工程测试与信号处理之绪论

工程测试与信号处理

多媒体教学课件2023/2/11课程大纲授课计划课程内容

第1章绪论第2章测试系统的基本特性第3章常用传感器工作原理与测量电路第4章信号调理与显示第5章信号分析与处理第6章工程测试应用第一章绪论1.掌握测试技术的概念及研究内容2.了解测试技术的应用情况3.了解测试技术的发展动态4.主要测试仪器生产厂商5.网上学习资源6.课程学习要求和建议2023/2/122023/2/13第一章绪论1.1测试技术的基本概念测试、信息、信号

测试技术是实验科学的一部分，主要研究各种物理量的测量原理以及测量信号的分析处理方法。测试技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数检测必不可少的手段，它起着类似人的感觉器官的作用。2023/2/141.1测试技术的基本概念测试技术几乎涉及任何一项工程领域，无论是生物、海洋、气象、地质、通信以及机械、电子等工程，都离不开测试与信息处理。在日常生活中，随处可见测试技术应用的例子。例如，汽车、空调、电冰箱中的各参数测量与控制，（有温度测量和压缩机起/停控制装置，洗衣机中的液位测量和洗衣电机起/停控制装置等）。我们来看看汽车发动机的控制：

1.1测试技术的基本概念2023/2/151.1测试技术的基本概念2023/2/162023/2/172023/2/181.1测试技术的基本概念简单的测试系统可以只有一个模块，如下图所示的玻璃管温度计。它直接将被测对象温度的变化转化为温度计液面示值，这中间没有电量的转换和分析处理电路，很简单，但测量精度底，同时也很难实现测量自动化。

图1.1-1温度计2023/2/191.1测试技术的基本概念为提高测量精度、增加信号传输、处理、存储、显示的灵活性和提高测试系统的自动化程度，以利于和其它控制环节一起构成自动化测控系统，在测试中通常先将被测对象输出的物理量转换为电量，然后再根据需要对变换后的电信号进行处理，最后以适当的形式显示、输出。如下图所示。2023/2/1101.1测试技术的基本概念图1.1-2测量系统2023/2/1111.1测试技术的基本概念一般说来，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。测试过程中传感器将反映被测对象特性的物理量（如压力、加速度、温度等）检出并转换为电量，然后传输给中间变换装置；中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经A/D变换后用软件进行计算，再将处理结果以电信号或数字信号的方式传输给显示记录装置；最后由显示记录装置将测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。2023/2/1121.1测试技术的基本概念根据测试任务复杂程度的不同，测试系统中传感器、中间变换装置和显示记录装置等每个环节又可由多个模块组成。例如，下图所示的机床轴承故障监测系统中的中间变换装置就由带通滤波器、A/D变换和计算机中的FFT分析软件三部分组成。图1.1-3轴承振动信号测量2023/2/1131.1测试技术的基本概念测试系统中传感器为加速度计，它负责将机床轴承振动信号转换为电信号；带通滤波器用于滤除传感器测量信号中的高、低频干扰信号和对信号进行放大，A/D信号采集卡用于对放大后的测量信号进行采样，将其转换为数字量；FFT（快速傅里叶变换）分析软件则对转换后的数字信号进行FFT变换，计算出信号的频谱；最后由计算机显示器对频谱进行显示。另外，测试系统的测量分析结果还可以和生产过程相连，当机床振动信号超标时发出报警信号，防止加工废品的产生。2023/2/1141.2测试技术的工程应用在工程技术领域，如工程研究、产品开发、生产监督、质量控制和性能实验等各个方面，都离不开测试技术。特别是近代发展地自动控制技术领域，已越来越多地运用测试技术，测试装置已成为控制系统的重要组成部分。下面介绍几个典型的工程应用：2023/2/1151.2测试技术的工程应用1.2.1产品质量测量

（齿轮测量和汽车扭矩测量）

在汽车、机床等设备和电机、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1.2-1齿轮测量和汽车扭矩测量2023/2/1161.2测试技术的工程应用下图是汽车制造厂发动机测试系统原理框图，发动机测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、润滑油压力、燃油压力以及发动机的转速等。通过对抽取的发动机样本进行全面的测试，工程师可以了解产品的质量。2023/2/1171.2测试技术的工程应用图1.2-2发动机测试系统原理框图2023/2/1181.2测试技术的工程应用1.2.2设备运行状态监控系统

