工程测试与信息处理—PPT演示文稿

《工程测试与信息处理—PPT演示文稿》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程测试与信息处理—PPT演示文稿（459页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第1章 绪 论,工程测试与信息处理,课程性质,课程性质：机械专业基础课 开课学期：大三下学期 考试性质：必修课 学分：2学分 授课学时：44学时（理论40+4学时实验） 前期基础课：高等数学，大学物理，力学，电工学，机械工程材料，计算机基础。 后续课程：为专业课打下基础，如大四开设机器人，机械精度设计，数控技术等。,涉及的内容,本课程主要介绍工业自动化、环境监测、交通系统、信息领域的常见物理量（如温度、湿度、压力、声音、光、位移、速度，加速度）等常见物理量的测量过程，电路分析及信号处理的方法。,学习方法,工程测试技术是一门快速发展的学科，为了弥补书本知识点相对滞后的问题，教学内容上增加了多媒体

2、科件和实验，采用书本教材和多媒体教材并重的教学方法。,学习方法,本课程是培养学生解决实际问题能力的专业基础课，具有一定实践性，学习是充分利用开设的实验和仿真分析理解所学知识。,被测对象,传感器,信号分析,举例说明,实例制作,温度传感器实例简单电路制作,感应门实例简单电路+继电器控制,温度精确控制简单电路+单片机控制,考核方式,课后思考题 综合性设计 实验报告 仿真软件设计报告和设计结果 多种形式考核学生，培养学生在实践中独立分析问题，解决问题的能力，从而培养学生的创新能力。,1,2,3,4,测试技术的基本概念,非电量测试系统的组成,测试技术的应用,测试技术的发展动态,第一章 绪论,1.1 测试

3、技术的基本概念,测量一般是指以确定被测物理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，它包含测量和试验两方面的内容。在测试过程中，借助专门的仪器设备、通过试验和运算，求得与所研究对象有关的信息。,测试是进行各种科学实验研究和生产过程参数测量必不可少的手段，起着人的感官的作用。,简单的测试系统可以只有一个模块，如玻璃管温度计。它直接将被测温度变化转化液面示值。没有电量转换和分析电路，很简单，但精度低，无法实现测量自动化。,为提高测量精度和自动化程度，以便于和其它环节一起构成自动化装置，通常先将被测物理量转换为电量，再对电信号进行处理和输出。如图所示的声级计。,一般说来，测试系统由激励装

4、置、传感器、中间变换装置和显示记录装置四部分组成。,1.3 测试系统的组成,传感器将被测物理量(如噪声,温度) 检出并转换为电量，数据处理装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或软件处理的方法，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。,闭环测试系统,何为开环？何为闭环?,想一想开环与闭环的区别是什么？,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、石化等工程领域。,1.4 测试技术的工程应用,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

5、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,广州中鸣数码机器狗, 电阻式传感器,a)械器人中的传感器 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。,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；红外线色彩传感器进行运动轨迹和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,采用切削力传感器、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进行刀具磨损及断裂监测

6、、毛坯或零件质量的监控等。,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、冷却水温度、燃油压力、照明灯检测及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。,汽车扭距测量,机床加工精度测量,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

7、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。,全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，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)。,指纹传感器,透光率传感器,鼠标:光电位移传感器,摄像头:CCD传感器,麦克风:电容传声器,声卡:A/D卡 + D/A卡,软驱:速度,位置伺服,6、PC机中的测

8、试技术应用,1.6 测试技术的发展动态,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,虚拟仪器是在计算机上显示传统仪器面板，它将硬件电路完成的信号调理和处理功能由计算机程序完成，这种硬件功能软件化是虚拟仪器的一大特征。,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

9、们的工作,3、主要传感器和测试仪器生产厂商,1）主要传感器生产厂商,2）测量分析仪器 生产厂商,本章小结与思考题,小结： 掌握测试技术的概念 掌握测试系统的组成 了解测试技术的应用情况 了解测试技术的发展动态 了解主要的测试仪器生产商,第2章 信号描述及其分析,2.1 信号的分类与描述 2.2 周期信号与离散频谱 2.3 瞬变非周期信号与连续频谱 2.4 随机信号 2.5 信号波形的MATLAB实现(课后练习),第 二 章 信号及其描述,引言,“信号”一词最初起源于“符号”、“记号”，它表示用来作为信息向量的一个物体、一个记号、一种语言的元素、或一个特定的符号等等。 信号是其本身在传输的起点到

10、终点的过程中所携带的信息的物理表现。 例如：质量弹簧系统在受到一个激励后的运动状况，可以通过系统质量块的位移时间关系来描述。反映质量块位移的时间变化过程的信号则包含了该系统的固有频率和阻尼比的信息。,噪声的概念： 噪声也是一种信号 ； 任何干扰对信号的感知和解释的现象称为噪声。 信号与噪声的区别纯粹是人为的，且取决于使用者对两者的评价标准。 信号理论必须包括噪声理论。,2.1 信号的分类与描述,一、信号的分类 1、按信号的规律分类 2、按函数性质分类 3、按信号能量分类 二、信号的时域描述和频域描述,若该周期方波用傅里叶级数展开，即得：,上式说明该周期方波是由一系列幅值和频率不等，相位角为0的

