第一章：信号处理

测试技术与信号处理主要参考教材 :卢文祥、杜润生编机械工程测试 信息 信号分析 （第二版）华中科技大学出版社主讲：刘正平硕士研究生学位课程第一章 绪 论v测试、信息、信号v测试、信息处理的基本内容v测试、信息处理的发展概况v测试技术的工程应用v主要传感器和测试仪器生产厂商v 思考题1-1 测试、信息、信号v 概述 测试技术属于信息科学范畴，又被称之为信息探测工程学。 测试是信息技术三大支柱之一。v测试控制技术v计算机技术v通信技术v 测试 是 量测 和 试验 的总称，是具有试验性质的测量v量测量测 ：确定被测量的数量值所进行的一系列操作，也就是把被测量（或系统）的某种信息检测出来，加以量度的过程。v试验试验 ：是将被测物处于人为的预想状态所进行的一系列操作，也就是通过人为的方法把被测系统所存在的某些信息人为地激发出来以便加以测量的过程。1-1 测试、信息、信号v 信息 是指对消息的接收者来说预先不知道的情况，它是一个不知道的事实， 一般可理解为消息、情报或知识。v 机械振动是机械设备状态信息v语言文字是社会信息v商品报导是经济信息v遗传密码是生物信息v 从物理学观点出发来考察，信息是物质所固有的，是其客观存在或运动状态的特征。 它通过物理量的形式表现出来。这些物理量就是信号。1-1 测试、信息、信号v 信号信号 ：一般指电信号和非电信号。 就具体物理性质而言，信号有电信号、光信号、力信号等等。 信号是传输信息的载体， 信息总是蕴涵在某些物理量（信号）之中 。v 信号与信息 信息本身不是物质，不具有能量，但信息的传输却依靠物质能量。 信号是物理性的，是物质，具有能量。人类获取信息，需要借助信号的传播。1-2 测试、信息处理的基本内容v 概述 人类认识世界，是以感官感知自然信息开始的，物质的颜色、形状、声响、温度变化，可以由人的视觉、听觉、触觉等器官感知，但人的感官感知事物的变化有局限性，人类感官的延伸 传感器，是近代信息探测工程学中的重要内容，传感技术的发展，扩展了人类感知信息的智能。 信息探测涉及到任何一项工程领域，无论是生物、海洋、气象、地质、雷达、通信以及机械、电子等工程，都离不开测试与信息处理。v 测试的基本任务 获取有用的信息。（如温度、零件尺寸、振动等）1-2 测试、信息处理的基本内容v 信息处理信息处理 是指从传感器等一次敏感元件获得初始信息，再用一定设备手段进行分析处理的过程。它包括了信息的获取、传输、转换、分析、变换、处理、检测、显示及应用等过程。 信息是以信号形式传输的，故而 信息处理又可称之为信息处理又可称之为信号处理信号处理 。 通常又把研究信号的构成和特征值的过程称为 信号分信号分析析 ；把信号再经过必要的加工变换，以期获得有用信息的过程称为 信号处理信号处理 。 信号分析对信号本身的信息结构没有影响，而信号处理过程中，往往有可能对信号本身的信息结构有所改变 。1-2 测试、信息处理的基本内容v 信息 信号的转换、传输与处理过程1-2 测试、信息处理的基本内容v 测试工作的全过程包含着许多环节1-2 测试、信息处理的基本内容v 信号分析的经典方法 概述v测试信号 =有用信号 +干扰噪声v获取有用信号的常用方法 时域分析 频域分析 时域分析（又称波形分析）v特征值分析： 用信号的幅值随时间变化之图形或表达式来分析，可以得到信号任一时刻的瞬时值或最大值、最小值、均值、均方根值等。v时域分解： 研究其稳定分量与波动分量。v相关分析： 可以研究信号本身或相互间的相似程度；v幅值域分析： 研究信号的幅值取值的分布状态，可以了解信号幅值取值的概率及概率分布情况。1-2 测试、信息处理的基本内容 频域分析v把信号的幅值、相位或能量变换为以频率表示的函数，进而分析其频率特性的一种方法，又称为频谱分析。对信号进行频谱分析，可以获得更多的有用信息，是近代信息技术发展中的一个重要手段。v幅值谱v相位谱v能量谱密度v功率谱密度等1-3 测试、信息处理的发展概况v 传感器 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热 /光 电量1-3 测试、信息处理的发展概况v 传感器 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1-3 测试、信息处理的发展概况v 信息处理技术 50年代以前： 模拟分析方法。 