第二章動態(tài)測試技術的基礎知識

工程測試及系統(tǒng)設計中北大學信息與通信工程學院第二章動態(tài)測試技術的基礎知識-1第二章動態(tài)測試技術的基礎知識

§2-1工程測試常用術語及概念§2-2信號的分類§2-3測試系統(tǒng)的輸入與輸出§2-4測量誤差及其分析§2-5測試系統(tǒng)的基本特性§2-6實現(xiàn)不失真測試的條件§2-7測試系統(tǒng)動態(tài)特性的測試§2-8測試系統(tǒng)設計的原則和方法（基本要求：熟練掌握和理解課程講授內(nèi)容）§2—1測試技術常用術語及概念

一、測量與測試1測量測量就是把待測量直接或間接地與同類已知量相比較。把這個已知量作為計量作單位，定出被測量是單位量的倍數(shù)?；蛘哒f，求出被測量與計量單位的比值。被測量基準量單位測量：比較倍數(shù)（結果）特征：

1）測量的定義為確定被測對象的量值而進行的實驗過程稱為測量。2）測量的最基本形式比較——將待測的未知量和予定的標準作比較。3）量值由測量所得到的被測對象的量值表示為數(shù)值和計量單位的乘積。

4）測量的分類直接測量和間接測量。直接測量

被測量與計量單位直接進行比較。即無需經(jīng)過函數(shù)關系的計算，直接通過測量儀器得到被測量值的測量為直接測量。

例：

⊙天平測物體質(zhì)量

⊙用米尺測量物體長度

⊙測量導體的電阻間接測量

被測量是通過與直接測量的量確定的函數(shù)關系求得的。利用儀器儀表——統(tǒng)稱之為測量系統(tǒng)——把原始形態(tài)的待測物理量的變化變換成與之保持已知函數(shù)關系（通常是線性關系）的另一種物理量的變化，并以人的感官所能接受的形式（通常是位置的變化），在測量系統(tǒng)的輸出端顯示出來。

特點：被測物體量不能用現(xiàn)有儀表直接測量得到，需通過數(shù)學關系計算得到。如：y=f(x1,x2,x3)，欲測量y,首先測量x1,x2,x3,才能得到y(tǒng)。例：

⊙水銀溫度計測體溫⊙彈簧測物體的重量⊙用線圈靶測彈丸速度；⊙測運動物體的動能。如果測試時信號不隨時間變化，或隨時間變化非常緩慢以至于可以忽略，則稱這種測試是靜態(tài)測量。如果所測試的信號變化較快，稱這種測試為動態(tài)測量。

靜態(tài)測量與動態(tài)測量要使測量具有普遍的科學性，則：

●1、作比較的標準必須是精確已知的，得到公認的；

●2、進行比較的測量系統(tǒng)必須工作穩(wěn)定，經(jīng)得起檢驗。2測試：

對被測對象在試驗過程中進行各種參數(shù)的動態(tài)測量，測其變化的大小和規(guī)律。測試有三個要素——測試對象、測試設備和測試技術。測試系統(tǒng)：對被測對象進行測試的全部配套儀器設備的總稱。測試技術：研究如何對被測試對象進行測試的實施方案。

“檢測/測試”是測量，“計量”也是測量，兩者有什么區(qū)別呢？

一般說來，“計量”是指用精度等級更高的標準量具、器具或標準儀器，對被測樣品、樣機進行考核性質(zhì)的測量；這種測量，通常具有非實時及離線和標定的性質(zhì)，一般在規(guī)定的具有良好環(huán)境條件的計量室、實驗室采用比對被測樣品、樣機、更高精度并按有關計量法規(guī)經(jīng)定期校準的標準量具、器具或標準儀器進行。而“檢測/測試”通常是指在生產(chǎn)、實驗等現(xiàn)場，利用某種合適的檢測儀器或綜合測試系統(tǒng)對被測對象進行在線、連續(xù)的測量。二、標定

在專用(或通用)的設備上，將測試系統(tǒng)的輸出量與相同條件下的某一標準輸出量進行比較，而給予數(shù)量概念的工作過程。或者說通過試驗建立測試系統(tǒng)的輸入量與輸出量之間的關系。標定分靜態(tài)標定和動態(tài)標定:靜態(tài)標定：確定測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標，如線性度、靈敏度、精度、遲滯性和重復性等。動態(tài)標定：確定測試系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù)，如時間常數(shù)、上升時間或工作頻率、通頻帶等?！?-2信號的分類、分析及處理

一、信號分類與描述二、信號的時域分析三、信號的幅值域分析四、信號分析與處理為深入了解信號的物理實質(zhì)，研究信號的分類是非常必要的，從不同角度觀察信號：1按信號隨時間的變化特征分類——確定性信號與非確定性信號；3按信號的能量特征分類——能量信號與功率信號；2按信號幅值隨時間變化的連續(xù)性分類——連續(xù)信號與離散信號；▼▼▼4從分析域上分類——時域信號與頻域信號；▼一信號的分類與描述

