信號分析課件

測試技術(shù)與信號處理主講：張錦華教研室：機(jī)制教研室辦公室：工科樓810

zhangjh0808@126.com課時計(jì)劃上課44學(xué)時+實(shí)驗(yàn)4學(xué)時7～17周（每周4學(xué)時）課程安排課程考核平時：隨堂測驗(yàn)、考勤、上課、作業(yè)20％實(shí)驗(yàn)：10％期末：閉卷考試：70％1、緒論-22、機(jī)械測試信號分析-103、測量系統(tǒng)的基本特性-44、參數(shù)式傳感器及其應(yīng)用-45、發(fā)電式傳感器及其應(yīng)用-46、信號的調(diào)理-67、測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)-28、計(jì)算機(jī)測試技術(shù)-49、典型測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例-210、總復(fù)習(xí)-2課時安排指導(dǎo)教師：武驗(yàn)序號實(shí)驗(yàn)內(nèi)容學(xué)時1金屬箔式應(yīng)變片性能實(shí)驗(yàn)

22計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)（虛擬儀器）2教材參考教材

1.機(jī)械工程測試技術(shù)（第一版）陳花玲主編機(jī)械工業(yè)出版社，2002.12；

2.現(xiàn)代檢測技術(shù)與測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)劉君華主編西安交通大學(xué)出版社，1999.4；3.機(jī)械工程測量與試驗(yàn)技術(shù)黃長藝主編機(jī)械工業(yè)出版社，2000.4；主要教材1.機(jī)械工程測試技術(shù)（第二版）

陳花玲主編2.機(jī)械信號處理及應(yīng)用谷立臣編著1.1

測試有關(guān)概念1.2測試方法的分類與系統(tǒng)組成1.3測試技術(shù)的發(fā)展1.4本課程的研究內(nèi)容重點(diǎn)：掌握測試系統(tǒng)的組成與測試技術(shù)的發(fā)展

第一章緒論1.1測試技術(shù)的基本概念

1.1.1測試有關(guān)概念（一）

1.測試技術(shù)：測試過程中所涉及的測試?yán)碚摗?/p>

測試方法、測試設(shè)備等。2.測試目的：為了獲取有關(guān)研究對象的狀態(tài)、運(yùn)動和特征等方面的信息。

（核心研究不容易獲取的信息）3.測試手段：信號是信息的載體，測量信息是通過測量攜帶有用信息的信號實(shí)現(xiàn)的，信號（復(fù)雜信號）中混有一些干擾信號。4.測試任務(wù)：通過一些措施從復(fù)雜信號中不失真提取有用信號。5.測試范圍：廣義：試驗(yàn)設(shè)計(jì)、模型理論、傳感器、信號加工與處理、誤差理論、控制工程、系統(tǒng)辨識、參數(shù)估計(jì)等。狹義：在指定的激勵方式下，信號的獲取、變換、處理及顯示、記錄或以電量輸出信號的工作。1.1.1測試有關(guān)概念（二）

例1：1.1.2本課程的目的（一）

任務(wù):傳送帶速度檢測分析:1.傳送帶的速度要在現(xiàn)場顯示出來，用于控制。2.精度和靈敏度要求不高，降低成本很重要。某工廠生產(chǎn)產(chǎn)品A,B,C，需要質(zhì)量檢驗(yàn)1.1.2本課程的目的（二）

傳感器的選擇顯示方式的選擇

需要解決的問題后續(xù)測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的效能分析電阻式傳感器光電檢測器的光軸編碼器磁簧開關(guān)傳感器霍爾效應(yīng)傳感器動圈式儀表示波器

因此，本課程的目的就是：設(shè)計(jì)測試方案選擇測試儀器進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析1.2測試方法的分類與系統(tǒng)組成本門課程的對象：機(jī)械工程中的工作參數(shù)測量（非電量）位移、距離、脹差、...振動、速度、加速度應(yīng)力、壓力、摩擦力、...油溫、瓦溫、軸溫、氣溫、...轉(zhuǎn)速、鑒相...被測量都是隨時間變化的物理量。因而本課程主要研究與討論動態(tài)參量的測量問題.---與精密工程課程幾何量測量的區(qū)別大多數(shù)情況下，把被測物理量通過某種技術(shù)裝置（傳感器）轉(zhuǎn)換成和它有確切對應(yīng)關(guān)系的電量來測量，因此可以說本課程屬于“非電量電測量”學(xué)科。---與電工課程電學(xué)參數(shù)測量的區(qū)別機(jī)械工程測量的特點(diǎn):

