[工学]测试技术与信号处理 第1部分 绪论.ppt

测试技术与信号处理,机电工程系 何炳蔚 （）,测试技术与信号处理,教材：机械工程测试技术基础（第3版） 熊诗波、黄长艺，机械工业出版社，2006。,参考书： 1.机械工程测试技术基础（第2版） 黄长艺 、严普强, 机械工业出版社，1996。 2.机械工程测试技术 周生国 北京理工大学出版社，1993。 3.测试技术与测试信号处理吴正毅 清华大学出版社，1991。 4.旋转机械故障机理及诊断技术 韩捷， 机械工业出版社，1997。 5.传感器 强锡富， 机械工业出版社，1999。 6.LabVIEW7.1 测试技术与仪器应用 邓焱、王磊， 机械工业出版社,2004。 7.虚拟仪器 秦树人， 中国计量出版社，2004年。 等，与测试技术或传感器相关的图书资料。,课程内容：,本课程主要介绍工业自动化等领域中常见物理量(位移、振动、应力、应变、温度等）的传感器工作原理、测量电路原理和信号分析方法。,主要内容如下：,4,9,10,8,6,8,理论学习共45学时，2.5学分，必修。,学时数分配,测试技术与信号处理,位移 振动 应力 应变,112周,测试技术与信号处理是一门与材料科学、微电子技术、信息技术密切相关的快速发展的学科。为弥补书本教材内容滞后于学科发展的问题，在教学内容上加入了一些多媒体素材和案例。,学习方法：,以教材为主，参考电子教材等资料。,测试技术与信号处理,本课程学习要求：,(1) 掌握信号的时域和频域描述方法，建立明确的信号频谱的概念；掌握频谱分析和相关分析的基本原理和方法，掌握数字信号分析中的基本概念。,测试技术与信号处理,(2) 掌握测试装置基本特性的评价方法和不失真测试条件，并能正确运用于测试装置的分析和选择。掌握一阶、二阶线性系统动态特性和测试方法。,(3) 掌握常用传感器、常用信号调理电路的工作原理和性能，并能正确选用。,(4) 对测试技术有一个完整的概念，并能初步应用于产品设计、性能评定和实验工作中。,本课程是培养学生解决实际工程测量问题能力的专业基础课，具有很强的实践性。学习时应充分利用课程所开设动手实验和仿真实验。,只有通过足够的实验和仿真实验操作，才能培养应有的实际动手能力和更好地掌握书本知识。,测试技术与信号处理,理论学习、实践学习、研究学习三元并重。,拟开设实验如下： 信号合成 实现不失真测试的条件 应变片与电桥 滤波器,绪 论,本章学习要求：,1.掌握测试技术的概念及研究内容 2.了解测试技术的应用情况 3.了解测试技术的发展动态 4.了解主要测试仪器生产厂商 5.掌握测量的基础知识（定义、概念等）,测试技术与信号处理,绪论,绪论,一、 测试和测量系统,测试技术是测量和试验技术的统称，主要研究各种物理量的测量原理和测量信号分析处理方法。,测试技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数测量必不可少的手段，起着人的感官的作用。,简单的测试系统可以只有一个模块，如玻璃管温度计。它直接将被温度变化转化液面示值。没有电量转换和分析电路，很简单，但精度低，无法实现测量自动化。,为提高测量精度和自动化程度，以便于和其它环节一起构成自动化装置，通常先将被测物理量转换为电量，再对电信号进行处理和输出。如图所示的声级计。,测试技术与信号处理,第一节 测试技术概况,测试的基本任务是获取有用的信息,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(如温度、噪声) 检出并转换为电量。,一、 测试和测量系统,信息转换,信息提取,测试技术与信号处理,计算机或 控制系统,工程测量,一、 测试和测量系统,测试技术与信号处理,测量系统的用途,绪论,测试技术的工程应用,在工程领域，科学实验、产品开发、生产监督、质量控制等，都离不开测试技术。测试技术应用涉及到航天、机械、电力、石化和海洋运输等每一个工程领域。,测试技术与信号处理,1、工业自动化中的应用,a)机械手、机器人中的传感器 转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。