现代检测技术及仪器PPT课件.ppt

2020 3 21 1 现代检测技术及仪器 第一讲绪论1 1测量与检测技术及系统概述1 2测试信号及其描述1 3信号的获取 传输和调理1 4传感器检测系统的特性 2020 3 21 可编辑 课程简介 内容涵盖 误差理论与数据处理 传感器技术 测量与计量技术 测控电路 电子测量与仪器 测试信号分析与处理 信息处理 微机原理与接口等 其中传感器技术和电子测量仪器本身属于综合性技术课程 2020 3 21 可编辑 课程简介 特点 涉及学科门类多 知识面广 与应用关系紧密 多样性 实践性和工程性强 教与学均不易 目标 深化对测量思想 方法与技术基础的认识 了解现代检测技术的特点与发展状况 熟悉进行检测技术研究和解决测量问题的思路与方法 学习与利用新技术的方法 通过一门课完成需多门课学习的内容不现实 2020 3 21 可编辑 课程简介 已修课程或具备知识传感器原理与应用 检测技术 误差理论与数据处理 信号与系统 数字信号处理 自控原理 微机原理 主要讲授内容绪论 检测技术基础 系统特性 发展中的传感器技术 智能化技术 微传感器 集成信号调理 低功耗和网络化 光电检测 技术基础 非相干和相干检测 微弱信号检测 小信号检测 相关检测 取样积分与数字平均 误差修正与补偿 静 动态误差修正与补偿 多传感器信息融合 框架 算法 软测量 技术概述 典型建模方法 电子仪器 数字电压表 时间频率测量与仪器 信号发生器 电子示波器 检测系统设计 2020 3 21 可编辑 课程简介 教学思路 梳理和补充技术基础内容 高于一般本科 强化对共性问题与方法的认识 以专题方式选择性介绍 主要学习和了解有关测量技术的典型方法或新技术对解决问题和提高性能的作用与特点 限于课时和学识 缺少工艺实现内容 有些共性方法技术只能 蜻蜓点水 希望起到引导和拓宽思路的作用 教学方式 课堂讲授为主 结合小组专题调研报告和课堂讨论 考核方式 开卷答题 50 课外专题报告 30 20 任务分组分配 2020 3 21 可编辑 课程简介 主要参考书目 张宏建现代检测技术 化学工业出版社 2007金伟等现代检测技术 北京邮电大学出版社 2012张金模拟信号调理技术 电子工业出版社 2012樊尚春传感器技术及应用 北京航空航天大学出版社 2010董永贵传感技术与系统 清华大学出版社 2006周浩敏智能传感技术与系统 北京航空航天大学出版社 2008钱政误差理论与数据处理 科学出版社 2013周渭测试与计量技术基础 西安电子科技大学出版社 2005潘立登等软测量技术原理与应用 中电力出版社 2009周秀云等光电检测技术及应用 国防工业出版社 2015朱明武测试信号处理与分析 北京航空航天大学出版社 2008余成波陶红艳传感器与现代检测技术 2014施文康检测技术 机械工业出版社 2010何金田智能传感器原理 设计与应用 电子工业出版社 2012申忠如现代测试技术与系统设计 西安交通大学出版社 2009赵茂泰电子测量仪器设计 华中科技大学出版社 2010王川电子测量技术与仪器 北京理工大学出版社 2010 2020 3 21 可编辑 1 1测量与检测技术及系统概述 1 1 1测量的作用及名词概念1 1 2检测系统构成1 1 3测量单位1 1 4测量方法分类1 1 5测试与计量的共性方法1 1 6现代检测技术的含义 特征及常用方法1 1 7检测技术的发展趋势1 1 8检测理论发展展望 2020 3 21 可编辑 1 1测量与检测技术及系统概述 1 1 1测量的作用及名词概念测量的作用与重要性测量 用实验手段获取客观事物的定量和定性信息的过程 它是一项科学技术 也是一项工作 信息社会人类生存发展必须的资源 物质 能源 信息信息获取技术 信息技术的三大支柱之一 关键 基础作用体现 各经济领域 人类的生活与安全 科学与技术 没有测量 就没有科学 没有测量 寸步难行 2020 3 21 可编辑 1 1测量与检测技术及系统概述 1 1 1测量的作用及名词概念相关名词与概念测量 measurement 以确定被测对象属性和量值为目的的全部操作 国标 具体地讲 它是将被测量与同性质的标准量比较 从而确定被测量对标准量的倍数 量 现象 物体或物质可定性区别和定量表征的一种属性 自然界的一切事物都由一定的量组成并通过一定的量体现 测量是掌握事物本质 揭示自然界规律的一种手段 凡是能做到准确定量的实验都属于测量活动 2020 3 21 可编辑 1 1 1测量的作用及名词概念相关名词与概念测量的必要条件 标准量 被测量 操作者测量的三个重要因素 测量对象 测量方法 测量设备完整的测量过程应包括测量单位 被测量 测量方法 包括器具 和测量精度四个部分 须经过三个阶段 准备阶段 测量阶段 数据处理阶段 一个参量的测量 可通过不同的测量方法获得 方法的选择正确与否直接关系测量结果的可信赖程度 也关系到方案的经济性和可行性 不正确的方法 即使有先进的精密仪器 也不会得到正确的测量结果 2020 3 21 可编辑 1 1 1测量的作用及名词概念相关名词与概念检测 detection 含检和测两个内容 检 是力图发现对象中的某些待测量并以信号的形式表现出来 它是在所用技术范围内回答有无待测量的操作 测 是量化待测量的信号 是以一定的精确度回答待测量 大小 的问题 测试 test 带有试验性质的测量 通常把含有检查 测量和测试等比较宽广意义的参数测量称为检测 