第二章 動態(tài)測試技術(shù)的基礎(chǔ)知識

工程測試及系統(tǒng)設(shè)計中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院第二章動態(tài)測試技術(shù)的基礎(chǔ)知識-1第二章動態(tài)測試技術(shù)的基礎(chǔ)知識

§2-1工程測試常用術(shù)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(shí)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(shè)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(shù)常用術(shù)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(zhǔn)量單位測量：比較倍數(shù)（結(jié)果）特征：

1）測量的定義為確定被測對象的量值而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行比較。即無需經(jīng)過函數(shù)關(guān)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(dǎo)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(guān)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(guān)系（通常是線性關(guān)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(diǎn)：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(xué)關(guān)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(yùn)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(xué)性，則：

●1、作比較的標(biāo)準(zhǔn)必須是精確已知的，得到公認(rèn)的；

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

對被測對象在試驗(yàn)過程中進(jìn)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(shè)備和測試技術(shù)。測試系統(tǒng)：對被測對象進(jìn)行測試的全部配套儀器設(shè)備的總稱。測試技術(shù)：研究如何對被測試對象進(jìn)行測試的實(shí)施方案?！皺z等測/測試組”是哪測量驚，“鵝計量牽”也匆是測讓量，廈兩者淡有什母么區(qū)拜別呢茅？一般爐說來膛，“計棒量”是指瓜用精民度等買級更淹高的護(hù)標(biāo)準(zhǔn)混量具梢、器虛具或通標(biāo)準(zhǔn)暑儀器煤，對機(jī)被測陰樣品痛、樣巨機(jī)進(jìn)畢行考輔核性薄質(zhì)的凍測量俯；這剛種測應(yīng)量，通常川具有塊非實(shí)杠時及怕離線充和標(biāo)訪定的筐性質(zhì)，一襯般在得規(guī)定待的具慕有良救好環(huán)值境條肯件的音計量答室、躍實(shí)驗(yàn)近室采啞用比變對被會測樣麗品、連樣機(jī)灶、更給高精淡度并億按有逮關(guān)計曬量法奴規(guī)經(jīng)豬定期叫校準(zhǔn)蔑的標(biāo)圣準(zhǔn)量統(tǒng)具、名器具評或標(biāo)買準(zhǔn)儀評器進(jìn)臟行。而“檢槽測/測試貴”通常劇是指腫在生敞產(chǎn)、闊實(shí)驗(yàn)谷等現(xiàn)炭場，靜利用寶某種化合適慣的檢沿測儀抓器或霞綜合掠測試器系統(tǒng)闊對被堪測對檢象進(jìn)飾行在孕線、液連續(xù)調(diào)的測早量。二、下標(biāo)定在專展用(或通蠢用)的設(shè)鞭備上付，將形測試蛾系統(tǒng)若的輸娛出量科與相們同條揉件下躁的某吼一標(biāo)被準(zhǔn)輸畏出量亡進(jìn)行混比較曾，而頓給予倉數(shù)量桿概念酷的工亞作過差程。潑或者森說通嗚過試道驗(yàn)建堡立測披試系膏統(tǒng)的搞輸入狀量與榆輸出貝量之炮間的管關(guān)系煉。標(biāo)定土分靜純態(tài)標(biāo)昂定和仁動態(tài)句標(biāo)定:靜態(tài)慘標(biāo)定干：確定贊測試鼓系統(tǒng)墓的靜踐態(tài)特嗓性指艙標(biāo)，饑如線很性度槳、靈艙敏度垂、精榆度、全遲滯程性和迅重復(fù)深性等寇。動態(tài)訓(xùn)標(biāo)定幫：確定尖測試棋系統(tǒng)觸的動懲態(tài)特格性參果數(shù)，采如時烈間常剃數(shù)、錢上升互時間繼或工良作頻椒率、灣通頻奶帶等該。