工程测试与信号处理.doc

。1测试的基本概念 测试是具有试验性质的测量，或者可以理解为测量和试验的综合。2测试技术的内容主要内容包括四个方面，即：测量原理.测量方法,测量系统,数据处理3. 测试技术的任务 1)新产品设计； 2)设备改造；3)工作和生活环境的净化及监测； 4)工业自动化生产；5)科学规律的发现和新的定律、公式的诞生。4. 测试方法的分类1) 按是否直接测定被测量的原则分类分为直接测量法和间接测量法。2)按传感器是否与被测物接触的原则分类分为接触测量法与非接触测量法。优缺点。3) 按被测量是否随时间变化分类静态测量和动态测量5.信号是载有信息的物理变量，是传输信息的载体。信息是事物存在状态或属性的反映。区别与联系：信息蕴含于信号之中，信号中携带着人们所需要的有用信息。6. 信号的分类 一、按所传递的信息的物理属性分类：机械量(如位移、速度、加速度、力、温度、流量等)、电学量(如电流、电压等)、声学量(如声乐、声强等)、光学量等等。二、按照时间函数取值的连续性和离散性分类：分为连续时间信号和离散时间信号。三、按照信号随时间变化变化的特点来分类：可分为确定性信号和非确定性信号两大类。四、按照信号能否重复来分类：确定性信号（周期信号和非周期信号）和非确定性信号（平稳随机信号和非平稳随机信号）。 7.信号的描述与分类通常以四种变量域来描述信号，即时间域、幅值域、频率域、时频域对应的信号分析有时域分析、幅域分析、频域分析、时频分析。一、时域分析 （1）. 峰值和峰峰值 峰峰值表示信号的动态范围，即信号大小的分布区间（2）均值 表示信号大小的中心位置或常值分量，也称为固定分量或直流分量。(3)方差和均方差 表示了信号的分散程度或波动程度。(4) 均方值和均方根值 表示了信号的强度。8.传感器的静态特性： 静态特性是指传感器对不随时间变化得输入量得响应特性的指标：1.线性度2.灵敏度3.回程误差4.分辨力与分辨率5.确定度6.漂移动态特性：动态特性是指传感器对随时间变化得输入量得响应特性。主要动态特性的性能指标有时域单位阶跃响应性能指标和频域频率特性性能指标。9.改善传感器性能的技术途径.结构、材料与参数的合理选择.差动技术.平均技术.稳定性处理.屏蔽、隔离与干扰抑制.零示法、微差法与闭环技术.补偿与校正 .集成化、智能化与信息融合10.误差基本概念绝对误差=测量值-真值误差来源(原因）：1、测量装置误差：标准器件误差、仪器误差、附件误差2、测量环境3、测量方法、4、测量人员误差分类系统误差：在相同条件下，多次测量同一量值时，该误差的绝对值和符号保持不变，或者在条件改变时，按某一确定规律变化的误差系统误差分类：a、按误差出现规律：恒定误差、可变误差b.按系统误差掌握程度：已定、未定随机误差：在相同测量条件下，多次测量同一量值时，该误差的绝对值和符号以不可定方式变化的误差。粗大误差：明显超出统计规律预期的误差。反映测量结果与真值接近程度的量，称为精度。准确度：系统误差的大小程度精密度：随机误差的大小程度精确度：精密正确的程度含有误差的任何近似数，如果其绝对误差界是最末位数的半个单位，那么从这个近似数左方起的第一个非零的数字，称为第一位有效数字。从第一位有效数字起到最末一位数字止的所有数字，不论是零或非零的数字，都叫有效数字。数据修约采用“四舍五入”的方法，具体规定如下：若舍去部分的数值，大于保留部分的末位的半个单位拟舍弃的数字最左一位大小5时(包括等于5而其后还有非“0”的数字)则进1，即保留的末位数再加1。若舍去部分的数值，小于保留部分的末位的半个单位拟舍弃的数字最左一位小于5时舍去。若舍去部分的数值，等于保留部分的末位的半个单位，则末位凑成偶数。偶数时则末位不变，当末位为奇数时则末位加l。数据运算规则：在近似数加减运算时，各运算数据以小数位数最少的数据位数为准，其余各数据可多取一位小数，但最后结果应与小数位数员少的数据小数位相同。在近似数乘除运算时，各运算数据以有效位数最少的数据位数为准，其余各数据要比有效位数最少的数据位数多取一位数字，而最后结果应与有效位数最少的数据位数相同。在近似数平方或开方运算时，平方相当于乘法运算,开方是平方的逆运算,故可按乘法运算处理。在对数运算时，n位有效数字的数据应该用n位对数表，或用n1位对数表, 以免损失精度。 三角函数运算中，所取函数值的位数应随角度误差的减小而增多。 数据处理方法及其原理 数据处理方法有列表法、作图法、逐差法和最小二乘法等列表法是记录和处理实验数据的基本方法，也是其它实验数据处理方法的基础。