进入 50年代： 数字计算机在信号分析中有了应用。 60年代： 提出了快速傅里叶变换算法，这一方法促进了数字信号处理的发展，使其获得更广泛应用。 70年代以后： 大规模集成电路的发展以及微型机的应用，使信号分析技术具备了广阔的发展前景，许多新的算法不断出现。 最近： 出现了用于快速处理信号的信号处理芯片，它对简化信号处理系统的结构，提高运算速度，加快信号处理的实时能力等，产生了很大影响。1-3 测试、信息处理的发展概况v 信息处理技术 目前信号分析技术的发展目标v在线实时能力的进一步提高；v分辨力和运算精度的提高；v扩大和发展新的专用功能；v专用机结构小型化，性能标准化，价格低廉化 现代信号处理的一些主要领域和研究热点v自适应信号处理v高分辨率、多分辨率分析v多维和多通道信号处理v非平稳（时变）信号的分析，时频分析，小波分析v1-3 测试、信息处理的发展概况v 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 代替硬件分析电路我们的工作1-4 测试技术的工程应用v 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。1-4 测试技术的工程应用v 工业自动化中的应用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 机械手、机器人中的传感器v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 用1-4 测试技术的工程应用v 工业自动化中的应用 AGV自动送货车v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模型密 歇根大学数字化工厂1-4 测试技术的工程应用v 工业自动化中的应用 生产加工过程监测v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。1-4 测试技术的工程应用v 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。石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测。扬子石化 50MW 热电机组监测系统阳逻电厂 300MW 汽轮机组监测系统荆门电厂 200MW 机组监测系统青山热电厂生产信息实时查询系统沙角电厂生产信息实时查询系统宝钢 30KW 以上风机监测系统宝钢精轧 F2轧机网络化监测系统宝钢冷轧带钢振动纹监测系统武钢风机状态监测系统1-4 测试技术的工程应用v 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1-4 测试技术的工程应用v 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。烟雾传感器 亮度传感器 红外人体探测器1-4 测试技术的工程应用v 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 透光率传感器温湿度传感器 温度传感器1-4 测试技术的工程应用v PC机中的测试技术应用鼠标 :光电位移传感器 摄象头 :CCD传感器 声位笔 :超声波传感器麦克风 :电容传声器 声卡 :A/D卡 + D/A卡 软驱 :速度 ,位置伺服1-4 测试技术的工程应用v 其他应用航天 农业交通 医学1-4 测试技术的工程应用l-断路继电器 2-主继电器3-起动装置 4-电动汽油泵5-油箱 6-燃油滤清器7-蓄电池8-曲轴位置传感器 (分电器)9-点火开关 10-点火线圈11-大气压力传感器12-空气滤清器13-进气温度传感器14-空气流传感器15-冷起动喷油器16-辅助空气阀17-节气门位置传感器18-燃油压力调节器19-氧传感器20-冷起动喷油器温度时间开关 21-水温传感器22-控制系统部件1-5 主要传感器和测试仪器生产厂商v 工业自动化类传感器丹麦 B&K(振动测量、声学测量领域最富盛名 )/美国 霍尼威尔 公司（有全球最大 传感器 技术研究中心） /chinav 振动 /噪声传感器1-5 主要传