§2么-2信號超的分劣類、帽分析價及處易理一、筋信號獎分類滾與描奇述二、鋪信號腹的時冰域分脫析三、螺信號羞的幅藥值域擇分析四、棍信號丑分析展與處獲理為深裁入了誤解信盼號的拴物理桶實(shí)質(zhì)播，研丟究信潤號的嚇分類趟是非極常必開要的林，從耳不同栗角度悠觀察癢信號槐：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按信徑號的栗能量李特征毅分類——能量欺信號固與功猛率信抬號；2按信敵號幅粘值隨量時間狂變化志的連劍續(xù)性巧分類——連續(xù)群信號搏與離慢散信蝕號；▼▼▼4從分運(yùn)析域帶上分組類——時域壺信號列與頻喜域信聽號；▼一損信號測的分站類與粥描述1.確定灘性信斯號與銳非確攝定性外信號確定槳性信牢號：可勵用明萍確數(shù)鼠學(xué)關(guān)府系式祥描述凱的信未號。非確燒定性乞信號：不擊能用蹤蝶數(shù)學(xué)譜關(guān)系面式描劑述的媽信號塑。信號確定煮性信透號非確盾定性脂信號周期榜信號非周永期信短號簡單省周期擦信號一般增周期激信號準(zhǔn)周找期信索號瞬態(tài)鬼信號平穩(wěn)團(tuán)隨機(jī)鏡信號非平停穩(wěn)隨詠機(jī)信洪號▼▼▼▼▼周期佛信號姥：按告一定徑時間江間隔惑周而擔(dān)復(fù)始肥出現(xiàn)辦的信驅(qū)號x(t)=x(t+nT)簡單周期信號一般周期信號諧波親信號頻率付單一蜂的正佩弦或趕余弦良信號宣。簡單駁周期讓信號蕩：信號迷的“墾波形起”信號爸波形伏：被測猛信號粒信號發(fā)幅度奇隨時搏間的拉變化績歷程獄稱為酬信號禾的波松形。信號啊波形歲圖：用被雁測物培理量遮的強(qiáng)局度作奶為縱域坐標(biāo)西，用旋時間武做橫算坐標(biāo)污，記晃錄被呼測物蔥理量暢隨時偏間的秋變化光情況漢。▲振動旅弦(聲源)聲級榨計記錄嘩儀0At+=x1(t還)=夕A1Si望n(ω1t+夕θ1)=A1Si礙n(2語π?1t+挪θ1)=1添0Si邊n(2延π·棟3·喘t+塵π/墨6)x2(t奶)=撫A2Si挺n(ω2t+際θ2)=A2Si久n(2送π?2t+繭θ2)=5Si摧n(2陸π·龍2·旗t+執(zhí)π/儉3)x3(t攪)=鈴10Si錄n(2圍π·勝3·輝t+朝π/賞6)+5Si嗚n(2欺π·男2·杰t+反π/哀3)+=由多個乃至無窮拔多個頻率井成分巖疊加甲而成穩(wěn)，疊加際后存填在公共叔周期的信林號一般蒜周期良信號:▲周期由性三潔角波周期揉性方添波b)非周霞期信塔號：拴再不農(nóng)會重墓復(fù)出散現(xiàn)的收信號地。準(zhǔn)周勺期信油號:由多蓋個周寒期信預(yù)號合球成，帳其中績至少尚有一苦對頻雪率比不是信有理棵數(shù)?！矐B(tài)熄信號:在有寇限時確間段皺內(nèi)存她在，或隨著吉時間餓的增拼加而聰幅值嘴衰減匆至零拘的信傘號。0(a要)錘擊鏈物體械的力游信號(b)T’段為招汽車陵加速蓄過程啦信號(c倡)半個女正弦肚信號(d撤)矩形靠窗信污號▲c)非確搭定性侵信號武：不烏能用蹄數(shù)學(xué)恨式描只述，咽其幅道值、竊相位逼變化娛不可疼預(yù)知倚，所傘描述樹物理灰現(xiàn)象貧是一赤種隨公機(jī)過畢程。平穩(wěn)鉛與非涂平穩(wěn)▲噪聲信號(平穩(wěn))噪聲信號(非平穩(wěn))統(tǒng)計特性變異(a憤)汽車告速度辦連續(xù)得信號(b央)開水暑房鍋肚爐水燥溫度齊的變堵化連答續(xù)信旨號2.連續(xù)娃信號剃與離揮散信踏號(c屠)每日符股市外的指負(fù)數(shù)變阿化（離么散信院號）(d卡)某地稻每日允的平晝均氣召溫變唱化（離左散信震號）(e瓜)每隔5分鐘陷測定購開水僅房鍋很爐水認(rèn)的溫倡度變革化（賭離散碎信號焰）(f側(cè))每隔2微妙豈對正獻(xiàn)弦信加號采柔樣獲誕得的四離散修信號▲3.能量欄信號瞞與功賓率信眾號a)能量忍信號當(dāng)信拆號x(t)在所墨分析傲的區(qū)聲間（-∞，∞有），脖能量截為有疑限值乏的信炊號稱延為能賄量信鉤號，侵滿足盞條件歲：一般持續(xù)害時間貪有限的瞬木態(tài)信臣號是驢能量禍信號羞。b)功率爽信號當(dāng)信史號x(胖t)在所缺分析聲的區(qū)皺間（-∞，∞紹），芳能量此時掠，在仇有限扛區(qū)間(t1,t2)內(nèi)的擁平均摧功率熄是有光限的引。一般持續(xù)棋時間雙無限的信疊號都已屬于宰功率彈信號看。噪聲信號一般周期信號▲信號插“域鵲”的膊不同慌，是己指信譜號的獨(dú)立榆變量不同泳，或光描述艦信號比的橫研坐標(biāo)屬物理頭量不協(xié)同。信號旁的時未域描裂述：淹以時間為獨(dú)篇立變喇量，榜其強(qiáng)鞠調(diào)信嗚號的幅值受隨時牌間變棒化的特灑征。信號悟的頻筑域描蘋述：旺以角頻禾率或抖頻率為獨(dú)壯立變魄量，骨其強(qiáng)吐調(diào)信鹽號的幅值少和相討位隨往頻率顛變化的特定征。4.時域柱和頻有域信管號信號廟的“君域”時域頻域時域秒描述飼：反投映信侵號隨腹時間其變化頻域牲描述間：反演映信屯號的停組成副成分同一嗎信號乘無論增選用雞哪種出描述盡方法乒都含詢有同追樣的淺信息聞量信號氏的分愁類與狼描述信號慰的時涉域波采形分和析是逼最常覽用的隙信號變分析沫手段剪，用嘆示波摧器、壘萬用四表等阿普通映儀器房誠直接暮顯示悟信號挎波形沈，讀深取特結(jié)征參朽數(shù)。1、信號波形圖

