工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)課件

工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)

第一章、緒論本章學(xué)習(xí)要求：1.掌握測(cè)試技術(shù)的概念及研究?jī)?nèi)容2.了解測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用情況3.了解測(cè)試技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)4.了解主要測(cè)試儀器生產(chǎn)廠商工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)第一章、緒論1.1測(cè)試技術(shù)的基本概念

測(cè)試技術(shù)是實(shí)驗(yàn)科學(xué)的一部分，主要研究各種物理量的測(cè)量原理和測(cè)量信號(hào)分析處理方法。

測(cè)試技術(shù)是進(jìn)行各種科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究和生產(chǎn)過程參數(shù)測(cè)量必不可少的手段，起著人的感官的作用。簡(jiǎn)單的測(cè)試系統(tǒng)可以只有一個(gè)模塊，如玻璃管溫度計(jì)。它直接將被溫度變化轉(zhuǎn)化液面示值。沒有電量轉(zhuǎn)換和分析電路，很簡(jiǎn)單，但精度低，無法實(shí)現(xiàn)測(cè)量自動(dòng)化。

為提高測(cè)量精度和自動(dòng)化程度，以便于和其它環(huán)節(jié)一起構(gòu)成自動(dòng)化裝置，通常先將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電量，再對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理和輸出。如圖所示的聲級(jí)計(jì)。

一般說來，測(cè)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。1.1測(cè)試技術(shù)的基本概念

被測(cè)對(duì)象傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)器記錄.顯示.分析處理伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)被測(cè)信號(hào)U、IR、L、CU、I信息轉(zhuǎn)換信息提取

傳感器將被測(cè)物理量(如噪聲,溫度)檢出并轉(zhuǎn)換為電量，中間變換裝置對(duì)接收到的電信號(hào)用硬件電路進(jìn)行分析處理或經(jīng)A/D變換后用軟件進(jìn)行信號(hào)分析，顯示記錄裝置則測(cè)量結(jié)果顯示出來，提供給觀察者或其它自動(dòng)控制裝置。

電量及非電量在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中及生產(chǎn)制造過程中，研究與觀測(cè)的對(duì)象是多種多樣的，因此，物理量也是多種多樣的，這些物理量可大致分為兩大類，即電量與非電量。電量：電流I、電壓V、電荷Q、電功率W、電路參數(shù)R、L、C和電信號(hào)頻率f等等；非電量：除電量以外的一切物理量，如高度、速度、重量、壓力、溫度等。

非電量電測(cè)技術(shù)

自從人類發(fā)現(xiàn)了電能并加以利用以后，伴隨著出現(xiàn)了各種電量的測(cè)量?jī)x表。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，使對(duì)電量的測(cè)量技術(shù)相應(yīng)得到提高。電量的測(cè)量特點(diǎn)是機(jī)械量測(cè)量所不能比擬的，基于電量測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，人們根據(jù)一些物理原理及效應(yīng)，把一些非電量轉(zhuǎn)化成電量，然后用電測(cè)儀表對(duì)其進(jìn)行測(cè)量和標(biāo)定，這就形成了非電量電測(cè)法—用電量測(cè)量方法來測(cè)量非電量。

非電量電測(cè)法的特點(diǎn)：使測(cè)量?jī)x器統(tǒng)一化，規(guī)格化。不同的非電量轉(zhuǎn)換成相同的電量，使后繼儀器標(biāo)準(zhǔn)化。便于信號(hào)長距離傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及控制。對(duì)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量（信號(hào)隨時(shí)間變化），可測(cè)量其瞬時(shí)值及變化過程。可測(cè)微小信號(hào)及瞬變信號(hào)（作用時(shí)間很短）。易于與計(jì)算機(jī)聯(lián)接，分析處理方便。第一章、緒論1.2測(cè)試技術(shù)的工程應(yīng)用

在工程領(lǐng)域，科學(xué)實(shí)驗(yàn)、產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)監(jiān)督、質(zhì)量控制等，都離不開測(cè)試技術(shù)。測(cè)試技術(shù)應(yīng)用涉及到航天、機(jī)械、電力、石化和海洋運(yùn)輸?shù)让恳粋€(gè)工程領(lǐng)域。

1、工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用

a)機(jī)械手、機(jī)器人中的傳感器

轉(zhuǎn)動(dòng)/移動(dòng)位置傳感器、力傳感器、視覺傳感器、聽覺傳感器、接近距離傳感器、觸覺傳感器、熱覺傳感器、嗅覺傳感器。

1.2測(cè)試技術(shù)的工程應(yīng)用

在各種自動(dòng)控制系統(tǒng)中，測(cè)試環(huán)節(jié)起著系統(tǒng)感官的作用，是其重要組成部分。密歇根大學(xué)的機(jī)械手裝配模型廣州中鳴數(shù)碼的機(jī)器狗b)AGV自動(dòng)送貨車

超聲波測(cè)距傳感器、判斷建筑物內(nèi)人和物所在位置；紅外線色彩傳感器運(yùn)動(dòng)軌跡和AGV小車位置識(shí)別；條形碼傳感器，貨品識(shí)別。1.2測(cè)試技術(shù)的工程應(yīng)用

香港理工AGV模型c)生產(chǎn)加工過程監(jiān)測(cè)1.2測(cè)試技術(shù)的工程應(yīng)用

切削力傳感器，加工噪聲傳感器，超聲波測(cè)距傳感器、紅外接近開關(guān)傳感器等。密歇根大學(xué)數(shù)字化工廠1.2測(cè)試技術(shù)的工程應(yīng)用

2、流程工業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控

在電力、冶金、石化、化工等流程工業(yè)中，生產(chǎn)線上設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系到整個(gè)生產(chǎn)線流程。通常建立24小時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。石化企業(yè)輸油管道、儲(chǔ)油罐等壓力容器的破損和泄露檢測(cè)。揚(yáng)子石化50MW熱電機(jī)組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)陽邏電廠300MW汽輪機(jī)組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)荊門電廠200MW機(jī)組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)青山熱電廠生產(chǎn)信息實(shí)時(shí)查詢系統(tǒng)沙角電廠生產(chǎn)信息實(shí)時(shí)查詢系統(tǒng)寶鋼30KW以上風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)寶鋼精軋F(tuán)2軋機(jī)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)寶鋼冷軋帶鋼振動(dòng)紋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)武鋼風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)1.2測(cè)試技術(shù)的工程應(yīng)用

3、產(chǎn)品質(zhì)量測(cè)量

在汽車、機(jī)床等設(shè)備，電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等零部件出廠時(shí)，必須對(duì)其性能質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量和出廠檢驗(yàn)。

圖示為汽車出廠檢驗(yàn)原理框圖，測(cè)量參數(shù)包括潤滑油溫度、冷卻水溫度、燃油壓力及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等。通過對(duì)抽樣汽車的測(cè)試，工程師可以了解產(chǎn)品質(zhì)量。汽車扭距測(cè)量機(jī)床加工精度測(cè)量1.2測(cè)試技術(shù)的工程應(yīng)用

4、樓宇控制與安全防護(hù)

為使建筑物成為安全、健康、舒適、溫馨的生活、工作環(huán)境，并能保證系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和管理的智能化。在樓宇中應(yīng)用了許多測(cè)試技術(shù)，如闖入監(jiān)測(cè)、空氣監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、電梯運(yùn)行狀況。

圖示為某公司樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為：電源管理、安全監(jiān)測(cè)、照明控制、空調(diào)控制、停車管理、水/廢水管理和電梯監(jiān)控。煙霧傳感器亮度傳感器紅外人體探測(cè)器1.2測(cè)試技術(shù)的工程應(yīng)用

5、家庭與辦公自動(dòng)化

在家電產(chǎn)品和辦公自動(dòng)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，人們大量的應(yīng)用了傳感器和測(cè)試技術(shù)來提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量。全自動(dòng)洗衣機(jī)中的傳感器：衣物重量傳感器，衣質(zhì)傳感器，水溫傳感器，水質(zhì)傳感器，透光率光傳感器(洗凈度)液位傳感器，電阻傳感器(衣物烘干檢測(cè))。指紋傳感器透光率傳感器溫濕度傳感器溫度傳感器1.2測(cè)試技術(shù)的工程應(yīng)用

5、其他應(yīng)用航天農(nóng)業(yè)交通醫(yī)學(xué)1.2測(cè)試技術(shù)的工程應(yīng)用

6、PC機(jī)中的測(cè)試技術(shù)應(yīng)用鼠標(biāo):光電位移傳感器攝象頭:CCD傳感器聲位筆:超聲波傳感器麥克風(fēng):電容傳聲器聲卡:A/D卡+D/A卡軟驅(qū):速度,位置伺服6、PC機(jī)中的測(cè)試技術(shù)應(yīng)用1.2.6PC機(jī)中的測(cè)試技術(shù)應(yīng)用測(cè)控實(shí)驗(yàn)DIY1.鼠標(biāo)測(cè)位移實(shí)驗(yàn)2.麥克風(fēng)測(cè)聲音2.聲卡采樣頻率信號(hào)分析頻率合成與分解3.簡(jiǎn)易聲級(jí)計(jì)制作4.CCD圖象分析……..