将实验数据列成适当的表格，可以清楚地反映出有关物理量之间的一一对应关系，既有助于及时发现和检查实验中存在的问题。作图法利用实验数据，将实验中物理量之间的函数关系用几何图线表示出来，这种方法称为作图法。作图法是一种被广泛用来处理实验数据的方法，它不仅能简明、直观、形象地显示物理量之间的关系，而且有助于我人研究物理量之间的变化规律，找出定量的函数关系或得到所求的参量。题，判断测量结果的合理性；又有助于分析实验结果，找出有关物理量之间存在的规律性。逐差法是物理实验中处理数据常用的一种方法。凡是自变量作等量变化，而引起应变量也作等量变化时，便可采用逐差法求出应变量的平均变化值。最小二乘法，把实验的结果画成图表固然可以表示出物理规律，但是图表的表示往往不如用函数表示来得明确和方便，所以我们希望从实验的数据求经验方程，也称为方程的回归问题，变量之间的相关函数关系称为回归方程。1-2、描述周期信号的频率结构可采用什么数学工具？如何进行描述？周期信号是否可以进行傅里叶变换？为什么？答：傅里叶级数展开式。根据具体情况可选择傅里叶级数三角函数展开式和傅里叶级数复指数函数级数展开式两种形式。周期信号不可以直接进行傅里叶变换，因为周期信号不具备收敛可积的条件，其频域描述只能运用傅里叶级数展开式来描述。1-4、周期信号、非周期信号和随机信号在不同领域的描述中有何不同？用什么方法可以鉴别混杂在一起的这三种信号？用什么方法可以将它们分离开来？答：不同性质信号的样本记录，具有不同的概率密度函数。因此，可以通过分析概率密度函数来确定被测信号所含的成分。第二章2-5、不失真测试条件能够保证信号的什么不失真？对于复杂输入信号如何才能保证输出信号不失真？实际测试系统的特性与不失真真测试条件有何差距？答：保证波形不失真。复杂的输入信号保证不失：系统的幅频特性为常量，相频特性是过原点且具有负斜率的直线。实际测试系统不可能在很宽的频率范围内满足不失真测试的条件。所以实际的测试系统不可避免的会产生幅值失真和相位失真，即使只在某一频率范围内工作，也难以完全理想地实现不失真的测试。2-8 进行某次动态压力测量时，所用的压电式力传感器的灵敏度为 90.9nC/Mpa，将它与增益为0. 005V/nC的电荷放大器相联，而电荷放大器的输出接到一台笔记式记录仪上，记录仪的灵敏度为20mm/V。试计算这个测量系统的总灵敏度，又当压力变化为3.5Mpa时，记录笔在记录纸上的位移量是多少？解： 总灵敏度 记录的位移=2-10用一个一阶系统作100Hz正弦信号的测量，如要求限制振幅误差在5%以内, 则时间常数应取多少？若用该系统测试50Hz信号，问次此时的振幅误差和相角误差是多少？1) 2) 3.1一应变片的电阻R=120，灵敏系数K=2.05用应变为800m/m的传感元，接于单臂测量电路中.（1）计算RR与R（2）若电桥电源电压为直流3V，求电桥输出电压(1) 由理论推导可知：RR=K*，故：RR=0.00164所以R=0.1968 欧(2) 对单臂测量电路来说,R引起的电桥输出电压的变化为:U=U/4*K* 其中U=3V U为电桥输出电压所以 电桥输出电压 U=0.00123V3.7电涡流传感器主要有什么特点？涡流传感器可应用于哪些地方？答：电涡流传感器,这种传感器可以实现非接触测量物体表面为金属导体的多种物理量。具有结构简单，频率响应宽，灵敏度高，测量线性范围大，抗干扰能力强，体积小等一些特点。 涡流传感器主要用于测量位移，振幅，速度等，测量位移可以精确到1微米，可以无接触的测量金属板的后度，可以探测地下埋设管道，可以用于焊接部位探伤，可以用于编码器中测转速。3.9什么是压电效应？答：压电效应：某些材料在承受机械应变时，内部就会产生极化现象，从而在材料的相应表面就会产生电荷；当外力除去后，又重心恢复到原来的状态，这种现象称为压电效应。石英是一种压电材料，是自然界所产生的透明结晶物 ，它表现出非常稳定的压电效应,石英的主要成份为二氧化硅。晶体元件具备着组成一极高稳定性频率产生电路的能力。 石英晶体的压电效应？石英晶体属于单晶体，化学式为SiO2,外形结构呈六面体,沿各方向特征不同。 沿X方向(电轴)的力作用产生电荷的压电效应称”纵向压电效应”； 沿Y方向的(机械轴)的力作用产生电荷的压电效应称”横向压电效应”； 沿Z方向的(光轴)的力作用时不产生压电效应。3.10电感式传感器有哪几类？主要有哪些典型应用？答：两大类。第一按其转换方式不同分为自感式，互感式，涡流式。 第二按其结构形式不同分为变气隙式，变面积式，螺管式自感式传感器的应用很广泛，它不仅可直接用于测量位移，还可以用于测量振动、应变、厚度、压力、流量、液位等非电量。