tA2、周確期T，頻率f=換1/羞TT

3、峰事值P，雙懶峰(o樣r峰峰)值Pp-如pPPp-p二飲信舌號的寨時域勾波形叮分析4、均嘴值均值E[召x(素t)窩]表示奴集合串平均膀值或抱數(shù)學(xué)剪期望杠值。0At均值兔：反顏映了遣信號衡變化黃的中罷心趨狐勢，母也稱匹之為喘直流蝴分量竿。周期映信號偏中的辛均值方是指妻信號六在一航個周藍(lán)期內(nèi)靠幅值社對時逮間的五平均.5、均挎方值工程憂測量鉗中儀扒器的芝表頭陳示值紹就是獅信號趴的有版效值列。信號餡的均悄方值E[只x2(t恭)]，表達(dá)閃了信唐號的蝦強(qiáng)度線；其低正平志方根販值，買又稱牌為有莖效值(R皇MS舍)，也是味信號浴平均西能量清的一郵種表趨達(dá)。均方庭值（求平均堂功率珠）有效衣值(R清MS嗎)6、方次差方差慢：反慕映了滋信號鬧繞均范值的艇波動嚇程度卡。信號x(倒t)的方奪差定蚊義為供：x(李t)t7、波萄形分相析的收應(yīng)用超門限報警信號類型識別信號基本參數(shù)識別Pp-p案例紙：旅游催索道延鋼纜顆檢測超門限報警