個(gè)人測(cè)試實(shí)驗(yàn)室1.3測(cè)試技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)第一章、緒論1、傳感器方面

a)利用新發(fā)現(xiàn)的材料和新發(fā)現(xiàn)的生物、物理、化學(xué)效應(yīng)開發(fā)出的新型傳感器光纖流速傳感器熒光材料制作的電子鼻傳感器生物酶血樣分析傳感器熱/光電量第一章、緒論b)傳感器+嵌入式計(jì)算機(jī)

智能傳感器振動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳感器嵌入式計(jì)算機(jī)智能壓力網(wǎng)絡(luò)傳感器智能傾角RS232傳感器IC總線數(shù)字溫度傳感器1.3測(cè)試技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)2、測(cè)量信號(hào)處理方面計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù)用PC機(jī)＋儀器板卡代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器用計(jì)算機(jī)軟件代替硬件分析電路優(yōu)點(diǎn)我們的工作第一章、緒論1.3主要傳感器和測(cè)試儀器生產(chǎn)廠商2、振動(dòng)/噪聲傳感器丹麥B&K（振動(dòng)測(cè)量、聲學(xué)測(cè)量領(lǐng)域最富盛名）/1、工業(yè)自動(dòng)化類傳感器美國霍尼威爾公司（有全球最大傳感器技術(shù)研究中心）/china1.3主要測(cè)試儀器生產(chǎn)廠商3、測(cè)量分析儀器美國國家儀器公司(全球最大的計(jì)算機(jī)虛擬儀器生產(chǎn)商)/美國Agilent公司(原惠普公司儀器部，著名的測(cè)試儀器商)/第二章、信號(hào)分析基礎(chǔ)2.1信號(hào)的分類與描述

為深入了解信號(hào)的物理實(shí)質(zhì)，將其進(jìn)行分類研究是非常必要的，從不同角度觀察信號(hào)，可以將其分為：1從信號(hào)描述上分--確定性信號(hào)與非確定性信號(hào)；2從信號(hào)的幅值和能量上--能量信號(hào)與功率信號(hào)；3從分析域上--時(shí)域與頻域；4從連續(xù)性--連續(xù)時(shí)間信號(hào)與離散時(shí)間信號(hào)；5從可實(shí)現(xiàn)性

--物理可實(shí)現(xiàn)信號(hào)與物理不可實(shí)現(xiàn)信號(hào)。2.1信號(hào)的分類與描述1確定性信號(hào)與非確定性信號(hào)

可以用明確數(shù)學(xué)關(guān)系式描述的信號(hào)稱為確定性信號(hào)。不能用數(shù)學(xué)關(guān)系式描述的信號(hào)稱為非確定性信號(hào)。2.1信號(hào)的分類與描述

信號(hào)波形：被測(cè)信號(hào)信號(hào)幅度隨時(shí)間的變化歷程稱為信號(hào)的波形。

信號(hào)的分類主要是依據(jù)信號(hào)波形特征來劃分的，在介紹信號(hào)分類前，先建立信號(hào)波形的概念。振動(dòng)弦(聲源)聲級(jí)計(jì)記錄儀0At信號(hào)波形圖：用被測(cè)物理量的強(qiáng)度作為縱坐標(biāo)，用時(shí)間做橫坐標(biāo)，記錄被測(cè)物理量隨時(shí)間的變化情況。2.1信號(hào)的分類與描述周期信號(hào)：經(jīng)過一定時(shí)間可以重復(fù)出現(xiàn)的信號(hào)

x(t)

=

x(t+nT)簡(jiǎn)單周期信號(hào)復(fù)雜周期信號(hào)2.1信號(hào)的分類與描述b)非周期信號(hào)：不會(huì)重復(fù)出現(xiàn)的信號(hào)。準(zhǔn)周期信號(hào)準(zhǔn)周期信號(hào):由多個(gè)周期信號(hào)合成，但各周期信號(hào)的頻率不成公倍數(shù)，其合成信號(hào)不是周期信號(hào)。如：x(t)=sin(t)+sin(√2.t)瞬態(tài)信號(hào)瞬態(tài)信號(hào):持續(xù)時(shí)間有限的信號(hào)，如x(t)=e-Bt.Asin(2*pi*f*t)2.1信號(hào)的分類與描述c)非確定性信號(hào)：不能用數(shù)學(xué)式描述，其幅值、相位變化不可預(yù)知，所描述物理現(xiàn)象是一種隨機(jī)過程。噪聲信號(hào)(平穩(wěn))噪聲信號(hào)(非平穩(wěn))統(tǒng)計(jì)特性變異2.1信號(hào)的分類與描述2能量信號(hào)與功率信號(hào)

a)能量信號(hào)在所分析的區(qū)間（-∞，∞），能量為有限值的信號(hào)稱為能量信號(hào)，滿足條件：

一般持續(xù)時(shí)間有限的瞬態(tài)信號(hào)是能量信號(hào)。瞬態(tài)信號(hào)2.1信號(hào)的分類與描述b)功率信號(hào)在所分析的區(qū)間（-∞，∞），能量不是有限值．此時(shí)，研究信號(hào)的平均功率更為合適。一般持續(xù)時(shí)間無限的信號(hào)都屬于功率信號(hào)。復(fù)雜周期信號(hào)噪聲信號(hào)(平穩(wěn))2.1信號(hào)的分類與描述3時(shí)限與頻限信號(hào)a)時(shí)域有限信號(hào)在時(shí)間段(t1，t2)內(nèi)有定義，其外恒等于零．b)頻域有限信號(hào)在頻率區(qū)間(f1，f2)內(nèi)有定義，其外恒等于零．三角脈沖信號(hào)正弦波幅值譜2.1信號(hào)的分類與描述4連續(xù)時(shí)間信號(hào)與離散時(shí)間信號(hào)a)連續(xù)時(shí)間信號(hào):在所有時(shí)間點(diǎn)上有定義

b)離散時(shí)間信號(hào):在若干時(shí)間點(diǎn)上有定義幅值連續(xù)幅值不連續(xù)采樣信號(hào)2.1信號(hào)的分類與描述5物理可實(shí)現(xiàn)信號(hào)與物理不可實(shí)現(xiàn)信號(hào)a)物理可實(shí)現(xiàn)信號(hào)：又稱為單邊信號(hào)，滿足條件：t＜0時(shí)，x(t)=0，即在時(shí)刻小于零的一側(cè)全為零。b)物理不可實(shí)現(xiàn)信號(hào)：在事件發(fā)生前(t<0)就預(yù)制知信號(hào)。2.1信號(hào)的分類與描述6信號(hào)分析中常用的函數(shù)a)

函數(shù):是一個(gè)理想函數(shù)，是物理不可實(shí)現(xiàn)信號(hào)。等價(jià)：tS(t)tS(t)tS(t)

1/2.1信號(hào)的分類與描述特性：（1）乘積特性（抽樣）（2）積分特性（篩選）（3）卷積特性（4）拉氏變換（5）傅氏變換2.1信號(hào)的分類與描述b)sinc函數(shù)波形性質(zhì)：偶函數(shù)；閘門(或抽樣)函數(shù)；濾波函數(shù)；內(nèi)插函數(shù)。圖示：頻率放大2.1信號(hào)的分類與描述c)復(fù)指數(shù)函數(shù);2.1信號(hào)的分類與描述性質(zhì)：（1）實(shí)際中遇到的任何時(shí)間函數(shù)總可以表示為復(fù)指數(shù)函數(shù)的離散和與連續(xù)和。（2）復(fù)指數(shù)函數(shù)的微分、積分和通過線性系統(tǒng)時(shí)總會(huì)存在于所分析的函數(shù)中。第二章、信號(hào)分析基礎(chǔ)2.2信號(hào)的時(shí)域波形分析

信號(hào)的時(shí)域波形分析是最常用的信號(hào)分析手段，用示波器、萬用表等普通儀器直接顯示信號(hào)波形，讀取特征參數(shù)。1、信號(hào)波形圖

tA2、周期T，頻率f=1/TT

3、峰值P，雙峰值Pp-pPPp-p2.2信號(hào)的時(shí)域波形分析

4、均值

均值E[x(t)]表示集合平均值或數(shù)學(xué)期望值。0At均值：反映了信號(hào)變化的中心趨勢(shì)，也稱之為直流分量。2.2信號(hào)的時(shí)域波形分析

5、均方值工程測(cè)量中儀器的表頭示值就是信號(hào)的有效值。

信號(hào)的均方值E[x2(t)]，表達(dá)了信號(hào)的強(qiáng)度；其正平方根值，又稱為有效值(RMS)，也是信號(hào)平均能量的一種表達(dá)。

2.2信號(hào)的時(shí)域波形分析

6、方差方差：反映了信號(hào)繞均值的波動(dòng)程度。信號(hào)x(t)的方差定義為：

大方差

小方差

2.2信號(hào)的時(shí)域波形分析

7、波形分析的應(yīng)用超門限報(bào)警信號(hào)類型識(shí)別信號(hào)基本參數(shù)識(shí)別Pp-p2.2信號(hào)的時(shí)域波形分析

案例：旅游索道鋼纜檢測(cè)超門限報(bào)警

第二章、信號(hào)分析基礎(chǔ)2.3信號(hào)的幅值域分析1概率密度函數(shù)

以幅值大小為橫坐標(biāo)，以每個(gè)幅值間隔內(nèi)出現(xiàn)的概率為縱坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的方法。它反映了信號(hào)落在不同幅值強(qiáng)度區(qū)域內(nèi)的概率情況。p(x)的計(jì)算方法

2.3信號(hào)的幅值域分析

2直方圖

以幅值大小為橫坐標(biāo)，以每個(gè)幅值間隔內(nèi)出現(xiàn)的頻次為縱坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的一種方法。直方圖概率密度函數(shù)歸一化3、概率分布函數(shù)

概率分布函數(shù)是信號(hào)幅值小于或等于某值R的概率，其定義為：概率分布函數(shù)又稱之為累積概率，表示了落在某一區(qū)間的概率。2.3信號(hào)的幅值域分析

