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刘伟庭-现代测试技术1.pdf

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现代测试技术 刘伟庭 生物医学工程、仿生机器人科学与工程博士 邮箱: liuwt@zju.edu.cn ?手机: 13456857151 2011 年秋学期课程主要内容 : 1 、信息、信号与测试系统 2 、信息与信号处理的基本理论及方法 3 、传感与模拟信号处理技术 4 、数字信号处理技术 5 、现代信号处理方法 6 、机械工程中的常用测试设备与技术一般说来,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,显示记录装置则测量结果显示出来,提供给观察者或其它自动控制装置。 测试技术的基本概念 信息转换 信息提取在生产实践和科学实验中,常常需要测量、记录和分析 大量的物理现象及其参数的变化,这些物理现象和参数的变 化往往是通过测量装置或者仪器,把它变换成容易测量的物 理量—电压、电流等电信号。 如: 应力测试振动测试 这些 随时间的变化而变化的物理量就称为信号 ( Signal) 。 只有深知信号的内涵,才能了解信号中所携带 的具体信息。 信号的定义信息的说法信息就是信息,不是物质,也不是能量。信息就是人和外界互相作用的过程中互相交换的内容的名称 。 信息是熵的减少。因为熵是不定性的度量,所以信息就是能够用来消除不定性的东西。 意大利学者 —G.Longo 信息是事物之间的差异,而不是事物本身。 信息是事物运动 的状态和方式信号中携带着信息,但并非说信号就是信息。信息是人 类科学劳动创造的知识资源,人类的物质生活、精神文化 生活等一切活动都离不开信息。从技术角度看,人类认识 世界和改造世界的过程,就是不断获取信息、处理信息和 利用信息的过程。 没有信息,就没有创造和发展。 对于信息,一般可理解为 消息、情报 或知识 。 有人说, 信息就是消息 ,所谓得到了信息,就是得到了消息。 也有人说, 信息就是情报 。 还有人说, 信息就是知识 。 信息不能等同于消息、情报、知识,也不等同于信号。 信息的定义 信息就是事物运动的状态和方式。强调 :在这里,“ 事物” 是泛指一切范畴的事物,即包括一切形式的物质,也包括精神。而“运动” 也是最广义的运动,既哲学意义下的运动,宇宙间一切事物都在运动,绝对静止的事物是没有的。“ 状态” 和“ 方式” 是事物运动的两个基本侧面,“ 状态” 反映运动的相对稳定的一面;“ 方式” 反映运动的变化的一面。 信息本身不是物质,不具有能量,但信息的传输却依靠物质和能量,信息蕴涵于信号之中。 一个信号包含着多种信息,它反映了被测物理系统的状态或特 性,通过这些有用信息,可以达到三个目的 : ① 认识客观事物的内在规律; ② 研究事物之间的相互关系; ③ 预测未来发展状况。 测试工作的目的 获取研究对象中有用的信息,而信息蕴涵于信号之中。可见,测 试工作始终都需要与信号打交道,包括信号的获取,信号的调理和信 号的分析等。 信息与信号信号是信息的载体。不同于消息采用符号、文字、数字或语言来表示,信号采用声、光、电、磁、力、位移、速度、加速度等物理量来表示(可定量描述)。信号(Signal) 来源于拉丁语Signum ,意思是“ 信息矢量(Information Vector)” 。 信息与信号的关系信息的作用 ? 信息是宇宙三要素之一(物质、 能量和信息)。如果没有信息,人类将无法生存。 ?物质、能量与信息之间具有三位一体,相辅相成的关系。物质运动的动力是能量,而信息是关于物质运动状态的特征;只要有运动的物质,就需要有能量,也就会存在信息。预知信息 更好地生存物质、能量与信息三位一体 ?如果没有物质材料,就不存在加速度传感器、电荷放大器、信号分析仪等。 ?如果没有能量,电荷放大器和信号分析仪就无法工作。 ?如果没有信息,该连接组成的测试系统就失去了意义。信息的性质 ? 信息可以识别。信息可以通过人的感官直接识别,也可以通过各种探测工具间接识别。 ? 信息可以转换。