11、正弦信号叠加而成。,例：根据图示周期方波的时域描述，求其函数表达式。,n=1、3、5 ,信号合成示例,信号的频谱,在信号分析中，将组成信号的各频率成分找出来，按序排列，得出信号的频谱。若以频率为横坐标，分别以幅值或相位为纵坐标，即得到信号幅频谱和相频谱。,信号的幅频谱和相频谱：,频谱分析应用,在生活中也有许多应用频谱分析的场合，例如可以用频谱分析仪来对电子琴校音，看各琴键产生的音的频率是不是准确 等等。,频谱分析主要用于识别信号中的周期分量，是 信号分析中最常用的一种手段。,案例：在齿轮箱故障诊断 通过齿轮箱振动信号频谱分析，确定最大频率分量，然后根据机床转速和传动链，找出故障齿轮。,案例：螺

12、旋浆设计 可以通过频谱分析确定螺旋浆的固有频率和临界转速，确定螺旋浆转速工作范围。,图中结论：任何信号都有相应于时域波形的确定性频率结构即频谱，信号在时域上有所变化，必然引起其频谱发生相应的变化。,例：,2.2 周期信号与离散频谱,周期信号是经过一定时间后可以重复出现的信号，满足条件 x ( t ) = x ( t + nT ) 周期信号的重要特征：它们可以表示成无穷多个正弦和余弦函数之和。这个正弦和余弦函数的系列称为傅里叶级数。,一、傅里叶级数定义 二、傅里叶级数展开式 三、周期信号的时域波形分析,2.2 周期信号与离散频谱,2.2.1 周期信号的三角级数展开式,一、傅里叶级数定义,傅里叶级

13、数：描述周期信号的基本数学工具，通过它可以把周期信号展开成无穷多个正弦或余弦函数之和。它有两种表达形式：三角函数展开式、复指函数展开式。,二、傅里叶级数的展开式,1、三角函数展开式（条件）,在一个周期内，具有有限个极大值和极小值 在一个周期内有连续或有限个间断点 函数的绝对可积,其中：,，(n1、2、3),机械工程测试技术基础,T周期， T=2/0； 0基波圆频率； f0= 0 /2,注意：（1）若周期信号为奇函数，则 （2）若x(t)为偶函数时，则,（3） x(t)非奇非偶时,，,或,令,则,，,从式可见，周期信号是由一个或几个、乃至 无穷多个不同频率的谐波叠加而成的。以角频率为横坐标，幅值

14、An或相角n为纵坐标作图，则分别得其幅频谱和相频谱图。 由于n是整数序列，各频率成分都是0的整倍数，通常把0称为基频把成分 称为n次谐波。相邻频率间存在间隔 ，因而谱线是离散的，信号的谱线只会出现在等离散频率点上，周期信号的频谱为离散频谱。,傅里叶级数展开式（三角展开式）,其中：,任何周期函数，都可以展开成正交函数线性组合的无穷级数，如三角函数集的傅里叶级数:,周期信号是经过一定时间可以重复出现的信号，满足条件：,复习 周期信号与离散频谱,从数学意义上，凡是满足“狄里赫莱”条件的周期函数，都可以展开成傅里叶级数。,以方波为例分解图,x1(t)=sin(t),x2(t)=sin(t)+3sin(

15、t)/3,x3(t)=sin(t)+3sin(t)/3+5sin(t/5),x3(t)=sin(t)+3sin(t)/3+13sin(t)/13,利用三角级数展开式,回顾：傅里叶级数的三角函数展开式,例：方波信号的频谱,时域图,方波信号的时域和频域的描述,时域,频域,波形合成,方波信号的合成与分解,2.2.2 傅里叶级数的复指数函数形式,欧拉公式,令：,傅里叶级数的三角函数展开式：,改为复指数函数展开式：,其中：,实频谱 虚频谱,幅频谱相频谱,可得：,傅里叶级数的复指数展开式：,幅频图,相频图,例：方波信号的频谱展开，在主周期有：,三角函数展开式：,傅里叶级数展开式-例题：,其中：,n为奇数,

16、复指数函数展开式：,方波信号复指数展开式的实、虚频谱和幅、相频谱,实频谱,虚频谱,相频谱,频谱图,幅频谱,例：周期方波频谱图,例：求周期方波信号x(t)的频谱,解：根据公式先求出,所以：,例：求周期方波信号x(t)的频谱,则其频谱为（用正弦函数表达式绘图）：,其傅里叶展开式为：,三角函数展开形式的频谱是单边谱,双边幅频谱为偶函数，双边相频谱为奇函数。,两种形式频谱图具有确定的关系：,复指数展开形式的频谱是双边谱,2.2.3 两种展开式的关系,1) 周期信号频谱是离散的；,2)每条谱线只出现在基波频率的整倍数上，不存 在非整倍数的频率分量；,3)各频率分量的谱线高度与对应谐波的振幅成 正比。工程中常见的周期信号，其谐波幅值 总的趋势是随谐波次数的增高而减小的。,结论：周期信号的频谱具有离散性、谐波性和收敛性,2.2.3 周期函数两种展开式的关系,2.2.4 周期信号的时域波形分析,信