测试技术重点内容复习

1、测试技术总复习测试技术总复习重点内容第一章第一章 测试系统分析测试系统分析n一、测试系统的一般组成一、测试系统的一般组成n二、有关测试装置的常用术语二、有关测试装置的常用术语n三、测试装置的基本特性三、测试装置的基本特性n四、测试系统动态特性的描述四、测试系统动态特性的描述n五、不失真测试装置的条件五、不失真测试装置的条件n六、测试系统中的干扰六、测试系统中的干扰测试系统的组成框图测试系统的组成框图 被测被测对象对象观察观察者者激励激励 装置装置标标 定定 装装 置置测量测量装置装置传传感感器器物理量物理量信信号号调调理理电量电量信信号号处处理理电量电量显显示示记记录录电量电量/数字量数字量反

2、馈控制反馈控制第一节第一节 测试系统的一般组成测试系统的一般组成第二节第二节 有关测试装置的常用术语有关测试装置的常用术语n1量程和测量范围量程和测量范围n2测试装置的误差测试装置的误差 1）测试装置的误差）测试装置的误差 2）引用误差）引用误差n3测量误差测量误差n4信噪比信噪比n5准确度准确度 表示测量结果与被测量真值之间的一致程度。表示测量结果与被测量真值之间的一致程度。 2、测试装置的误差、测试装置的误差 n测试装置的误差测试装置的误差 测试装置的指示值与测试装置的指示值与被测量的真值的差值，称为装置的示值误被测量的真值的差值，称为装置的示值误差。可简称为测试装置的误差。即差。可简称为

3、测试装置的误差。即 n在实际测量中，被测量的真值是不知道的，在实际测量中，被测量的真值是不知道的，通常用实测量的算术平均值或满足规定准通常用实测量的算术平均值或满足规定准确度测量值作为真值。如用一级精度压力确度测量值作为真值。如用一级精度压力表去检定二级精度压力表，那么一级精度表去检定二级精度压力表，那么一级精度压力表的测量值就作为二级精度的压力真压力表的测量值就作为二级精度的压力真值使用。值使用。 n引用误差引用误差 在实际工作中，常使用反映测试在实际工作中，常使用反映测试装置质量的最常用的综合性指标是装置的装置质量的最常用的综合性指标是装置的引用误差；即引用误差；即 3、测量误差、测量误差

4、 反映测量工作的最常用的一个指标是测量误差，反映测量工作的最常用的一个指标是测量误差，即即 n若有相同的示值误差，指示值愈小，相应的测量若有相同的示值误差，指示值愈小，相应的测量误差愈大。例如测量误差愈大。例如测量100mm和和10mm长度，如果长度，如果示值误差都是示值误差都是0.01mm，显然，显然10mm的测量误差的测量误差大，也就是说，它的测量精度低。大，也就是说，它的测量精度低。n在选用测试装置时应注意使它的量程与被测量的在选用测试装置时应注意使它的量程与被测量的大小相适应，最好是被测量接近满量程处。大小相适应，最好是被测量接近满量程处。第三节第三节 测试装置的基本特性测试装置的基本

5、特性 为从测试装置输出中识别其输入，必须研究测为从测试装置输出中识别其输入，必须研究测试装置输出、输入及测试装置三者之间的关系。试装置输出、输入及测试装置三者之间的关系。工程测试一般总是希望测试装置的测出信号能不工程测试一般总是希望测试装置的测出信号能不失真地反映被测的信号，为此对测试装置的传输失真地反映被测的信号，为此对测试装置的传输特性提出了一些基本要求。特性提出了一些基本要求。（一）（一） 测试系统的静态特性测试系统的静态特性 测试装置的静态特性是指被测信号测试装置的静态特性是指被测信号x(t) 为常为常值时，其测出信号与被测信号之间所呈现值时，其测出信号与被测信号之间所呈现的关系。的关

6、系。 工程中常用线性度、灵敏度和回程误差工程中常用线性度、灵敏度和回程误差等指标来描述，它们能从不同的方面反映等指标来描述，它们能从不同的方面反映实际测试装置的静态特性。实际测试装置的静态特性。 n测试装置的动态特性可以从时域（微分方程或脉测试装置的动态特性可以从时域（微分方程或脉冲响应函数）、复数域（传递函数）和频域（频冲响应函数）、复数域（传递函数）和频域（频率特性）三个不同角度来描述。率特性）三个不同角度来描述。n而时域分析（微分方程的解）一般比较复杂，使而时域分析（微分方程的解）一般比较复杂，使用不方便；用传递函数求输出，其输出包括了稳用不方便；用传递函数求输出，其输出包括了稳态解和瞬