三蛾信號笨的幅癢值域匯分析1概率膊密度坦函數(shù)以幅頂值大精小為槳橫坐自標(biāo)，訪以每管個幅陽值間窮隔內(nèi)緊出現(xiàn)向的概翠率為望縱坐出標(biāo)進(jìn)姿行統(tǒng)其計分覆析的推方法棍。它房誠反映趕了信模號落登在不即同幅第值強(qiáng)顧度區(qū)銳域內(nèi)趙的概恢率情理況。p(x)的計算方法

2直方倉圖以幅狗值大彈小為量橫坐然標(biāo)，威以每暗個幅氧值間蹦隔內(nèi)鋼出現(xiàn)砍的頻昆次為滾縱坐驗(yàn)標(biāo)進(jìn)嗽行統(tǒng)野計分奸析的躍一種洗方法拋。直方圖概率密度函數(shù)歸一化3、概納率分污布函仍數(shù)概率命分布包函數(shù)車是信旦號幅夢值小晃于或汗等于杰某值R的概難率，機(jī)其定孫義為透：概率鏟分布屠函數(shù)察又稱譜之為勝累積究概率增，表局示了泛落在旬某一餐區(qū)間嘴的概嫩率。四奮信號屈分析曬及處爺理1數(shù)字理信號婦處理柿基礎(chǔ)通常梯把研贏究信費(fèi)號的爬構(gòu)成蘋和特陪征值歌稱為信號盞分析把信蝕號經(jīng)異過必窩要的針變換廳以獲受取所績學(xué)信選息的臘過程棟稱為信號令處理模擬鋪信號處理漿系統(tǒng)奔和數(shù)字以信號處理羨系統(tǒng)數(shù)字偷信號閥處理躺主要僅研究鍋用數(shù)字?jǐn)[序列來表怒示測侵試信靠號，辭并用數(shù)學(xué)乘公式和運(yùn)算來對沫這些在數(shù)字膊序列則進(jìn)行顏處理厚。其由主要嗽內(nèi)容警包括隨數(shù)字波形術(shù)分析、幅值需分析、頻譜潮分析和數(shù)字迎濾波。如：00憤1嶺0清11損11蚊0婚11忘1糧…采樣（1）數(shù)字膀信號模擬作信號離散乒時間福信號時間佛離散幅值法連續(xù)量化＋編福碼離散各時間仇信號數(shù)字吼信號量化――把采慨樣信醬號x(n倒Ts)經(jīng)過舍入變?yōu)榭嘀挥芯嘤邢弈槀€有狠效數(shù)撇字的結(jié)數(shù)，硬這一供過程斗稱為量化．時間構(gòu)離散幅值抵連續(xù)1367315077量化般誤差量化荒又稱泉幅值谷量化甘，就閉是將督模擬羨信號河采樣銳后的x(nTs)的電殃壓幅劑值變追成為螞離散請的二麥進(jìn)制筑數(shù)碼曾，其匹二進(jìn)安制數(shù)成碼只斃能表歸達(dá)有膝限個欄相應(yīng)瞎的離賣散電銅平(稱之彎為量碰化電革平)，這患一過月程稱艇為量化。若蠶取信辨號x(慰t)可能婚出現(xiàn)揭的最詳大值A(chǔ)，令還其分卸為D個間耐隔，肝則每著個間攀隔的老長度橋?yàn)镽=A/D，R稱為苗量化鋸增量麗或量胖化步爸長。真當(dāng)采貧樣信檢號x(nTs)落在屈某一涂小間廈隔內(nèi)瞞，經(jīng)辜過舍勝入或何者截軍尾的職方法翁而變朗為有餐限值猶時，忌則產(chǎn)倘生量化綱誤差?！纠繉⒎d值為A=1優(yōu)00嘆0的諧平波信始號按6，8，18等分闖量化飄，求及其量筒化后妄的曲啟線。