互感式传感器用于测量位移、压力、振动等非电量参量的传感器件的。因而，其灵敏度要求高，线性要好。因而，要采用线性整流电路来进行整流。涡流式传感器可用于物体尺寸的非接触测量与控制，有效降低了生产后的单件检验成本，并能有效节省原物料的损耗，降低人员需求。 4.1信号调理的作用是什么？ 信号调理的目的是便于信号的传输与处理，其作用可以归纳为以下三点：a) 传感器输出的电荷信号要转化成后续电路可以处理的电信号。b)传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到记录仪器中去，需要前置放放大。c)电信号中混杂有干扰噪音，在检测电路中需要设置滤波电路，目的是去除混杂在干扰，通过消除噪音来提高信噪比，对零位误差和增益误差进行补偿和修正。 4-3、什么是信号调制？在测控系统中为什么要进行信号调制？常用的信号调制方法有哪几种？什么是解调？调制是指利用某种信号来控制并改变某一高频振荡信号的某个参数（如幅值、频率或相位等）使其随着该信号的变化而变化的过程。1.微弱信号在传输过程中抗干扰能力较弱；2.在对这些信号采用直流放大时，由于受零漂移与级间耦合的影响，容易产生失真。1、按调制信号的形式可分为模拟调制和数字调制；2、按载波的种类可分为脉冲调制、正弦波调制和强度调制等；3、按被调制参数的不同分为调幅、调频、调相。解调是指从已调波中恢复出调制信号的过程，即调制的逆过程。4-4、什么是调制信号？什么是载波？什么是已调波？在调制过程中，将控制高频振荡的低频信号称为调制信号，将载送低频信号的高频振荡波称为载波，而经过调制后所得到的的高频振荡波称为已调波。6.3常见的接触式。非接触式测振传感器有哪些？其结构与工作原理各有何特点？常见的接触式振动传感器中的电磁式速度传感器和压电式加速度计，非接触式振动传感器中的涡流式传感器属于相对试传感器压电式加速度传感器：结构：弹簧质量块基座压电元件夹持环原理：压电式加速度传感器是基于压电晶体的压电效应工作的。某些晶体在一定方向上受力变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去除后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为“压电效应”，具有“压电效应”的晶体称为压电晶体。常用的压电晶体有石英、压电陶瓷等。特点;v构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高工作温度受到限制。 磁电式速度传感器为惯性式速度传感器，结构：弹簧片，磁靴，阻尼环，外壳，铝架，磁钢，线圈，线圈架，弹簧架，导线，接线座。额定激励电流和最大允许激励电流当霍尔元件自身温升10度时所流过的激励电流以元件最大温升为限制所对应的激励电流,输入电阻和输出电阻激励电极间的电阻电压源内阻其工作原理为：当有一线圈在穿过其磁通发生变化时，会产生感应电动势，电动势的输出与线圈的运动速度成正比，涡流式传感器：结构壳体框架线圈保护套填料螺母电缆根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时（与金属是否块状无关，且切割不变化的磁场时无涡流），导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。而根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。特点：。电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点 6.6线位移传感器; 电差动螺管式电感传感器的工作原理： 差动螺管式电感传感器是一种利用主次级线圈互感的电感作用大小来进行测量的传感器，两个副线圈的同名端需要连接在一起，主线圈的一端和次线圈的一端构成输出，接到示波器观察波形，或者是接到数据采集卡上直接采集数据。涡流位移传感器：根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。而根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。 特点涡流位移传感器的输出不仅与位移有关而且与被测物体的形，表面层电导率和磁导率有关6.7角位移传感器：旋转变压器角位移传感器；旋转变压器是一种输出电压随转子转角变化的角位移装置定、转子铁芯