7、态解，而瞬态解与输入无关，只取决于态解和瞬态解，而瞬态解与输入无关，只取决于测试装置的结构和参数，可见它达不到测试的目测试装置的结构和参数，可见它达不到测试的目的；用频率特性求输出，其输出只有与输入有关的；用频率特性求输出，其输出只有与输入有关的稳态解。的稳态解。n脉冲响应函数和频率特性是傅里叶变换对，它们脉冲响应函数和频率特性是傅里叶变换对，它们的作用有共同之处。因此，在测试技术中，常使的作用有共同之处。因此，在测试技术中，常使用用脉冲响应函数和频率特性脉冲响应函数和频率特性来描述测试装置的动来描述测试装置的动态特性。态特性。（二）测试装置的动态特性（二）测试装置的动态特性例例: 某测试系统

8、传递函数某测试系统传递函数 110.5H ss，当输入信号，当输入信号1sinxt， 2sin4xt分别为分别为 ， 时，试分别求系统稳态时，试分别求系统稳态输出。输出。 2211j(j )1j 0.521fHfff 221( )1A ff ( )argtan()ff 11:0.5Hzxf 1()0.537A f1()57.52 of22:2Hzxf 2()0.157A f2()80.96 of1( )0.537sin(57.52 )y tt o2( )0.157sin(480.96 )y tt o 设测试系统的输出设测试系统的输出y(t)y(t)与输入与输入x(t)x(t)满足关系满足关系

9、y(t)=Ay(t)=A0 0 x(t-tx(t-t0 0) ) 该系统的输该系统的输出波形与输入信出波形与输入信号的波形精确地号的波形精确地一致，只是幅值一致，只是幅值放大了放大了A A0 0倍，在倍，在时间上延迟了时间上延迟了t t0 0而已。这种情况而已。这种情况下，认为测试系下，认为测试系统具有不失真的统具有不失真的特性。特性。t tA Ax(t)x(t)y(t)=Ay(t)=A0 0 x(t)x(t)y(t)=Ay(t)=A0 0 x(t- tx(t- t0 0) )时域条件时域条件第五节第五节 系统实现动态测试不失真的条件系统实现动态测试不失真的条件 y(t)=A0 x(t-t0)

10、 Y()=A0e-jt0X() 不失真测试系统条件的幅频特性和相频特性不失真测试系统条件的幅频特性和相频特性应分别满足应分别满足 A()= A0 =A()= A0 =常数常数 ()= - t0()= - t0做傅立叶变换做傅立叶变换 频域定义频域定义例例 : 某一测试装置的幅频、相频特性如图所示，问哪个信某一测试装置的幅频、相频特性如图所示，问哪个信号输入，测试输出不失真？号输入，测试输出不失真？ 111( )sinx tAt22sinAt21144( )sinsinx tAtAt第二章第二章 信号的获取信号的获取学习要求学习要求 1.1.了解传感器的分类了解传感器的分类 2.2.掌握常用传感

11、器测量原理掌握常用传感器测量原理3.3.了解传感器的应用了解传感器的应用本章内容本章内容n2.1 传感器的分类传感器的分类 n2.2 电阻传感器电阻传感器 n2.3 电感传感器电感传感器n2.4 电容传感器电容传感器 n2.5 压电传感器压电传感器n2.6 磁电传感器磁电传感器 n2.7 半导体传感器半导体传感器 n2.8 新型传感器新型传感器n2.9 几种重要的传感检测技术几种重要的传感检测技术1. 传感器定义传感器定义 传感器是借助检测元件将一种形式的信息转传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。换成另一种信息的装置。 物理量物理量电量电量 目前，传感器转换后的信号大多

12、为电信号。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。号转换成电信号的装置。2.1 传感器的分类传感器的分类 传感器通常由传感器通常由敏感元件敏感元件和和转换元件转换元件组成。组成。 在非电量电测系统中的作用 F 敏感作用敏感作用：感受并拾取被测对象的信号感受并拾取被测对象的信号F变换作用变换作用： 被测信号转换成易于检测和处理被测信号转换成易于检测和处理 的电信号的电信号dV2. 传感器的分类传感器的分类(1)(1)按被测物理量分类按被测物理量分类 位移传感器位移传感器, ,流量传感器流量传感

13、器, ,温度传感器等温度传感器等. .(2)(2)按传感器元件的变换原理分类按传感器元件的变换原理分类 电阻式电阻式, ,电容式电容式, ,电感式电感式, ,压电式压电式, ,光电式等光电式等. .能量转换型能量转换型: :直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作. . 例如例如: :热电偶温度计热电偶温度计, ,压电式加速度计压电式加速度计. . 能量控制型能量控制型: :从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化. . 例如例如: :电阻应变片电阻应变片. . 能量传递型能量传递型: :从某种能量发生器与接受器进行能量传