2.3信號(hào)的幅值域分析

圖譜

第二章、信號(hào)分析基礎(chǔ)2.4信號(hào)的時(shí)差域相關(guān)分析1相關(guān)的概念

相關(guān)指變量之間的相依關(guān)系，統(tǒng)計(jì)學(xué)中用相關(guān)系數(shù)來描述變量x，y之間的相關(guān)性。是兩隨機(jī)變量之積的數(shù)學(xué)期望，稱為相關(guān)性，表征了x、y之間的關(guān)聯(lián)程度。xyxyxyxy例如，玻璃管溫度計(jì)液面高度(Y)與環(huán)境溫度(x)的關(guān)系就是近似理想的線形相關(guān)，在兩個(gè)變量相關(guān)的情況下，可以用其中一個(gè)可以測(cè)量的量的變化來表示另一個(gè)量的變化。

2.4信號(hào)的時(shí)差域相關(guān)分析

2相關(guān)函數(shù)

如果所研究的變量x,y是與時(shí)間有關(guān)的函數(shù)，即x(t)與y(t)，這時(shí)可以引入一個(gè)與時(shí)間τ有關(guān)的量，稱為函數(shù)的相關(guān)系數(shù)，并有：假定x(t)、y(t)是不含直流分量(信號(hào)均值為零)的能量信號(hào)。分母常量，分子是時(shí)移τ的函數(shù)，反映了二個(gè)信號(hào)在時(shí)移中的相關(guān)性，稱為相關(guān)函數(shù)。2.4信號(hào)的時(shí)差域相關(guān)分析

計(jì)算時(shí)，令x(t)、y(t)二個(gè)信號(hào)之間產(chǎn)生時(shí)差τ，再相乘和積分，就可以得到τ時(shí)刻二個(gè)信號(hào)的相關(guān)性。

x(t)y(t)時(shí)延器

乘法器

y(t-τ)X(t)y(t-τ)積分器

Rxy(τ)*圖例2.4信號(hào)的時(shí)差域相關(guān)分析

相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)

相關(guān)函數(shù)描述了兩個(gè)信號(hào)間或信號(hào)自身不同時(shí)刻的相似程度，通過相關(guān)分析可以發(fā)現(xiàn)信號(hào)中許多有規(guī)律的東西。（1）自相關(guān)函數(shù)是的偶函數(shù)，RX()=Rx(-)；（2）當(dāng)=0時(shí)，自相關(guān)函數(shù)具有最大值。（3）周期信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)仍然是同頻率的周期信號(hào)，但不保留原信號(hào)的相位信息。（4）兩周期信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)仍然是同頻率的周期信號(hào)，且保留了原信號(hào)的相位信息。（5）兩個(gè)非同頻率的周期信號(hào)互不相關(guān)。（6）隨機(jī)信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)將隨的增大快速衰減。2.4信號(hào)的時(shí)差域相關(guān)分析

相關(guān)分析的工程應(yīng)用

案例：機(jī)械加工表面粗糙度自相關(guān)分析被測(cè)工件相關(guān)分析性質(zhì)3，性質(zhì)4：提取出回轉(zhuǎn)誤差等周期性的故障源。2.4信號(hào)的時(shí)差域相關(guān)分析

案例：自相關(guān)分析測(cè)量轉(zhuǎn)速理想信號(hào)干擾信號(hào)實(shí)測(cè)信號(hào)自相關(guān)系數(shù)性質(zhì)3，性質(zhì)4：提取周期性轉(zhuǎn)速成分。自相關(guān)分析的主要應(yīng)用：用來檢測(cè)混肴在干擾信號(hào)中的確定性周期信號(hào)成分。2.4信號(hào)的時(shí)差域相關(guān)分析

案例：地下輸油管道漏損位置的探測(cè)

2.4信號(hào)的時(shí)差域相關(guān)分析

案例：互相關(guān)測(cè)速互相關(guān)分析的主要應(yīng)用：滯后時(shí)間確定

信號(hào)源定位測(cè)速測(cè)距離2.5信號(hào)的頻域分析

第二章、信號(hào)分析基礎(chǔ)8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz

信號(hào)頻域分析是采用傅立葉變換將時(shí)域信號(hào)x(t)變換為頻域信號(hào)X(f)，從而幫助人們從另一個(gè)角度來了解信號(hào)的特征。

傅里葉變換1頻域分析的概念131Hz147Hz165Hz175Hz頻域參數(shù)對(duì)應(yīng)于設(shè)備轉(zhuǎn)速、固有頻率等參數(shù)，物理意義更明確。電子琴2.5信號(hào)的頻域分析

時(shí)域分析只能反映信號(hào)的幅值隨時(shí)間的變化情況，除單頻率分量的簡(jiǎn)諧波外，很難明確揭示信號(hào)的頻率組成和各頻率分量大小。圖例：受噪聲干擾的多頻率成分信號(hào)

2.5信號(hào)的頻域分析

時(shí)間幅值頻率時(shí)域分析頻域分析2.5信號(hào)的頻域分析

信號(hào)的頻譜X(f)代表了信號(hào)在不同頻率分量處信號(hào)成分的大小，它能夠提供比時(shí)域信號(hào)波形更直觀，豐富的信息。時(shí)域分析與頻域分析的關(guān)系2周期信號(hào)的頻譜分析

周期信號(hào)是經(jīng)過一定時(shí)間可以重復(fù)出現(xiàn)的信號(hào)，滿足條件：x(t)

=

x(t+nT)任何周期函數(shù)，都可以展開成正交函數(shù)線性組合的無窮級(jí)數(shù)，如三角函數(shù)集的傅里葉級(jí)數(shù)。傅里葉級(jí)數(shù)的表達(dá)形式：2.5信號(hào)的頻域分析

式中:T――周期，T=2π/ω0；ω0――基波圓頻率；f0=ω0/2π2.5信號(hào)的頻域分析

復(fù)指數(shù)形式

帶入并合并同類項(xiàng)

則：-n替換了n將三角函數(shù)形式中的正余弦用歐拉公式代換

2.5信號(hào)的頻域分析

信號(hào)及其描述式中，Cn稱復(fù)指數(shù)形式的付里葉系數(shù)。2.5信號(hào)的頻域分析

在兩種形式的傅立葉級(jí)數(shù)中，An和Cn、和∠Cn都是頻率的函數(shù)，稱An和|Cn|為函數(shù)(信號(hào))的幅頻特性,

和∠Cn為信號(hào)的相頻特性。A0/2或|C0|表示信號(hào)的直流分量，An或者|2Cn|表示n次諧波的幅值,

和∠Cn表示第n次諧波的相位，An和Cn.和∠Cn相當(dāng)于一個(gè)序列的通項(xiàng).周期信號(hào)的頻譜若把An和Cn、和∠Cn與頻率的相應(yīng)關(guān)系用坐標(biāo)表示出來，則稱之為信號(hào)的頻譜.2.5信號(hào)的頻域分析

例：求方波信號(hào)的頻譜

2.5信號(hào)的頻域分析

解:1)展開為三角級(jí)數(shù):

2.5信號(hào)的頻域分析

2)展成復(fù)指數(shù)指數(shù)級(jí)數(shù)2.5信號(hào)的頻域分析

比較兩個(gè)頻譜可發(fā)現(xiàn)不同之處在于：復(fù)指數(shù)形式是將三角形式的每條譜線取1/2到左邊軸的對(duì)稱點(diǎn)處，復(fù)指數(shù)形式頻譜中的負(fù)頻率完全是數(shù)學(xué)變換的結(jié)果，沒有實(shí)際的物理意義，只有把正負(fù)頻率項(xiàng)成對(duì)地合并起來，才是實(shí)際的頻譜函數(shù)。2.5信號(hào)的頻域分析

例：求信號(hào)的頻譜2.5信號(hào)的頻域分析

解：2.5信號(hào)的頻域分析

式中：

抽樣函數(shù)由此可以畫出頻譜。

即：令|Cn|=0則有2.5信號(hào)的頻域分析

當(dāng)n從0變到T/τ時(shí)，|Cn|第一次為0，在此區(qū)間內(nèi)有(T/τ)+1條譜線（包含區(qū)間端點(diǎn)）,每條譜線的間隔為設(shè)τ不變，若T/τ=4在[0,2π/τ]有5條譜線。若T/τ=89條譜線若T/τ=1617條譜線。隨著T增加，wo減小，譜線間隔減小，譜線條數(shù)增加，|Cn|的幅值減小，但幅頻線的包絡(luò)不變，即各譜線間保持固定的比例關(guān)系，可以設(shè)想，若T→∞,w0→0信號(hào)變成非周期信號(hào)，其頻譜的變化在后面再講。

2.5信號(hào)的頻域分析

周期信號(hào)頻譜特點(diǎn)

1°離散性：每條譜線代表一個(gè)頻率分量；

2°諧波性：譜線出現(xiàn)在基波的整數(shù)信頻率上

3°收斂性：諧波次數(shù)越高，諧波分量越小。

由收斂性可知，信號(hào)的中高次諧波分量很小，所以其對(duì)信號(hào)波形的影響很小，有時(shí)可以忽略。在一定的誤差范圍內(nèi)，只考慮有限的頻率分量：從0頻率到所必須考慮的最高次諧波分量之間的頻段稱為信號(hào)的頻帶寬度。信號(hào)的頻帶寬度是一個(gè)重要的概念，這在信號(hào)處理中，在設(shè)計(jì)和選用測(cè)試裝置時(shí)要充分注意。信號(hào)的頻帶指信號(hào)包含頻率成份的范圍。2.5信號(hào)的頻域分析

頻譜圖的概念

工程上習(xí)慣將計(jì)算結(jié)果用圖形方式表示，以fn(ω0)為橫坐標(biāo)，bn、an為縱坐標(biāo)畫圖，稱為實(shí)頻－虛頻譜圖；以fn為橫坐標(biāo)，An、為縱坐標(biāo)畫圖，則稱為幅值－相位譜；以fn為橫坐標(biāo)，為縱坐標(biāo)畫圖，則稱為功率譜。圖例2.5信號(hào)的頻域分析

波形合成與分解

周期信號(hào)都可以用三角函數(shù){sin(2πnf0t),cos(2πnf0t)}的組合表示,也就是說，可以用一組正弦波和余弦波來合成任意形狀的周期信號(hào)。2.5信號(hào)的頻域分析

3非周期信號(hào)3.1準(zhǔn)周期信號(hào)：由一系列頻率比為無理數(shù)的正弦波組成，其頻率譜為離散的，但不滿足諧波性.

