第二章动态测试技术的基础知识PPT课件.ppt

工程测试及系统设计 中北大学信息与通信工程学院 第二章动态测试技术的基础知识 1 1 第二章动态测试技术的基础知识 2 1工程测试常用术语及概念 2 2信号的分类 2 3测试系统的输入与输出 2 4测量误差及其分析 2 5测试系统的基本特性 2 6实现不失真测试的条件 2 7测试系统动态特性的测试 2 8测试系统设计的原则和方法 基本要求 熟练掌握和理解课程讲授内容 2 2 1测试技术常用术语及概念一 测量与测试1测量测量就是把待测量直接或间接地与同类已知量相比较 把这个已知量作为计量作单位 定出被测量是单位量的倍数 或者说 求出被测量与计量单位的比值 被测量基准量 单位 测量 倍数 结果 3 特征 1 测量的定义为确定被测对象的量值而进行的实验过程称为测量 2 测量的最基本形式比较 将待测的未知量和予定的标准作比较 3 量值由测量所得到的被测对象的量值表示为数值和计量单位的乘积 4 测量的分类直接测量和间接测量 4 直接测量被测量与计量单位直接进行比较 即无需经过函数关系的计算 直接通过测量仪器得到被测量值的测量为直接测量 例 天平测物体质量 用米尺测量物体长度 测量导体的电阻 5 间接测量被测量是通过与直接测量的量确定的函数关系求得的 利用仪器仪表 统称之为测量系统 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 通常是线性关系 的另一种物理量的变化 并以人的感官所能接受的形式 通常是位置的变化 在测量系统的输出端显示出来 特点 被测物体量不能用现有仪表直接测量得到 需通过数学关系计算得到 如 y f x1 x2 x3 欲测量y 首先测量x1 x2 x3 才能得到y 6 例 水银温度计测体温 弹簧测物体的重量 用线圈靶测弹丸速度 测运动物体的动能 如果测试时信号不随时间变化 或随时间变化非常缓慢以至于可以忽略 则称这种测试是静态测量 如果所测试的信号变化较快 称这种测试为动态测量 静态测量与动态测量 7 要使测量具有普遍的科学性 则 1 作比较的标准必须是精确已知的 得到公认的 2 进行比较的测量系统必须工作稳定 经得起检验 8 2测试 对被测对象在试验过程中进行各种参数的动态测量 测其变化的大小和规律 测试有三个要素 测试对象 测试设备和测试技术 测试系统 对被测对象进行测试的全部配套仪器设备的总称 测试技术 研究如何对被测试对象进行测试的实施方案 9 检测 测试 是测量 计量 也是测量 两者有什么区别呢 一般说来 计量 是指用精度等级更高的标准量具 器具或标准仪器 对被测样品 样机进行考核性质的测量 这种测量 通常具有非实时及离线和标定的性质 一般在规定的具有良好环境条件的计量室 实验室采用比对被测样品 样机 更高精度并按有关计量法规经定期校准的标准量具 器具或标准仪器进行 而 检测 测试 通常是指在生产 实验等现场 利用某种合适的检测仪器或综合测试系统对被测对象进行在线 连续的测量 10 二 标定在专用 或通用 的设备上 将测试系统的输出量与相同条件下的某一标准输出量进行比较 而给予数量概念的工作过程 或者说通过试验建立测试系统的输入量与输出量之间的关系 标定分静态标定和动态标定 静态标定 确定测试系统的静态特性指标 如线性度 灵敏度 精度 迟滞性和重复性等 动态标定 确定测试系统的动态特性参数 如时间常数 上升时间或工作频率 通频带等 11 2 2信号的分类 分析及处理 一 信号分类与描述二 信号的时域分析三 信号的幅值域分析四 信号分析与处理 12 为深入了解信号的物理实质 研究信号的分类是非常必要的 从不同角度观察信号 3按信号的能量特征分类 能量信号与功率信号 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 4从分析域上分类 时域信号与频域信号 一信号的分类与描述 13 1 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 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 一般周期信号 准周期信号 瞬态信号 平稳随机信号 非平稳随机信号 14 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 15 谐波信号 频率单一的正弦或余弦信号 简单周期信号 信号的 波形 16 信号波形 被测信号信号幅度随时间的变化历程称为信号的波形 信号波形图 用被测物理量的强度作为纵坐标 用时间做横坐标 记录被测物理量随时间的变化情况 振动弦 声源 声级计 记录仪 17 x1 t A1Sin 1t 1 A1Sin 2 1t 1 10Sin 2 3 t 6 x2 t A2Sin 2t 2 A2Sin 2 2t 2 5Sin 2 2 t 3 x3 t 10Sin 2 3 t 6 5Sin 2 2 t 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 一般周期信号 18 周期性三角波 周期性方波 19 b 非周期信号 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 20 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 0 21 a 锤击物体的力信号 b T 段为汽车加速过程信号 c 半个正弦信号 d 矩形窗信号 22 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 平稳与非平稳 23 a 汽车速度连续信号 b 开水房锅炉水温度的变化连续信号 2 连续信号与离散信号 24 c 