按是否直接測定被測對象分直接測量間接測量

按是否接觸被測對象分接觸測量非接觸測量1.2.1測試方法的分類

按被測量是否隨時間變化分靜態(tài)測量動態(tài)測量哪個方法好？1.狀態(tài)檢測測試系統(tǒng)（監(jiān)測系統(tǒng)）的組成：測試對象傳感器信號調(diào)理顯示/記錄電源數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理信號處理1.2.2測試系統(tǒng)的組成（一）

激勵系統(tǒng)測試系統(tǒng)：完成測試任務(wù)的傳感器、儀器和設(shè)備的總稱。傳感器

信號的獲取部分，它感受被測物理量（如位移、壓力）并將其轉(zhuǎn)換成與被測量有一定函數(shù)關(guān)系的另一種物理量，主要是電量，一般為模擬信號。常用的渦流探頭＋前置器加速度傳感器力傳感器智能式壓力變送器1.2.2測試系統(tǒng)的組成（二）

信號調(diào)理

對（傳感器輸出的）信號進(jìn)行變換、隔離、濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換等，以便進(jìn)一步傳輸和處理。高阻輸入、低阻輸出規(guī)范輸出B&K

測量放大器2525放大、自動量程低通和高通濾波器（用戶自定義）電荷放大器通道：1輸入電荷量：≤104pC增益：1-1000mV/pC輸出：±5V濾波單元變換放大濾波1.2.2測試系統(tǒng)的組成（三）

信號處理

對來自信號調(diào)理環(huán)節(jié)后的信號，進(jìn)行各種運(yùn)算、分析，并輸出結(jié)果。模擬信號處理運(yùn)算：微分、積分、對數(shù)

數(shù)字信號處理信號量化編程處理：信號分析1.2.2測試系統(tǒng)的組成（四）

顯示記錄以觀察者易于識別的形式來顯示測量的結(jié)果，或者將測量結(jié)果存儲1.2.2測試系統(tǒng)的組成（五）

激勵裝置

當(dāng)所希望獲取的信息并沒有直接加載于可檢測的信號中，須加上合適的激勵裝置激勵被測對象，產(chǎn)生便于檢測又能表征有關(guān)信息的信號（機(jī)械振動）。

1.2.2測試系統(tǒng)的組成（六）

傳感器、信號調(diào)理、信號處理、顯示記錄激振器（力）問題：測試環(huán)節(jié)中哪個環(huán)節(jié)為所有測試系統(tǒng)必備環(huán)節(jié)？2.自動控制中的檢測系統(tǒng)（測控系統(tǒng)）1.2.2測試系統(tǒng)的組成（七）

輸入能量被控參數(shù)

被控過程控制計(jì)算機(jī)

測量系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)測控系統(tǒng)的組成1.3測試技術(shù)的發(fā)展

測試技術(shù)與科學(xué)研究、工程實(shí)踐密切相關(guān)。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得測試技術(shù)的發(fā)展也非常迅速，主要體現(xiàn)兩個方面：傳感器技術(shù)的自身發(fā)展計(jì)算機(jī)測試技術(shù)的發(fā)展1.3.1傳感器技術(shù)的自身發(fā)展（一）傳感器技術(shù)是測試系統(tǒng)中必不可少的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)20世紀(jì)80年代以來，國際上出現(xiàn)“傳感器熱”日本將傳感器技術(shù)列為80年代十大技術(shù)之首美國把傳感器技術(shù)列為90年代22項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一傳感器技術(shù)在以下三方面發(fā)展最為引人注目新型物性型傳感器的大量涌現(xiàn)集成、智能化傳感器的開發(fā)化學(xué)傳感器的開發(fā)物性型傳感器的大量涌現(xiàn)定義：依靠敏感材料本身的物理屬性隨被測量的變化來實(shí)現(xiàn)信號的變化。壓電效應(yīng)渦流效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)：導(dǎo)體材料光電效應(yīng)霍爾效應(yīng)壓阻效應(yīng)：半導(dǎo)體材料的壓阻轉(zhuǎn)換┅物性型傳感器的開發(fā)實(shí)質(zhì)上是新材料的開發(fā)傳感器正經(jīng)歷著從以機(jī)構(gòu)型為主轉(zhuǎn)向以物性型為主的過程1.3.1傳感器技術(shù)的發(fā)展（二）集成化傳感器

