工程测试技术实验-2013

1、工程测试技术实验工程测试技术实验主 讲 人：黄弢、王峻峰课程安排课程安排 独立设课8学时讲：2学时做：6学时工程实验：4学时仿真实验：2学时教材：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 （机械新大楼东楼B314#黄老师：87557415）下学期下学期 16学时：做一个综合性测控实验作品本学期本学期实验地点实验地点：东1楼一楼中部（从靠东3楼的门进）性质性质: 机械大类专业基础课和必修课对象对象: 35班班/年年,1千多名学生千多名学生课程特色和成果课程特色和成果 以工程案例和实验为主线的教学模式，解决了传感器原理以工程案例和实验为主线的教学模

2、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。没有实物、枯燥无味，信号分析理论深奥、难懂的问题。综合测控实验台综合测控实验台DRVI虚拟仪器平台虚拟仪器平台综合测控实验台综合测控实验台一、测试技术的基本概念一、测试技术的基本概念 测试技术是实验科学的一部分，主要研究各种测试技术是实验科学的一部分，主要研究各种物物理量的测量原理理量的测量原理和和测量信号分析处理测量信号分析处理方法。方法。 测试定义： 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)

3、而进行的实验过程 工程测试实验主要内容是了解传感器，理解计算工程测试实验主要内容是了解传感器，理解计算机机A/D采样，熟悉常用信号处理方法，（包括时采样，熟悉常用信号处理方法，（包括时域、频域两方面）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。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测试信号数字化处理的基本步骤物理信号物理信号对象对象传传感感器器电信号电信号放放大大调调制制电信号电信号A/DA/D转换转换数字信号数字信号计计算算机机D/AD/A转转换换电信号电信号控制控制物理信号物理信号二、二、A/D

4、转换转换采样采样利用采样脉冲序列，从信号中抽取一系列利用采样脉冲序列，从信号中抽取一系列离散值，使之成为采样信号离散值，使之成为采样信号x(nTs)x(nTs)的过程的过程 编码编码将经过量化的值变为二进制数字的过程。将经过量化的值变为二进制数字的过程。 量化量化把采样信号经过舍入变为只有有限个有效把采样信号经过舍入变为只有有限个有效数字的数，这一过程称为量化数字的数，这一过程称为量化采样是将采样脉冲序列采样是将采样脉冲序列p(t)p(t)与信号与信号x(t)x(t)相相乘，取离散点乘，取离散点x(nt)x(nt)的值的过程。的值的过程。4 4位位A/D: XXXXA/D: XXXXX(1)

5、0101X(2) 0011X(3) 0000离散采样误差离散采样误差 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，误差的误差称为离散采样误差，采样频率越高，误差越小。越小。 为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信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频率成分的2 2倍。这是采样的基本法则，称为采倍。这是采样的基本法则，称为采样定理。样定理。Fs 2

6、Fmax 采样定理采样定理每周期应该有多少采样点每周期应该有多少采样点 ？最少最少2点点: (4) (4) 模拟信号的输入范围：如，模拟信号的输入范围：如，5V5V， +/-5V+/-5V，10V10V，+/-10V+/-10V等。等。 (2) (2) 分辨率：用输出二进制数码的位数表示。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。常用位数越多，量化误差越小，分辨力越高。常用有有8 8位、位、1010位、位、1212位、位、1616位等。位等。 (3)(3)采样速率采样速率(转换速度）转换速度）：指完成一次转换所用：指完成一次转换所用的时间，如的时间，如:1ms(1

7、KHz):1ms(1KHz)； 10us(100kHz) 10us(100kHz) (1)(1)输入模式（单端输入或者差分输入）输入模式（单端输入或者差分输入）、 A/D转换器的技术指标转换器的技术指标 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。 输入方式测量系统分类 -参考地单端参考地单端测量系统所有信号均使用同一个参考电压或接地电

8、压，也称为接地测量系统。在接地测量系统中，被测信号一端接模拟输入通道，另一端直接与系统地AIGND相连。 测量系统分类 -差分测量系统信号的正负极分别与一个模拟输入通道相连接。具有仪器放大器（Instrumentation Amplifier）的数据采集设备可配置成差分测量系统。 一个理想的差分测量系统能够精确测量（+）和（-）输入端口之间的电位差，并将共模电压完全抑制掉。需要注意需要注意，若输入共模电压超过允许范围，将会降低测量系统的共模抑制比。为了避免测量误差，需要限制信号地与数据采集卡的地之间的浮地电压。 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，能够识别

