机械工程测试技术基础讲稿(第一部分)

1、第一周授课内容1. 测试技术的内容及重要性2. 测试过程和测试系统的一般组成3. 测试技术的发展趋势4. 课程的内容、安排和主要参考书5. 信号的分类及其描述6. 周期信号与离散频谱测试技术的内容及重要性1.1 内容测量获得被测对象属性量值所有操作；测试测量试验（Measuring & testing) ；测试的目的获得有用信息。 因此，测试技术研究的内容是信息提取与处理的理论、技术和系统。1.2 重要性是信息技术的三大支柱技术之一； 是科学研究与发现的基石（牛顿力学到量子力学，远空探索到纳米技术等）；现代国防的重要保证（电子侦察、导弹拦截、精确制导等）；传感器技术计算机技术（硬件技术、计算技

2、术）通讯与控制技术测试技术与人们的生活息息相关（各种自动和智能家电的广泛应用）； 在工程领域，它贯穿于产品的设计开发、制造加工、使用和售后服务全过程，产生巨大的经济和社会效益。特别是当今处于“自动化时代”，并向“智能化时代”迈进，就更离不开测试技术； 。 测试过程及测试系统的一般组成2.1 信号、信息与信号处理信息是事物存在的方式或运动状态，以及这种方式或状态的直接或间接的表述。 信号信息的载体。 信息由某些物理量所携带和传输，如古代战争信息通过烽火的光来传递；对中医来说，人体的疾病信息由脉搏传递；旋转机械的故障信息包含于其振动中；组织的病变和材料的缺陷可通过超声波来获取等。所有这些物理量就是

3、所谓的信号，有电信号、光信号、声信号和磁信号等之分。信号处理对信号的某种加工和变换，是获取有用信息的有效手段。如：转换为电量信号、放大、滤波、隔直、A/D转换、频谱分析等。信号处理（硬件、软件技术）信号信息2.2 测试基本过程信号的加工和处理获取被测对象有关信号以某种形式输出结果2.3 测试系统的组成被测对象激励装置传感器信号调理电路信号传输信号处理分析通讯显示控制反馈观察者测试系统框图各部分的作用激励装置通过其使被测对象处于易于表征所需参量特性的状态中，以便有效地检测载有这些信息的信号。传感器完成非电量信号向电量信号的转换，实现信号的拾取。信号调理把信号转换为更易于传输和处理的形式，包括放大

4、、滤波（抗混滤波）和隔直等。 如：阻抗 电压; 阻抗 频率; 调制等信号处理对信号的某种加工和变换，如滤波、变换和分析等。主要为了：输出以友好、直观和生动的形式输出结果，便于进一步应用。消除信号多余部分；滤除噪声和干扰，提高信噪比；转换为直观和易于接受的形式确定其特征参数。各环节必须遵循的基本原则 各环节输入输出之间必须一一对应； 尽量不失真； 尽可能减少和消除各种干扰。3.测试技术的发展趋势 电子技术、微电子和微机技术的发展，使测试系统结构简化、功能增加、性能提高。 传感器技术得到了飞速地发展从结构型向物性型传感器转换成为主流；集成化、智能化传感器成为研究的热点；微型包括微/纳传感器的不断涌

5、现；化学和生物等新型传感器的广泛应用。 广泛应用信息技术和智能技术 计算机、嵌入式系统、数字信号处理以及模糊数学、遗传算法和神经网络等单元技术及其组合在测试领域中得到广泛应用。 正朝多参量一体化测试技术方向迈进 计算机辅助测试系统以及虚拟仪器等。 从定性检测向定量检测迈进，并追求“高速、高效、高精和高可靠”的检测性能 4.课程的内容、安排和主要参考书111.1911.23机械工程测试技术概述；测试过程和测试系统的一般组成； 信号的分类与描述；周期信号与离散频谱自行命题3题6211.2611.30瞬变非周期信号及其连续频谱1-4;1-5;1-6;1-7;6312.312.7随机信号；数字信号处理

6、的基本步骤及离散付里叶变换；信号数字化出现的问题实验:简支梁共振曲线测绘实验：3学时1-8;自行命题1题6412.1012.14相关分析及其应用；功率谱分析及其应用实验：谐波信号分析实验 3学时5-2;5-3;5-4;5-5; 5-86512.1712.21常用传感器的分类；电阻式、电容式、电感式、压电式、霍尔传感器结构、工作原理及应用；传感器的选用原则3-2; 3-13;3-14;3-216612.2412.29模拟信号调制与解调；滤波器；A/D转换；测量装置的概述及其静态特性 实验：同频检测实验 3学时4-5;4-126712.311.4测量装置的动态特性；实现不失真测量的条件；负载效应；

7、测量装置的抗干抗2-2;2-3;2-7;2-8681.71.14计算机辅助测试系统与虚拟仪器；总复习实验：传感器实验 3学时自行命题1题692013年1月22日(10:30-12:30) 考试 安排：教学方式：课堂授课课外练习实验；考核形式：期末考试（60）实验成绩（25） 平时成绩（15，包括作业、出勤、 回答问题、讨论等）。主要参考书：机械工程测试技术基础（第2版），黄长艺，机械工业出版社，2001测试技术基础，王伯雄，清华大学出版社，2003机电工程测试与信号分析，王建民，中国计量出版社，2004机械量测量(第五版)，Thomas G. Beckwith等，电子工业出版社，2004信号与