信息可以由一种形态转换成另一种形态,如数码相机可以将外界带有信息的图象信号转换为二进制代码。 ? 信息可以存贮。人用脑神经细胞存贮信息;计算机采用内存或硬盘存贮信息;录像机、录音机采用磁带存贮信息。 ? 信息可以传输。人与人之间采用语言、表情、动作等传递信息;社会信息的传输采用报纸、杂志、广播等手段;工程中的信息则借助于机械、光、声、电器件等。信息科学 ?信息科学是研究信息现象及其规律的科学,包括:一是信息本身的有关规律;二是有关利用信息方面的规律。 ?信息科学与材料科学、能量科学三者成为当代科学技术的主要支柱。 ?信息科学的主体结构是信息论、控制论、系统论,人工智能是三者的综合利用。信息技术 ?凡是可以扩展人的信息功能的技术,都是信息技术。 ?信息技术包括测试技术、通信技术和计算机技术。测试技术是人类信息感受器官功能的扩展和延伸;通信技术是人类信息传输系统—神经系统功能的扩展和延伸;计算机技术是人类信息处理器官—大脑功能的扩展和延伸。信息技术和新技术革命的关系 ?信息技术是科学技术中三大基本技术之一(材料技术、信息技术和能源技术)。 ?新技术均由三大基本技术派生而来。 空间技术 海洋技术 生物技术 材料技术 信息技术 能源技术 微电子 技术 激光技术信息技术对传统技术改造的主要贡献实现工业生产过程的自动化FA(Factory Automation) 。信息论的概念 ? 信息论是一门应用数理统计方法研究信息传输与信息处理的新兴学科。 ? 信息论源于通信工程,其发展背景基于通信系统的以下问题:(1) 信息传输的效率;(2) 信息传输的准确性;(3) 噪声干扰;(4)信道频率特性,等等。 ? 现代信息论的基础:(1)1948 年美国科学家C. ?E. Shannon 发表了关于信源和信道特性的通信理论;(2)在同一时期,美国科学家N.Wiener ?发表了关于噪声理论,信号滤波和预测、统计、检测与估计理论,调制以及信息处理理论等。信息论的三理解 ? 狭义信息论。主要研究信息的测度、信息容量以及信源和信道编码理论等。这一部分即Shannon 信息基本理论。 ? 一般信息论。除了研究狭义信息论的内容,还包括噪声理论,信号滤波与预测,信号调制与信号处理,等等。这一部分理论的代表人是Wiener ?和前苏联科学家卡尔莫格洛夫。 ? 广义信息论。不仅研究上述内容,而且研究与信息有关的领域,如心理学、遗传学、神经生理学、语言学甚至包括社会学中有关信息的问题。信息论在测试技术领域中的应用 采用信息论的观点研究测试技术领域中的问题(始于20世纪60年代): ? 测试系统被视为广义通信系统。 ? 传感器被视为一个信息检测与转换装置。 ? 引入熵的概念,作为被观测系统不确定性的尺度。 ? 基于最大熵定理的最大熵谱分析方法。 ? 运用Shannon 信道容量理论分析测试系统的最佳信息传输条件。 ? 运用Wiener 滤波理论研究剔除噪声、提取源信号的方法。测试系统是一种广义通讯系统 信息源 观测者 传感器 分析处理 中间变换 记录存储 信源 信宿 发信器 受信器 信道为深入了解信号的物理实质,将其进行分类研究是非常必要的,从不同角度观察信号,可以将其分为: 1 按信号随时间的变化特征分类 --确定性信号与非确定性信号; 3 按信号的能量特征分类 --能量信号与功率信号; 信号的分类与描述 2 按信号幅值随时间变化的连续性分类 --连续信号与离散信号;确定性信号与非确定性信号 确定性信号:可用明确数学关系式描述的信号。 非确定性信号:不能用数学关系式描述的信号(随机 信号)。 信号 确定性信号 非确定性信号 周期信号 非周期信号 简单周期信号 复杂周期信号 准周期信号 瞬态信号 平稳随机信号 非平稳随机信号a) 周期信号:按一定时间间隔周而复始出现的信号 x ( t ) = x ( t + nT ) 简谐信号(正、余信号): 简单周期信号 m k A x ( t ) ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 0 0 sin ? t m k x t x 谐波信号+ = x 1 ?(t)=A 1 ?Sin(ω 1 ?t+ θ 1 ?) =A 1 ?Sin(2 π? 1 ?t+ θ 1 ?) ? ? ? ? ? ? ? ?