技术与信号处理,测试技术与信号处理电子目录,0.绪论 1.信号及描述 2.测试装置的特性 3.常有传感器 4.信号的调理与记录 5.信号处理 6.位移测量 7.振动与声的测量 8.应变、力测量 9.虚拟仪器,复习思考题一,复习思考题二,复习思考题三,复习思考题四,复习思考题五,复习思考题六,复习思考题七,复习思考题八,复习思考题九,复习思考题十,复习思考题十一,复习思考题十二,0、绪论,1 测试技术课程概述 一、测试技术概念 测试技术（Measurement and Test Technique） 测量对物理量的测量（静态和动态） 试验研究、产品设计和研发的基本环节 对对象或过程中的反应状
2、态基本参数或物理量进行检测(测量),通过信号的获取、转换、传输、显示和处理,以获得可靠的数据和反馈信息(分析,判断或控制)。 测量信号：模拟、数字、连续、离散,一般说来，测试系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三部分组成。,传感器将被测物理量(如噪声,温度) 检出并转换为电量，中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经A/D变换后用软件进行信号分析，显示记录装置则测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。,信息转换,信息提取,测试系统的组成,输入 信号,被测 对象,传 感 器,中 间 转 换,放 大,传 输,显 示 记 录,数 据 处 理,激励 环节,控 制 调 节 器
3、,观 察 者,二、课程内容：,本课程主要介绍机械工程和工业自动化等领域中常见物理量(压力、应变、位移、加速度、温度等）的传感器测量原理、测量电路原理和信号分析方法。,三、 测试技术的工程应用,在工程领域，科学实验、产品开发、生产监督、质量控制等，都离不开测试技术。测试技术应用涉及到航天、机械、电力、石化和海洋运输等每一个工程领域。,1、工业自动化中的应用,a)机械手、机器人中的传感器 转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。,在各种自动控制系统中，测试环节起着系统感官的作用，是其重要组成部分。,密歇根大学的机械手装配模型,广州
4、中鸣数码的机器狗,b) AGV自动送货车,超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器运动轨迹和AGV小车位置识别；条形码传感器，货品识别。,香港理工AGV模型,c) 生产加工过程监测,切削力传感器，加工噪声传感器，超声波测距传感器、红外接近开关传感器等。,密歇根大学数字化工厂,2、流程工业设备运行状态监控,在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在线监测系统。,3、产品质量测量,在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。,图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却
5、水温度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，可以了解产品质量。,机床加工精度测量,汽车扭矩的测试,4、楼宇控制与安全防护,为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。,图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监控。,5、家庭与办公自动化,在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。,指纹传感器,透光率传感器,全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质
6、传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器(洗净度) 液位传感器，电阻传感器(衣物烘干检测)。,6、其他应用,航天,农业,交通,医学,四、测试技术的发展趋势,1、传感器方面,a)利用新发现的材料和新发现的生物、物理、化学效应开发出的新型传感器,光纤流速传感器,荧光材料制作的电子鼻传感器,生物酶血样分析传感器,b)传感器+嵌入式计算机 智能传感器,振动网络传感器,嵌入式计算机,智能压力网络传感器,智能倾角RS232传感器,IC总线数字温度传感器,2、测量信号处理方面,计算机虚拟仪器技术,用PC机仪器板卡 代替传统仪器 用计算机软件 代替硬件分析电路,优点,我们的工作,3主要传感器和测试仪器生
7、产厂商,3）测量分析仪器,五、参考资料,1.机械工程测试技术基础，黄长艺等，机械工业出版社； 2.检测技术，于传芳、郑仲民，机械工业出版社； 3.测试技术基础，王伯雄，清华大学出版社； 4.工程测试与信息处理，卢文祥等，华中科技大学出版社。,2测试的基础知识,一、量、量纲、单位 1.量、量纲： 1)基本量：长度L、质量M、时间T、温度、 电流I、发光强度N、物质的量J 2)导出量：基本量（函数关系）导出量 力量纲： 电阻量纲： 2.单位：基本单位：m，kg，s，K，A，cd，Mol 辅助单位：平面角rad，立体角sr 导出单位：由基本和辅助单位导出,二、测量基准: 保存和复现计量单位的计量器具
8、，分国家基准、副基准、工作基准三级。 三、测量方法： 直接测量（直接和间接比较，等精度和不等精度测量），间接测量，组合测量。 四、测量误差 1.绝对误差：xQ（x测量值，Q真值） 2.相对误差： 3.引用误差：rn/Ym*100% （Ym引用值，一般为仪器量程或标称范围最大值 ） 4.分贝误差：20lg（x/Q）,误差表达举例：P9/例1、2、3 误差的分类：系统误差、随机误差、粗大误差 五、测量结果的表达(样本平均值不确定度) P14例4,返回目录,复习思考题（一）,1.测试系统由哪几部分组成？ 2.测试系统的应用（常见的物理量）？ 3.测试技术的发展方向？ 4.基本量和基本单位由哪些？ 5
