工程測試與信號處理之緒論

工程測試與信號處理

多媒體教學(xué)課件2023/2/11課程大綱授課計劃課程內(nèi)容

第1章緒論第2章測試系統(tǒng)的基本特性第3章常用傳感器工作原理與測量電路第4章信號調(diào)理與顯示第5章信號分析與處理第6章工程測試應(yīng)用第一章緒論1.掌握測試技術(shù)的概念及研究內(nèi)容2.了解測試技術(shù)的應(yīng)用情況3.了解測試技術(shù)的發(fā)展動態(tài)4.主要測試儀器生產(chǎn)廠商5.網(wǎng)上學(xué)習(xí)資源6.課程學(xué)習(xí)要求和建議2023/2/122023/2/13第一章緒論1.1測試技術(shù)的基本概念測試、信息、信號

測試技術(shù)是實驗科學(xué)的一部分，主要研究各種物理量的測量原理以及測量信號的分析處理方法。測試技術(shù)是進行各種科學(xué)實驗研究和生產(chǎn)過程參數(shù)檢測必不可少的手段，它起著類似人的感覺器官的作用。2023/2/141.1測試技術(shù)的基本概念測試技術(shù)幾乎涉及任何一項工程領(lǐng)域，無論是生物、海洋、氣象、地質(zhì)、通信以及機械、電子等工程，都離不開測試與信息處理。在日常生活中，隨處可見測試技術(shù)應(yīng)用的例子。例如，汽車、空調(diào)、電冰箱中的各參數(shù)測量與控制，（有溫度測量和壓縮機起/停控制裝置，洗衣機中的液位測量和洗衣電機起/?？刂蒲b置等）。我們來看看汽車發(fā)動機的控制：

1.1測試技術(shù)的基本概念2023/2/151.1測試技術(shù)的基本概念2023/2/162023/2/172023/2/181.1測試技術(shù)的基本概念簡單的測試系統(tǒng)可以只有一個模塊，如下圖所示的玻璃管溫度計。它直接將被測對象溫度的變化轉(zhuǎn)化為溫度計液面示值，這中間沒有電量的轉(zhuǎn)換和分析處理電路，很簡單，但測量精度底，同時也很難實現(xiàn)測量自動化。

圖1.1-1溫度計2023/2/191.1測試技術(shù)的基本概念為提高測量精度、增加信號傳輸、處理、存儲、顯示的靈活性和提高測試系統(tǒng)的自動化程度，以利于和其它控制環(huán)節(jié)一起構(gòu)成自動化測控系統(tǒng)，在測試中通常先將被測對象輸出的物理量轉(zhuǎn)換為電量，然后再根據(jù)需要對變換后的電信號進行處理，最后以適當(dāng)?shù)男问斤@示、輸出。如下圖所示。2023/2/1101.1測試技術(shù)的基本概念圖1.1-2測量系統(tǒng)2023/2/1111.1測試技術(shù)的基本概念一般說來，測試系統(tǒng)由傳感器、中間變換裝置和顯示記錄裝置三部分組成。測試過程中傳感器將反映被測對象特性的物理量（如壓力、加速度、溫度等）檢出并轉(zhuǎn)換為電量，然后傳輸給中間變換裝置；中間變換裝置對接收到的電信號用硬件電路進行分析處理或經(jīng)A/D變換后用軟件進行計算，再將處理結(jié)果以電信號或數(shù)字信號的方式傳輸給顯示記錄裝置；最后由顯示記錄裝置將測量結(jié)果顯示出來，提供給觀察者或其它自動控制裝置。2023/2/1121.1測試技術(shù)的基本概念根據(jù)測試任務(wù)復(fù)雜程度的不同，測試系統(tǒng)中傳感器、中間變換裝置和顯示記錄裝置等每個環(huán)節(jié)又可由多個模塊組成。例如，下圖所示的機床軸承故障監(jiān)測系統(tǒng)中的中間變換裝置就由帶通濾波器、A/D變換和計算機中的FFT分析軟件三部分組成。圖1.1-3軸承振動信號測量2023/2/1131.1測試技術(shù)的基本概念測試系統(tǒng)中傳感器為加速度計，它負責(zé)將機床軸承振動信號轉(zhuǎn)換為電信號；帶通濾波器用于濾除傳感器測量信號中的高、低頻干擾信號和對信號進行放大，A/D信號采集卡用于對放大后的測量信號進行采樣，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；FFT（快速傅里葉變換）分析軟件則對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進行FFT變換，計算出信號的頻譜；最后由計算機顯示器對頻譜進行顯示。另外，測試系統(tǒng)的測量分析結(jié)果還可以和生產(chǎn)過程相連，當(dāng)機床振動信號超標時發(fā)出報警信號，防止加工廢品的產(chǎn)生。2023/2/1141.2測試技術(shù)的工程應(yīng)用在工程技術(shù)領(lǐng)域，如工程研究、產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)監(jiān)督、質(zhì)量控制和性能實驗等各個方面，都離不開測試技術(shù)。特別是近代發(fā)展地自動控制技術(shù)領(lǐng)域，已越來越多地運用測試技術(shù)，測試裝置已成為控制系統(tǒng)的重要組成部分。下面介紹幾個典型的工程應(yīng)用：2023/2/1151.2測試技術(shù)的工程應(yīng)用1.2.1產(chǎn)品質(zhì)量測量