9、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。给信号设置

10、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。数据采集系统的组成模拟多路开关 模拟多路开关可以分时选通来自多个输入通道的某一路信号，使得在一个特定的时间范围内，只允许一路模拟信号输入到A/D转换器。因此，在多路开关后的单元电路，如采样/保持电

11、路、A/D及处理器电路等，只需一套即可，这样可以降低成本，减小设备体积。 多路开关从一个通道切换到另一个通道时会发生瞬变现象，使输出产生短暂的尖峰电压。 模拟多路开关的源负载效应误差源负载效应误差和串扰串扰等因素对检测精度有较大的影响，尤其是在信号源内阻较大的时候，因此，信号源的内阻应该尽可能的小信号源的内阻应该尽可能的小。 任意一个信号是随时间而改变的物理量。一般情况下，信号所运载信息是很广泛的，比如：状态（state）、速率(rate)、电平(level)、形状(shape)、频率成分(frequency content)。 根据信号运载信息方式的不同，可以将信号分为模拟或数字信号。数字(

12、二进制)信号分为开关信号和脉冲信号。模拟信号可分为直流、时域、频域信号。第一类数字信号是开-关信号。一个开-关信号运载的信息与信号的瞬间状态有关。TTL信号就是一个开-关信号，一个TTL信号如果在2.0到5.0V之间，就定义它为逻辑高电平，如果在0到0.8V之间，就定义为逻辑低电平。第二类数字信号是脉冲信号。这种信号包括一系列的状态转换，信息就包含在状态转化发生的数目、转换速率、一个转换间隔或多个转换间隔的时间里。安装在马达轴上的光学编码器的输出就是脉冲信号。有些装置需要数字输入，比如一个步进式马达就需要一系列的数字脉冲作为输入来控制位置和速度。 数字信号数字信号模拟直流信号是静止的或变化非常

13、缓慢的模拟信号。直流信号最重要的信息是它在给定区间内运载的信息的幅度。常见的直流信号有温度、流速、压力、应变等。采集系统在采集模拟直流信号时，需要有足够的精度以正确测量信号电平，由于直流信号变化缓慢，用软件计时就够了，不需要使用硬件计时。模拟直流信号模拟直流信号模拟时域信号模拟时域信号 模拟时域信号与其他信号不同在于，它在运载信息时不仅有信号的电平，还有电平随时间的变化。在测量一个时域信号时，也可以说是一个波形，需要关注一些有关波形形状的特性，比如斜度、峰值等。 用于测量时域信号的采集系统包括一个AD、一个采样时钟和一个触发器。AD的分辨率要足够高，保证采集数据的精度，带宽要足够高，用于高速率

14、采样；精确的采样时钟，用于以精确的时间间隔采样；触发器使测量在恰当的时间开始。存在许多不同的时域信号，比如心脏跳动信号、视频信号等，测量它们通常是因为对波形的某些方面特性感兴趣。 模拟频域信号模拟频域信号 模拟频域信号与时域信号类似，然而，从频域信号中提取的信息是基于信号的频域内容，而不是波形的形状，也不是随时间变化的特性。 为了实现这样的数字信号处理，可以使用应用软件或特殊的DSP硬件来迅速而有效地分析信号。模拟频域信号也很多，比如声音信号、地球物理信号、传输信号等。 模拟信号的连接方式 接入数据采集设备的信号根据参考点的不同可以分为接地信号和浮动信号两种类型。接地信号接地信号：就是以系统地

15、（如建筑物的地）为参考点的信号，也称参考信号。因为接地信号用的是系统地，所以与数据采集设备是共地的。最常见的接地信号源是通过墙上的接地引出线接入建筑物地的设备，如信号发生器和电源。一个不与任何地（如大地或建筑物的地）连接的电压信号称为浮动信号浮动信号，浮动信号的每个端口都与系统地独立。一些常见的浮动信号源有电池、热电偶、变压器和隔离放大器等。 A/D应用：数字信号发生器设计应用：数字信号发生器设计1 1、正弦波数字信号发生器、正弦波数字信号发生器 )2(.)(ftSinAtxsFdt1)2(.dtfkSinAkx三、信号的频域分析三、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信号频域分