14、递过程中实现从某种能量发生器与接受器进行能量传递过程中实现 敏感检测敏感检测. . 例如例如: :超声波发生器和接受器超声波发生器和接受器. .(3)(3)按传感器的能量传递方式分类按传感器的能量传递方式分类 电阻式传感器电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一是把被测量转换为电阻变化的一种传感器。种传感器。 按工作的原理可分为：按工作的原理可分为：变阻器式、电阻应变式、变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式热敏式、光敏式、电敏式。2.2 电阻式传感器电阻式传感器应变式电阻传感器应变式电阻传感器传感元件：电阻应变片，它是一种把被测试件传感元件：电阻应变片，它是一种把被测试件的的应变量应变

15、量转换成转换成电阻变化量电阻变化量的传感元件。的传感元件。 导体或半导体在外力作用下产生导体或半导体在外力作用下产生机械变形机械变形而引而引起导体或半导体的起导体或半导体的电阻值发生变化电阻值发生变化的物理现象称的物理现象称为为应变效应应变效应。 金属应变计金属应变计有: 1、丝式 2、箔式 3、薄膜式 优点：稳定性和温度特性好。缺点：灵敏度系数小。(2)(2)应变片的结构和种类应变片的结构和种类 应变片主要分金属电阻应变片和半导体应变片。应变片主要分金属电阻应变片和半导体应变片。n电感式传感器的工作基础：电感式传感器的工作基础：电磁感应电磁感应n利用线圈利用线圈电感或互感电感或互感的改变来实

16、现非电量测量的改变来实现非电量测量n特点：工作可靠、寿命长灵敏度高，分辨力高精度高、线性好性能稳定、重复性好2.3 电感式传感器电感式传感器分类分类: :电感式传感器电感式传感器自感型自感型可变磁阻型可变磁阻型高频反射式高频反射式互感型互感型差动变压器型差动变压器型低频透射式低频透射式分为变磁阻式、变压器式、涡流式等分为变磁阻式、变压器式、涡流式等结构：结构： 变磁阻式传感器由变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁线圈、铁芯和衔铁三部分组成。三部分组成。 铁芯和衔铁由导磁材料制成。铁芯和衔铁由导磁材料制成。1. 可变磁阻式可变磁阻式(自感型自感型)S1l1L1W23l21线圈；2铁芯(定铁芯)；3衔

17、铁(动铁芯)S2变隙式传感器的测量范围与灵敏度及线性度之间存在矛盾，变隙式传感器的测量范围与灵敏度及线性度之间存在矛盾，因此，变隙式电感传感器用于测量微小位移量的场合。因此，变隙式电感传感器用于测量微小位移量的场合。为减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式自感传感器。为减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式自感传感器。差动型差动型变间隙型差动变压器变间隙型差动变压器 输出特性输出特性传感器灵敏度传感器灵敏度 LddLS2实际应用中常将两个电感传感器线圈与一个实际应用中常将两个电感传感器线圈与一个衔铁结合起来构成差动式电感传感器。衔铁结合起来构成差动式电感传感器。差动式变压器式比单边

18、式传感器的灵敏度提高差动式变压器式比单边式传感器的灵敏度提高1倍。倍。2. 涡流式电感传感器涡流式电感传感器 当金属板置于变化磁场中或者在磁场中运动时，在金属当金属板置于变化磁场中或者在磁场中运动时，在金属板中产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称为板中产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称为涡流涡流。 案例：案例： 测厚测厚案例：案例： 零件计数零件计数涡流式传感器的应用涡流式传感器的应用2.4 电容式传感器电容式传感器 1. 变换原理变换原理 将被测物理量的变化转化为电容量变化。将被测物理量的变化转化为电容量变化。两平行极板组成的电容器两平行极板组成的电容器, ,它的电容量为它

19、的电容量为: :AC+ + + A 当被测量当被测量、A或或发生变化时，都会引起电容的变化。发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。a) a) 极距变化型极距变化型+ + + c) c) 介质变化型介质变化型b)b)面积变化型面积变化型: :平面线位移型平面线位移型, ,角位移型角位移型, , 柱面线位移型柱面线位移型AC思考：电容式传感器的分类？2.5 压电传感器压电传感器 1. 变换原理变换原理 某些物质（如石英），某些

20、物质（如石英），当受到外力作用时，几何尺当受到外力作用时，几何尺寸发生变化，内部被极化，寸发生变化，内部被极化，表面会产生电荷；当外力去表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为态，这种现象称为压电效应压电效应。压电效应压电效应式中，式中，q q 电荷电荷 量量 ； D D 压电常数，与材质及切片方向有关；压电常数，与材质及切片方向有关； F F 作用力。作用力。 q=DF最简单的压电式传感器的工作原理最简单的压电式传感器的工作原理 在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，构成两在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，构成两个电极。当压电晶片受到压力个