（齒輪測量和汽車扭矩測量）

在汽車、機床等設(shè)備和電機、發(fā)動機等零部件出廠時，必須對其性能質(zhì)量進行測量和出廠檢驗。

圖1.2-1齒輪測量和汽車扭矩測量2023/2/1161.2測試技術(shù)的工程應(yīng)用下圖是汽車制造廠發(fā)動機測試系統(tǒng)原理框圖，發(fā)動機測量參數(shù)包括潤滑油溫度、冷卻水溫度、潤滑油壓力、燃油壓力以及發(fā)動機的轉(zhuǎn)速等。通過對抽取的發(fā)動機樣本進行全面的測試，工程師可以了解產(chǎn)品的質(zhì)量。2023/2/1171.2測試技術(shù)的工程應(yīng)用圖1.2-2發(fā)動機測試系統(tǒng)原理框圖2023/2/1181.2測試技術(shù)的工程應(yīng)用1.2.2設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

在電力、冶金、石化、化工等眾多行業(yè)中，某些關(guān)鍵設(shè)備的工作狀態(tài)關(guān)系到整個生產(chǎn)線正常流程，如：汽輪機、燃氣輪機、水輪機、發(fā)電機、電機、壓縮機、風(fēng)機、泵、變速箱等。對這些關(guān)鍵設(shè)備運行狀態(tài)實施24小時實時動態(tài)監(jiān)測，可以及時、準確地掌握它的變化趨勢，為工程技術(shù)人員提供詳細、全面的機組信息，是實現(xiàn)設(shè)備事后維修或定期維修向預(yù)測維修轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)。2023/2/1191.2測試技術(shù)的工程應(yīng)用國內(nèi)外大量實踐表明，機組某些重要測點的振動信號非常真實地反映了機組的運行狀態(tài)。由于機組絕大部分故障都有一個漸進發(fā)展的過程，通過監(jiān)測振動總量級的變化過程，完全可以及時預(yù)測設(shè)備的故障的發(fā)生。結(jié)合其它綜合監(jiān)測信息（溫度、壓力、流量等），運用精密故障診斷技術(shù)甚至可以分析出故障發(fā)生的位置，為設(shè)備維修提供可靠依據(jù)，使因設(shè)備故障維修帶來的損失降到最低程度。2023/2/1201.2測試技術(shù)的工程應(yīng)用圖1.2-3實時動態(tài)監(jiān)測2023/2/1211.2測試技術(shù)的工程應(yīng)用下面是某火力發(fā)電廠30MW汽輪發(fā)電機組的計算機設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)原理框圖。圖1.2-4汽輪發(fā)電機組設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)2023/2/1221.2測試技術(shù)的工程應(yīng)用1.2.3家電產(chǎn)品中的傳感器

