测试技术信号及其表述-沈阳建筑大学

《测试技术信号及其表述-沈阳建筑大学》由会员分享，可在线阅读，更多相关《测试技术信号及其表述-沈阳建筑大学（90页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、测 试 技 术,机械工程学院 陈士忠,成绩分配方式,总成绩=平时（出勤，作业，实验）20%+ 期末考试80% 出勤少于点名次数1/3者，取消考试资格。 作业未完成1/3者，取消考试资格。,第一章 信号及其表述,0绪论； 1.1信号的分类； 1.2信号的描述； 1.3几种典型信号的频谱,0绪论,知识的获取往往从测量开始。人类在其自身的社会发展中创造并发展了测量学科，人类早期的测量活动涉及对长度（距离）、时间、面积和重量等量的测量。随着社会的进步和科学的发展，测量活动的范围不断扩大，测量的工具和手段不断精细和复杂化，从而也不断地丰富和完善了测量的理论。,0绪论,测量的发展 公元前3000年，古埃及

2、人建立了长度的统一标准埃尔 ； 秦始皇在统一六国后，建立了统一的度量制度 ； 今天，测量学科已渗透到人类活动的每个领域。 科学技术的迅猛发展给测量学这一古老的学科注入了新的活力，现代电子技术、尤其是信息技术的发展更是推动测量学科迅猛发展。因此测量学是一门多学科交叉的边缘学科。,0绪论,测量的内涵及其科学性: “凡存在之物，必以一定的量存在。” “当你能测量你在谈及的事物，并将它用数字表达时，你对它便是有所了解的；而当你不能测量它，不能将它用数字表达时，你的知识是贫瘠的和不能令人满意的。” William Thompson,国际单位的基本量和基本单位,0绪论,0.1测试的概念：具有试验性质的测量

3、，或者可以理解为测量和试验的结合。 举例：激光测距；检测车外型；室内监控。,测试技术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，但精度底，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。,0绪论,内容：测量原理、测量方法、测量系统以及数据处理,0.2测试的内容和任务,任务：设备设计、设备改造、环境监测、实验验证、设备状态监测。 在工程领域，

4、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。,测试系统原理框图,0.3测试系统带的组成,1、工业自动化中的应用,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,广州中鸣数码的机器狗,2、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

5、油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。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,3、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。,4、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

6、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,5、其他应用,航天,农业,交通,医学,0.4测试技术的发展方向,（1）测量方式的多样化； （2）视觉测试技术； （3）测量尺寸极端化,通过本课程的学习，要求学生能做到： （1）掌握测试技术的基本理论，包括信号的时域和频域的描述方法、频谱分析和相关分析的原理和方法、信号调理和信号处理基本概念和方法； （2）熟练掌握各类典型传感器、记录仪器的基本原理和适用范围； （3）具有测试系统的机、电、计算机方面的总体设计能力； （4）具有实验数据处理和误差分析能力,1.信号及其表述,1.1信号

7、的分类； 1.2信号的描述； 1.3几种典型信号的频谱,信号的定义,“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。 信号是信号本身在其传输的起点到终点的过程中所携带的信息的物理表现。,信号与信息的关系,交通信号灯,信息,信号,信息的载体是光信号,红灯亮,黄灯亮,绿灯亮,停止,通行,注意,信号的定义,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

8、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。 例：齿轮噪声 信号理论必须包括噪声理论。,信号的定义,确定性信号和随机信号,分类方法1是考虑信号沿时间轴演变的特性所作的一种分类。根据这种时域分类法可定义两大类信号：确定性信号和随机信号。 确定性信号：可以用合适的数学模型或数学关系式来完整地描述或预测其随时间演变情形的信号。 随机信号：具有不能被预测的特性且只能通过统计观察来加以描述的信号。,确定性信号又分为周期信号和非周期信号 周期信号： 定义：满足下面关系式的信号： x(t)=x(t+kT) (1.3) 式中，T周期。 周期信号一般又分为正余弦信号、多谐复

9、合信号、和伪随机信号。 非周期信号： 定义：不具有上述性质的确定性信号。 非周期信号又可分成准周期信号和瞬态信号两类。,确定性信号,正余弦信号具有如下的一般表达式 ：,伪随机信号组成周期信号的一个特殊范畴，它们具有准随机的特性。,图1.2 正、余弦信号,图1.3 伪随机信号,周期信号,准周期信号：由多个具有不成比例周期的正弦波之和形成，或者称组成信号的正（余）弦信号的频率比不是有理数 瞬态信号：时间历程短的信号 。,x(t)矩形脉冲信号； y(t)衰减指数脉冲信号； z(t)正弦脉冲；,非周期信号,图1.5 瞬态信号,随机信号又可分成两大类：平稳随机和非平稳随机信号。,平稳随机信号：信号的统计