21、电极。当压电晶片受到压力F作用时，分别在两个极作用时，分别在两个极板上积聚数量相等而极性相反的电荷，形成电场。板上积聚数量相等而极性相反的电荷，形成电场。 如果施加于压电晶片的外如果施加于压电晶片的外力不变，积聚在极板上的电荷力不变，积聚在极板上的电荷又无泄漏，那么在外力继续作又无泄漏，那么在外力继续作用时，电荷量将保持不变。这用时，电荷量将保持不变。这时在极板上积聚的电荷与力的时在极板上积聚的电荷与力的关系为：关系为： 单片晶片的输出电荷很小，常常将两片或两片以上的单片晶片的输出电荷很小，常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起。粘结的方法有两种，即并联和串联。晶片粘结在一起。粘结的方法有两种，

22、即并联和串联。 并接时，负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧电极上。并接时，负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧电极上。传感器的电容量大，输出电荷量大，时间常数大，故这种传感器适用传感器的电容量大，输出电荷量大，时间常数大，故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出情况。于测量缓变信号及电荷量输出情况。 串联时，正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传感器本串联时，正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传感器本身的电容量小，响应较快，输出电压大，故这种传感器适用于测量以身的电容量小，响应较快，输出电压大，故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。电压作输出的信号和频

23、率较高的信号。 由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常应把传感由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器后，再用一般的器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器后，再用一般的放大检波电路将信号输入到指示仪。放大检波电路将信号输入到指示仪。 前置放大器有两个作用：前置放大器有两个作用：其一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出，其一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出，其二是放大传感器输出的微弱电信号。其二是放大传感器输出的微弱电信号。2. 前置放大器前置放大器 前置放大器电路有前置放大器电路有两种形式两种形式: 一种是用电阻反馈的一种是用电阻反馈的电压放

24、大器电压放大器，其输出电压与输入电，其输出电压与输入电压成正比压成正比; 另一种是用带电容板反馈的另一种是用带电容板反馈的电荷放大器电荷放大器，其输出电压与，其输出电压与输入电荷成正比。输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。广泛。思考：思考：压电传感器是否动态测量和静态测量都适用？压电传感器是否动态测量和静态测量都适用？n压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻

25、抗用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。决定了压电传感器只能够测量动态的应力。2.6 磁电传感器磁电传感器 一、一、 变换原理变换原理 磁电式传感器是把被测量的磁电式传感器是把被测量的物理量物理量转换为转换为感应电动感应电动势势的一种转换器。的一种转换器。),(,cos,mdtddtdRBSBNU感应线圈的感应电动势感应线圈的感应电动势e e为为 磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变线圈的

26、感应电动势。改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。 ddeWt 二、二、 分类分类 磁电式 动圈式 磁阻式 线速度型角速度型 N ),(,cos,mdtddtdRBSBNUddeWt 动圈式传感器对照动圈式传感器对照kNBAeNBlvesinl:l:每匝线圈的平均长度；每匝线圈的平均长度；B:B:线圈所在磁场的磁感应强度；线圈所在磁场的磁感应强度； A:A:每匝线圈的截面积；每匝线圈的截面积； :线圈运动方向与磁场方向的夹角；线圈运动方向与磁场方向的夹角； k:k:传感器的结构系数。传感器的结构系数。 磁阻式传感器磁阻式传感器n用导磁材料制成的物体运动时，改变磁路的磁阻，因而改用导磁材料

27、制成的物体运动时，改变磁路的磁阻，因而改变贯穿线圈的磁通量，使线圈产生感应电动势。变贯穿线圈的磁通量，使线圈产生感应电动势。n磁阻式转速传感器有两种：磁阻式转速传感器有两种： 1.开磁路开磁路 开磁路结构简单，空气磁阻大，输出信号小。若被开磁路结构简单，空气磁阻大，输出信号小。若被测振动较大时，输出波形失真较大。测振动较大时，输出波形失真较大。 2.闭磁路闭磁路 磁路磁阻小，输出信号大，受被测轴振动干扰小。磁路磁阻小，输出信号大，受被测轴振动干扰小。 一、磁敏传感器一、磁敏传感器（一）霍尔元件（一）霍尔元件 2.7 半导体传感器半导体传感器 1变换原理变换原理霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的磁

28、电转换元件，利用霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的磁电转换元件，利用电磁效应把磁学物理量转换成电信号。电磁效应把磁学物理量转换成电信号。流经霍尔元件的电流为流经霍尔元件的电流为 I ，磁感应强度为，磁感应强度为B ，霍尔元件在磁场作用下产生的霍尔电势为霍尔元件在磁场作用下产生的霍尔电势为UH 。霍尔效应原理图霍尔效应原理图 2霍尔效应霍尔效应半导体霍尔元件的结构半导体霍尔元件的结构 组成测试系统应考虑的因素组成测试系统应考虑的因素 1.技术性能指标技术性能指标精度：精度：测量系统的示值和被测量的测量系统的示值和被测量的真值真值相符合的程度。相符合的程度。 精密度（精密度（precisionpre