在电力、冶金、石化、化工等众多行业中，某些关键设备的工作状态关系到整个生产线正常流程，如：汽轮机、燃气轮机、水轮机、发电机、电机、压缩机、风机、泵、变速箱等。对这些关键设备运行状态实施24小时实时动态监测，可以及时、准确地掌握它的变化趋势，为工程技术人员提供详细、全面的机组信息，是实现设备事后维修或定期维修向预测维修转变的基础。2023/2/1191.2测试技术的工程应用国内外大量实践表明，机组某些重要测点的振动信号非常真实地反映了机组的运行状态。由于机组绝大部分故障都有一个渐进发展的过程，通过监测振动总量级的变化过程，完全可以及时预测设备的故障的发生。结合其它综合监测信息（温度、压力、流量等），运用精密故障诊断技术甚至可以分析出故障发生的位置，为设备维修提供可靠依据，使因设备故障维修带来的损失降到最低程度。2023/2/1201.2测试技术的工程应用图1.2-3实时动态监测2023/2/1211.2测试技术的工程应用下面是某火力发电厂30MW汽轮发电机组的计算机设备运行状态监测系统原理框图。图1.2-4汽轮发电机组设备运行状态监测系统2023/2/1221.2测试技术的工程应用1.2.3家电产品中的传感器

在家电产品设计中，人们大量应用了传感器和测试技术来提高产品的性能和质量。例如全自动洗衣机以人们洗衣操作的经验作为模糊控制的依据，采用多种传感器将洗衣状态信息检测出来，并将这些信息送到微电脑中，经微电脑处理后，选择出最佳的洗涤参数，对洗衣全过程进行自动控制，达到最佳的洗涤效果。2023/2/1231.2测试技术的工程应用．利用衣量传感器来检测洗衣时衣物量的多少，从而决定设定水位的高低。．利用衣质传感器来检测衣物重量、织物种类，从而决定最优洗涤温度、洗涤时间。．利用水温传感器来检测开机时的环境温度和注水结束时的水温，为模糊推论提供信息。．利用水质传感器来检测水的硬度，进而决定添加洗衣粉的量以期达到最佳洗涤效果。

2023/2/1241.2测试技术的工程应用．利用光传感器来检测洗涤液的透光率，从而间接检测洗净程度。．利用传感器监测漂洗过程中的肥皂沫的变化决定漂洗的次数。．利用传感器监测干衣过程中衣物电阻值的变化，决定烘干时间。与传统的定时烘干相比，更具灵活性。．利用压力传感器实现电信号与机械力信号的相互转换，以实现无级调水，从而达到省水、省电的目的。2023/2/1251.2测试技术的工程应用图1.2-5全自动洗衣机中的滚筒液面高度自动检测2023/2/1261.2测试技术的工程应用1.2.4楼宇自动化

楼宇自动化系统，或称建筑物自动化系统是将建筑物(或建筑群)内的消防、安全、防盗、电力系统、照明、空调、卫生、给排水、电梯等设备以集中监视、控制和管理为目的而构成的一个综合系统。它的目的是使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活环境和高效的工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。

2023/2/1271.2测试技术的工程应用下图是某公司总部的楼宇自动化系统。该系统分为七个子系统：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。图1.2-6楼宇自动化系统2023/2/1281.2测试技术的工程应用1.2.5身份认证

Veridicom公司推出的固态指纹识别技术，包括固态指纹传感器芯片FPS110和专用软件包。传感器芯片采用固态电容传感的方法来获得指纹图像，有300×300的传感单元阵列，分辨率为500dpi，表面有专利的超硬保护涂层，内部集成8位带闪存的A/D转换器，还集成了温度传感器和电阻传感器，该芯片提供8位双向微处理器接口。该芯片的尺寸与邮票差不多，在27mm×27mm的芯片上，图像捕捉面积为16mm×16mm。