這種信號(hào)稱為準(zhǔn)周期信號(hào)。

例如：2.5信號(hào)的頻域分析

3.2.瞬變信號(hào)及傅立葉變換：信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間是有限的，或隨時(shí)間趨于無窮信號(hào)是收斂的。在信號(hào)出現(xiàn)的期間，信號(hào)不呈現(xiàn)周期性。如電容的放電過程，對(duì)這種信號(hào)沿時(shí)間軸積分，其積分值存在，它所攜帶的能量也是有限值，故稱能量有限信號(hào)。前面講過一個(gè)周期信號(hào)，當(dāng)周期T→∞時(shí)，變成非周期信號(hào)，這時(shí)就不能用傅立葉級(jí)數(shù)展開了，但是信號(hào)中各頻率成分的比例關(guān)系還是存在的，因此我們還希望研究信號(hào)的頻率成分，這就需要借助于另外一種數(shù)學(xué)方法――傅立葉變換。

2.5信號(hào)的頻域分析

我們可以從周期函數(shù)的傅立葉級(jí)數(shù)取T→∞時(shí)的極限入手，對(duì)于周期信號(hào)：2.5信號(hào)的頻域分析

∵頻線間隔：由定積分定義：∴當(dāng)T0→∞時(shí)，Δω→0上式變?yōu)椋?.5信號(hào)的頻域分析

式中：我們將周期函數(shù)的復(fù)指數(shù)形式的傅立葉級(jí)數(shù)展開與非周期函數(shù)的傅立葉變換相比較，看出兩點(diǎn)不同：1．周期函數(shù)中所包含的頻率成分，是基頻ω0的整倍數(shù)。而非周期函數(shù)中包含了一系列從0到無窮大的所有頻率成分，ω是連續(xù)變量。2．周期函數(shù)的傅立葉系數(shù)Cn反映的是對(duì)應(yīng)頻率成分幅值的大小，而非周期函數(shù)的傅立葉變換F(ω)反映的是單位頻率寬度上的振幅。所以又稱F(ω)為頻譜密度函數(shù)。2.5信號(hào)的頻域分析

一般的說，F(xiàn)(ω)是個(gè)復(fù)數(shù)

幅值譜密度相位譜密度2.5信號(hào)的頻域分析

例：求矩形脈沖的傅氏變換

解：

當(dāng)時(shí)

與周期矩形脈沖頻譜相比較，可以看出兩種信號(hào)頻譜的異同。2.5信號(hào)的頻域分析

4傅立葉變換的性質(zhì)a.奇偶虛實(shí)性b.線性疊加性若x1(t)←→X1(f)，x2(t)←→X2(f)

則：c1x1(t)+c2x2(t)←→c1X1(f)+c2X2(f)c.對(duì)稱性若x(t)←→X(f)，則X(-t)←→x(-f)d.時(shí)間尺度改變性若x(t)←→X(f)，則x(kt)←→1/k[X(f/k)]e.時(shí)移性若x(t)←→X(f)，則x(t±t0)←→e±j2πft0X(f)f.頻移性若x(t)←→X(f)，則2.5信號(hào)的頻域分析

例子：求下圖波形的頻譜+X1(f)X2(f)用線性疊加定理簡(jiǎn)化2.5信號(hào)的頻域分析

5頻譜分析的應(yīng)用

頻譜分析主要用于識(shí)別信號(hào)中的周期分量，是信號(hào)分析中最常用的一種手段。案例：在齒輪箱故障診斷通過齒輪箱振動(dòng)信號(hào)頻譜分析，確定最大頻率分量，然后根據(jù)機(jī)床轉(zhuǎn)速和傳動(dòng)鏈，找出故障齒輪。案例：螺旋漿設(shè)計(jì)可以通過頻譜分析確定螺旋漿的固有頻率和臨界轉(zhuǎn)速，確定螺旋漿轉(zhuǎn)速工作范圍。2.5信號(hào)的頻域分析

下圖是大型空氣壓縮機(jī)傳動(dòng)裝置簡(jiǎn)圖和在減速箱上測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)波形和頻譜，請(qǐng)從頻譜上讀出信號(hào)的特征參數(shù)，并判斷那一根傳動(dòng)軸對(duì)振動(dòng)的貢獻(xiàn)最大，說明判斷依據(jù)？

2.5信號(hào)的頻域分析

習(xí)題1：從下面的功率譜中讀出信號(hào)的主要頻率成分。500Hz010V習(xí)題2：從下面的信號(hào)波形圖中讀出其主要參數(shù)。5V-5V0.1秒02.6卷積分第二章、信號(hào)分析基礎(chǔ)1卷積

卷積積分是一種數(shù)學(xué)方法，在信號(hào)與系統(tǒng)的理論研究中占有重要的地位。特別是關(guān)于信號(hào)的時(shí)間域與變換域分析，它是溝通時(shí)域－頻域的一個(gè)橋梁。

在系統(tǒng)分析中，系統(tǒng)輸入／輸出和系統(tǒng)特性的作用關(guān)系在時(shí)間域就體現(xiàn)為卷積積分的關(guān)系x(t)h(t)

y(t)2卷積的物理意義

對(duì)于線性系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的輸出y(t)是任意輸入x(t)與系統(tǒng)脈沖響應(yīng)函數(shù)h(t)的卷積。（1）將信號(hào)x(t)分解為許多寬度為

t的窄條面積之和，t=nt時(shí)的第n個(gè)窄條的高度為x(nt)，在

t趨近于零的情況下，窄條可以看作是強(qiáng)度等于窄條面積的脈沖。tx(t)nt

x(nt)t2.6卷積分（2）根據(jù)線性系統(tǒng)特性，在t=nt時(shí)刻，窄條脈沖引起的響應(yīng)為:x(nt)th(t-nt)tx(nt)th(t-nt)02.6卷積分（3）根據(jù)線性系統(tǒng)的疊加原理，各脈沖引起的響應(yīng)之和即為輸出y(t)ty(t)02.6卷積分卷積與相關(guān)h(t)t0x(t)0t3卷積分的計(jì)算圖例設(shè)：2.6卷積分（1）t=0時(shí)，y(0)=2A2T0y(t)2A2T02T0-2T00x(t)T0-T0h(0-

)T0-T0A2T0-T0卷積與相關(guān)tt

0002.6卷積分（2）t=T0/2時(shí)，y(T0/2)=3A2T0/2y(t)2A2T02T0-2T00x(t)T0-T0h(T0/2-

)T0-T0A2T0-T0卷積與相關(guān)2.6卷積分（3）t=T0時(shí)，y(T0)=A2T0y(t)2A2T02T0-2T00x(t)T0-T0h(T0/2-

)T0-T0A2T0-T0卷積與相關(guān)2.6卷積分（4）t=3T0/2時(shí)，y(3T0/2)=A2T0/2y(t)2A2T02T0-2T00x(t)T0-T0h(T0/2-

)T0-T0A2T0-T0卷積與相關(guān)2.6卷積分（5）t=2T0時(shí)，y(2T0)=0y(t)2A2T02T0-2T00x(t)T0-T0h(T0/2-

)T0-T0A2T0-T0卷積與相關(guān)2.6卷積分（6）t=-T0/2時(shí)，y(-T0/2)=3A2T0/2y(t)2A2T02T0-2T00x(t)T0-T0h(-T0/2-

)T0-T0A2T0-T0卷積與相關(guān)2.6卷積分（7）t=-T0時(shí)，y(-T0)=A2T0y(t)2A2T02T0-2T00x(t)T0-T0h(-T0-

)T0-T0A2T0-T0卷積與相關(guān)2.6卷積分（8）t=-3T0/2時(shí)，y(-3T0/2)=3A2T0/2y(t)2A2T02T0-2T00x(t)T0-T0h(-3T0/2-

)T0-T0A2T0-T0卷積與相關(guān)2.6卷積分（9）t=-2T0時(shí)，y(-2T0)=0y(t)2A2T02T0-2T00x(t)T0-T0h(-2T0-

)T0-T0A2T0-T0卷積與相關(guān)2.6卷積分卷積與相關(guān)h(t)t00h(-)

(1)反折x(t)0t3卷積積分的幾何圖形表示(2)平移0h(t1-)

(3)相乘0h(t1-)

x(t)0tx(t)0t(4)積分(1)反折；(2)平移；(3)相乘；(4)積分。2.6卷積分4含有脈沖函數(shù)的卷積設(shè)

h(t)=[(t-T)+(t+T)]卷積為卷積與相關(guān)圖示Th(t)0tx(t)0tTh(t)*x(t)0t2.6卷積分5時(shí)域卷積定理如果則卷積與相關(guān)2.6卷積分時(shí)域卷積定理：時(shí)間函數(shù)卷積的頻譜等于各個(gè)時(shí)間函數(shù)頻譜的乘積，既在時(shí)間域中兩信號(hào)的卷積，等效于在頻域中頻譜中相乘。