在家電產(chǎn)品設(shè)計中，人們大量應(yīng)用了傳感器和測試技術(shù)來提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。例如全自動洗衣機以人們洗衣操作的經(jīng)驗作為模糊控制的依據(jù)，采用多種傳感器將洗衣狀態(tài)信息檢測出來，并將這些信息送到微電腦中，經(jīng)微電腦處理后，選擇出最佳的洗滌參數(shù)，對洗衣全過程進行自動控制，達到最佳的洗滌效果。2023/2/1231.2測試技術(shù)的工程應(yīng)用．利用衣量傳感器來檢測洗衣時衣物量的多少，從而決定設(shè)定水位的高低。．利用衣質(zhì)傳感器來檢測衣物重量、織物種類，從而決定最優(yōu)洗滌溫度、洗滌時間。．利用水溫傳感器來檢測開機時的環(huán)境溫度和注水結(jié)束時的水溫，為模糊推論提供信息。．利用水質(zhì)傳感器來檢測水的硬度，進而決定添加洗衣粉的量以期達到最佳洗滌效果。

2023/2/1241.2測試技術(shù)的工程應(yīng)用．利用光傳感器來檢測洗滌液的透光率，從而間接檢測洗凈程度。．利用傳感器監(jiān)測漂洗過程中的肥皂沫的變化決定漂洗的次數(shù)。．利用傳感器監(jiān)測干衣過程中衣物電阻值的變化，決定烘干時間。與傳統(tǒng)的定時烘干相比，更具靈活性。．利用壓力傳感器實現(xiàn)電信號與機械力信號的相互轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)無級調(diào)水，從而達到省水、省電的目的。2023/2/1251.2測試技術(shù)的工程應(yīng)用圖1.2-5全自動洗衣機中的滾筒液面高度自動檢測2023/2/1261.2測試技術(shù)的工程應(yīng)用1.2.4樓宇自動化

樓宇自動化系統(tǒng)，或稱建筑物自動化系統(tǒng)是將建筑物(或建筑群)內(nèi)的消防、安全、防盜、電力系統(tǒng)、照明、空調(diào)、衛(wèi)生、給排水、電梯等設(shè)備以集中監(jiān)視、控制和管理為目的而構(gòu)成的一個綜合系統(tǒng)。它的目的是使建筑物成為安全、健康、舒適、溫馨的生活環(huán)境和高效的工作環(huán)境，并能保證系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和管理的智能化。

2023/2/1271.2測試技術(shù)的工程應(yīng)用下圖是某公司總部的樓宇自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為七個子系統(tǒng)：電源管理、安全監(jiān)測、照明控制、空調(diào)控制、停車管理、水/廢水管理和電梯監(jiān)控。圖1.2-6樓宇自動化系統(tǒng)2023/2/1281.2測試技術(shù)的工程應(yīng)用1.2.5身份認證

Veridicom公司推出的固態(tài)指紋識別技術(shù)，包括固態(tài)指紋傳感器芯片F(xiàn)PS110和專用軟件包。傳感器芯片采用固態(tài)電容傳感的方法來獲得指紋圖像，有300×300的傳感單元陣列，分辨率為500dpi，表面有專利的超硬保護涂層，內(nèi)部集成8位帶閃存的A/D轉(zhuǎn)換器，還集成了溫度傳感器和電阻傳感器，該芯片提供8位雙向微處理器接口。該芯片的尺寸與郵票差不多，在27mm×27mm的芯片上，圖像捕捉面積為16mm×16mm。

2023/2/1291.2測試技術(shù)的工程應(yīng)用下圖是采用固態(tài)指紋傳感器、IC卡和密碼保護的三種具有身份認證功能的防盜鎖。

圖1.2-72023/2/1301.2測試技術(shù)的工程應(yīng)用1.2.6

研華工控公司列出的測控技術(shù)應(yīng)用實例制造業(yè)自動化

-紡織印染廠自動化。

-鋼鐵廠自動物料配送系統(tǒng)。

-韓國汽車制造廠發(fā)動機測試系統(tǒng)。

服務(wù)業(yè)