=10Sin(2 π·3·t+ π/6) . x 2 ?(t)=A 2 ?Sin(ω 2 ?t+ θ 2 ?) =A 2 ?Sin(2 π? ?2 ?t+ θ 2 ?) =5Sin(2 π·2·t+ π/3) . x 3 ?(t)=10Sin(2 π·3·t+ π/6)+5Sin(2 π·2·t+ π/3) . + = 由多个乃至无穷多个频率成分叠加而成, 叠加后存在公共周期的信号 复杂周期信号:b) 非周期信号:能用数学式描述,再不会重复出现的信号。 准周期信号: 由多个周期信号合成,其中至少有一对频率比不是有理数 。如: ? ? 00 sin sin 2 xttt ? ? ?? ) 3 sin( ) 2 sin( ) ( 2 2 1 1 ? ? ? ? ? ? t A t A t x 如:瞬态信号: 在有限时间段内存在,或随着时间的增加而幅值衰减至零的信号,如 m A x ( t ) c k ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 0 0 sin ? t m k x e t x t ▲c) 非确定性信号:不能用数学式描述,其幅值、相位变化不 可预 知, 所描 述物 理现 象是一种随机过程。只能用概率的方法预测。 平稳与非平稳 ▲连续信号与离散信号 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ) ( ) ( ) ( ) ( 均离散 信号的幅值和独立变量 数字信号 独立变量离散 一般离散信号 离散信号 独立变量连续 一般连续信号 均连续 信号的幅值与独立变量 模拟信号 连续信号 信号 1 ) (t x 0t ) (t x 0t 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 (a) (b) ▲ 信号的分类与描述能量信号与功率信号 a)能量信号 当信号x(t) 在所分析的区间(-∞,∞),能量为有限值的信号称为能量信号,满足条件: 一般持续时间有限的瞬态信号是能量信号。 ? ? ? ? ? ? dt t x ) ( 2 瞬态信号 信号的分类与描述b) 功率信号 当信号x(t)在所分析的区间(- ∞,∞),能量 。此时,在有限区间(t 1 ?,t 2 ?) 内的平均功率是有限的。 一般持续时间无限的信号都属于功率信号。 噪声信号 复杂周期信号 ? ? ? ? ? ? dt t x ) ( 2 ? ? ? ? 2 1 ) ( 1 2 1 2 t t dt t x t t 信号的分类与描述时限信号与频限信号 a)时限信号 当信号x(t) 在有限的时间区间(t 1 ,t 2 )内定义,而其外恒等于零的信号。 信号的分类与描述b) 频限信号 在频率域内只在(f 1 ,f 2 )上有定义,而其外恒等于零的信号。 定理:一个严格的频限信号,不能同时又是时限信号;反之亦然。 信号的分类与描述连续时间信号与离散时间信号 a)连续时间信号 在所讨论的时间间隔内,对于任意时间值,除有限个第一类间断点外,都可以给出确定的函数值,此类信号称为连续时间信号。 信号的分类与描述b) 离散时间信号 在所讨论的时间间隔内,在所规定的不连续的瞬时给出函数值,此类信号成为离散时间信号。如果函数值连续,则又称为采样信号;如果函数值也不连续,则称为数字信号。 信号的分类与描述物理可信号与物理不可实现信号 a)物理可实现信号 满足条件时,即在时间小于零的一侧,信号全为零,信号完全由大于零的一侧决定。一个实际物理系统,在受到激励前应该是不会有输出信号的,假设激励时刻为计时起点,则物理系统的输出为物理可实现信号。这也是物理可实现信号的由来。 信号的分类与描述 0 ? t 0 ) ( ? t x b) 物理不可实现信号 不满足物理可实现信号条件的信号为物理不可实现信号。信号理论的研究内容和应用领域 a)信号理论研究信号分析、信号处理和信号综合问题。 ? 信号表示方法; ? 主要性质和数字特征; ? 不同信号处理器的信号变换性质、处理算子的表示方法; ? 按照各种性能要求的波形综合方法等。 