29、cision）：示值重复性（）：示值重复性（ 随机误差）随机误差） 准确度（准确度（accuracyaccuracy）：系统误差）：系统误差 绝对误差绝对误差 = = 测量结果测量结果( (示值示值) )被测真值被测真值 相对误差相对误差 = = 绝对误差绝对误差/ /被测真值被测真值 x x 100% 100% 引用误差引用误差 = = 绝对误差绝对误差/ /满量程值满量程值 x x 100100 仪器的精度等级一般用仪器的精度等级一般用最大引用误差最大引用误差来标称。来标称。 是与评价测试装置产生的测量误差大小有关的指标。是与评价测试装置产生的测量误差大小有关的指标。测试技术基础测试技术基

30、础 第四章第四章 测试系统的基本特性测试系统的基本特性 分辨力：分辨力：指能引起输出量发生变化时指能引起输出量发生变化时输入量输入量的的最小变量最小变量， 表明测试装置分辨输入量微小变化的能力。表明测试装置分辨输入量微小变化的能力。 测量范围：测量范围：是指测试装置能正常测量最小输入量和最大是指测试装置能正常测量最小输入量和最大 输入量之间的范围。输入量之间的范围。 静态测量：幅值静态测量：幅值 动态测量：幅值和频率动态测量：幅值和频率稳定性：稳定性：是指在一定工作条件下，当输入量不变时，输是指在一定工作条件下，当输入量不变时，输 出量随时间变化的程度。出量随时间变化的程度。 温漂温漂 零漂零

31、漂 可靠性：可靠性：是与测试装置无故障工作时间长短有关的一种是与测试装置无故障工作时间长短有关的一种 描述。描述。 测试技术基础测试技术基础 第四章第四章 测试系统的基本特性测试系统的基本特性 2.测试系统的经济指标测试系统的经济指标 3.测试系统的使用环境条件测试系统的使用环境条件0 xyix零点漂移总误差灵敏度漂移测试装置的漂移 测试技术基础测试技术基础 第四章第四章 测试系统的基本特性测试系统的基本特性 n3.1 电桥电桥 n3.2 调制与解调调制与解调 n3.3 滤波器滤波器第三章第三章 信号的预处理信号的预处理变换与调理的目的变换与调理的目的 便于信号的传输与处理。便于信号的传输与处

32、理。 1.1.传感器输出的电信号很微弱，传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需要进记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还要进行阻抗一步放大，有的还要进行阻抗变换变换。 3.3.某些场合，为便于信号的远距某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器测量信进离传输，需要对传感器测量信进行调制解调处理。行调制解调处理。 2.2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，需要去掉有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。噪声，提高信噪比。3.1 电电 桥桥 电桥电桥a 、c两端接电源两端接电源Ui，称，称供桥

33、端供桥端；b、d两端接输出电压两端接输出电压Uo，称，称输出端输出端。 将电阻将电阻R(应变片应变片)、电感、电感L、电容、电容C等电参数变为电压等电参数变为电压U或或电流电流I信号后输出的一种测量电路。信号后输出的一种测量电路。 电桥电桥 根据桥臂阻抗性质的不同为根据桥臂阻抗性质的不同为 : 电阻电桥电阻电桥 电容电桥电容电桥 电感电桥电感电桥 根据供桥电源分为根据供桥电源分为 : 直流电桥直流电桥: 采用直流电源采用直流电源只用于只用于测量电阻测量电阻R的变化的变化 交流电桥：采用交流电源交流电桥：采用交流电源测量电阻测量电阻R 、电容、电容C 、电感电感L的变化的变化1. 电桥的分类电桥

34、的分类2. 直流电桥直流电桥 四个桥臂由电阻四个桥臂由电阻R1、R2、R3和和R4组成。组成。1R3R4R2I2R1IoUiUabdc采用采用直流电源直流电源的电桥称为直流电桥的电桥称为直流电桥 直流电桥直流电桥VR1R2R3R4单臂单臂半桥半桥R1R3R2R4 双臂双臂 半桥半桥R1R3R2R4 全桥全桥R1R3R2R4 半桥、单臂输出半桥、单臂输出 全桥、四臂输出全桥、四臂输出 半桥、双臂输出半桥、双臂输出 ioURRU022iU00/RRUSoioURRU0iU00/RRUSo00/RRUSo4iUioURRU04ioURRKU0ioKURRUS00/电桥测量的误差电桥测量的误差非线性误