-無人電信機房監(jiān)控系統(tǒng)。

-魚類養(yǎng)殖場水質(zhì)監(jiān)測。

-水壩廣播控制系統(tǒng)。

-火力發(fā)電廠電力設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。

2023/2/1311.2測試技術(shù)的工程應(yīng)用石油化工

-石化工廠基于PLC系統(tǒng)的擴充。

-儲油罐壓力和溫度監(jiān)測系統(tǒng)。

-輪胎廠基于ADAM的硫化控制應(yīng)用。

-油泵站監(jiān)測系統(tǒng)。環(huán)保業(yè)

-水處理廠分布式數(shù)據(jù)采集和控制。

-大型建筑工程的共振測量。

-無線水位監(jiān)控系統(tǒng)。

2023/2/1321.2測試技術(shù)的工程應(yīng)用樓宇自動化

-博物館智能樓宇自動化系統(tǒng)。

-樓宇自動化系統(tǒng)。

半導(dǎo)體工業(yè)

-無塵室環(huán)境監(jiān)測。

-晶元實驗室清洗監(jiān)測。2023/2/1331.3測試技術(shù)的發(fā)展概況

1.3.1傳感器方面

傳感器是測試、控制系統(tǒng)中的信息敏感和檢測部件，它感受被測信息并輸出與其成一定比例關(guān)系的物理量（信號），以滿足系統(tǒng)對信息傳輸、處理、記錄、顯示和控制的要求。

早期發(fā)展的傳感器是利用物理學(xué)場的電場、磁場、力場等定律所構(gòu)成的“結(jié)構(gòu)型”傳感器，其基本特征是以其結(jié)構(gòu)部分的變化或變化后引起場的變化來反映待測量（力、位移等）的變化。2023/2/1341.3測試技術(shù)的發(fā)展概況圖1.3-1可變磁阻位移傳感器2023/2/1351.3測試技術(shù)的發(fā)展概況利用物質(zhì)特性構(gòu)成的傳感器稱為“物性型”傳感器或“物性型”敏感元件。新的物理、化學(xué)、生物效應(yīng)用于物性型傳感器是傳感技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。每一種新的物理效應(yīng)的應(yīng)用，都會出現(xiàn)一種新型的敏感元件，能測量某種新的參數(shù)。例如，除常見的力敏、壓敏、光敏、磁敏材料之外，還有聲敏、濕敏、色敏、氣敏、味敏、化學(xué)敏、射線敏材料等。2023/2/1361.3測試技術(shù)的發(fā)展概況新材料與新元件的應(yīng)用，有力地推動了傳感器的發(fā)展，因為物性型敏感元件全賴于敏感功能材料，例如嗅（味）敏傳感器、集成霍爾元件、集成固態(tài)CCD圖像傳感器等。被開發(fā)的敏感功能材料有半導(dǎo)體、電介質(zhì)（晶體或陶瓷）、高分子合成材料、磁性材料、超導(dǎo)材料、光導(dǎo)纖維、液晶、生物功能材料、凝膠、稀土金屬等。

2023/2/1371.3測試技術(shù)的發(fā)展概況圖1.3-2新型光纖溫度傳感器2023/2/1381.3測試技術(shù)的發(fā)展概況測試技術(shù)正在向多功能、集成化、智能化發(fā)展，進行快變參數(shù)動態(tài)測量是自動化過程控制系統(tǒng)中的重要一環(huán)，其主要支柱是微電子與計算機技術(shù)。傳感器與微計算機結(jié)合，產(chǎn)生了智能傳感器。它能自動選擇量程和增益，自動校準與實時校準，進行非線性校正、漂移等誤差補償和復(fù)雜的計算處理，完成自動故障監(jiān)控和過載保護等。