9、.测量误差的表达方法有哪些？ 6.测量结果如何表达？,返回目录,第一章、信号及描述,1 信号的分类与描述,信号的分类主要是依据信号波形特征来划分的，在介绍信号分类前，先建立信号波形的概念。,信号波形：被测信号信号幅度随时间的变化历程称为信号的波形。,返回目录,信号波形图：用被测物理量的强度作为纵坐标，用时间做横坐标，记录被测物理量随时间的变化情况。,为深入了解信号的物理实质，将其进行分类研究是非常必要的，从不同角度观察信号，可分为：,5 从可实现性 -物理可实现信号与物理不可实现信号。,1 确定性信号与非确定性信号,可以用明确数学关系式描述的信号称为确定性信号。不能用数学关系式描述的信号称为非
10、确定性信号。,周期信号：经过一定时间可以重复出现的信号 x ( t ) = x ( t + nT ),简单周期信号,复杂周期信号,b) 非周期信号：再不会重复出现的信号。,准周期信号:由多个周期信号合成，但各信号频率不成公倍数。如：x(t) = sin(t)+sin(2.t),瞬态信号:持续时间有限的信号， 如 x(t)= e-Bt . Asin(2*pi*f*t),c)非确定性信号：不能用数学式描述，其幅值、相位变化不可预知，所描述物理现象是一种随机过程。,噪声信号(平稳),2 能量信号与功率信号,a)能量信号 在所分析的区间（-，），能量为有限值的信号称为能量信号，满足条件：,一般持续时间
11、有限的瞬态信号是能量信号。,b)功率信号 在所分析的区间（-，），能量不是有限值此时，研究信号的平均功率更为合适。,一般持续时间无限的信号都属于功率信号:,3 时限与频限信号,a) 时域有限信号 在时间段 (t1，t2)内有定义，其外恒等于零,b) 频域有限信号 在频率区间(f1，f2 )内有定义，其外恒等于零,4 连续时间信号与离散时间信号,a) 连续时间信号:在所有时间点上有定义,b)离散时间信号:在若干时间点上有定义 幅值是否连续，模拟信号（连续）、数字信号（离散）。,5 物理可实现信号与物理不可实现信号,物理可实现信号：又称为单边信号，满足条件： t0时，x(t) = 0， 即在时刻小
12、于零的一侧全为零。,b) 物理不可实现信号：在事件发生前(t0)就 已知信号。,信号时域和频域描述方法,时域描述法 ： 主要反映信号的幅值随时间变化的特征。 分析系统时，除采用经典的微分或差分方程外，还引入单位脉冲响应和单位序列响应的概念，借助于卷积积分的方法。 频域分析法： 将信号和系统的时间变量函数或序列变换成对应频率域中的某个变量的函数，来研究信号和系统的频域特性 。 对于连续系统和信号来说，常采用傅里叶变换和拉普拉斯变换；对于离散系统和信号则采用Z变换。 频域分析法将时域分析法中的微分或差分方程转换为代数方程，给问题的分析带来了方便。,实际信号的形式常常是比较复杂的。因此常常将复杂的信
13、号分解成某些特定类型（易于实现和分析 ）的基本信号之和 ，如正弦信号、复指数型信号、阶跃信号、冲激信号等等 。 信号的频域描述即是将一个时域信号变换为一个频域信号，将该信号分解成一系列基本信号的频域表达形式之和，从频率分布的角度出发研究信号的结构及各种频率成分的幅值和相位关系。幅频谱、相频谱。 例：P21：方波的幅频和相频谱,2 周期信号与离散频谱,一、傅里叶级数的三角函数展开式 周期信号可展开成傅里叶级数，即周期信号可由多个不同频率的谐波叠加而成。,二、傅里叶级数的复指数函数展开式,周期信号按傅里叶级数展开后，可作出其幅频谱图和相频谱图，其特点： 1.周期信号是离散的； 2.每条谱线只出现在
14、基波频率的整数倍上； 3.各频率分量的谱线高度表示该谐波的幅值或相位角，谐波幅值总趋势随谐波次数的增高而减小。,三、周期信号的强度表述,周期T，频率f=1/T,峰值，双峰值， 均值，绝对均值， 均方根值，均方值,3 非周期信号与频谱,准周期信号（几个简谐信号叠加，频比非公约数） 瞬变非周期信号（T为无穷大，频率为0） 信号的频域分析手段是傅立叶变换。,或,求解：,与周期信号相似，非周期信号也可以分解为许多不同频率分量的谐波和，所不同的是，由于非周期信号的周期T，基频fdf，它包含了从零到无穷大的所有频率分量，各频率分量的幅值为X(f)df，这是无穷小量，所以频谱不能再用幅值表示，而必须用幅值密
15、度函数描述。,另外，与周期信号不同的是，非周期信号的谱线出现在0,fmax的各连续频率值上，这种频谱称为连续谱。,信号的频域分析,对比:方波谱,4 随机信号平稳随机（各态历经）信号非平稳随机信号（统计特征参数随t变化）,返回目录,第二章、测试装置的基本特性 1 概述 测试装置的基本特性 静态特性、动态特性、负载特性、抗干扰性,不失真测量：,语音片段1(Good),语音片段2(bad),测试系统是执行测试任务的传感器、仪器和设备的总称。,返回目录,2 测试系统静态响应特性,如果测量时，测试装置的输入、输出信号不随时间而变化（或低频），则称为静态测量。,静态测量时，测试装置表现出的响应特性称为静态
16、响应特性。,a)灵敏度 当测试装置的输入x有一增量x,引起输出y发生相应变化y时,定义: S=y/x,b)非线性度 标定曲线与拟合直线的偏离程度就是非线性度。 非线性度=B/A100%,c)回程误差 测试装置在输入量由小增大和由大减小的测试过程中，对于同一个输入量所得到的两个数值不同的输出量之间差值最大者为hmax，则定义回程误差为: (hmax/A)100%,d) 静态响应特性的其他描述,精度：是与评价测试装置产生的测量 误差大小有关的指标,灵敏阀：又称为死区，用来衡量测量 起始点不灵敏的程度。,分辨力：指能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量，表明测试装置分辨输入量微小变化的能力。,测量范围：是指测试装置能正常测量最小输入量和最大输入量之间的范围。,可靠性：是与测试装置无故障工作时间长短有关的一种描述。,稳定性：是指在一定工作条件下，当输入量不变时，输出量随时间变化的程度。,案例：物料配重自动测量系统的静态参数测量