每日股市的指数变化 离散信号 d 某地每日的平均气温变化 离散信号 e 每隔5分钟测定开水房锅炉水的温度变化 离散信号 f 每隔2微妙对正弦信号采样获得的离散信号 25 3 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 26 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 t1 t2 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 一般周期信号 27 信号 域 的不同 是指信号的独立变量不同 或描述信号的横坐标物理量不同 信号的时域描述 以时间为独立变量 其强调信号的幅值随时间变化的特征 信号的频域描述 以角频率或频率为独立变量 其强调信号的幅值和相位随频率变化的特征 4 时域和频域信号 信号的 域 时域 频域 28 时域描述 反映信号随时间变化 频域描述 反映信号的组成成分 同一信号无论选用哪种描述方法都含有同样的信息量 信号的分类与描述 29 信号的时域波形分析是最常用的信号分析手段 用示波器 万用表等普通仪器直接显示信号波形 读取特征参数 2 周期T 频率f 1 T 3 峰值P 双峰 or峰峰 值Pp p 二信号的时域波形分析 30 4 均值 均值E x t 表示集合平均值或数学期望值 均值 反映了信号变化的中心趋势 也称之为直流分量 周期信号中的均值是指信号在一个周期内幅值对时间的平均 31 5 均方值 工程测量中仪器的表头示值就是信号的有效值 信号的均方值E x2 t 表达了信号的强度 其正平方根值 又称为有效值 RMS 也是信号平均能量的一种表达 均方值 平均功率 有效值 RMS 32 6 方差 方差 反映了信号绕均值的波动程度 信号x t 的方差定义为 x t t 33 7 波形分析的应用 超门限报警 34 案例 旅游索道钢缆检测 35 三信号的幅值域分析 1概率密度函数 以幅值大小为横坐标 以每个幅值间隔内出现的概率为纵坐标进行统计分析的方法 它反映了信号落在不同幅值强度区域内的概率情况 p x 的计算方法 36 2直方图 以幅值大小为横坐标 以每个幅值间隔内出现的频次为纵坐标进行统计分析的一种方法 37 3 概率分布函数 概率分布函数是信号幅值小于或等于某值R的概率 其定义为 概率分布函数又称之为累积概率 表示了落在某一区间的概率 38 四信号分析及处理 1数字信号处理基础 通常把研究信号的构成和特征值称为信号分析 把信号经过必要的变换以获取所学信息的过程称为信号处理 模拟信号处理系统和数字信号处理系统 数字信号处理主要研究用数字序列来表示测试信号 并用数学公式和运算来对这些数字序列进行处理 其主要内容包括数字波形分析 幅值分析 频谱分析和数字滤波 如 001011110111 39 采样 1 数字信号 模拟信号 离散时间信号 时间离散 幅值连续 40 量化 编码 离散时间信号 数字信号 量化 把采样信号x nTs 经过舍入变为只有有限个有效数字的数 这一过程称为量化 时间离散 幅值连续 1 3 6 7 3 1 5 0 7 7 41 42 量化误差 量化又称幅值量化 就是将模拟信号采样后的x nTs 的电压幅值变成为离散的二进制数码 其二进制数码只能表达有限个相应的离散电平 称之为量化电平 这一过程称为量化 若取信号x t 可能出现的最大值A 令其分为D个间隔 则每个间隔的长度为R A D R称为量化增量或量化步长 当采样信号x nTs 落在某一小间隔内 经过舍入或者截尾的方法而变为有限值时 则产生量化误差 43 例 将幅值为A 1000的谐波信号按6 8 18等分量化 求其量化后的曲线 44 2数字信号处理的基本步骤 数字信号分析仪或计算机 显示 45 3采样 混叠和采样定理 采样间隔的选择是一个重要的问题 采样间隔太小 采样频率高 则对定长的时间记录来说其数字序列就很长 即采样点数多 使计算工作量增大 如果数字序列长度一定 则只能处理很短的时间历程 可能产生很大的误差 若采样间隔太大 采样频率低 则可能丢失有用的信息 例 对信号和进行采样处理 采样间隔Ts 1 40 即采样频率fs 40Hz 请比较两信号采样后的离散序列的状态 46 信号采样和混叠 采样频率 采样时间 按此采样频率 两个信号数字信号相同 x1 t x2 t 47 从上面分析可以看出 经采样后 在采样点上两者的瞬时值完全相同 即获得了相同的数学序列 这样 从采样结果 数字序列 上看 就不能分辨出数字序列来自于x1 t 还是x2 t 不同频率的信号x1 t 和x2 t 的采样结果的混叠 造成了 频率混淆 现象 48 若模拟信号x t 为有限带宽信号 其最高频率为fc 为了避免混叠 以使采样处理后仍有可能恢复原信号 则采样频率fs必须大于或等于最高频率fc的两倍 即 对研究对象感兴趣的频率可能远小于研究对象的最高频率fc 这样 在信号采集之前用一个抗混频滤波器 把不感兴趣的频率成分先滤掉 采样 香农 定理 49 4相关分析及应用 1 相关的概念 相关 指两变量之间的线性关系 人的身高和体重的关系 确定性信号 两个变量t y之间用函数关系来描述y 10sin 2 t 0 相关性是指信号的相似和关联程度 相关分析不仅可用于确定性信号 也可用于随机信号的检测 识别和提取等 相关分析常用相关函数 自相关函数和互相关函数 或相关系数来描述 50 2 相关函数和相关系数 随机变量x t 和y t 在不同时刻的乘积平均来描述它们之间的线性相关程度 称为相关函数 表示为 式中 表示时间位移 或时延 为连续变量 与t无关 相关函数 用相关系数表示两个变量x y之间的相关程度 xy 1 当 xy 1时 则随机变量x y具有理想的线性关系 当 xy 0时 两随机变量x y完全不相关 相关系数 表示两个服从正态分