工程测试技术7.ppt

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1、工程测试技术 课程总结,第一章 绪 论 第二章 信号分析基础 第三章 传感器测量原理 第四章 信号处理 第五章 测试系统特性 第六章 计算机化测试系统,工程测试技术,第一章 绪 论,本章学习要求： 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. 了解主要测试仪器生产厂商,工程测试技术,1. 测试技术的基本概念,测试技术是实验科学的一部分，主要研究各种物理量的测量原理和测量信号分析处理方法。 测试技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数测量必不可少的手段，起着人的感官的作用。,简单的测试系统可以只有一个模块，如玻璃管温度计。它直接将被温度变化

2、转化液面示值。没有电量转换和分析电路，很简单，但精度底，无法实现测量自动化。,为提高测量精度和自动化程度，以便于和其它环节一起构成自动化装置，通常先将被测物理量转换为电量，再对电信号进行处理和输出。如图所示的声级计。,工程测试技术,2. 测试系统的基本组成,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。,传感器将被测物理量(如噪声,温度) 检出并转换为电量； 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变换后用软件进行信号分析； 显示记录装置则将测量结果显示和/或记录下来，提供给观察者或其它自动控制装置。,信息转换,信息提取,工程测试技术,3. 测试技术的应

3、用情况,1). 工业自动化中的应用 在各种自动控制系统中，测试环节起着系统感官的作用，是其重要组成部分。 机械手、机器人中的传感器 AGV自动送货车 生产加工过程监测 2). 工业设备运行状态监控 3). 产品质量检测 4). 楼宇控制与安全防护 5). 家庭与办公自动化 6). PC机中的测试技术应用,工程测试技术,4. 测试技术的发展趋势,1). 传感器方面 利用新发现的材料和新发现的生物、物理、化学效应开发出的新型传感器。 智能传感器：传感器+嵌入式计算机 智能传感器 2). 测试系统方面 智能化仪器仪表； 虚拟仪器。,工程测试技术,第二章 信号分析基础,本章学习要求： 了解信号分类方法

4、； 掌握信号时域波形分析方法； 掌握信号时差域相关分析方法； 掌握信号频域频谱分析方法； 了解其它信号分析方法。,工程测试技术,1. 信号的分类,从信号描述上-确定性信号与非确定性信号 从信号的幅值和能量上-能量信号与功率信号 从分析域上-时域信号与频域信号 从连续性上-连续时间信号（模拟信号）与离散时间信号（数字信号） 从可实现性上-物理可实现信号与物理不可实现信号,工程测试技术,确定性信号与非确定性信号,可以用明确数学关系式描述的信号称为确定性信号。不能用数学关系式描述的信号称为非确定性信号。,工程测试技术,2. 信号时域波形分析方法,1. 周期T或频率f=1/T； 2. 峰值P 3. 双

5、峰值Pp-p； 4. 均值； 5. 均方值2； 6. 方差2,工程测试技术,3. 信号时差域相关分析方法,x(t),y(t),如果所研究的变量x, y是与时间有关的函数，即x(t)与y(t)，二者之间是否存有关联？信号的相关描述又称信号的时差描述。它的特点是在广义积分平均时，将信号作了恰当时延，从而反映信号取值的大小及先后的影响。,工程测试技术,相关函数的性质,相关函数描述了两个信号间或信号自身不同时刻的相似程度，通过相关分析可以发现信号中许多有规律的东西。,1). 自相关函数是 的偶函数，RX()=Rx(-); 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

6、同频率的周期信号，但不保留原信号的相位信息。 4). 随机噪声信号的自相关函数将随 的增大快速衰减。 5). 两周期信号的互相关函数仍然是同频率的周期信号，且保留原了信号的相位信息。 6). 两个非同频率的周期信号互不相关。,工程测试技术,4. 信号频域频谱分析方法,时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,工程测试技术,时域分析与频域分析的关系,信号频谱X(f)代表了信号在不同频率分量成分的大小，能够提供比时域信号波形更直观，丰富的信息。,工程测试技术,周期信号的频谱分析-FS,式中:,

7、工程测试技术,合并同频率项变形为：,式中:,式中:,三角形式的FS可变为复指数形式的FS：,（模）,工程测试技术,周期信号频谱的三个特点,离散性，即谱线是离散的，每一条谱线表示一个谐波分量，； 谐波性，即谱线只出现在基波频率的整数倍上； 收敛性，即谐波的幅度随谐波次数的增高而减小。,工程测试技术,非周期信号的频谱分析-FT,非周期信号是时间上不会重复出现的信号，一般为时域有限信号，具有收敛可积条件，其能量为有限值。这种信号的频域分析手段是傅立叶变换。,工程测试技术,或,求解：,习题,工程测试技术,第三章 传感器测量原理,本章学习要求： 了解传感器的分类； 掌握常用传感器测量原理及测量电路； -