10、特征是不变的。,非平稳随机信号：不具有上述特点的随机信号。,按信号时域特性的表象分类法分类图,连续信号和离散信号,分类依据： 信号的幅值是连续的还是离散的 ； 自变量（即时间t）是连续的还是离散的 。 对于连续信号： 自变量和幅值均为连续的信号称为模拟信号 ； 自变量是连续、但幅值为离散的信号，则称为量化信号。 对于离散信号： 信号的自变量及幅值均为离散的，则称为数字信号 ； 信号的自变量为离散值、但其幅值为连续值时，则称该信号为被采样信号。,信号按形态分类法加以区分的四种形式,能量信号和功率信号,能量信号： 例如：在右图所示的单自由度振动系统中： 由弹簧所积蓄的弹性势能为 x2(t)；若x(

11、t)表达为运动速度，则x2(t)反映的是系统的运动中的动能。 定义：当x（t）满足关系式 则称信号x（t）为有限能量信号，简称能量信号。 矩形脉冲、衰减指数信号等均属,图1.8 单自由度振动系统,这类信号。,能量信号和功率信号（续）,功率信号： 当信号满足条件 亦即信号具有有限的（非零）平均功率，则称信号为有限平均功率信号，简称功率信号。,1.2信号的描述,信号“域”的不同，是指信号的独立变量不同，或描述信号的横坐标物理量不同。,信号的时域描述：以时间为独立变量，其强调信号的幅值随时间变化的特征。,信号的频域描述：以角频率或频率为独立变量，其强调信号的幅值和相位随频率变化的特征。,时域和频域信

12、号,时域,频域,实际信号的形式常常是比较复杂的。因此常常将复杂的信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。,1.2.1周期信号的描述,在有限区间上，一个周期信号x（t）当满足狄里赫利条件时可展开成傅里叶级数： 式中， 注意：an是n或n0的偶函数，a-n=an；而bn则是n或n0的奇函数，有b-n=-bn 。,(1.12),(1.13),(1.14),奇、偶函

13、数的傅里叶系数计算特点,若周期函数x(t)为奇函数，即x(t)=-x(-t),若周期函数x(t)偶函数，即x(t)=x(-t),信号x（t）的另一种形式的傅里叶级数表达式： 式中， An称信号频率成分的幅值，n称初相角。 注意：An是n或n0的偶函数，A-n=An；而n则是n或n0的奇函数，有-n=-n 。,（1.15）,n1,2, （1.16）,信号频域分析是采用傅立叶分析将时域信号x(t)变换为频域信号X(f)，从另一个角度来了解信号的特征。,周期信号的频谱分析,例1 求图1.11所示的周期方波信号x（t）的频谱，并做出频谱图。 解：信号x（t）在它的一个周期中的表达式为： 根据式（1.1

14、3）和（1.14）有：,图1.11 周期方波信号,注意：本例中x(t)为一奇函数，而cosn0t为偶函数，两者的积x(t)cosn0t也为奇函数，而一个奇函数在上、下限对称区间上的积分值等于零。,根据式（1.12），便可得图1.11所示周期方波信号的傅里叶级数表达式为：,图1.12 周期方波信号的频谱图,信号的频谱X(f)代表了信号在不同频率分量处信号成分的大小，它能够提供比时域信号波形更直观，丰富的信息。,时域分析与频域分析的关系,谱线,傅里叶级数表达成指数函数的形式,由欧拉公式可知 ： 代入式（1.12）有： 令 则 或,（1.22）,（1.23）,（1.24）,（1.25）,求傅里叶级数

15、的复系数 Cn Cn是离散频率n0的函数，称为周期函数x(t)的离散频谱。 Cn一般为复数，故可写为 且有,（1.26）,（1.27）,（1.28）,（1.29）,解：根据式（1.26）有,例2 求周期矩形脉冲的频谱，设周期矩形脉冲的周期为T，脉冲宽度为，如图1.16所示。,图1.16 周期矩形脉冲,由于0=2/T，代入上式得 定义 则式（1.36）变为 根据式（1.25）可得到周期矩形脉冲信号的傅里叶级数展开式为,（1.36）,（1.37）,（1.38）,（1.39）,图1.17 周期矩形脉冲的频谱（T=4）,通常将0 2/T这段频率范围称周期矩形脉冲信号的带宽，用符号C表示： 我们来考虑当

16、周期矩形脉冲信号的周期和脉宽改变时它们的频谱变化的情形。,(1.40),图1.18 信号脉冲宽度与频谱的关系,信号的脉冲宽度相同而周期不同时，其频谱变化情形 ：,图1.19 信号周期与频谱的关系,傅立叶级数的复指数与三角函数展开的关系,周期信号的频谱的特点,周期信号的频谱是离散谱； 周期信号的谱线仅出现在基波及各次谐波频率处； 周期信号的幅值谱中各频率分量的幅值随着频率的升高而减小，频率越高，幅值越小。,结论：周期信号的频谱具有离散性、谐波性和收敛性,1.2.2非周期信号的频域描述,（一）傅里叶变换与连续频谱 （二）傅里叶变换的性质,一般非周期信号是指瞬变信号，其特点是函数沿独立变量时间t衰减，因而积分存在有限值，属于能量有限信号。 非周期信号的表述采用傅里叶变换。,（一）傅里叶变换与连续频谱,设x（t）为(-T/2,T/2)区间上的一个周期函数。它可表达为傅里叶级数的形式： 式中 将式（1.50）代入式（1.49）得 当T时，区间(-T/2,T/2)变成(-, )，另外，频率间隔