8、系统（第二版），上册，郑君里等，高等教育出版社，20005. 信号的分类与描述确定性信号：随机信号： 确定性信号和随机信号5.1 分类可以用明确的数学关系式或图表、图像来描述 ，能够精确确定其任意时刻的量值。不能用确定的数学关系式表达，不能预测未来任何瞬时的精确值，但其值的变化服从统计规律。因此，可通过数理统计、概率论的方法进行描述。连续信号离散信号连续信号和离散信号模拟信号：时间和幅值均为连续的信号。幅值离散的连续信号：仅时间为连续的信号。抽样信号：时间离散而幅值连续的信号。数字信号：时间和幅值均为离散的信号。奇异信号：信号本身或其微分有不连续点的信号单位阶跃信号u(t)t01R(t)t01

9、1 单位斜变信号R(t)=t, 当t00,当t0 0, 当t0 -1, 当t00, 当t=0sgn(t)=2u(t)-1能量信号和功率信号能量信号：满足 的信号，为能量有限信号，简称为能量信号。如：矩形脉冲信号、衰减指数信号等非周期信号。功率信号：若在 区间内的能量无限，即 ，但在 区间内满足 ，则称这样的信号 为功率有限信号， 简称为功率信号。如：周期信号、阶跃信号、符号信号及随机信号等瞬时功率信号能量平均功率 以上几种分类方式较为常用，但对信号的分类不仅仅这几种形式，还有如 实信号与复信号； 物理可实现信号与物理不可实现信号。等等，请大家自阅。非周期信号周期信号：按一定的时间间隔周而复始重

10、复出现，无始无终的信号，可表达为 ; T0 为周期确定性信号准周期信号：由有限个周期信号合成，但各周期分量周期不成比例或各分量的周期之比不是有理数。瞬态信号：在一定时间区域内存在，或随着时间的增长而衰减至零。 常见的周期信号中最为典型的是谐波信号，如: 谐波信号就是我们常见的正余弦信号。余弦信号由于仅是在相位上与正弦信号相差90。因此，常将正余弦信号统一称为正弦信号或正弦波。 周期方波 周期三角波 周期锯齿波 正弦波整流x(t)t0AT0/2T0 x(t)t0AT0/2T0 x(t)t0AT02T0 x(t)t0AT0/2T0除了谐波信号外，常见的周期信号有： 复杂周期信号：x(t)t0如：x

11、(t)=Asin0.5 t+ Asin t +Asin2 t周期单位正弦序列周期锯齿序列周期单位脉冲序列（梳状函数）周期序列：0t如： 矩形窗函数 余弦波截断函数W(t)t0A-T0/2T0/2x(t)t01-TT-1 指数衰减振荡信号 三角窗函数x(t)t0A-T0/2T0/2随机信号非平稳信号：统计特征参数随时间而变化的随机信号。平稳信号：概率密度函数不随时间而变化的随机信号为严平稳信号，两阶及以下阶次矩不随时间而变化的随机信号为宽平稳信号。各态历经信号：任一单个样本函数的时间平均统计特征等于该过程集合平均统计特征。非各态历经信号：某一单个样本函数的时间平均统计特征不等于该过程集合平均统计

12、特征。5.2 描述 信号的时域描述：以时间 t 为独立变量，反映信号幅值随时间变化的关系。优点：形象、直观 缺点：不能明显揭示信号的内在结构（频率组成及各种频率成分的幅值大小和相位大小）描述方法：时间为横坐标的幅值变化图,即波形图0tx(t)A-A 信号的频域描述：以频率f 为独立变量，反映信号频率结构和各频率成分的幅值、相位关系。频域描述的理由： 频率f 是一个善于表征物质特性的特征参数； 波在物质中的传播特性同其频率密切相关； 采用频域描述的表达式更为简洁； Fourier变换是求解微分/偏微分方程强大的工具。描述方法：以频谱（把各频率成分按频率大小进行 的排列）进行描述，表示为频谱图，即

13、以频率为横坐标的幅值、相位变化图。分为 幅值谱：幅值频率图，简称为幅频图； 相位谱：相位频率图 ，简称为相频图。（n=1,3,5,)如：周期方波可描述为优点：频域描述揭示了信号内在的频率组成及其幅值和相角的大小，描述更简练、深刻、方便。相位谱003050 ()/24A 4A 34A 50A()03050幅值谱可表示为：信号时域与频域描述的关系 时域描述与频域描述是等价的，可以相互转 换，两者蕴涵的信息完全相同； 时域描述与频域描述各有用武之地，不能单 纯地说哪一个更好； 将信号从时域转换到频域称为频谱分析，属 于信号的变换域分析； 采用频谱图描述信号，需要同时给出幅值谱和 相位谱。 周期信号展

14、开为傅里叶级数的条件，即狄里赫利（Dirichlet）条件： 在一个周期内，间断点数目有限； 在一个周期内，极大值和极小值数目有限； 在一个周期内，绝对可积，即 。 6.周期信号与离散频谱6.1 周期信号的分解 傅里叶级数的三角函数展开式余弦分量的幅值正弦分量的幅值式中：常值分量 为n次谐波圆频率，为基频- 上述推导过程中主要利用了三角基的正交性，即 之间的关系为幅频谱,以 为横坐标，为纵坐标的图示，称为幅频图 之间的关系为相频谱,以 为横坐标，为纵坐标的图示，称为相频图傅里叶级数的复指数函数展开式利用欧拉公式可推导出如下两式：代入，可得设，和，有进一步可得：利用复指数基的正交性，即求得：式中 、，并有。因此，存在以下各种关系：例：画出余弦、正弦函