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1、工程测试技术实验,主 讲 人：黄弢、王峻峰,课程安排,独立设课,8学时,教材：卢文祥、杜润生，工程测试与信息处理，华中科技大学出版社；机械工程测试技术实验指导书 （东3楼219#黄老师：87557415）,下学期 16学时：做一个综合性测控实验作品,本学期,实验地点：东1楼一楼中部（从靠东3楼的门进）,性质: 机械大类专业基础课和必修课 对象: 40班/年,1千多名学生,课程特色和成果,以工程案例和实验为主线的教学模式，解决了传感器原理没有实物、枯燥无味，信号分析理论深奥、难懂的问题。,一、测试技术的基本概念,测试技术是实验科学的一部分，主要研究各种物理量的测量原理和测量信号分析处理方法。测试
2、定义： 是具有 试验 性质的 测量。,Measurement & Test,对未知事物的探索性认识过程(Process)，是一个动态过程而非静止,为确定被测对象量值(Value)而进行的实验过程,工程测试实验主要内容是了解传感器，理解计算机A/D采样，熟悉常用信号处理方法，（包括时域、频域两方面）,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。,测试信号数字化处理的基本步骤,二、A/D转换,采样利用采样脉冲序列，从信号中抽取一系列离散值，使之成为采样信号x(nTs)的过程,编码将经过量化的值变为二进制数字的过程。,量化把采样信号经过舍入变为只有有限个有效数字的数，这一过程称
3、为量化,采样是将采样脉冲序列p(t)与信号x(t)相乘，取离散点x(nt)的值的过程。,离散采样误差,模拟信号经过采样后变为有限个数据点的离散信号，数据点间用直线进行插值逼近，所造成的误差称为离散采样误差，采样频率越高，误差越小。,为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信号信息，信号采样频率必须至少为原信号中最高频率成分的2倍。这是采样的基本法则，称为采样定理。,Fs 2 Fmax,采样定理,每周期应该有多少采样点 ？,最少2点:,(4) 模拟信号的输入范围：如，5V， +/-5V，10V，+/-10V等。,(2) 分辨率：用输出二进制数码的位数表示。位数越多，量化误差越小，分辨力越高。常用有8
4、位、10位、12位、16位等。,(3)采样速率(转换速度）：指完成一次转换所用的时间，如:1ms(1KHz)； 10us(100kHz),(1)输入模式（单端输入或者差分输入）、,A/D转换器的技术指标,单端输入以一个共同接地点为参考点。这种方式适用于输入信号为高电平（大于一伏），信号源与采集端之间的距离较短（小于15英尺），并且所有输入信号有一个公共接地端。 如果不能满足上述条件，则需要使用差分输入。差分输入方式下，每个输入可以有不同的接地参考点。并且，由于消除了共模噪声的误差，所以差分输入的精度较高。,输入方式,分辨率是模/数转换所使用的数字位数。分辩率越高，输入信号的细分程度就越高，能够
5、识别的信号变化量就越小。 下图表示的是一个正弦波信号，以及用三位模/数转换所获得的数字结果。三位模/数转换把输入范围细分为23或者就8份。二进制数从000到111分别代表每一份。,分辨率,显然，此时数字信号不能很好地表示原始信号，因为分辩率不够高，许多变化在模/数转换过程中丢失了。然而，如果把分辩率增加为16位，模/数转换的细分数值就可以从8增加到216即65536，它就可以相当准确地表示原始信号。,输入范围是指ADC能够量化处理的最大、最小输入电压值。如 5V， +/-5V，10V，+/-10V等 它与分辨率、增益等配合，以获得最佳的测量精度。,增益表示输入信号被处理前放大或缩小的倍数。给信
6、号设置一个增益值，你就可以实际减小信号的输入范围，使模数转换能尽量地细分输入信号。例如，当使用一个3位模数转换，输入信号范围为0到10伏，,上面的图显示了给信号设置增益值的效果。当增益=1时，模/数转换只能在5伏范围内细分成4份，而当增益=2时，就可以细分成8份，精度大大地提高了。但是必须注意，此时实际允许的输入信号范围为0到5伏。一但超过5伏，当乘以增益2以后，输入到模/数转换的数值就会大于允许值10伏。,A/D应用：数字信号发生器设计,1、正弦波数字信号发生器,三、信号的频域分析,信号频域分析是用傅立叶变换将时域信号x(t)变换为频域信号X(f)，从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。
7、,时域分析与频域分析的关系,频谱X(f)代表了信号在不同频率分量的大小，能提供更直观，丰富的信息。,时域分析只能反映信号的幅值随时间的变化情况，除单频率分量的简谐波外，很难明确揭示信号的频率组成和各频率分量大小。,周期信号的频谱分析,周期信号是经过一定时间可以重复出现的信号，满足条件： x ( t ) = x ( t + nT ),对周期函数：,对采样数据：,三角函数展开：,或：,频率取样点为0,f,2f,3f,，有：,离散傅里叶变换,快速傅立叶变换,快速傅立叶变换(FFT)是离散傅立叶变换的一种有效的算法，通过选择和重新排列中间结果，减小运算量。,频谱图的概念,工程上习惯将分析结果用图形表示