16、析是用傅立叶变换将时域信号x(t)x(t)变换为频域信号变换为频域信号X(f)X(f)，从而帮助人们从另一个角度，从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。来了解信号的特征。 8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz傅里叶傅里叶变换变换X(t)= sin(2ft)0 t0 f时域分析与频域分析的关系时域分析与频域分析的关系时间时间幅值幅值频率频率时域分析时域分析频域分析频域分析频谱频谱X(f)X(f)代表了信号在不同频率分量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。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时

17、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。信号的频率组成和各频率分量大小。 图例：受噪声干扰的多频率成分信号图例：受噪声干扰的多频率成分信号 周期信号的频谱分析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周期信号是经过一定时间可以重复出现的信号，满足条件：号，满足条件： x ( t ) = x ( t + nT )对周期函数：对周期函数：对采样数据：对采样数据：三角函数展开：三角函数展开： 简记为：简记为： H(f) = Re +j*Im或：或： )2cos()(fAfH

18、 采样信号频谱是一个连续频谱，不可能计算采样信号频谱是一个连续频谱，不可能计算出所有频率点值。设频率取样间隔为：出所有频率点值。设频率取样间隔为：f = Fs / N 频率取样点为频率取样点为0,f,2f,3f,.0,f,2f,3f,.，有：，有： 该公式就是离散傅立叶计算公式该公式就是离散傅立叶计算公式(DFT)(DFT)离散离散傅里叶变换傅里叶变换快速傅立叶变换快速傅立叶变换 快速傅立叶变换快速傅立叶变换(FFT)(FFT)是离散傅立叶变换的一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，减种有效的算法，通过选择和重新排列中间结果，减小运算量。小运算量。频谱图的概念频谱图的

19、概念 工程上习惯将分析结果用图形表示，以工程上习惯将分析结果用图形表示，以f fn n(0 0) )为为横坐标，横坐标，b bn n、a an n为纵坐标画图，称为实频虚频谱。为纵坐标画图，称为实频虚频谱。图例图例)sincos()(01020tnbtnatxnnna,.)3 , , 2 , 1( n以以f fn n为横坐标，为横坐标，A An n、 为纵坐标画图，则称为幅值为纵坐标画图，则称为幅值相位谱；相位谱；102)cos()(0nnnatnAtx,.)3 , , 2 , 1( n以以f fn n为横坐标，为横坐标，A An n2 2为纵坐标画图，则称为功率谱。为纵坐标画图，则称为功率谱

20、。 102)cos()(0nnnatnAtx,.)3 , , 2 , 1( nMatlab正弦波频谱分析 Fs=5120;dt=1.0/Fs; N=1024T=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:N/2);四、数字相关分析技术四、数字相关分析技术变量相关的概念变量相关的概念 统计学中用相关系数来描述变量统计学中用相关系

21、数来描述变量x x，y y之间的相关性。之间的相关性。是两随机变是两随机变量之积的数学期望，称为相关性，表征了量之积的数学期望，称为相关性，表征了x x、y y之间的关联程度。之间的关联程度。 如果所研究的随机变量如果所研究的随机变量x, yx, y是与时间有关的函数，即是与时间有关的函数，即x(t)x(t)与与y(t)y(t)，这时，这时可以引入一个与时间可以引入一个与时间有关的量有关的量xy()xy()，称为相关系数，并有：，称为相关系数，并有： 2122)()()()()(dttydttxdttytxxy式中假定式中假定x(t)x(t)、y(t)y(t)是不含直流分量是不含直流分量( (

22、信号均值为零信号均值为零) )的能量信号。分母的能量信号。分母部分是一个常量，分子部分是时移部分是一个常量，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：相关性，称为相关函数。因此相关函数定义为：dttytxRxy)()()( 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(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

23、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）， 数字相关分析技术数字相关分析技术MATLAB算例：算例：Fs=5120;N=1024; dt=1.0/5120.0;T=dt*N;x=linspace(0,T,N);y=sin(2*3.14*50*x);plot(x,y);s=xcorr(y)x1=linspace(0,2*T,2*N-1);plot(x1,s); 虚拟仪器虚拟仪器是在计算机上是在计算机上显示传统仪器显示传统仪器面板，它将硬面板，它将硬件电路完成的件电路完成的信号调理和处信号调理和处理功能由计算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机程序完成，这种硬件功能软件化是虚拟仪器的一大特征。一大特征。五五 虚拟仪器虚拟仪器1.1.定义定义2.2.虚拟仪器的组成虚拟仪器的组成PXIVXIGPIB