,测试技术的工程应用,在各种自动控制系统中，测试环节起着系统感官的作用，是其重要组成部分。,广州中鸣数码的机器狗,测试技术与信号处理,b) AGV自动送货车,超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器运动轨迹和AGV小车位置识别；条形码传感器，货品识别。,香港理工AGV模型,测试技术与信号处理,测试技术的工程应用,c) 生产加工过程监测,切削力传感器，加工噪声传感器，超声波测距传感器、红外接近开关传感器等。,密歇根大学数字化工厂,测试技术与信号处理,测试技术的工程应用,2、流程工业设备运行状态监控,在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在线监测系统。,石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测。,扬子石化50MW热电机组监测系统 阳逻电厂300MW汽轮机组监测系统 荆门电厂200MW机组监测系统 青山热电厂生产信息实时查询系统 沙角电厂生产信息实时查询系统 宝钢30KW以上风机监测系统 宝钢精轧F2轧机网络化监测系统 宝钢冷轧带钢振动纹监测系统 武钢风机状态监测系统,测试技术与信号处理,测试技术的工程应用,3、产品质量测量,在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。,图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。,汽车扭距测量,机床加工精度测量,测试技术与信号处理,测试技术的工程应用,4、楼宇控制与安全防护,为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活或工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。,图示为某楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监控。,测试技术与信号处理,测试技术的工程应用,5、家庭与办公自动化,在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。,全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器(洗净度) 液位传感器，电阻传感器(衣物烘干检测)。,指纹传感器,透光率传感器,测试技术与信号处理,测试技术的工程应用,6、其他应用,航天,农业,交通,医学,测试技术与信号处理,测试技术的工程应用,鼠标:位移传感器,摄象头:CCD传感器,声位笔:超声波传感器,麦克风:电容传声器,声卡:A/D卡 + D/A卡,软驱:速度,位置伺服,7、PC机中的测试技术应用,测试技术与信号处理,测试技术的工程应用,二、测试技术的发展概况,绪论,1、传感器方面,a)利用新发现的材料和新发现的生物、物理、化学效应开发出的新型传感器,光纤流速传感器,荧光材料制作的电子鼻传感器,生物酶血样分析传感器,测试技术与信号处理,二、 测试技术的发展概况,b)传感器+嵌入式计算机 智能传感器,振动网络传感器,嵌入式计算机,智能压力网络传感器,智能倾角RS232传感器,IC总线数字温度传感器,测试技术与信号处理,2、测量信号处理方面,计算机虚拟仪器技术,用PC机仪器板卡 代替传统仪器 用计算机软件 代替硬件分析电路,我们的工作,测试技术与信号处理,二、 测试技术的发展概况,仪器定义和功能的转变,传统仪器:厂商定义,虚拟仪器:用户定义,计算机虚拟仪器技术,用户定义虚拟仪器的优点：,用户定义 低费用 灵活 可再用性 