机械工程测试技术基础讲稿(第一周)

教授 博导联系电话 87952516 13306522407Email sky 办公地点 1 104 机械工程测量学 测试技术基础 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 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 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 信号处理技术 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 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 滤波 抗混滤波 和隔直等 如 阻抗电压 阻抗频率 调制 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 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 输出 以友好 直观和生动的形式输出结果 便于进一步应用 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模糊数学遗传算法神经网络 多参量测试系统的开发虚拟仪器 单元技术及其组合在测试技术中得到广泛应用 4 课程的内容 安排和主要参考书 安排 教学方式 课堂授课 课外练习 实验考核形式 期末考试 70 平时作业 20 课堂成绩 10 出勤 回答问题 讨论等 实验成绩单独评定 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 ThomasG Beckwith等 电子工业出版社 2004信号与系统 第二版 上册 郑君里等 高等教育出版社 2000 5 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 图象来描述 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 单位斜变信号 R t t 当t 0 0 当t 0 u t 1 当t 0 0 当t 0 1 2 当t 0 符号函数 单位脉冲信号 sgn t 1 当t 0 1 当t 0 0 当t 0 sgn 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 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 但各周期分量之间无法找到公共周期 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 除了谐波信号外 常见的周期信号有 复杂周期信号 如 x 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 0 t 如 矩形窗函数 余弦波截断函数 指数衰减振荡信号 三角窗函数 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 0 t x 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 0 0 3 0 5 0 2 4A 4A3 4A5 0 A 0 3 0 5 0 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 上述推导过程中主要利用了三角基的正交性 即 2 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 正弦函数频谱图 解 由欧拉公式将正弦函数写为 由欧拉公式将余弦函数写为 周期信号的频谱是离散谱 离散性 每条谱线只出现在基波频率的整数倍上 基波频率是诸分量频率的公约数 谐波性 周期信号频谱的特点如下 6 2周期信号的强度表述 作业 1 双边幅频谱为偶函数 而双边相频谱为 奇函数 请证明 2 教材表1 2中的正弦整流信号请进行复指数基展开 并绘出双边谱和单边谱 The Bye Bye