8、电阻，电感，电容，热电 了结智能传感器的概念； 了解典型传感器的应用。,工程测试技术,1. 传感器的定义,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。,物 理 量,电 量,传感器,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量信号转换成电信号的装置。,工程测试技术,2. 按工作机理分类,工程测试技术,3. 常用传感器测量原理,电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器。电阻式传感器的传感元件是电阻元件，根据欧姆定律工作。 电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。 电容式传感器将被测量的变化转化为电容量变化的一种

9、装置。 热电式传感器将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。,工程测试技术, 电阻式传感器,工程测试技术, 电感式传感器,工程测试技术, 电容式传感器,工程测试技术, 热电式传感器,工程测试技术,第四章 信号处理,本章学习要求： 了解模拟信号放大电路原理； 了解信号调制、解调原理；调幅-解调 了解信号滤波器工作原理； 了解信号模数转换和数模转换原理； 掌握信号采样定理，能正确选择采样频率； 了解数字信号处理中信号截断、能量泄露、栅栏效应等现象； 掌握常用的数字信号处理方法。,工程测试技术,1. 测试信号处理的基本

10、步骤,测试信号处理流程图,物理信号,对象,传感器,电信号,放大调制,电信号,A/D 转换,数字信号,计算机DSP,显示记录,D/A转换,电信号,控制,物理信号,滤波,电信号,数字信号,工程测试技术,2. 模拟信号放大电路原理,工程测试技术,2. 模拟信号的放大,直流放大器 低频保留,高频截止,放大器,交流放大器 高频保留,低频截止,电荷放大器 高输入阻抗,反向放大器,电压跟随器,同向放大器,差动放大器,工程测试技术,3. 调制与解调(MODEM),调制(Modulation)用调制信号的某一种或某几种参数控制高频信号的参数的改变过程。按照控制参数的不同，调制又可分为调幅、调频和调相。 将低频信

11、号称调制波，载送低频信号的高频振荡信号称为载波，而将经过调制过程所得的高频振荡波称已调制波。 解调(Demodulation)则是从已调制波信号中恢复出原有低频信号的过程。 调制与解调是一对信号变换过程，在工程上常常结合在一起使用。从时域上讲，调制过程即是使载波的某一参量随调制波的变化而变化，而在频域上，调制过程则是一个移频的过程。,工程测试技术,4. 信号滤波器工作原理,低通滤波,高通滤波,带通滤波,带阻滤波,工程测试技术,5. 信号模数和数模转换原理,采样利用采样脉冲序列，从信号中抽取一系列离 散值，使之成为采样信号x(nts)的过程。,编码将经过量化的值变为二进制数字的过程。,量化把采样

12、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。,工程测试技术,香农(Shannon)采样定理：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频率成分的2倍。,fs 2 fa,满足采样定理，只保证不发生频率混叠，而不能保证此时的采样信号能真实地反映原信号。工程实际中采样频率通常大于信号中最高频率成分的3到5倍,奈氏(Nyquist)准则：如果fs 2fa，那么将会将会发生混叠现象。,6. 信号采样定理,工程测试技术,6. 信号的截断、泄漏与窗函数,1. 信号截断 用计算机进行测试信号处理时，不可能对无限长的信号进行测量和运算，而是取其有限的时间片段

13、进行分析，这个过程称信号“截断”或“加窗” 。,在信号处理中，截断被看成是用一个有限长的“窗门”看无限长的信号，从分析的角度是无限长的信号x(t)乘以有限长的窗函数w(t)，由傅里叶变换性质可知： x(t)w(t)=X(f)*W(f),工程测试技术,2. 频谱能量泄漏,如果x(t)是频宽有限信号，而w(t)是频宽无限函数，截断后的信号也必是频宽无限信号，从而产生所谓的频谱能量泄漏。,将截断信号谱 XT()与原始信号谱X()相比较可知，它已不是原来的两条谱线，而是两段振荡的连续谱。原来集中在f0处的能量被分散到两个较宽的频带中去了，这种现象称之为频谱能量泄漏。,工程测试技术,7. 栅栏效应,经过