8、，以fn(0)为横坐标，bn、an为纵坐标画图，称为实频虚频谱。,图例,以fn为横坐标，An、 为纵坐标画图，则称为幅值相位谱；,以fn为横坐标，An2为纵坐标画图，则称为功率谱。,Matlab正弦波频谱分析,Fs=5120; dt=1.0/Fs; N=1024 T=dt*N; t=linspace(0,T,N); y=sin(2*3.14*100*t)+ 1/3*sin(3*2*3.14*100*t); plot(t,y); figure; P=fft(y,N); Pyy =2*sqrt(P.* conj(P)/N; f=linspace(0,Fs/2,N/2); plot(f,Pyy(1:
9、N/2);,四、数字相关分析技术,变量相关的概念,统计学中用相关系数来描述变量x，y之间的相关性。是两随机变量之积的数学期望，称为相关性，表征了x、y之间的关联程度。,如果所研究的随机变量x, y是与时间有关的函数，即x(t)与y(t)，这时可以引入一个与时间有关的量xy()，称为相关系数，并有：,式中假定x(t)、y(t)是不含直流分量(信号均值为零)的能量信号。分母部分是一个常量，分子部分是时移的函数，反映了二个信号在时移中的相关性，称为相关函数。因此相关函数定义为：,计算时，令x(t)、y(t)二个信号之间产生时差，再相乘和积分，就可以得到时刻二个信号的相关性。连续变化参数，就可以得到x
10、(t)、y(t)的相关函数曲线。相关函数具有如下性质(1) 自相关函数是偶函数 (2) 当=0时，自相关函数具有最大值 (3) 周期信号的自相关函数仍然是同频率周期信号，但不具有原信号相位信息。 (4) 两周期信号的互相关函数仍然是同频率周期信号，但保留了原信号相位信息。 (5) 两个非同频率的周期信号互不相关。 (6) 随机信号的自相关函数将随|值增大而很快趋于零。,相关函数描述了两个信号或一个信号自身波形不同时刻的相关性（或相似程度），,数字相关分析技术,MATLAB算例：,Fs=5120; N=1024; dt=1.0/5120.0; T=dt*N; x=linspace(0,T,N);
11、 y=sin(2*3.14*50*x); plot(x,y);s=xcorr(y) x1=linspace(0,2*T,2*N-1); plot(x1,s);,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。,五 虚拟仪器,1.定义,2.虚拟仪器的组成,LabView（图形化编程）,虚拟VI组成,使用LabVIEW开发平台编制的程序称为虚拟仪器程序，简称为VI。 VI包括三个部分：程序前面板、程序框图（后面板）和图标/连接器。,程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板。,每一个程序前面
12、板对应一段程序框图（后面板）,图标/连接器是子VI被其它VI调用的接口,LabVIEW的操作模板,LabVIEW具有多个图形化的操作模板，用于创建和运行程序。这些操作模板可以随意在屏幕上移动，并可以放置在屏幕的任意位置。操纵模板共有三类，为工具（Tools）模板、控制（Controls）模板和功能（Functions）模板。,前面板调用,控制（Controls）模板,后面板调用,功能（Functions）模板,例 程 1 简单数组应用,例 程 2 波形信号产生及信号分析,DRVI可重构虚拟仪器实验平台,Matlab控制DRVI,chan=ddeinit(DRVIMATLAB,System);
13、ddeterm(chan); ddepoke(chan,SetLine,line,value); value=ddereq(chan,GetLine,line) ddepoke(chan,SetArray,line,dt,len,array) data=ddereq(chan,GetArray,line,len);,为实现与Matlab联用，DRVI中提供了一个DDE服务器功能，在Matlab中可以用DDE客户方式与DRVI交换数据和命令。,取DRVI数据,chan=ddeinit(DRVIMATLAB,System); ddepoke(chan,SetLine,1,100); a=ddere
14、q(chan,GetArray,101,1024); ddeterm(chan); d=0:length(a)-1; plot(d,a);,控制DRVI产生100Hz正弦波，并取回数据,送DRVI数据,t=0:0.0002:0.1; ft=800*sin(2*3.14*100*t); d=0:length(ft)-1; plot(d,ft); chan=ddeinit(DRVIMATLAB,System); ddepoke(chan, SetArray,101,0.0002,500,ft) ddeterm(chan);,用Matlab产生100Hz正弦波，送DRVI显示,七、实验内容,实验一 典型信号频谱分析、相关分析 实验二 频率混叠和采样定理 实验三 周期信号波形的合成和分解,实验四 实际信号采样及频谱分析实验 实验五 多传感器综合测量实验 实验六 悬臂梁固有频率测量 实验七 实验台振动、转速测量 实验八 无损检测,仿真实验,工程实验（选择四项）,考试内容,实验一三不要求交实验报告，要求 用MatLab完成各种信号的产生、合成或分解 用MatLab进行各种信号频谱分析或相关分析 机械学院机制专业要求自学实验界面设计。其他学院及专业要求会使用MatLab命令完成。将代码和注释写在实验报告上。 其他实验要求交实验报告。每人一份，手写。,