可重新配置,测试技术与信号处理,测试技术与信号处理,计算机虚拟仪器技术,虚拟仪器技术的优点,虚拟仪器技术的主要应用领域,测试技术与信号处理,计算机虚拟仪器技术,虚拟仪器的组成,计算机虚拟仪器技术,测试技术与信号处理,基于虚拟仪器的新型工业测控系统架构,计算机虚拟仪器技术,测试技术与信号处理,测试技术的发展趋势总结,测试技术,相关学科：物理、化学、数学、生物学、材料科学等等,新的测试理论、方法和技术手段,1、传感器水平的提高,光纤传感器、液晶传感器、压敏传感器（以高分子有机材料为敏感元件）,化学传感器、 微生物传感器、 仿生传感器（代替视觉、嗅觉、味觉和听觉）以及检测超高温、超高压、超低温和超高真空等极端参数的新型传感器,科学研究和探索世界的翅膀（触角）,测试技术与信号处理,3）传感器向着高精度小型化和集成化方向发展,微电子技术 - 多个同类型传感器集成在一个芯片或阵列上, 一体化：将传感器和后续的处理电路集成一体,例：电荷耦合器件（CCD）- 光敏元阵列,数码相机,多功能传感 - 不同功能的传感器集成化, 集成化：,特点：一个传感器可以同时测量不同种类的多个参数,例：测量血液中各种成分的多功能传感器,特点：减少干扰，提高灵敏度，方便使用；可实现实时数据处理（传感器和数据处理电路集成）,2、测试系统由模拟式、数字式向智能化方向发展,测试技术与信号处理,1、产品检验和质量控制的重要手段,工程测试技术的作用与意义,被动测试,主动检测（在线测试）,质量控制领域,2、在大型设备安全经济运行监测中得到广泛应用,故障测试系统,动态测试,保证设备和人员安全提高经济效益,3、自动化系统中不可缺少的组成部分,生产过程：,“物流”,“信息流”,测试,获取信息,分析判断,自动控制,自动化：,信息获取、信息转换、信息处理与传送、信息执行,4、测试测技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步,测试手段水平决定科学研究的深度和广度,理论研究成果离不开必要的测试手段,测试技术与信号处理,绪论,主要传感器和测试仪器生产厂商,测试技术与信号处理,主要测试仪器生产厂商,3、测量分析仪器,测试技术与信号处理,小节,测量装置,测量结果,分 析,结果隐含的信息：1.预示什么现象？ 2.采取什么对策？,装置：1.如何构成？ 3 2.正常工作？ 2，3 3.有何特性？ 2,分析方法 5,如何记录？4,被测 对象,信号 1,绪论,思考题：,1. 列出你身边的测试技术应用的例子。,测试技术与信号处理,绪论,测试技术与信号处理,第二节 测量的基础知识,为使测量结果具有普遍的科学意义需具备的条件：,测量的基础知识内容包括： 1.量与量纲 2.法定计量单位 3.测量、计量与测试 4.基准与标准 5.量值的传递与计量器具检定 6.测量方法 7.测试装置 8.测量误差 9.测量精度和不确定度 10.测量器具的误差, 进行比较的测量系统必须进行定期检查、标定，以保证测量的有效性、可靠性，这样的测量才有意义。, 测量过程被测量的量与标准或相对标准量的比较过程。作为比较用的标准量必须是已知的，且是合法的，才能确保测量至的可信度及测量值的溯源性。,绪论测量的基础知识,测试技术与信号处理,一、量与量纲,量：是指现象、物体或物质可定性区别和定量确定的一种属性。,1.量值是用数值和计量单位的乘积来表示的。,被用来定量地表达被测量对象相应属性的大小。,2.基本量和导出量,也有例外，如弧度(rad)，实际上一个数。,测试技术与信号处理,绪论测量的基础知识,3.量纲和量的单位,同样，时间是一个基本量，是惟一的量纲,表示长度有千米、米、厘米、纳米等单位,表示时间有光年、年、小时、秒、微秒等单位,测试技术与信号处理,绪论测量的基础知识,二、法定计量单位,是强制性的,各行业、各组织都必须遵照执行，以确保单位的一致。我国的法定计量单位是以国际单位制（SI）为基础，并选用少数其他单位制的计量单位来组成的。,1.基本单位：根据国际单位制，7个基本量的单位如下,各基本单位的定义参见教材第5页,测试技术与信号处理,绪论测量的基础知识,2.辅助单位,3.导出单位,在选定了基本单位和辅助单位之后，按物理量之间的关系，由基本单位和辅助单位以相乘或相除的形式所构成的单位。