14、时域采样和截断后，其频谱在频域是连续的。如果要用数字描述频谱，这就意味着首先必须使频率离散化，实行频域采样。频域采样与时域采样相似，在频域中用脉冲序列D(k)乘信号的频谱函数。这一过程在时域相当于将信号与一周期脉冲序列d(t)做卷积，其结果是将时域信号平移至各脉冲坐标位置更新构图，从而相当于在时域中将窗内的信号波形在窗外进行周期延拓。所以，频率离散化，无疑巳将时域信号“改造”成周期信号。它和原信号x(t)是不一样的。,工程测试技术,第五章 测试系统特性,本章学习要求： 建立测试系统的概念； 了解测量误差的概念； 了解测试系统特性对测量结果的影响； 了解测试系统特性的测量方法。,工程测试技术,组

15、建或选择合适而有效的测量系统时，除了需要了解信号的特点外，还需要了解测量系统的技术特性。 测试系统是执行测试任务的传感器、仪器和设备的总称。被测的物理量亦即信号作用于一个测试系统，而该系统在输入信号亦即激励的驱动下对它进行“加工”，并将经“加工”后的信号进行输出。,1. 测试系统的概念,信号,前置处理,A/D 转换,数据输出,数字处理,工程测试技术,2. 测量误差的概念,绝对误差：绝对误差E，是指测得值x与真值x0之差，可表示为：Ex - x0； 相对误差：相对误差是指绝对误差与被测真值之比值，通常用百分数表示，即：rE/x0 *100% 引用误差（满量程误差）：引用误差是指测量仪器的绝对误差

16、除以仪器的满度值所得的值，即： rmE/xm*100% 式中，rm表示测量仪器的引用误差；xm表示测量仪器的满度值，一般又称为引用值，通常是测量仪器的量程。 引用误差实质是一种相对误差，可用于评价某些测量仪器的准确度高低。国际规定电测仪表的精度等级指数a分为0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0共7个等级。,工程测试技术,3. 测试系统的静态特性,当被测量是恒定的或慢变的物理量时，称为静态测量。 静态测量时，测试装置表现出的响应特性称为静态响应特性，主要包括： 灵敏度 量程及测量范围 非线性 迟滞 重复性 准确度 分辨率 漂移。,工程测试技术,4. 测试系统的动态特性,（一）线

17、性系统的数学描述； （二）用传递函数或频率响应函数描述系统的传递特性 ； （三）测试系统对典型激励的响应函数 ； （四）测试系统对任意输入的响应 ； （五）测试系统特性参数的实验测定 ；,工程测试技术,1. 传递函数,将输入和输出两者的拉普拉斯变换之比定义为传递函数H(s)，即： 传递函数特性： 传递函数H(s)不因输入x(t)的改变而改变，它仅表达系统的特性 ； 由传递函数H(s)所描述的一个系统对于任一具体的输入x(t)都明确地给出了相应的输出 y(t)； 等式中的各系数an，an-1，a0和bm，bm-1，b0是一些由测试系统本身结构特性所唯一确定了的常数。,工程测试技术,2. 频率响应

18、函数,对于稳定的线性定常系统，可设s=j，亦即原s=a+jb中的a=0，b= ，此时拉氏变换Y(s)变为： 上式即为单边傅立叶变换公式。我们有 H(j)称测试系统的频率响应函数。 频率响应函数是传递函数的特例。,工程测试技术,3. 系统对典型激励的响应函数,单位脉冲输入下系统的脉冲响应函数 单位脉冲函数(t)，其傅立叶变换(j)=1。同样，对于(t)的拉氏变换(s)=L(t)=1。因此，测试装置在激励输入信号为(t)时的输出将是： Y(s)=H(s)X(s)=H(s)(s)=H(s) 对于一阶惯性系统，其传递函数 可求得它们的脉冲响应函数,工程测试技术,2. 单位阶跃输入下系统的响应函数,阶跃

19、函数和单位脉冲函数间的关系是： 亦即： 因此系统在单位阶跃信号激励下的响应便等于系统对单位脉冲响应的积分。 一阶惯性系统H(s)=1/(s+1)对单位阶跃函数的响应，其响应函数为： 相应的拉普拉斯表达式为：,工程测试技术,当t=4, y(t)=0.982，此时系统输出值与系统稳定时的响应值之间的差已不足2%，可近似认为系统已到达稳态。 一阶装置的时间常数应越小越好。 阶跃输入方式简单易行，因此也常在工程中用来测量系统的动态特性。,工程测试技术,第六章 计算机化测试系统,本章学习要求： 了解现场总线技术； 了解网络智能传感器技术； 了解智能仪器的构成和工作原理； 了解虚拟仪器的构成和工作原理。,