例三角脈沖頻譜計(jì)算y(t)2A2T02T0-2T00x(t)T0-T0h(0-

)T0-T0卷積與相關(guān)tft

Y(f)2.6卷積分6頻域卷積定理如果則卷積與相關(guān)2.6卷積分頻域卷積定理：兩時(shí)間函數(shù)的頻譜的卷積等效于時(shí)域中兩時(shí)間函數(shù)的乘積。8:40:22上午110誤差與測(cè)量3.1測(cè)量誤差概述3.1.1測(cè)量誤差的概念及其表示方法1.測(cè)量誤差：對(duì)某一參數(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于各種因素的影響，使測(cè)量值與被測(cè)參數(shù)的真值之間存在一定的差值，此差值就是測(cè)量誤差。測(cè)量誤差的產(chǎn)生原因主要有四個(gè)方面：①測(cè)量方法；②測(cè)量設(shè)備；③測(cè)量環(huán)境；④測(cè)量人員素質(zhì)。2.研究測(cè)量誤差的意義正確認(rèn)識(shí)測(cè)量誤差的性質(zhì)與分析測(cè)量誤差產(chǎn)生的原因，尋求最大限度地減小與消除測(cè)量誤差的途徑。尋求正確處理測(cè)量數(shù)據(jù)的理論和方法，以便在同樣條件下，能獲得最精確最可靠地反映真值的測(cè)量結(jié)果。俗話說，差之毫厘，失之千里，一個(gè)小數(shù)點(diǎn)的錯(cuò)位，一個(gè)量綱的不正確，有可能導(dǎo)致巨大的浪費(fèi)、失敗、甚至造成人員傷亡等。

8:40:22上午111誤差與測(cè)量3.

測(cè)量誤差的表示方法①絕對(duì)誤差：Δ＝Ｘ－Ｘ0

或Δ＝Ｘ－Ａ其中X為測(cè)量值，Ｘ0為真值，Ａ為約定真值。一般來說，真值無法求得，約定真值為高一級(jí)測(cè)量?jī)x表的讀數(shù)。②相對(duì)誤差：ε＝（Δ/Ｘ0）×100％或ε＝（Δ/Α）×100％（實(shí)際相對(duì)誤差）或ε＝（Δ/Ｘ）×100%

（示值相對(duì)誤差，當(dāng)Δ較小時(shí)使用）③引用誤差：Δ引＝（Δ/Ｘｍ）×100%

稱測(cè)量值為Ｘ時(shí)的引用誤差。式中Ｘｍ為引用值，通常指測(cè)量裝置的量程或示值范圍的最高值。

引用誤差有最大值：Δ引ｍａｘ＝（Δｍａｘ/Ｘｍ）·100％＝μ％

μ稱為電工儀表的等級(jí)，共7級(jí)：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。使用μ級(jí)精度儀表時(shí)可保證：Δ＜Δｍａｘ＝Ｘｍ·μ％在相同誤差Δ下，顯然，越接近Ｘｍ，相對(duì)誤差越小。因?yàn)橄鄬?duì)誤差（Δ/Ｘ）≥引用誤差（Δ/Ｘｍ）。8:40:22上午112誤差與測(cè)量3.1.2測(cè)量誤差的分類系統(tǒng)誤差：對(duì)某一參數(shù)在相同條件下進(jìn)行多次測(cè)量時(shí)，以確定的規(guī)律影響各次測(cè)量值的誤差。隨機(jī)誤差：對(duì)某一參數(shù)在相同條件下進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量，誤差的符號(hào)及大小變化無規(guī)律，呈現(xiàn)隨機(jī)性的誤差。粗大誤差：由于某些原因造成的使測(cè)量值受到顯著歪曲的誤差，可在重復(fù)測(cè)量比較分析后消除。產(chǎn)生原因：測(cè)量者的粗心大意，環(huán)境的改變，如受到振動(dòng)、沖擊等。

8:40:22上午113誤差與測(cè)量1.隨機(jī)誤差的特點(diǎn)隨機(jī)誤差的存在導(dǎo)致每次測(cè)量結(jié)果有些不同，將測(cè)量值進(jìn)行分組統(tǒng)計(jì)(直方圖法)，將最大值與最小值之間進(jìn)行N等分，在直角坐標(biāo)系中橫軸表示測(cè)量值，縱軸表示測(cè)量值落在每一等分內(nèi)的個(gè)數(shù)即頻數(shù)，便可作出直方圖，此圖顯現(xiàn)中間多、兩邊低，兩邊對(duì)稱的特點(diǎn)。具有這種分布特點(diǎn)的隨機(jī)變量稱之為服從正態(tài)分布。

測(cè)量值與測(cè)量誤差都服從正態(tài)分布，只是分布中心不同。隨機(jī)誤差具有如下特點(diǎn)：①單峰性：絕對(duì)值小的誤差比絕對(duì)值大的誤差出現(xiàn)的可能性大；②對(duì)稱性；絕對(duì)值相同、符號(hào)相反的誤差出現(xiàn)的可能性相等；③相消性：④有界性：絕對(duì)值大于某數(shù)值的隨機(jī)誤差不會(huì)出現(xiàn)。3.1.3隨機(jī)誤差的特點(diǎn)及估計(jì)

8:40:22上午114誤差與測(cè)量

具有這樣特性的事件稱之為服從正態(tài)分布（高斯分布），正態(tài)分布的概率密度：測(cè)量值分布中心可用求算術(shù)平均值的方法求得：——樣本均值。=8:40:22上午115誤差與測(cè)量

測(cè)量值的可靠性（偏離真值的程度）可用標(biāo)準(zhǔn)差來評(píng)價(jià)：或用σ的估計(jì)值

隨機(jī)誤差的分布與測(cè)量值相同，只是μ＝０。——樣本標(biāo)準(zhǔn)差8:40:22上午116誤差與測(cè)量2.極限隨機(jī)誤差的估計(jì)①σ已知:單次測(cè)量(一個(gè)測(cè)量樣本）的極限隨機(jī)誤差的估計(jì)

設(shè)測(cè)量值x落在區(qū)間的概率

—α稱為顯著水平（不可靠性）當(dāng)t值不同時(shí)，概率不同若取t=1則p=68.26%t=2p=95.45%t=3p=99.73%接近于100%而測(cè)量值超過|u±

3σ|的概率很小,認(rèn)為不可能出現(xiàn).——t稱為置信系數(shù)，其數(shù)值與誤差出現(xiàn)的概率有關(guān)8:40:22上午117誤差與測(cè)量所以,單次測(cè)量值的極限隨機(jī)誤差可定義為:算術(shù)平均值的極限隨機(jī)誤差:--為算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)值

樣本平均值與樣本均方差的性質(zhì)：樣本平均值x的數(shù)學(xué)期望Mx等于總體指標(biāo)的數(shù)學(xué)期望M

，樣本平均值x的均方差

x等于總體指標(biāo)

的均方差

乘以因子1/（N)1/28:40:22上午118誤差與測(cè)量②σ未知時(shí)，用σ的估計(jì)值S來替代，用算術(shù)平均值作為測(cè)量結(jié)果

則:k—自由度=N-1N為測(cè)量次數(shù) α--顯著水平=1-p③粗大誤差的消除:當(dāng)測(cè)量值產(chǎn)生的誤差時(shí),便可認(rèn)為粗大誤差可以刪除.精密度：用標(biāo)準(zhǔn)差評(píng)定，說明測(cè)定值的分散程度（指隨機(jī)誤差）。準(zhǔn)確度：算術(shù)平均值偏離真值的程度（指系統(tǒng)誤差）。精確度：前二者的綜合評(píng)定，有時(shí)也指精密度。

3.1.4精密度、準(zhǔn)確度、精確度8:40:22上午119誤差與測(cè)量3.2不等精度測(cè)量

3.2.1等精度測(cè)量與不等精度測(cè)量

如果在測(cè)量過程中，保證測(cè)量環(huán)境、儀器、方法、人員水平及測(cè)量次數(shù)都相同，這時(shí)的單次測(cè)量結(jié)果或重復(fù)測(cè)量的算術(shù)平均值具有相同的可靠程度，稱之為等精度測(cè)量。若使環(huán)境、儀器、方法、人員水平及測(cè)量次數(shù)中的任一項(xiàng)改變，則每改變一次后的測(cè)量結(jié)果與前一次測(cè)量結(jié)果的可靠性不同，稱之為不等精度測(cè)量。

不等精度測(cè)量的目的是對(duì)不同條件下的測(cè)量結(jié)果加以比較分析，以便獲得更精確的測(cè)量結(jié)果。

8:40:22上午120誤差與測(cè)量3.2.2不等精度測(cè)量結(jié)果的表示—加權(quán)算術(shù)平均值

不等精度測(cè)量因各組測(cè)量值的可靠程度不同，故不能用算術(shù)平均值來表示，而應(yīng)遵從一個(gè)原則：即可靠性高或精確度高的測(cè)量值在最終測(cè)量結(jié)果中所占的比重要大一些，而可靠程度小或精確度低的結(jié)果在最終測(cè)量結(jié)果中所占的比重要小一些。而普通算術(shù)平均值反映不出這種關(guān)系。因此引入了加權(quán)算術(shù)平均值的概念。