,例如， 速度 m/s; 加速度 m/s2；角速度 rad/s 扭矩 Nm （ kgm ）,测试技术与信号处理,绪论测量的基础知识,三、测量、计量、测试,计量学,计量一词只用做某些专门术语的限定语，如计量单位、计量管理、计量标准等。所组成的新术语都与单位统一和量值准确有关。,一个完整的测量过程必定涉及到被测对象、计量单位、测量方法和测量误差,测试技术与信号处理,绪论测量的基础知识,四、基准和标准,是用来保存、复现计量单位的计量器具； 具有现代科学技术所能达到的最高准确度的计量器具。,基 准 的 分 类,目的是避免频繁使用国家基准和副基准；,测试技术与信号处理,绪论测量的基础知识,五、量值的传递和计量器具检定,检定规程：是指检定计量器具时必须遵守的法定文件。,分为国家、部门和地方三种。,所有的计量器具都必须实施定点定期的强制检定，合格的计量器具被授予检定合格证书和在计量器具上加盖检定标记。,按比较方法,测试技术与信号处理,绪论测量的基础知识,六、测量方法,根据测量的方法、手段、目的、性质等对测量进行分类,1.直接测量,按测量条件,如卷尺测量长度、高度等，同一物理量之间的比较。,如水银温度计，温度的高低转化为水银柱的高度。,直接把被测物理量和标准量作比较。,利用仪器把原始形态的待测物理量的变化变换成与之保持已知函数关系的另一种物理量的变化。,测试技术与信号处理,绪论测量的基础知识,2.间接测量,如，测定某段时间内火车运动的距离,速度=位移/时间,3.组合测量,测试技术与信号处理,绪论测量的基础知识,七、测量装置,1.传感器,2.测量变换器,3.检测器,4.测量器具的示值,5.准确度等级,测试技术与信号处理,绪论测量的基础知识,7.量程,8.测量范围,9.漂移,测量器具的计量特性随时间的慢变化。,例如，温度计的标尺范围的起点示值为-30C，终点示值为+20C，其标称范围即为-30C +20C,此外，随温度变化，输出的零点也会产生变化零漂,测试技术与信号处理,绪论测量的基础知识,八、测量误差,1.测量误差的定义,就给定的目的而言，被认为充分接近真值，因而可以代替真值来使用的量值。,2.误差 分类,对同一被测量进行多次测量，出现某种保持恒定或按确定的方向变化着的误差，可以通过修正消除。,对同一被测量进行多次测量，误差的正负号和绝对值以不可预知的方式变化，无法修正消除，可以控制和减少其影响。,明显超出规定条件下预期误差范围，由于某种不正常原因造成的，允许也应该剔除，但必须有充分依据。,约定真值,测量误差 = 测量结果 真值,测试技术与信号处理,绪论测量的基础知识,3.误差表示方法, 绝对误差,绝对误差 = 测量结果 真值, 相对误差,相对误差 = 误差 真值,相对误差 误差 测量结果,当误差值较小时，可采用,有量纲和单位,无量纲和单位， 常用%、等 表示,例0-1 真值为 2.00mA，测量结果为 1.99mA,绝对误差 = 1.99 - 2.00 = -0.01mA,相对误差 = -0.01 / 2.00 = -0.005 = -0.5%,误差 = 1.99 - 2.00 = -0.01mA,测试技术与信号处理,绪论测量的基础知识, 引用误差,引用误差 = 绝对误差 引用值,例如，温度计标称范围为 -30C +50C，量程是 70C，引用值为 50C。,例0-2 标称范围为 0 150V的电压表测量时，当示值为100.0V，电压 实际值为99.4V。这时电压表的引用误差为,引用误差 = (100.0V 99.4V) 150V = 0.4%, 分贝误差,分贝误差 = 20lg（测量结果真值）dB,分贝误差 = 10lg（测量结果真值）dB,注意：对于一部分的量（如广义功），需改用如下公式,当测量结果等于真值时，即误差为零时，分贝误差必定等于 0 dB,是泛指测量结果的可信程度，更为规范的术语如下：,测试技术与信号处理,绪论测量的基础知识,九、测量精度和不确定度,1. 测量精密度,2. 测量正确度,测量精密度低,测量正确度低,测量准确度高,测试技术与信号处理,绪论测量的基础知识,4. 测量不确