2023/2/1391.3測試技術(shù)的發(fā)展概況圖1.3-3HP公司生產(chǎn)的加速度信號測量傳感器芯片2023/2/1401.3測試技術(shù)的發(fā)展概況1.3.2測量信號處理方面

20世紀50年代以前，信號分析技術(shù)主要是模擬分析方法，進入20世紀50年代，大型通用數(shù)字計算機在信號分析中有了實際應(yīng)用。當(dāng)時曾經(jīng)爭論過模擬與數(shù)字分析方法的優(yōu)缺點，爭論的焦點是運算速度、精度與經(jīng)濟性。進入20世紀60年代，人造衛(wèi)星、宇航探測及通訊、雷達技術(shù)的發(fā)展，對信號分析的速度、分辨能力提出了更高的要求。1965年，美國庫利（J．W．Cooley）和圖基（J．W．Tukey）提出了快速傅里葉變換（FastFourierTransform，F(xiàn)FT）計算方法，使計算離散傅里葉變換2023/2/1411.3測試技術(shù)的發(fā)展概況（DiscreteFourierTransform，DFT）的復(fù)數(shù)乘法次數(shù)從N2減少到Nlog2N次，從而大大減少了計算量。這一方法促進了數(shù)字信號處理的發(fā)展，使其獲得了更廣泛的應(yīng)用。因為卷積可以利用DFT來計算，故FFT算法也可用正比于Nlog2N的運算次數(shù)來計算卷積，而卷積運算在電子計算機科學(xué)和其它一些領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用。2023/2/1421.3測試技術(shù)的發(fā)展概況20世紀70年代以后，大規(guī)模集成電路的發(fā)展以及微型機的應(yīng)用，使信號分析技術(shù)具備了廣闊的發(fā)展前景，許多新的算法不斷出現(xiàn)。例如，1968年美國雷德（C．M．Rader）提出數(shù)論變換FFT算法（NumbertheoretictransformsFFT，簡稱NFFT）；1976年美國威諾格蘭德（S．Winograd）提出了一種傅里葉變換算法（WinogradFourierTransformAlgorithm，簡稱WFTA），用它計算DFT所需的乘法次數(shù)僅為FFT算法乘法次數(shù)的1／3；2023/2/1431.3測試技術(shù)的發(fā)展概況1977年法國努斯鮑默（H．J．Nussbaumer）提出了一種多項式變換傅里葉變換算法（Polynomialtrans－brmFourierTransformAlgorithm，簡稱PFTA），結(jié)合使用FFT和WFTA方法，在采樣點數(shù)較大時，較之FFT算法快3倍左右。上述幾種方法與DFT方法比較：當(dāng)采樣點N=1000時，DFT算法為200萬次；FFT算法為1．4萬次；NFFT算法為0．8萬次；WFTA算法為0．35萬次；PFTA算法為0．3萬次。2023/2/1441.3測試技術(shù)的發(fā)展概況此外，信號處理芯片（DSP）是近年來出現(xiàn)的一種用于快速處理信號的器件。它的出現(xiàn)，對簡化信號處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高運算速度，加快信號處理的實時能力等，有很大影響。美國Texas公司1986年推出的TMS320C25芯片，運算速度達每秒1000萬次，用其進行1024復(fù)數(shù)點FFT運算，只需14ms便可完成。這一進展，在圖像處理、語言處理、譜分析、振動噪聲和生物醫(yī)學(xué)信號的處理方面，展示了很寬的應(yīng)用前景。2023/2/1451.3測試技術(shù)的發(fā)展概況目前信號分析技術(shù)的發(fā)展目標是：（1）在線實時能力的進一步提高；（2）分辨力和運算精度的提高；（3）擴大和發(fā)展新的專用功能；（4）專用機結(jié)構(gòu)小型化，性能標準化，價格低廉。