35、差非线性误差温度误差温度误差 直流电源的电压稳定性造成的误差直流电源的电压稳定性造成的误差1R3R4R2I2R1IoUiUabdc直流电桥直流电桥减少温度误差的办法减少温度误差的办法贴应变片时尽量使各应变片的温度一致。贴应变片时尽量使各应变片的温度一致。为了抑制干扰，可采用屏蔽电缆作信号线，为了抑制干扰，可采用屏蔽电缆作信号线，并可靠接地。并可靠接地。减少非线性误差的办法减少非线性误差的办法采用半桥双臂和全桥接法。采用半桥双臂和全桥接法。平衡条件平衡条件3.交流电桥交流电桥交流电桥交流电桥4231ZZZZ而而 111jeZZ 222jeZZ 333jeZZ 444jeZZ 其中，其中，Z1、Z

36、2、Z3、Z4为为阻抗的模阻抗的模，而，而1、2、3、4为为阻抗角阻抗角，是各桥臂电流与电压之间，是各桥臂电流与电压之间的相位差。的相位差。 Z1Z3ej(1+3)=Z2Z4ej(2+4) 42314231ZZZZ(*)平衡条件平衡条件电容电桥电容电桥1R3R4R2I2R1IoUiUadc1C4C电容电桥电容电桥 42134231CRCRRRRR平衡条件：平衡条件：电感电桥电感电桥1R3R4R2I2R1IoUiUabdc1L4L电感电桥电感电桥 24314231RLRLRRRR平衡条件：平衡条件： 声音信号声音信号 广播电台广播电台的发射塔的发射塔 接收接收调制调制 Modulation解调解

37、调 Demodulation3.2 调制与解调调制与解调声音信号声音信号广播电台广播电台的发射塔的发射塔 利用缓变信号控制高频信号的某个参数利用缓变信号控制高频信号的某个参数(幅值、频率或相位幅值、频率或相位)变化的过程。变化的过程。 调制调制 Modulation已调波已调波1）实现缓变信号的传输，特别是远距离传输）实现缓变信号的传输，特别是远距离传输 2）提高信号传输中的抗干扰能力和信噪比）提高信号传输中的抗干扰能力和信噪比 调制的目的调制的目的音频信号音频信号调制的种类调制的种类调制信号调制信号 载波信号载波信号)2cos()(000tfAtya) 幅值调制幅值调制(简称调幅，简称调幅，

38、AM，Amplitude Modulation)b) 频率调制频率调制(简称调频，简称调频，FM，Frequency Modulation)c) 相位调制相位调制(简称调相，简称调相，PM，Phase Modulation)缓变信号缓变信号x(t)高频简谐信号高频简谐信号幅度调制与解调过程（波形分析）幅度调制与解调过程（波形分析）乘法器乘法器放大器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器乘法器滤波器滤波器z(t)x(t)例：例： 动态应变仪动态应变仪 滤波器是一种选频装置，可以使滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，而极大地信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分衰减其他

39、频率成分3.3 滤波器滤波器 (a)低通滤波器低通滤波器 (Low pass filter)(b)高通滤波器高通滤波器 (High pass filter)(c) 带通滤波器带通滤波器 (band pass filter) (d) 带阻滤波器带阻滤波器 (band stop filter) 滤波器分类滤波器分类2称为称为低通滤波器低通滤波器的的上截止频率上截止频率 1、2分别称为分别称为带通滤波器带通滤波器的的下、上截止频率下、上截止频率 通带通带通带通带通带通带通带通带通带通带阻带阻带阻带阻带阻带阻带阻带阻带阻带阻带1 1称为称为高通滤波器高通滤波器的的下截止频率下截止频率 一一 信号描述信

40、号描述5.1、信号分类与描述、信号分类与描述 5.2、周期信号、周期信号5.3、非周期信号、非周期信号5.4、随机信号、随机信号 第第5章章 信号描述与处理信号描述与处理 为深入了解信号的物理实质，研究信号的分类是非常必为深入了解信号的物理实质，研究信号的分类是非常必要的，从不同角度观察信号：要的，从不同角度观察信号： 1 按信号随时间的变化特征分类按信号随时间的变化特征分类确定性信号与非确定性信号；确定性信号与非确定性信号；3 按信号的能量特征分类按信号的能量特征分类能量信号与功率信号；能量信号与功率信号；2 按信号幅值随时间变化的连续性分类按信号幅值随时间变化的连续性分类连续信号与离散信号

41、；连续信号与离散信号；5.1 信号的分类与描述信号的分类与描述 5.1.1 信号的分类信号的分类1. 确定性信号与非确定性信号确定性信号与非确定性信号 确定性信号确定性信号：可用明确数学关系式描述的信号。：可用明确数学关系式描述的信号。 非确定性信号非确定性信号：不能用数学关系式描述的信号。：不能用数学关系式描述的信号。信号信号确定性确定性信号信号非确定非确定性信号性信号周期信号周期信号非周期信号非周期信号简单周期信号简单周期信号 一般周期信号一般周期信号准周期信号准周期信号瞬态信号瞬态信号平稳随机信号平稳随机信号非平稳随机信号非平稳随机信号 )3102sin(10)2sin()sin()(0