8:40:22上午121誤差與測(cè)量1.權(quán)的概念與確定權(quán)值反映了某一測(cè)量值在最終測(cè)量結(jié)果中的比重，用p來表示。權(quán)值的大小與測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)差有關(guān)。設(shè)在不等精度測(cè)量中，各組的算術(shù)平均值為x1,x2,x3,……xm，對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差為σ1,σ2……σm

。則各組的權(quán)值為：即每組的權(quán)值與其標(biāo)準(zhǔn)差的平方〈方差〉成反比。8:40:22上午122誤差與測(cè)量②若不等精度測(cè)量?jī)H為重復(fù)次數(shù)不同，而其它測(cè)量條件都不變，則可用各組的重復(fù)次數(shù)ni做該組的權(quán)值pi。例如，已知三組不等精度測(cè)量結(jié)果對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差分別為：則：∴可取：p1=1,p2=16,p3=4

8:40:22上午123誤差與測(cè)量2.加權(quán)算術(shù)平均值的計(jì)算接上例，設(shè)則

8:40:22上午124誤差與測(cè)量3.加權(quán)算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差已知各組σi②

若已知各組的權(quán)且組數(shù)足夠多時(shí)其中，ｍ為測(cè)量組數(shù)，為第i組平均值，為加權(quán)算術(shù)平均值?；蚧蚪由侠?:40:22上午125誤差與測(cè)量3.3函數(shù)誤差與誤差的傳遞一.直接測(cè)量與間接測(cè)量直接測(cè)量—測(cè)量的物理量就是所研究的參數(shù).間接測(cè)量—測(cè)量某些基本物理量,再根據(jù)函數(shù)關(guān)系求解所要研究的參數(shù).研究函數(shù)誤差就是解決間接測(cè)量中的誤差傳遞問題(也稱為第一類問題),另外還要解決誤差的分配(也稱為第二類問題)舉例說明:電路中

對(duì)電流測(cè)量可用間接法.先測(cè)量R和V再算出電流I及誤差.(第一類問題)

若對(duì)電路電流誤差有要求,則要求VR和R的測(cè)量應(yīng)保證在一定的范圍之內(nèi)(第二類問題)8:40:22上午126誤差與測(cè)量二.函數(shù)的誤差傳遞

—已知直接測(cè)量參數(shù)的誤差,求間接測(cè)量的誤差1.誤差傳遞函數(shù):設(shè)直接測(cè)量參數(shù)與間接測(cè)量參數(shù)的關(guān)系式為:當(dāng)測(cè)量基本參數(shù)X1…….Xm時(shí)存在誤差,則計(jì)算出的y值的準(zhǔn)確性必然受到影響.y值的誤差可以用求微分的方法求出:式中:

,稱之為誤差傳遞函數(shù),它反映了第i個(gè)測(cè)量參數(shù)的誤差對(duì)最終測(cè)量值y的影響程度.或者說xi的誤差是通過Ci傳遞給Y的.8:40:22上午127誤差與測(cè)量①函數(shù)的系統(tǒng)誤差

②函數(shù)的隨機(jī)誤差2.函數(shù)誤差的計(jì)算:式中

為相關(guān)系數(shù)，

一般

它反映了兩個(gè)參數(shù)(或者隨機(jī)變量)之間是否成線性關(guān)系.若二者成線性關(guān)系或

否則

小于1。通常有些參數(shù)之間是沒有任何關(guān)系,相對(duì)獨(dú)立,不相關(guān),則

，此時(shí)

大于0，8:40:22上午128例:求兩中心距離L,選擇一種較好的測(cè)量方法.已知:誤差與測(cè)量解:......①①式+②式有:......②......③1l1l2d1d2L8:40:22上午129誤差與測(cè)量方法1:

方法2:

＝8:40:22上午130誤差與測(cè)量方法3:

由此可見第三種方法最好!＝8:40:22上午131誤差與測(cè)量三.函數(shù)誤差的分配

—給定函數(shù)誤差,要求確定各基本參數(shù)所允許的測(cè)量誤差.考慮各基本參數(shù)相互獨(dú)立,給定

則有:在這個(gè)方程中有m個(gè)未知數(shù)

根據(jù)已知條件只能列出一個(gè)方程,因此,解該方程必須再給定附加條件.8:40:22上午132誤差與測(cè)量

等作用原則:

設(shè)各基本參數(shù)的誤差對(duì)函數(shù)誤差的影響相等.即

i=1,2,…..m.2.按實(shí)際過程調(diào)整誤差:由上式可知,當(dāng)|Ci|很大時(shí),σi很小，意味著對(duì)Xi的測(cè)量要求很高的精度,而|Ci|很小時(shí),則可放寬測(cè)量要求.在實(shí)際中,如果|Ci|太大,對(duì)Xi的測(cè)量要求過高,現(xiàn)有設(shè)備儀器可能滿足不了,這時(shí)可以適當(dāng)提高其他參量的測(cè)量精度,而保證總的m仍然滿足。18:40:22上午133誤差與測(cè)量3.5靜態(tài)誤差數(shù)據(jù)處理一.測(cè)量數(shù)據(jù)表示法.

在測(cè)量過程中,被測(cè)量與測(cè)試儀器的輸出之間存在一定的關(guān)系.為把這種關(guān)系建立,常常在特定的條件下改變被測(cè)量的量值,測(cè)出對(duì)應(yīng)的輸出,特別是對(duì)傳感器而言,這種過程稱之為標(biāo)定.即給出傳感器輸入/輸出之間的關(guān)系.比如:測(cè)力傳感器,輸入為力,輸出為電流,這樣力與電流的關(guān)系可用不同的表示方法表示出來.

列表法:輸入力(N)輸出電流(mA)6012.27014.28016.29018.310020.415030.48:40:22上午134誤差與測(cè)量2.圖示法,即描點(diǎn)作圖坐標(biāo)可采用直角坐標(biāo),極坐標(biāo)等.

上述兩種方法直觀但不便于從理論上分析研究,所以通常還要采用第三種方法.3.回歸方程—經(jīng)驗(yàn)公式法.

根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法,求出兩個(gè)甚至多個(gè)量之間的關(guān)系,用一個(gè)數(shù)學(xué)方程來表示，該方程稱之為回歸方程,而建立該方程的過程稱之為回歸分析,回歸分析包括一元線性回歸,一元非線性回歸,多元線性回歸及多項(xiàng)式回歸等.常用的是一元線性回歸分析.8:40:22上午135誤差與測(cè)量二.一元線性回歸方程的建立對(duì)一組數(shù)據(jù)Xi，Yi,若它們之間是線性相關(guān)的.則可用一條直線來表示，即：(對(duì)線性關(guān)系的評(píng)價(jià)由相關(guān)函數(shù)來評(píng)價(jià))

通常這條直線可用最小二乘法獲得,即設(shè)實(shí)測(cè)值yi與理論計(jì)算值之差的

平方和為最小,可列成下式:

Q為剩余平方誤差8:40:22上午136誤差與測(cè)量即:若要使Q最小,可通過求極值的辦法來確定m和b兩個(gè)未知量,即令:m，b為未知量

解方程便可求得m和b。

8:40:22上午137誤差與測(cè)量其中:

8:40:22上午138誤差與測(cè)量采用線性回歸的條件:當(dāng)y,x兩變量之間的相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值大于最小相關(guān)系數(shù)時(shí)才能采用線性回歸方程,最小相關(guān)系數(shù)

的確定與N及概率有關(guān).

yx第四章、測(cè)試系統(tǒng)特性

測(cè)試系統(tǒng)是執(zhí)行測(cè)試任務(wù)的傳感器、儀器和設(shè)備的總稱。

4.1測(cè)試系統(tǒng)概論復(fù)雜測(cè)試系統(tǒng)(軸承缺陷檢測(cè))簡(jiǎn)單測(cè)試系統(tǒng)(光電池)V失真

無論復(fù)雜度如何，把測(cè)量裝置作為一個(gè)系統(tǒng)來看待。問題簡(jiǎn)化為處理輸入量x(t)、系統(tǒng)傳輸特性h(t)和輸出y(t)三者之間的關(guān)系。4.1測(cè)試系統(tǒng)概論

3)如果輸入和系統(tǒng)特性已知，則可以推斷和估計(jì)系統(tǒng)的輸出量。(預(yù)測(cè))系統(tǒng)分析中的三類問題：1)當(dāng)輸入、輸出是可測(cè)量的(已知)，可以通過它們推斷系統(tǒng)的傳輸特性。(系統(tǒng)辨識(shí))2)當(dāng)系統(tǒng)特性已知，輸出可測(cè)量，可以通過它們推斷導(dǎo)致該輸出的輸入量。(反求)x(t)h(t)y(t)測(cè)試系統(tǒng)基本要求

4.1測(cè)試系統(tǒng)概論

理想的測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)該具有單值的、確定的輸入－輸出關(guān)系。對(duì)于每一輸入量都應(yīng)該只有單一的輸出量與之對(duì)應(yīng)。知道其中一個(gè)量就可以確定另一個(gè)量。其中以輸出和輸入成線性關(guān)系最佳。xy線性xy線性xy非線性4.1測(cè)試系統(tǒng)概論

系統(tǒng)輸入x(t)和輸出y(t)間的關(guān)系可以用常系數(shù)線性微分方程來描述：

線性系統(tǒng)一般在工程中使用的測(cè)試裝置都是線性系統(tǒng)。線性系統(tǒng)性質(zhì)：a)疊加性

系統(tǒng)對(duì)各輸入之和的輸出等于各單個(gè)輸入的輸出之和，即若x1(t)→y1(t)，x2(t)→y2(t)