圖1.3-4Agilent公司數(shù)字化信號分析儀器2023/2/1461.3測試技術(shù)的發(fā)展概況進入20世紀90年代后，隨著個人計算機價格的大幅度降低，出現(xiàn)了用PC機＋儀器板卡＋應(yīng)用軟件構(gòu)成的計算機虛擬儀器。虛擬儀器采用計算機開放體系結(jié)構(gòu)來取代傳統(tǒng)的單機測量儀器。將傳統(tǒng)測量儀器中的公共部分（如電源、操作面板、顯示屏幕、通信總線和CPU）集中起來用計算機共享，通過計算機儀器擴展板卡和應(yīng)用軟件在計算機上實現(xiàn)多種物理儀器。2023/2/1471.3測試技術(shù)的發(fā)展概況虛擬儀器的突出優(yōu)點是與計算機技術(shù)結(jié)合，儀器就是計算機，主機供貨渠道多、價格低、維修費用低，并能進行升級換代；虛擬儀器功能由軟件確定，不必擔(dān)心儀器是否能永遠保持出廠時既定的功能模式，用戶可以根據(jù)實際生產(chǎn)環(huán)境變化的需要，通過更換應(yīng)用軟件來拓展虛擬儀器功能，適應(yīng)科研、生產(chǎn)的需要；另外，虛擬儀器能與計算機的文件存儲、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)通訊等功能相結(jié)合，具有很大的靈活性和拓展空間。

2023/2/1481.3測試技術(shù)的發(fā)展概況在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)化、計算機化的生產(chǎn)、制造環(huán)境中，虛擬儀器更能適應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)復(fù)雜、多變的應(yīng)用需求，能更迅速、更經(jīng)濟、更靈活地解決工業(yè)生產(chǎn)、新產(chǎn)品實驗中的測試問題。工業(yè)4.0

2023/2/1491.3測試技術(shù)的發(fā)展概況圖1.3-5NationalInstrument公司提出的計算機虛擬儀器LabVIEW2023/2/1501.4主要測試儀器生產(chǎn)廠商

測試儀器主要生產(chǎn)廠商及其主要產(chǎn)品如下：

BKPRECISION：振動、噪聲信號測量傳感器和分析儀器。

2023/2/1511.4主要測試儀器生產(chǎn)廠商圖1.4-12023/2/1521.4主要測試儀器生產(chǎn)廠商

NationalInstruments：

LabVIEW，BridgeVIEW等計算機虛擬儀器開發(fā)軟件和各種總線的數(shù)據(jù)采集、控制、測量等硬件。2023/2/1531.4主要測試儀器生產(chǎn)廠商圖1.4-22023/2/1541.4主要測試儀器生產(chǎn)廠商

Agilent(HEWLETTPACKARD)：種類繁多的電子測試儀器。

KEITHLEY：種類繁多的電子測試儀器，還有數(shù)據(jù)采集儀和半導(dǎo)體器件產(chǎn)品等。

Tektronix,Inc.：品種繁多的各類儀器，特別是示波器十分出眾，還有打印機，VXI總線儀器等。

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

2023/2/1551.4主要測試儀器生產(chǎn)廠商ADVANTEST：IC測試儀，數(shù)字電壓表等。

IOtech：數(shù)據(jù)采集，基于PC的儀器。

PICO：虛擬儀器，基于PC的數(shù)字示波器等。

ApogeeInstruments,Inc.：CCD相機和其它基于CCD器件的儀器，還有一些圖形處理軟件。

AmplifierReserach：寬帶射頻功率放大器。

ANCOT：FiberChannel&SCSI。

ANRITSU：無線電通信分析儀，光譜分析儀等。

2023/2/1561.4主要測試儀器生產(chǎn)廠商AppliedMicrosystemCorp.：嵌入式系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試工具，支持INTEL,AMD,Motorola等的芯片。BerkeleyNucleonicsCorp.：脈沖發(fā)生器等。IWATSUCo.：示波器和數(shù)字存儲示波器。LeCroy：數(shù)字存儲示波器,信號源等。NFInstruments：信號發(fā)生器，失真儀，聲發(fā)射檢測儀，各種