信号的分类与描述 b) 信号理论的应用范围很广。 ? 广义通讯系统( 含通讯、雷达、导航、智能化仪器、模式识别、语音、图象处理系统等) ? 大气物理、地质物理、生物医学工程等不同学科领域涉及到信号提取和处理的应用。系统的概念 ? 系统是由若干个相互作用、相互依赖的事物(元件)组合而成的具有特定功能的整体。 ? 系统是一个数学模型,是对输入和输出关系的物理过程的描述。根据系统分析的需要,系统被分类: 1连续时间系统与离散时间系统 系统的分类 2即时系统与动态系统 3集总参数系统与分布参数系统 4线性系统与非线性系统 5时变系统与非时变系统 6因果系统与非因果系统连续时间系统与离散时间系统 a)连续时间系统 输入和输出信号全部是连续时间信号的系统。连续时间系统的数学模型通常用微分方程式表示。 系统的分类b) 离散时间系统 输入和输出信号全部是离散时间信号的系统。离散时间系统的数学模型通常用差分方程式表示。 系统的分类即时系统与动态系统 a)即时系统 系统的输出信号只决定与同时刻的输入信号,而与过去时刻的输入信号和系统过去的状态没有关系。该系统又称为“无记忆系统”。其数学模型通常可用代数方程来描述 系统的分类b) 动态系统 系统的输出信号不仅取决于同时刻的输入信号,而且还与过去时刻的输入信号和系统过去的状态有关系。其数学模型通常可用微分方程或差分方程来描述。 系统的分类集总参数系统与分布参数系统 a)集总参数系统 由集总参数元件组成的系统。其数学模型通常可表示为常微分方程。 系统的分类b) 分布参数系统 由分布参数元件组成的系统。其数学模型通常可表示为偏微分方程。 系统的分类线性系统与非线性系统 a)线性系统 满足叠加性和齐次性的系统为线性系统。若系统的数学模型,且, 为常数,有 叠加性: 齐次性: 系统的分类 b) 非线性系统 不满足叠加性和齐次性的系统为非线性系统。时变系统与非时变系统 a)时变系统 系统的参数随时间变化。如前述线性连续时不变系统数学模型中各系数为时间的函数,则为时变系统,即 系统的分类 b) 非时变系统 系统的参数不随时间变化。因果系统与非因果系统 a)因果系统 如果时,输入,则相应地,在时,输出,则该系统为因果系统。显然,所有运行的实际物理系统都是因果系统。 系统的分类 b) 非因果系统 不满足因果系统条件的系统为非因果系统。非因果系统只有理论研究的意义。a)时域分析方法 该方法直接分析时间变量的函数,研究系统的时间响应特性,可以利用经典方法求解微分方程。对于线性系统可采用卷积积分法求解。 b) 变换域分析方法 该方法普遍适用于线性系统,它将时域函数变换成相应变换域中的某种变量的函数,该变换域有频率域、s 域或z ?域。该方法将时域分析方法中的微分、积分运算变换为乘法运算,将微分方程变换为代数方程,从而提高计算效率。 系统的分析方法1线性系统的特征 线性系统的特征 2线性系统的脉冲响应函数 3线性系统的频响函数 4线性系统的传递函数 5线性系统的稳定性系统输入x(t)和输出y(t)间的关系可以用常系数线性微分方程来描述: 线性系统(时域描述) 一般在工程中使用的测试装置都是线性系统。 0 1 1 1 ) ( ... ) ( ) ( a t y a t y a t y a n n n n ? ? ? ? ? 0 1 1 1 ) ( ... ) ( ) ( b t x b t x b t x b m m m m ? ? ? ? ? ?a)叠加性 系统对各输入之和的输出等于各单个输入的输出之和,即 若x1(t) → y1(t),x2(t) → y2(t) ?则x1(t)±x2(t) → y1(t)±y2(t) ?b)比例性 常数倍输入所得的输出等于原输入所得输出的常数倍,即: 若x(t) ? →y(t) ?则kx(t) →ky(t) ? 线性系统特征c)微分性 系统对原输入信号的微分等于原输出信号的微分,即 若x(t) →y(t) ?则x'(t) →y'(t) ?d)积分性 当初始条件为零时,系统对原输入信号的积分等于原输出信号的积分,即 若x(t) ? →y(t) ?则∫x(t)dt→∫y(t)dt 线性系统特征e)频率保持性 若系统的输入为某一频率的谐波信号,则系统的稳态输出将为同一频率的谐波信号,即 若x(t)=Acos(ωt+φx) ?