2數(shù)字喉信號椅處理僑的基季本步眼驟物理信號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)字剪信號兩分析扯儀或褲計算丘機(jī)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采樣呈、混逢疊和夸采樣種定理采樣削間隔睜的選辯擇是虜一個捆重要喜的問悄題。個采樣渾間隔臨太小(采樣緩頻率躲高)，則減對定帶長的芹時間壟記錄閃來說必其數(shù)沖字序范列就近很長(即采趟樣點(diǎn)槍數(shù)多)，使般計算盤工作獄量增筒大；花如果舍數(shù)字鞏序列長長度性一定舉，則壇只能爭處理撤很短忍的時芒間歷殺程，琴可能描產(chǎn)生村很大驢的誤膚差。管若采溉樣間禿隔太磚大(采樣葉頻率鞠低)，則鹽可能胃丟失與有用關(guān)的信伐息?！纠繉π咆偺柡突谶M(jìn)行萍采樣雀處理冬，采找樣間充隔Ts=理1/懼40，即述采樣俘頻率fs=4蠟0H諸z。請仁比較昨兩信柳號采厲樣后勢的離犯散序宋列的壞狀態(tài)獲。信號饅采樣排和混忘疊采樣旬頻率采樣質(zhì)時間按此涂采樣鋤頻率弟，兩康個信羊號數(shù)緩字信慰號相伴同x1(t)x2(t)從上趴面分牲析可晴以看嗎出：經(jīng)采億樣后失，在億采樣壟點(diǎn)上違兩者澤的瞬立時值押完全澇相同妙，即柱獲得插了相連同的文數(shù)學(xué)錫序列籠。這能樣，章從采津樣結(jié)禍果(數(shù)字侮序列)上看呈，就雖不能絲式分辨丹出數(shù)東字序拒列來的自于x1(t)還是x2(t)，不照同頻乏率的浴信號x1(t)和x2(t)的采槳樣結(jié)冠果的披混疊訪，造各成了“頻房誠率混司淆”現(xiàn)象哭。若模斤擬信對號x(t)為有護(hù)限帶掌寬信脂號，畢其最倆高頻璃率為fc，為秤了避升免混靜疊，脅以使撒采樣購處理染后仍腹有可山能恢喂復(fù)原福信號壟，則南采樣厭頻率fs必須和大于舊或等倒于最析高頻寧率fc的兩擋倍，男即對研念究對慕象感興釋趣的告頻率可能勺遠(yuǎn)小笛于研掀究對容象的巴最高須頻率fc，這絹樣，玻在信檔號采歸集之火前用幻玉一個抗混套頻濾疊波器，把傘不感葡興趣漿的頻揚(yáng)率成籃分先線濾掉端。采樣(香農(nóng)呈）定騰理4相關(guān)黎分析廚及應(yīng)殃用（1）相斯關(guān)的疑概念相關(guān)趴：指掏兩變洗量之互間的線性關(guān)系人的期身高炕和體轎重的炕關(guān)系確定夢性信設(shè)號：確兩個擴(kuò)變量t、y之間林用函數(shù)準(zhǔn)關(guān)系來描坑述y=律10姓si恰n(嫩2π訓(xùn)?t+饒φ0)相關(guān)衡性是討指信鑒號的榆相似掘和關(guān)咐聯(lián)程局度，相關(guān)撫分析掃不僅嬌可慰用于朵確定旋性信竊號，錯也可棍用于涉隨機(jī)押信號熊的檢巾測、詞識別學(xué)和提耀取等灘。相關(guān)都分析巾常用值相關(guān)叛函數(shù)梢（自相途關(guān)