1.確定性信號與非確定性信號確定性信號：可用明確數(shù)學關系式描述的信號。非確定性信號：不能用數(shù)學關系式描述的信號。信號確定性信號非確定性信號周期信號非周期信號簡單周期信號一般周期信號準周期信號瞬態(tài)信號平穩(wěn)隨機信號非平穩(wěn)隨機信號▼▼▼▼▼周期信號：按一定時間間隔周而復始出現(xiàn)的信號

x(t)=x(t+nT)簡單周期信號一般周期信號諧波脈信號頻率摔單一棋的正聞弦或如余弦掠信號拋。簡單喜周期腿信號凍：信號奴的“泉波形此”信號映波形六：被測葡信號扒信號拖幅度敲隨時里間的垮變化鉆歷程砍稱為巧信號查的波移形。信號酬波形么圖：用被犬測物愁理量荒的強奶度作輕為縱祖坐標頌，用滲時間離做橫撒坐標洽，記歇錄被漁測物怕理量灑隨時搞間的歌變化厲情況奏?！駝雍阆?聲源)聲級艘計記錄向儀0At+=x1(t便)=先A1Si矛n(ω1t+逗θ1)=A1Si媽n(2轟π?1t+抄θ1)=1悟0Si蒜n(2儀π·霸3·脫t+引π/娛6)x2(t洽)=瀉A2Si趣n(ω2t+惜θ2)=A2Si閃n(2掉π?2t+頸θ2)=5Si求n(2然π·水2·五t+瞧π/弄3)x3(t碰)=滋10Si芝n(2調(diào)π·閱3·思t+億π/基6)+5Si搶n(2叉π·柔2·直t+倉π/貼3)+=由多個乃至無窮毀多個頻率姐成分構疊加壩而成雙，疊加墳后存景在公共綿周期的信蓋號一般裹周期稈信號:▲周期悶性三鑼角波周期執(zhí)性方槳波b)非周尼期信友號：佛再不羨會重迷復出逃現(xiàn)的奔信號搶。準周祝期信仆號:由多鈴個周請期信脅號合贈成，誕其中紡至少翠有一繩對頻韻率比不是壘有理憐數(shù)?！矐B(tài)增信號:在有醋限時罷間段梢內(nèi)存忙在，或隨著嘆時間樓的增芽加而損幅值賣衰減南至零舊的信比號。0(a牲)錘擊干物體冠的力飲信號(b)T’段為館汽車蘿加速血過程穩(wěn)信號(c蠶)半個廊正弦伶信號(d貼)矩形慘窗信訂號▲c)非確載定性浙信號渾：不送能用塌數(shù)學刪式描報述，內(nèi)其幅理值、猛相位零變化呀不可寧預知勉，所折描述側(cè)物理典現(xiàn)象添是一不種隨穗機過展程。平穩(wěn)煤與非道平穩(wěn)▲噪聲信號(平穩(wěn))噪聲信號(非平穩(wěn))統(tǒng)計特性變異(a盟)汽車著速度閉連續(xù)繁信號(b披)開水匯房鍋擋爐水驅(qū)溫度幕的變須化連踢續(xù)信鞏號2.連續(xù)衡信號訊與離濤散信溫號(c皆)每日蝦股市戒的指久數(shù)變收化（離芹散信睬號）(d馬)某地錫每日錫的平懇均氣詞溫變貍化（離災散信還號）(e庭)每隔5分鐘堂測定好開水追房鍋攏爐水逐的溫源度變居化（刻離散紐奉信號內(nèi)）(f堪)每隔2微妙殺對正腹弦信肝號采樸樣獲雷得的瞎離散心信號▲3.能量嬸信號煎與功喉率信昏號a)能量談信號當信盤號x(t)在所桂分析要的區(qū)涼間（-∞，∞公），安能量習為有耕限值廈的信趨號稱撲為能闊量信吃號，擦滿足耗條件攪：一般持續(xù)嗽時間京有限的瞬竄態(tài)信夸號是振能量顛信號排。b)功率繁信號當信售號x(摸t)在所宮分析煮的區(qū)寫間（-∞，∞寨），覆能量此時濟，在殺有限盈區(qū)間(t1,t2)內(nèi)的逆平均桐功率存是有膽限的角。一般持續(xù)鑒時間籌無限的信刮號都挑屬于夫功率慶信號趣。噪聲信號一般周期信號▲信號趴“域秀”的接不同慶，是釘指信卷號的獨立另變量不同扛，或焦描述題信號閑的橫襖坐標扯物理博量不紋同。信號雅的時鋤域描擁述：昨以時間為獨游立變救量，憤其強刪調(diào)信沫號的幅值島隨時寄間變泄化的特醋征。信號疫的頻炕域描徒述：徐以角頻伯率或診頻率為獨賴立變渠量，霞其強僵調(diào)信志號的幅值找和相蘋位隨慎頻率獻變化的特映征。4.時域仇和頻價域信廳號信號蜻的“魂域”時域頻域時域版描述禁：反葡映信麗號隨蜘時間筒變化頻域鈴描述吸：反朱映信怒號的飽組成夸成分同一濤信號彈無論孤選用莊哪種微描述夜方法侍都含月有同澤樣的廚信息秧量信號曉的分恰類與舊描述信號黑的時爐域波鳳形分茫析是謙最常寨用的秋信號劫分析靠手段扇，用拾示波零器、垂萬用粥表等倉普通義儀器怖直接鈴顯示鏈信號招波形煌，讀忌取特巨征參寨數(shù)。1、信號波形圖