2023/2/1291.2测试技术的工程应用下图是采用固态指纹传感器、IC卡和密码保护的三种具有身份认证功能的防盗锁。

图1.2-72023/2/1301.2测试技术的工程应用1.2.6

研华工控公司列出的测控技术应用实例制造业自动化

-纺织印染厂自动化。

-钢铁厂自动物料配送系统。

-韩国汽车制造厂发动机测试系统。

服务业

-无人电信机房监控系统。

-鱼类养殖场水质监测。

-水坝广播控制系统。

-火力发电厂电力设备监控系统。

2023/2/1311.2测试技术的工程应用石油化工

-石化工厂基于PLC系统的扩充。

-储油罐压力和温度监测系统。

-轮胎厂基于ADAM的硫化控制应用。

-油泵站监测系统。环保业

-水处理厂分布式数据采集和控制。

-大型建筑工程的共振测量。

-无线水位监控系统。

2023/2/1321.2测试技术的工程应用楼宇自动化

-博物馆智能楼宇自动化系统。

-楼宇自动化系统。

半导体工业

-无尘室环境监测。

-晶元实验室清洗监测。2023/2/1331.3测试技术的发展概况

1.3.1传感器方面

传感器是测试、控制系统中的信息敏感和检测部件，它感受被测信息并输出与其成一定比例关系的物理量（信号），以满足系统对信息传输、处理、记录、显示和控制的要求。

早期发展的传感器是利用物理学场的电场、磁场、力场等定律所构成的“结构型”传感器，其基本特征是以其结构部分的变化或变化后引起场的变化来反映待测量（力、位移等）的变化。2023/2/1341.3测试技术的发展概况图1.3-1可变磁阻位移传感器2023/2/1351.3测试技术的发展概况利用物质特性构成的传感器称为“物性型”传感器或“物性型”敏感元件。新的物理、化学、生物效应用于物性型传感器是传感技术的重要发展方向之一。每一种新的物理效应的应用，都会出现一种新型的敏感元件，能测量某种新的参数。例如，除常见的力敏、压敏、光敏、磁敏材料之外，还有声敏、湿敏、色敏、气敏、味敏、化学敏、射线敏材料等。2023/2/1361.3测试技术的发展概况新材料与新元件的应用，有力地推动了传感器的发展，因为物性型敏感元件全赖于敏感功能材料，例如嗅（味）敏传感器、集成霍尔元件、集成固态CCD图像传感器等。被开发的敏感功能材料有半导体、电介质（晶体或陶瓷）、高分子合成材料、磁性材料、超导材料、光导纤维、液晶、生物功能材料、凝胶、稀土金属等。

2023/2/1371.3测试技术的发展概况图1.3-2新型光纤温度传感器2023/2/1381.3测试技术的发展概况测试技术正在向多功能、集成化、智能化发展，进行快变参数动态测量是自动化过程控制系统中的重要一环，其主要支柱是微电子与计算机技术。传感器与微计算机结合，产生了智能传感器。它能自动选择量程和增益，自动校准与实时校准，进行非线性校正、漂移等误差补偿和复杂的计算处理，完成自动故障监控和过载保护等。

2023/2/1391.3测试技术的发展概况图1.3-3HP公司生产的加速度信号测量传感器芯片2023/2/1401.3测试技术的发展概况1.3.2测量信号处理方面

20世纪50年代以前，信号分析技术主要是模拟分析方法，进入20世纪50年代，大型通用数字计算机在信号分析中有了实际应用。当时曾经争论过模拟与数字分析方法的优缺点，争论的焦点是运算速度、精度与经济性。进入20世纪60年代，人造卫星、宇航探测及通讯、雷达技术的发展，对信号分析的速度、分辨能力提出了更高的要求。1965年，美国库利（J．W．Cooley）和图基（J．W．Tukey）提出了快速傅里叶变换（FastFourierTransform，FFT）计算方法，使计算离散傅里叶变换2023/2/1411.3测试技术的发展概况（DiscreteFourierTransform，DFT）的复数乘法次数从N2减少到Nlog2N次，从而大大减少了计算量。这一方法促进了数字信号处理的发展，使其获得了更广泛的应用。因为卷积可以利用DFT来计算，故FFT算法也可用正比于Nlog2N的运算次数来计算卷积，而卷积运算在电子计算机科学和其它一些领域都有着广泛应用。2023/2/1421.3测试技术的发展概况20世纪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。例如，1968年美国雷德（C．M．Rader）提出数论变换FFT算法（NumbertheoretictransformsFFT，简称NFFT）；1976年美国威诺格兰德（S．Winograd）提出了一种傅里叶变换算法（WinogradFourierTransformAlgorithm，简称WFTA），用它计算DFT所需的乘法次数仅为FFT算法乘法次数的1／3；2023/2/1431.3测试技术的发展概况1977年法国努斯鲍默（H．J．Nussbaumer）提出了一种多项式变换傅里叶变换算法（Polynomialtrans－brmFourierTransformAlgorithm，简称PFTA），结合使用FFT和WFTA方法，在采样点数较大时，较之FFT算法快3倍左右。上述几种方法与DFT方法比较：当采样点N=1000时，DFT算法为200万次；FFT算法为1．4万次；NFFT算法为0．8万次；WFTA算法为0．35万次；PFTA算法为0．3万次。2023/2/1441.3测试技术的发展概况此外，信号处理芯片（DSP）是近年来出现的一种用于快速处理信号的器件。它的出现，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，有很大影响。美国Texas公司1986年推出的TMS320C25芯片，运算速度达每秒1000万次，用其进行1024复数点FFT运算，只需14ms便可完成。这一进展，在图像处理、语言处理、谱分析、振动噪声和生物医学信号的处理方面，展示了很宽的应用前景。2023/2/1451.3测试技术的发展概况目前信号分析技术的发展目标是：（1）在线实时能力的进一步提高；（2）分辨力和运算精度的提高；（3）扩大和发展新的专用功能；（4）专用机结构小型化，性能标准化，价格低廉。