則x1(t)±x2(t)→y1(t)±y2(t)4.1測(cè)試系統(tǒng)概論

b)比例性常數(shù)倍輸入所得的輸出等于原輸入所得輸出的常數(shù)倍，即:

若x(t)→y(t)則kx(t)→ky(t)c)微分性系統(tǒng)對(duì)原輸入信號(hào)的微分等于原輸出信號(hào)的微分，即若x(t)→y(t)則x'(t)→y'(t)d)積分性當(dāng)初始條件為零時(shí)，系統(tǒng)對(duì)原輸入信號(hào)的積分等于原輸出信號(hào)的積分，即若x(t)→y(t)則∫x(t)dt→∫y(t)dt4.1測(cè)試系統(tǒng)概論

e)頻率保持性若系統(tǒng)的輸入為某一頻率的諧波信號(hào)，則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出將為同一頻率的諧波信號(hào)，即若x(t)=Acos(ωt+φx)則y(t)=Bcos(ωt+φy)

線性系統(tǒng)的這些主要特性，特別是符合疊加原理和頻率保持性，在測(cè)量工作中具有重要作用。

如果測(cè)量時(shí)，測(cè)試裝置的輸入、輸出信號(hào)不隨時(shí)間而變化，則稱為靜態(tài)測(cè)量。靜態(tài)測(cè)量時(shí)，測(cè)試裝置表現(xiàn)出的響應(yīng)特性稱為靜態(tài)響應(yīng)特性。4.2測(cè)試系統(tǒng)靜態(tài)響應(yīng)特性a)靈敏度當(dāng)測(cè)試裝置的輸入x有一增量△x，引起輸出y發(fā)生相應(yīng)的變化△y時(shí)，則定義:

S=△y/△x第四章、測(cè)試系統(tǒng)特性

靈敏度越高，系統(tǒng)反映輸入微小變化的能力就越強(qiáng)。在電子測(cè)量中，靈敏度越高往往容易引入噪聲并影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性及測(cè)量范圍，在同等輸出范圍的情況下，靈敏度越大測(cè)量范圍越小，反之則越大。4.2測(cè)試系統(tǒng)靜態(tài)響應(yīng)特性b.線性度δi：線性度△max：特性曲線與參考直線的最大偏差△F.S：滿量程輸出的平均值根據(jù)參考直線的定義方法，可將線性度分為：①理論線性度：參考直線由0點(diǎn)和滿量程輸出點(diǎn)確定②獨(dú)立線性度：參考直線由最小二乘法確定。有時(shí)，系統(tǒng)的輸出輸入在局部范圍內(nèi)是直線，則取此段做為標(biāo)稱輸出范圍。c)回程誤差測(cè)試裝置在輸入量由小增大和由大減小的測(cè)試過程中，對(duì)于同一個(gè)輸入量所得到的兩個(gè)數(shù)值不同的輸出量之間差值最大者為hmax，則定義回程誤差為回程誤差=(hmax/A)×100%d)靜態(tài)響應(yīng)特性的其他描述

精度：是與評(píng)價(jià)測(cè)試裝置產(chǎn)生的測(cè)量誤差大小有關(guān)的指標(biāo)。

靈敏閥：又稱為死區(qū)，用來衡量測(cè)量起始點(diǎn)不靈敏的程度。

分辨力：指能引起輸出量發(fā)生變化時(shí)輸入量的最小變化量，表明測(cè)試裝置分辨輸入量微小變化的能力。

測(cè)量范圍：是指測(cè)試裝置能正常測(cè)量最小輸入量和最大輸入量之間的范圍。

穩(wěn)定性：是指在一定工作條件下，當(dāng)輸入量不變時(shí)，輸出量隨時(shí)間變化的程度?？煽啃裕菏桥c測(cè)試裝置無故障工作時(shí)間長短有關(guān)的一種描述。4.2測(cè)試系統(tǒng)靜態(tài)響應(yīng)特性

在對(duì)動(dòng)態(tài)物理量進(jìn)行測(cè)試時(shí)，測(cè)試裝置的輸出變化是否能真實(shí)地反映輸入變化，則取決于測(cè)試裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。4.3測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性第四章、測(cè)試系統(tǒng)特性

x(t)h(t)y(t)屬于：系統(tǒng)分析中的三類問題13)如果輸入和系統(tǒng)特性已知，則可以推斷和估計(jì)系統(tǒng)的輸出量。(預(yù)測(cè))1)當(dāng)輸入、輸出是可測(cè)量的(已知)，可以通過它們推斷系統(tǒng)的傳輸特性。(系統(tǒng)辨識(shí))2)當(dāng)系統(tǒng)特性已知，輸出可測(cè)量，可以通過它們推斷導(dǎo)致該輸出的輸入量。(反求)a)傳遞函數(shù)拉氏變換富氏變換4.3測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性優(yōu)點(diǎn)：直觀的反映了系統(tǒng)對(duì)不同頻率成分輸入信號(hào)的扭曲情況。傳遞函數(shù)測(cè)量

實(shí)驗(yàn)求傳遞函數(shù)的原理，簡(jiǎn)單明了。依次用不同頻率fi的簡(jiǎn)諧信號(hào)去激勵(lì)被測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)測(cè)出激勵(lì)和系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出的幅值、相位，得到幅值比Ai、相位差φi。

從系統(tǒng)的最低測(cè)量頻率fmin到系統(tǒng)的最高測(cè)量頻率fmax，按一定的增量方式逐步增加正弦激勵(lì)信號(hào)頻率f，記錄下各頻率對(duì)應(yīng)的幅值比和相位差，繪制在圖上就可以得到系統(tǒng)的幅頻和相頻特性曲線。4.3測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性依據(jù)：頻率保持性若x(t)=Acos(ωt+φx)則y(t)=Bcos(ωt+φy)第四章、測(cè)試系統(tǒng)特性

優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，信號(hào)發(fā)生器，雙蹤示波器就可以缺點(diǎn)：效率低第四章、測(cè)試系統(tǒng)特性

案例：音響系統(tǒng)性能評(píng)定y(t)=x(t)*h(t)Y(f)=X(f)H(f)

改進(jìn)：脈沖輸入/白噪聲輸入，測(cè)量輸出，再求輸出頻譜。飛機(jī)模態(tài)分析b)脈沖響應(yīng)函數(shù)

若裝置的輸人為單位脈沖δ(t)，因δ(t)的傅立葉變換為1，因此裝置輸出y(t)的傅立葉必將是H(f)，即Y(f)=H(f)，或y(t)=F-1[H(S)]，并可以記為h(t)，常稱它為裝置的脈沖響應(yīng)函數(shù)或權(quán)函數(shù)。4.3測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性時(shí)域波形參數(shù)識(shí)別優(yōu)點(diǎn)：直觀缺點(diǎn)：簡(jiǎn)單系統(tǒng)識(shí)別4.3測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性脈沖響應(yīng)函數(shù)測(cè)量

實(shí)驗(yàn)求脈沖響應(yīng)函數(shù)簡(jiǎn)單明了，產(chǎn)生一個(gè)沖擊信號(hào)，再測(cè)量系統(tǒng)輸出就可以了。案例：橋梁固有頻率測(cè)量原理：在橋中設(shè)置一三角形障礙物，利用汽車礙時(shí)的沖擊對(duì)橋梁進(jìn)行激勵(lì)，再通過應(yīng)變片測(cè)量橋梁動(dòng)態(tài)變形，得到橋梁固有頻率。c)階躍響應(yīng)函數(shù)

若系統(tǒng)的輸入信號(hào)為單位階躍信號(hào)，即x(t)=u(t)，則X(s)=1/s，此時(shí)Y(s)=H(s)/s，固有y(t)=L-1[H(s)/s]。4.3測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性時(shí)域波形參數(shù)識(shí)別優(yōu)點(diǎn)：直觀缺點(diǎn)：簡(jiǎn)單系統(tǒng)識(shí)別4.3測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性階躍響應(yīng)函數(shù)測(cè)量

實(shí)驗(yàn)求階躍響應(yīng)函數(shù)簡(jiǎn)單明了，產(chǎn)生一個(gè)階躍信號(hào)，再測(cè)量系統(tǒng)輸出就可以了。案例：橋梁固有頻率測(cè)量原理：在橋中懸掛重物，然后突然剪斷繩索，產(chǎn)生階躍激勵(lì)，再通過應(yīng)變片測(cè)量橋梁動(dòng)態(tài)變形，得到橋梁固有頻率。

設(shè)測(cè)試系統(tǒng)的輸出y(t)與輸入x(t)滿足關(guān)系

y(t)=A0x(t-t0)4.4系統(tǒng)不失真測(cè)量的條件第四章、測(cè)試系統(tǒng)特性

該測(cè)試系統(tǒng)的輸出波形與輸入信號(hào)的波形精確地一致，只是幅值放大了A0倍，在時(shí)間上延遲了t0而已。這種情況下，認(rèn)為測(cè)試系統(tǒng)具有不失真的特性。時(shí)域條件y(t)=A0x(t-t0)

Y(ω)=A0e-jωt0X(ω)4.4系統(tǒng)不失真測(cè)量的條件不失真測(cè)試系統(tǒng)條件的幅頻特性和相頻特性應(yīng)分別滿足

A(ω)=A0=常數(shù)