tA2、周睛期T，頻率f=絮1/隊TT

3、峰孝值P，雙而峰(o個r峰峰)值Pp-君pPPp-p二棗信后號的影時域乳波形監(jiān)分析4、均涌值均值E[圣x(燦t)鑰]表示胸集合噸平均訪值或起數(shù)學沈期望建值。0At均值爬：反法映了目信號描變化班的中鋼心趨修勢，亂也稱鴿之為學直流汗分量規(guī)。周期陷信號吼中的慨均值發(fā)是指像信號得在一敲個周稍期內(nèi)是幅值潤對時分間的來平均.5、均雖方值工程盡測量榆中儀千器的感表頭領示值持就是筍信號紛的有隆效值朵。信號對的均刺方值E[秩x2(t惠)]，表達寺了信旅號的善強度椅；其府正平修方根麻值，懲又稱王為有害效值(R冰MS皂)，也是襖信號扛平均披能量著的一朽種表余達。均方挖值（拋平均軟功率椒）有效個值(R泥MS出)6、方境差方差筆：反垃映了翼信號君繞均掘值的憑波動洋程度桃。信號x(具t)的方慚差定酒義為桶：x(時t)t7、波福形分伴析的秀應用超門限報警信號類型識別信號基本參數(shù)識別Pp-p案例輕：旅游復索道賤鋼纜書檢測超門限報警

三四信號識的幅破值域年分析1概率每密度鍋函數(shù)以幅兼值大艘小為久橫坐居標，榆以每匯個幅喊值間壞隔內(nèi)煉出現(xiàn)政的概暫率為粉縱坐完標進托行統(tǒng)遭計分凳析的漂方法仁。它森反映怕了信縱號落艱在不蜻同幅底值強五度區(qū)鳥域內(nèi)栽的概單率情傾況。p(x)的計算方法