42、000tftAtAtx信号信号“域域”的不同，是指信号的的不同，是指信号的独立变量独立变量不同，或描述不同，或描述信号的横坐标物理量不同。信号的横坐标物理量不同。 信号的时域描述：以信号的时域描述：以时间时间为独立变量，其强调信号的为独立变量，其强调信号的幅幅值随时间变化值随时间变化的特征。的特征。信号的频域描述：以信号的频域描述：以角频率或频率角频率或频率为独立变量，其强调为独立变量，其强调信号的信号的幅值和相位随频率变化幅值和相位随频率变化的特征。的特征。信号的信号的“域域” 时域时域频域频域5.1.2 信号的时域描述和频域描述信号的时域描述和频域描述 对周期信号的频域分析是采用对周期信号

43、的频域分析是采用傅立叶变换傅立叶变换将时域信号将时域信号x(t)变换为频域信号变换为频域信号X(f)，从另一个角度来了解信号的特征。，从另一个角度来了解信号的特征。 5.2 周期信号周期信号 傅里叶变换傅里叶变换 一般周期信号，可以利用傅里叶级数展开成多个不同频一般周期信号，可以利用傅里叶级数展开成多个不同频率的谐波信号的线性叠加。率的谐波信号的线性叠加。)sincos()(0100tnbtnaatxnnn x ( t ) = x ( t + nT ) 任何周期函数，只要满足任何周期函数，只要满足狄利克雷狄利克雷条件，都可以展开成傅条件，都可以展开成傅里叶级数，其三角函数表达式为：里叶级数，其

44、三角函数表达式为：;sin)(;cos)(;)(2/2/022/2/022/2/10000000000TTTnTTTnTTTtdtntxbtdtntxadttxa5.2.1 傅立叶级数的三角函数展开傅立叶级数的三角函数展开a0：常值分量：常值分量an：余弦分量幅值：余弦分量幅值bn：正弦分量幅值：正弦分量幅值T0周期周期0基频基频T0=2/01000100)sin()sincos()(nnnnnntnAatnbtnaatx合并同频项：合并同频项：An：信号幅值：信号幅值 n：初相位：初相位;22nnbannnnarctgbaAnA幅值频谱图 n相位频谱图 以角频率(或频率 f)为横坐标，幅值

45、nA或n为纵坐标所作的图形称为三角频谱图。)sincos()(0100tnbtnaatxnnn,.)3 , ,2, 1(n)(2)sin()(21)cos()sin()cos(000000000tjntjntjntjntjneejtneetntnjtne欧拉公式欧拉公式10)(21)(21)(00ntjnnntjnnnejbaejbaatx5.2.3傅立叶级数的复指数展开傅立叶级数的复指数展开改为复指数函数表达式改为复指数函数表达式：10)(21)(21)(00ntjnnntjnnnejbaejbaatx10)()(00ntjnntjnneCeCCtx可得：可得：00aC )(21nnnjba

46、C)(21nnnjbaC令令2/2/0000)(1TTtjnndtetxTC其中：其中：.2, 1, 0)(0neCtxntjnn在一般情况下，在一般情况下，Cn是复数是复数njnnInRneCjCCC| 22nInRnCCCnRnInCCarctgCn与与C-n共轭共轭 把把周期函数周期函数x(t)展开为展开为傅立叶级数以后，作关系图傅立叶级数以后，作关系图 CnR称为实频图称为实频图 CnI称为虚频图称为虚频图 |Cn|称为双边幅频图，称为双边幅频图，n=-+，n=-+， n称为双边相频图称为双边相频图)(21)(21nnnnnnjbaCjbaC5.3 非周期信号非周期信号 , 2, 1,

47、 0)(0neCtxtjnnn)(A00020300203周期信号周期信号x(t)，周期为，周期为T0，则其频谱是离散谱，而相邻谐波，则其频谱是离散谱，而相邻谐波之间的频率间隔为之间的频率间隔为=0=2/T0。 当当T0，则，则0=0， 信号频谱谱线间隔信号频谱谱线间隔=00，无限缩小，无限缩小， 相邻谐波分量无限接近，相邻谐波分量无限接近， 离散参数离散参数n0可用连续变量可用连续变量来代替，来代替， 离散频谱变成了连续频谱，离散频谱变成了连续频谱， 求和运算可用积分运算来取得求和运算可用积分运算来取得.所以非周期信号的频谱是连续的。所以非周期信号的频谱是连续的。 非周期信号：非周期信号：