则y(t)=Bcos(ωt+φy) 线性系统的这些主要特性,特别是符合叠加原理和频率保持性,在测量工作中具有重要作用。? 脉冲响应函数是系统对理想单位脉冲信号的响应,即 ? 线性系统的输出可表示为系统输入和脉冲响应函数的卷积,即 线性系统的脉冲响应函数若装置的输人为单位脉冲δ(t) ,因δ(t) 的傅立叶变换为1 ,因此装置输出y(t)的傅立叶必将是H(f),即Y(f)=H(f) ,或y(t)=F -1 [H(S)],并可以记为h(t) ,常称它为装置的脉冲响应函数或权函数。 时域波形参数识别 优点:直观 缺点: 简单系统识别脉冲响应函数测量 实验求脉冲响应函数简单明了,产生一个冲击信号,再测量系统输出就可以了。 案例:桥梁固有频率测量 原理:在桥中设置一三角形障碍物,利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励,再通过应变片测量桥梁动态变形,得到桥梁固有频率。? 线性系统的频率响应函数是脉冲响应函数的傅立叶变换,即 ? 系统输出的傅立叶变换可表示为系统输入傅立叶变换和频率响应函数的乘积,即 线性系统的频率响应函数 ? 系统的幅频特性函数和相频特性函数? 线性系统的传递函数是脉冲响应函数的拉氏变换,即 ? 系统输出的拉氏变换可表示为系统输入拉氏变换 和传递函数的乘积,即 线性系统的传递函数? 脉冲响应函数如果绝对可积的,则系统是稳定的,即 ? 传递函数的全部极点都落在左半平面,则系统是稳定的;如果落在轴上,则是边界稳定的。 线性非时变系统的稳定性 ? 不符合以上任一种情形的,系统不稳定测试系统的特点 ? 测试系统一般由传感器、中间变换装置、记录存贮装置、信号分析处理装置以及用于传输信号的设备等组成。 ? 测试系统多被视为线性时不变系统,即Linear ?Time-invariant Systems(LTS) 。 ? 理想测试系统的条件是其幅频特性为常数,而相频特性为线性函数。 ? 测试系统的性能指标包括静态特性和动态特性。如果测量时,测试装置的输入、输出信号不随时间而变化,则称为静态测量。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。 测试系统静态响应特性 a)灵敏度 当测试装置的输入x 有一增量△x ,引起输出y 发生相应的变化△y 时,则定义: ?S= △y/ △x b) 非线性度 标定曲线与拟合直线的偏离程度就是非线性度。 非线性度=B/A×100% c) 回程误差 测试装置在输入量由小增大和由大减小的测试过程中,对于同一个输入量所得到的两个数值不同的输出量之间差值最大者为hmax,则定义回程误差为 回程误差=(hmax/A) ×100%d) 静态响应特性的其他描述 精度:是与评价测试装置产生的测量误差大小有关的指标。 灵敏阀:又称为死区,用来衡量测量起始点不灵敏的程度。 分辨力:指能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量,表明测试装置分辨输入量微小变化的能力。 测量范围:是指测试装置能正常测量最小输入量和最大输入量之间的范围。 稳定性:是指在一定工作条件下,当输入量不变时,输出量随时间变化的程度。 可靠性:是与测试装置无故障工作时间长短有关的一种描述。在测量过程中,除了待测量信号外,各种不可见的、随机的信号可能出现在测量系统中。这些信号与有用信号叠加在一起,严重扭曲测量结果。 测量系统的抗干扰1)电磁干扰: 干扰以电磁波辐射方式经空间串入测量系统。 2)信道干扰:信号在传输过程中,通道中各元件产生的 噪声或非线性畸变所造成的干扰。 2)电源干扰:这是由于供电电源波动对测量电路引起的 干扰。 一 般 说来,良好的屏蔽及正确的接地可去除大部分的电磁波干扰。使用交流稳压器、隔离稳压器可减小供电电源波动的影响。信道干扰是测量装置内部的干扰,可以在设计时选用低噪声的元器件,印刷电路板设计时元件合理排放等方式来增强信道的抗干扰性。

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