2直方益圖以幅稍值大湊小為湊橫坐柜標，橫以每程個幅賽值間續(xù)隔內(nèi)因出現(xiàn)苦的頻途次為傘縱坐冠標進摸行統(tǒng)脊計分甚析的拋一種僅方法熊。直方圖概率密度函數(shù)歸一化3、概主率分嗚布函顧數(shù)概率峽分布去函數(shù)益是信悅號幅秒值小根于或窗等于拘某值R的概夜率，新其定矛義為妻：概率沈分布策函數(shù)娛又稱須之為廳累積賓概率燦，表進示了卻落在雖某一府區(qū)間碑的概聯(lián)率。四壯信號掏分析侍及處稈理1數(shù)字糾信號赴處理僻基礎通常疊把研樂究信鵝號的帆構成真和特并征值例稱為信號笨分析把信具號經(jīng)似過必朗要的蘆變換求以獲冬取所淹學信摩息的字過程障稱為信號澇處理模擬薯信號處理洲系統(tǒng)淘和數(shù)字片信號處理浩系統(tǒng)數(shù)字傾信號澆處理模主要向研究紐奉用數(shù)字族序列來表復示測徑試信上號，膜并用數(shù)學安公式和運算來對蠅這些哪數(shù)字嘉序列惰進行手處理恒。其延主要受內(nèi)容漢包括氏數(shù)字波形憑分析、幅值奔分析、頻譜側(cè)分析和數(shù)字賴濾波。如：00斃1繭0隨11削11飛0竹11吵1支…采樣（1）數(shù)字擊信號模擬方信號離散搭時間些信號時間雖離散幅值奴連續(xù)量化＋編吼碼離散葛時間造信號數(shù)字科信號量化――把采進樣信膠號x(n猾Ts)經(jīng)過舍入變?yōu)榉灾挥泄捎邢薨虃€有狂效數(shù)勿字的椅數(shù)，功這一摔過程默稱為量化．時間躁離散幅值芹連續(xù)1367315077量化陳誤差量化扎又稱糖幅值相量化礦，就息是將內(nèi)模擬崖信號暢采樣棍后的x(nTs)的電躬壓幅該值變稱成為面離散尿的二普進制比數(shù)碼傭，其桌二進或制數(shù)份碼只只能表睜達有搞限個欄相應芝的離庸散電若平(稱之擋為量補化電怖平)，這燃一過鹽程稱塌為量化。若辛取信添號x(棍t)可能偶出現(xiàn)誓的最肺大值A，令率其分緞為D個間臂隔，委則每替?zhèn)€間魂隔的冰長度局為R=A/D，R稱為饒量化敞增量欺或量編化步略長。奔當采提樣信消號x(nTs)落在鈴某一戒小間五隔內(nèi)切，經(jīng)遼過舍談入或貿(mào)者截盆尾的擊方法嶄而變絹為有理限值巖時，券則產(chǎn)甜生量化居誤差。【例】將幅獨值為A=1牲00偶0的諧翅波信醫(yī)號按6，8，18等分愿量化緣瑞，求撇其量館化后進的曲容線。2數(shù)字喬信號歌處理婆的基旋本步荒驟物理信號x(t)傳感器電信號信號調(diào)理電信號A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字信號數(shù)字甜信號較分析肌儀或貌計算見機顯示物理信號y(t)傳感器電信號信號調(diào)理電信號A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字信號3采樣膊、混日疊和吐采樣冶定理采樣淚間隔來的選佳擇是川一個勢重要雹的問燒題。逼采樣頌間隔移太小(采樣義頻率鑼高)，則蕩對定樣長的警時間殼記錄繩來說憲其數(shù)引字序丸列就擇很長(即采鳳樣點減數(shù)多)，使姻計算桐工作冠量增留大；自如果斧數(shù)字間序列匆長度繳一定墓，則趁只能追處理蕩很短宮的時歷間歷錢程，劉可能肝產(chǎn)生午很大峽的誤稻差。轎若采駐樣間測隔太程大(采樣哀頻率銜低)，則迅可能上丟失謙有用純的信丹息。【例】對信踩號和見進行孕采樣裕處理黎，采校樣間帽隔Ts=得1/體40，即新采樣宅頻率fs=4岡0H糕z。請雹比較怒兩信緒號采宵樣后揚的離泉散序余列的碗狀態(tài)映。信號頑采樣蒜和混拒疊采樣難頻率采樣業(yè)時間按此黨采樣備頻率騰，兩舅個信彼號數(shù)榜字信周號相克同x1(t)x2(t)從上提面分增析可旬以看恢出：經(jīng)采學樣后沉，在坐采樣酸點上權兩者是的瞬件時值貍完全弓相同勻，即踢獲得慎了相差同的懼數(shù)學諷序列懶。這拆樣，諸從采絕樣結足果(數(shù)字塔序列)上看把，就皂不能脹分辨侵出數(shù)枕字序牽列來灰自于x1(t)還是x2(t)，不招同頻綿率的城信號x1(t)和x2(t)的采私樣結嶄果的嫌混疊旱，造應成了“頻持率混飯淆”現(xiàn)象因。若模誤擬信驚號x(t)為有沒限帶俊寬信黨號，伏其最易高頻尋率為fc，為閘了避幕免混忙疊，誦以使匪采樣臭處理督后仍被有可紛能恢吵復原父信號蕉，則棉采樣箱頻率fs必須火大于殖或等唱于最山高頻棗率fc的兩通倍，師即對研掛究對器象感興京趣的型頻率可能裁遠小長于研燙究對扇象的妖最高跑頻率fc，這泳樣，械在信擔號采謝集之蠅前用池一個抗混抓頻濾餐波器，把鏈不感罰興趣怠的頻或率成副分先判濾掉哨。采樣(香農(nóng)呈）定所理4相關毛分析羊及應愚用（1）相冒關的礦概念相關哪：指辨兩變舌量之錢間的線性關系人的劍身高妹和體獸重的聚關系確定希性信警號：繪兩個藍變量t、y之間偷用函數(shù)攤關系來描綁述y=跳10心si院n(打2π論?t+降φ0)相關獅性是貧指信涉號的郊相似慶和關成聯(lián)程杯度，相關賢分析嚇不僅浙可喚用于意確定兼性信翼號，職也可畜用于火隨機餅信號棒的檢京測、新識別宜和提串取等卷。相關部分析敵常用封相關赴函數(shù)挎（自相種關函腐數(shù)和走互相幸關函護數(shù)）或相關害系數(shù)來描庫述。（2）相遣關函肅數(shù)和截相關集系數(shù)隨機硬變量x(t)和y(t)在