φ(ω)=--t0ω做傅立葉變換頻域定義4.5典型測(cè)試裝置的動(dòng)態(tài)特性

一個(gè)大的系統(tǒng)往往可以分解成一些小系統(tǒng)的組合，這些小系統(tǒng)可分為零階系統(tǒng)，一階系統(tǒng)，二階系統(tǒng)。其他高階系統(tǒng)可由這三個(gè)理想化的小系統(tǒng)組合而成。因此只需要對(duì)這三個(gè)環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性有所了解，對(duì)高階系統(tǒng)的性能分析也是可能的。N階系統(tǒng)1一階系統(tǒng)4.5典型系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)傳遞函數(shù)溫度濕度酒精階躍響應(yīng)0.63一階系統(tǒng)主要的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)是時(shí)間常數(shù)。1.1數(shù)學(xué)描述1.2一階系統(tǒng)的特點(diǎn)系統(tǒng)特性取決于時(shí)間常數(shù)τ。τ越大，系統(tǒng)慣性越大，響應(yīng)時(shí)間越長。τ越小，響應(yīng)越快，可測(cè)頻率范圍越寬。為保證不失真測(cè)量，最好使信號(hào)的最高頻率ωmax≤0.2ωc。4.5典型系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)1.3τ值的試驗(yàn)測(cè)定

時(shí)域法：測(cè)試系統(tǒng)對(duì)于單位階躍輸入的響應(yīng)y(t)，令：畫出Z-t曲線，若該曲線為直線時(shí)，τ即直線斜率絕對(duì)值的倒數(shù)。不然，該系統(tǒng)不是一階系統(tǒng)。對(duì)于一階系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)參數(shù)τ值可以經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)定。頻率法：系統(tǒng)輸入正弦波，依次求出輸出與輸入的幅值比及相位差，描出幅、相頻特性曲線。若其曲線與一階系統(tǒng)相符，低頻段幅頻特性平直，高頻段斜率為20db/10信頻，相頻由0~90度變化，則在相頻為-45度處，和水平幅頻直線與傾斜直線的交點(diǎn)處的頻率為τ的倒數(shù)。否則不是一階系統(tǒng)。4.5典型系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)2二階系統(tǒng)稱重(應(yīng)變片)加速度(壓電)

對(duì)二階系統(tǒng)而言，主要的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)是系統(tǒng)固有頻率和阻尼系數(shù)。

4.5典型系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)2.1數(shù)學(xué)描述2.2二階系統(tǒng)特性其動(dòng)態(tài)參數(shù)有兩個(gè)：ξ－阻尼比；ωn—固有頻率。為保證不失真測(cè)量，希望系統(tǒng)ξ＝0.707，這時(shí)，幅頻特性曲線的平直段最寬，相頻特性曲線在ω<<ωn時(shí)近似為一直線，表明不同頻率成分的滯后時(shí)間為常數(shù)。為保證不失真測(cè)量，還希望信號(hào)的最高頻率ωmax≤0.4ωn(對(duì)于低通而言)4.5典型系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)4.5典型系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)阻尼系數(shù)的作用4.5典型系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)傳遞函數(shù)0.707階躍響應(yīng)函數(shù)

d=2

/tb2.3參數(shù)估計(jì)2.4二階系統(tǒng)特性其動(dòng)態(tài)參數(shù)有兩個(gè)：ξ－阻尼比；ωn—固有頻率。為保證不失真測(cè)量，希望系統(tǒng)ξ＝0.707，這時(shí)，幅頻特性曲線的平直段最寬，相頻特性曲線在ω<<ωn時(shí)近似為一直線，表明不同頻率成分的滯后時(shí)間為常數(shù)。為保證不失真測(cè)量，還希望信號(hào)的最高頻率ωmax≤0.4ωn(對(duì)于低通而言)4.5典型系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

在實(shí)際測(cè)量工作中，測(cè)量系統(tǒng)和被測(cè)對(duì)象之間、測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部各環(huán)節(jié)相互連接會(huì)產(chǎn)生相互作用。接入的測(cè)量裝置，構(gòu)成被測(cè)對(duì)象的負(fù)載；后接環(huán)節(jié)成為前面環(huán)節(jié)的負(fù)載。彼此間存在能量交換和相互影響，以致系統(tǒng)的傳遞函數(shù)不再是各組成環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的疊加(并聯(lián))或連乘(串聯(lián))。4.6負(fù)載效應(yīng)第四章、測(cè)試系統(tǒng)特性

未接入測(cè)量電路時(shí)，R2上的電壓降為：

接入測(cè)量電路后，R2上的電壓降為：

令R1=100K,R2=150K,Rm=150K,E=150V,得:U0=90V,U1=64.3V，誤差達(dá)28.6%。若將電壓表測(cè)量電路負(fù)載電阻加大到1M，則U1=84.9V，誤差減小為5.76%。

案例：電阻傳感器重量測(cè)量

第四章、測(cè)試系統(tǒng)特性

造成非線性

在測(cè)量過程中，除了待測(cè)量信號(hào)外，各種不可見的、隨機(jī)的信號(hào)可能出現(xiàn)在測(cè)量系統(tǒng)中。這些信號(hào)與有用信號(hào)疊加在一起，嚴(yán)重扭曲測(cè)量結(jié)果。4.7測(cè)量系統(tǒng)的抗干擾第四章、測(cè)試系統(tǒng)特性

第五章、傳感器測(cè)量原理5.1概述1.傳感器定義

傳感器是借助于檢測(cè)元件接收一種形式的信息，并按一定的規(guī)律將所獲取的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)大多為電信號(hào)。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。物理量電量2.傳感器的構(gòu)成

傳感器一般由敏感器件與輔助器件組成。敏感器件是傳感器的核心，它的作用是直接感受被測(cè)物理量，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。輔助器件則是對(duì)敏感器件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。

5.1概述dV3.傳感器的分類5.1概述(1)按被測(cè)物理量分類:(2)按工作的物理基礎(chǔ)分類:(3)按信號(hào)變換特征:(4)按敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系:位移,力,溫度等.機(jī)械式,電氣式,光學(xué)式,流體式等.物性型,結(jié)構(gòu)型.能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型.5.1概述A物性型與結(jié)構(gòu)型傳感器物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換.

例如:水銀溫度計(jì),壓電測(cè)力計(jì).結(jié)構(gòu)型:依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)變.

例如:電容式和電感式傳感器.B能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型傳感器能量轉(zhuǎn)換型:直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作.

例如:熱電偶溫度計(jì),壓電式加速度計(jì).能量控制型:從外部供給能量并由被測(cè)量控制外部供給能量的變化.

例如:電阻應(yīng)變片.5.1概述4.常見的被測(cè)物理量機(jī)械量:長度,厚度,位移,速度,加速度,旋轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)數(shù),

質(zhì)量,重量,力,壓力,真空度,力矩,風(fēng)速,流速,

流量;聲:

聲壓,噪聲.磁:

磁通,磁場(chǎng).溫度:

溫度,熱量,比熱.光：亮度，色彩5.2電阻式傳感器電阻式傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器,按工作的原理可分為:變阻器式、電阻應(yīng)變式、熱敏式、光敏式、電敏式.123132直線型旋轉(zhuǎn)型1變阻器式傳感器

(1)工作原理第五章、傳感器測(cè)量原理等效電路分析:Rp-總電阻;xp-變阻總長;RL負(fù)載電阻;x-電刷移動(dòng)量.132xxpEinEoutRxRLRp-Rx0x100%100%Output0負(fù)載效應(yīng)5.2電阻式傳感器(2)變阻器式傳感器的性能參數(shù):1)線性(或曲線的一致性);4)移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)角度范圍;2)分辨率;5)電阻溫度系數(shù);3)整個(gè)電阻值的偏差;6)壽命;(3)變阻器式傳感器的分類變阻器按電阻元件分單圈電位器直線滑動(dòng)式電位器多圈電位器混合式電位器導(dǎo)電塑料電位器金屬陶瓷電位器線繞電位器5.2電阻式傳感器(4)變阻器式傳感器的特點(diǎn)電阻器

制作

特點(diǎn)

繞線式

直徑0.012-0.1mm的鎳鉻合金的精密電阻絲繞在絕緣的薄膜銅絲或絕緣膠木板等卷芯上而制作

電阻溫度系數(shù)非常好，為±5-20*10-6/0C;精度,穩(wěn)定性,重復(fù)性比薄模式好,分辨力低于薄模式.

金屬陶瓷式

電阻膠印在陶瓷基板上,并用高溫?zé)贫?

分辨力高,環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)前,電阻溫度系數(shù),為±200*10-6/0C左右.

導(dǎo)電-塑料式

將基板的樹脂與電阻墨制成一體,獲將電阻膠涂于薄膜基片上.

分辨力,壽命,高速現(xiàn)響應(yīng)特性好,電阻溫度系數(shù)為±400*10-6/0C

混合式

導(dǎo)電性樹脂涂于限繞式電阻元件上

兼有繞線式和導(dǎo)電-塑料式的優(yōu)點(diǎn),電阻溫度系數(shù)為±150*10-6/0C

5.2電阻式傳感器(5)應(yīng)用案例：重量的自動(dòng)檢測(cè)--配料設(shè)備重量設(shè)定原材料

比較原理用彈簧將力轉(zhuǎn)換為位移;再用變阻器將位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化5.2電阻式傳感器案例：煤氣包儲(chǔ)量檢測(cè)原理直接將代表煤氣包儲(chǔ)量的高度變化轉(zhuǎn)換為鋼絲的電阻變化煤氣包鋼絲特點(diǎn)：（1）測(cè)量量程大；（2）防爆；（3）可靠；（4）成本低。5.2電阻式傳感器案例：玩具機(jī)器人（廣州中鳴數(shù)碼）原理直接將關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度變化轉(zhuǎn)換為電阻器阻值變化5.2電阻式傳感器2電阻應(yīng)變式傳感器-