48、周期周期T0 周期信号周期信号x(t)，在，在-T0/2, T0/2区间内区间内, 2, 1, 0)(0neCtxtjnnn2/2/0000)(1TTtjnndtetxTC式中，式中，当当T0时，时， 积分区间由积分区间由-T0/2,T0/2变为变为(-,)； dtetxTCtjnT)(lim00 0=2/T0 0， 离散频率离散频率n0连续变量连续变量。 5.3.1傅立叶变换傅立叶变换一般为复数，用一般为复数，用X(j)表示表示为：为：X(j)称为信号称为信号x(t)的的傅立叶变换。傅立叶变换。 dtetxjXtj)()(dtetxTCtjnT)(lim00)()()(jfjejfXjfX)

49、(Re)(Im)()(Im)(Re)(22jfXjfXarctgjfjfXjfXjfX- -f 连续幅值谱连续幅值谱 -f 连续相位谱连续相位谱 fX fdtetxjfXftj2)()(矩形窗函数fTfTTeefjfTjfTjsin)(21dtetxjfXftj2)()() )2(0)22(1)2(0)(TtTtTTttWR矩形窗函数矩形窗函数 dtetWjfWftjRR2)()(-10 -9-8-7-6-5-4-3-2-1012345678910-0.500.51tmm窗 函 数 频 谱 图 (T=1)222222211TTftjTTftjefjdte)(sinfTCT例例5-6:矩形窗函数

50、矩形窗函数WR(t)的频谱的频谱 随机信号是不能用确定的数学关系式来描述的不能预随机信号是不能用确定的数学关系式来描述的不能预测其未来任何瞬时值，任何一次观测值只代表在其变动范测其未来任何瞬时值，任何一次观测值只代表在其变动范围中可能产生的结果之一，但其值的变动服从统计规律。围中可能产生的结果之一，但其值的变动服从统计规律。随机过程随机过程平稳过程平稳过程非平稳过程非平稳过程各态历经随机过程各态历经随机过程5.4 随机随机信号信号5.4.1 概述概述5.4.2 随机信号幅值描述随机信号幅值描述（一）（一）均值、方差和均方值均值、方差和均方值1、均值为均值表示信号的常值分量。、均值为均值表示信号

51、的常值分量。2、方差描述随机信号的波动分量，是偏离均值的平方的均值、方差描述随机信号的波动分量，是偏离均值的平方的均值3、均方差描述随机信号的强度，它是平方的均值，、均方差描述随机信号的强度，它是平方的均值， 以幅值大小为横坐标，以每个幅值间隔内出现的概以幅值大小为横坐标，以每个幅值间隔内出现的概率为纵坐标进行统计分析的方法。它反映了率为纵坐标进行统计分析的方法。它反映了信号落在不信号落在不同幅值强度区域内的概率情况同幅值强度区域内的概率情况。 （二）概率密度函数（二）概率密度函数n1.信号自相关函数信号自相关函数 5.4.3 随机信号时域描述随机信号时域描述TTxdttxtxTR0)()(1

52、lim)(设设x(t)是随机过程的一个是随机过程的一个记录样本记录样本，而，而x(t+)是是x(t)时时移移后的样本。后的样本。自相关函数描述随机过程一个时刻的幅值与另一个时自相关函数描述随机过程一个时刻的幅值与另一个时刻刻幅值之间幅值之间的的相关程度相关程度。自相关函数的图形自相关函数的图形如果在做自相关分析前，剔除直流分量，则在时延如果在做自相关分析前，剔除直流分量，则在时延不断增大时，自相关函数很快衰减到不断增大时，自相关函数很快衰减到0.1）当当=0时，时，Rx()达到最大值。达到最大值。2） 当当时，时，x(t)和和x(t+)之间不存在内在联系。之间不存在内在联系。3）当信号当信号x

53、(t)为周期函数时，自相关函数为周期函数时，自相关函数Rx()也是周期的也是周期的，且，且周期相同周期相同 。被测工件被测工件相关分析相关分析例：例：机械加工表面粗糙度自相关分析，提取机械加工表面粗糙度自相关分析，提取回转误差等周期性的故障。回转误差等周期性的故障。回转误差是主轴在回转过程中实际回转轴线相回转误差是主轴在回转过程中实际回转轴线相对于理论回转轴线的漂移。对于理论回转轴线的漂移。 利用自相关函数进行机械设备的故障诊断利用自相关函数进行机械设备的故障诊断 自相关分析的主要应用：自相关分析的主要应用：用来检测混在随机信号中用来检测混在随机信号中的确定性周期信号成分。的确定性周期信号成分。n2.信号互相关函数信号互相关函数TTxydttytxR0)()(lim)(互相关函数互相关函数Rxy()表示两个随机信号表示两个随机信号