图1.3-4Agilent公司数字化信号分析仪器2023/2/1461.3测试技术的发展概况进入20世纪90年代后，随着个人计算机价格的大幅度降低，出现了用PC机＋仪器板卡＋应用软件构成的计算机虚拟仪器。虚拟仪器采用计算机开放体系结构来取代传统的单机测量仪器。将传统测量仪器中的公共部分（如电源、操作面板、显示屏幕、通信总线和CPU）集中起来用计算机共享，通过计算机仪器扩展板卡和应用软件在计算机上实现多种物理仪器。2023/2/1471.3测试技术的发展概况虚拟仪器的突出优点是与计算机技术结合，仪器就是计算机，主机供货渠道多、价格低、维修费用低，并能进行升级换代；虚拟仪器功能由软件确定，不必担心仪器是否能永远保持出厂时既定的功能模式，用户可以根据实际生产环境变化的需要，通过更换应用软件来拓展虚拟仪器功能，适应科研、生产的需要；另外，虚拟仪器能与计算机的文件存储、数据库、网络通讯等功能相结合，具有很大的灵活性和拓展空间。

2023/2/1481.3测试技术的发展概况在现代网络化、计算机化的生产、制造环境中，虚拟仪器更能适应现代制造业复杂、多变的应用需求，能更迅速、更经济、更灵活地解决工业生产、新产品实验中的测试问题。工业4.0

2023/2/1491.3测试技术的发展概况图1.3-5NationalInstrument公司提出的计算机虚拟仪器LabVIEW2023/2/1501.4主要测试仪器生产厂商

测试仪器主要生产厂商及其主要产品如下：

BKPRECISION：振动、噪声信号测量传感器和分析仪器。

2023/2/1511.4主要测试仪器生产厂商图1.4-12023/2/1521.4主要测试仪器生产厂商

NationalInstruments：

LabVIEW，BridgeVIEW等计算机虚拟仪器开发软件和各种总线的数据采集、控制、测量等硬件。2023/2/1531.4主要测试仪器生产厂商图1.4-22023/2/1541.4主要测试仪器生产厂商

Agilent(HEWLETTPACKARD)：种类繁多的电子测试仪器。

KEITHLEY：种类繁多的电子测试仪器，还有数据采集仪和半导体器件产品等。

Tektronix,Inc.：品种繁多的各类仪器，特别是示波器十分出众，还有打印机，VXI总线仪器等。

TelulexInc.：任意波形发生器(AM,FM,PM,SSB,BPSKDC-20MHz)。

2023/2/1551.4主要测试仪器生产厂商ADVANTEST：IC测试仪，数字电压表等。

IOtech：数据采集，基于PC的仪器。

PICO：虚拟仪器，基于PC的数字示波器等。

ApogeeInstruments,Inc.：CCD相机和其它基于CCD器件的仪器，还有一些图形处理软件。

AmplifierReserach：宽带射频功率放大器。

ANCOT：FiberChannel&SCSI。

ANRITSU：无线电通信分析仪，光谱分析仪等。

2023/2/1561.4主要测试仪器生产厂商AppliedMicrosystemCorp.：嵌入式系统的软硬件调试工具，支持INTEL,AMD,Motorola等的芯片。BerkeleyNucleonicsCorp.：脉冲发生器等。IWATSUCo.：示波器和数字存储示波器。LeCroy：数字存储示波器,信号源等。NFInstruments：信号发生器，失真仪，声发射检测仪，各种