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）——微型化微型傳感器＋信號處理——一體化

多敏感元件、多參數(shù)測量運(yùn)算、補(bǔ)償、變換

XCE-062高溫超小型IS壓力傳感器(-55℃到273℃)

智能化傳感器

組成：傳統(tǒng)的傳感器＋微處理器特征：具備通信總線接口、兼有信息監(jiān)測、信息處理和信息傳輸智能：通過存放于微處理器中的功能強(qiáng)大的軟件，對系統(tǒng)進(jìn)行智能化，如非線性自動校正、自校零、自校準(zhǔn)、自補(bǔ)償、自檢驗(yàn)、噪聲抑制等。

智能壓力傳感器/變送器集成、智能化傳感器的開發(fā)1.3.1傳感器技術(shù)的發(fā)展（三）生物酶血樣分析傳感器化學(xué)傳感器的開發(fā)

敏感材料本身的化學(xué)屬性隨被測量的變化、將化學(xué)量轉(zhuǎn)換成電量來實(shí)現(xiàn)信號的測量。氣體傳感器一氧化碳傳感器瓦斯報(bào)警酒精傳感器1.3.1傳感器技術(shù)的發(fā)展（四）1.3.2計(jì)算機(jī)測試技術(shù)的發(fā)展（一）一般計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)

嵌入式測量系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)

虛擬儀器

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，測試系統(tǒng)中也越來越多地融入了計(jì)算機(jī)技術(shù)。

計(jì)算機(jī)測試技術(shù)——以計(jì)算機(jī)為中心的自動測試系統(tǒng)。

既能實(shí)現(xiàn)對信號的檢測，又能對所獲得信號進(jìn)行分析處理。計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)

1）一般計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)的基本形式1.3.2計(jì)算機(jī)測試技術(shù)的發(fā)展（二）傳感器1數(shù)據(jù)采集板卡計(jì)算機(jī)

輸出打印顯示傳感器2傳感器n信號調(diào)理1信號調(diào)理2信號調(diào)理n

測試系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)表示這三部分組成。將這三個位于不同地理位置的部分由網(wǎng)絡(luò)連起來從而完成測試任務(wù)，就形成網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)儀器的特點(diǎn)：資源共享有危險(xiǎn)的、環(huán)境惡劣的數(shù)據(jù)采集工作可實(shí)行遠(yuǎn)程采集使測試人員不受時間和空間的限制可以實(shí)現(xiàn)高度自動化、智能化2）網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)1.3.2計(jì)算機(jī)測試技術(shù)的發(fā)展（三）

嵌入式系統(tǒng)有時稱為嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是和現(xiàn)實(shí)的物理世界相結(jié)合的，控制著某些特定的硬件的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。包括硬件和軟件兩部分：

硬件包括嵌入式處理器、控制器、存儲器及外設(shè)器件、輸入輸出端口、圖形控制器等;

軟件部分包括應(yīng)用軟件和嵌入式操作系統(tǒng)。應(yīng)用軟件控制著系統(tǒng)的運(yùn)作和行為;操作系統(tǒng)控制著應(yīng)用程序與硬件的交互作用。3）嵌入式測試系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)“量身定做”的原則，基于某一種特殊用途開發(fā)出特定的系統(tǒng)，因此當(dāng)把一個具體測試對象與嵌入式系統(tǒng)結(jié)合起來，就構(gòu)成了一個嵌入式測量系統(tǒng)。1.3.2計(jì)算機(jī)測試技術(shù)的發(fā)展（四）虛擬儀器的發(fā)展虛擬儀器普通儀器智能儀器虛擬儀器的實(shí)際工作原理圖4）虛擬儀器的開發(fā)1.3.2計(jì)算機(jī)測試技術(shù)的發(fā)展（五）

LabVIEW虛擬儀器開發(fā)軟件1.3.2計(jì)算機(jī)測試技術(shù)的發(fā)展（六）1.3.2計(jì)算機(jī)測試技術(shù)的發(fā)展（七）1.4本課程的主要內(nèi)容

本課程所研究的對象是機(jī)械工程領(lǐng)域中常用的物理量測試，這是一門技術(shù)基礎(chǔ)課。主要內(nèi)容包括：1）測試技術(shù)基礎(chǔ)知識（2-3）2）測試信號的獲取與調(diào)理技術(shù)（4-6）3）測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)（7）4）計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)（8）5）實(shí)際測試系統(tǒng)（9-10）1.測試系統(tǒng)由哪些環(huán)節(jié)組成？思考題2.測試技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)在哪些方面？傳