工程中 检测 视为 测量 的同义词或近义词 2020 3 21 可编辑 1 1 1测量的作用及名词概念相关名词与概念计量 metrology 实现单位统一 数值准确可靠的活动 JJF1001 2011 通用计量术语及定义 计量具有准确性 一致性 溯源性和法制性等基本特点 严格地说 计量是量值准确统一的测量 计量源于测量而又严于一般的测量 两者在测量精度 同时测量参数的多少 测量范围 测量的速度等方面有一定差异 但所用基本方法具有通用性 狭义的计量主要指计量单位及其基准 标准与量值传递等 广义的计量包括了所有的测量 在实际工作或文献中往往没有必要去严格区分二者 2020 3 21 可编辑 1 1 1测量的作用及名词概念相关名词与概念检测技术 利用敏感元件或其他信息获取手段得到被测量的信息的技术 以研究信息的获取 转换及处理等理论与技术为主要内容 测试技术 是指测试过程中所涉及的测试理论 方法 设备等 泛指测量和试验两方面的技术 自动检测技术 能够自动完成整个检测过程的技术 以信息的获取 转换 显示和处理过程的自动化为主要内容 检测系统 为实现参数检测目的而组建的系统和装置以及采用的设备等 2020 3 21 可编辑 1 1 1测量的作用及名词概念相关名词与概念一个完整的检测系统应包括 信息提取 用传感器完成信号的转换存储与传输 用中间转换装置完成信号的显示和记录 用显示 指示器 存储器 记录仪完成信号的分析和处理 用各种分析仪 计算机完成 检测技术的三种具体功能 参数测量过程中参数监测与控制测量数据分析 处理和判断 2020 3 21 可编辑 1 1 1测量的作用及名词概念相关名词与概念传感器 能感受被测量并按一定规律转换成可用信号的器件或装置 通常由敏感元件和转换元件组成 国标2005 国标定义的内涵 是测量装置 能完成检测任务 其输入是某种被测量 可能是物理或化学 生物量等 其输出是某种便于传输 转换 处理和显示的物理量 如气 光 电等 目前主要是电量 输出量与输入量有单值确定的对应关系 有一定精确度 其他名词 敏感元件 转换元件 变送器 2020 3 21 可编辑 1 1 2检测系统构成与检测技术研究的主要内容一般构成 2020 3 21 可编辑 1 1 2检测系统构成与检测技术研究的主要内容一般构成 力位移速度加速度压力流量温度 电阻式电容式电感式压电式热电式光电式磁电式 电桥放大器滤波器调制器解调器运算器阻抗变换器 笔式记录仪光线示波器磁带记录仪电子示波器半导体存储器显示器磁卡 数据处理器频谱分析仪FFT实时信号分析仪电子计算机 被测对象 传感器 中间变换测量装置 显示及记录装置 实验结果处理装置 激发装置 常见物理参量电测量系统的组成框图 2020 3 21 可编辑 1 1 2检测系统构成与检测技术研究的主要内容对检测系统的一般要求能测量多种参量 包括电量和非电量 能测量多参数 具有多测量通道 能测量动态参数 测量系统的频带宽 能实时快速进行信号处理 包括排除干扰信号 处理误差 量程转换 和信息传送等 这些要求在不同领域可能侧重点不同 但能同时全面实现上述要求的检测系统唯有新一代的才可胜任 2020 3 21 可编辑 1 1 2检测系统构成与检测技术研究的主要内容主要研究内容为实现对某一特定物理量的检测 需要涉及测量原理 测量方法 测量系统和测量数据处理等 检测技术研究的主要内容如下 1 发现和应用新的测量原理 从事相应传感器的开发研究 2 选择合适的测量原理 确定测量方法 3 设计或选用各类装置组成测试系统 4 测量数据的分析处理 得出符合客观实际的结论 与其他课程知识的关联综合性技术 检测系统往往集光 机 电于一体 软 硬件结合 2020 3 21 可编辑 1 1 3测量单位概述同类标准量的重要性 直接关系测量结果的准确与可靠测量结果准确可靠和一致的条件之一 统一的计量单位用以定量表示同类量量值而约定采用的已知特定量称为该类量的计量单位 例 秒 作为 时间量 的单位 按类似约定规则确定的一套完善的制度及其全部单位的总体 称作计量单位制 国际单位制的构成三大块 基本单位及补充单位 导出单位 倍数单位 2020 3 21 可编辑 1 1 3测量单位量值的传递与溯源量值的传递 任何计量器具都具有不同程度的误差 必须用适当等级的计量标准进行周期检定 以保证其误差在允许范围内 将国家计量基准所复现的计量单位量量值 依次逐级传递给下一等级的计量器具 此过程称为量值传递 这种自上而下的活动带有强制性 量值的溯源 自下而上 主动由基层企业根据测量准确度要求 自主寻求有较佳不确定度的参考标准进行测量设是量值传递的逆过程 正常运行的量值传递和溯源是正常生产和质量保证的前提 2020 3 21 可编辑 1 1 4测量方法分类按测量结果的获得方式分类直接测量 直接读数间接测量 直接读数后 按函数关系经计算获得测量结果组合测量 测量两个或两个以上相关的未知数时 通过改变测量条件获得一组含未知数的方程 求解后获得结果 按测量读数的获得方式分类直接读数法 从仪表指示 显示窗口直接获得读数 简单但准确度较低 比较读数法 根据被测量与同类标准量比较的结果推算出测量读数 特点 标准量直接参与测量典型的比较法 微差法 零值法 替代法 2020 3 21 可编辑 1 1 4测量方法分类按测量性质分类时阈测量 也叫瞬态测量 测量被测量随时间变化规律频域测量 也叫稳态测量 测量被测量随频率变化规律数据域测量 也叫作逻辑量测量 以数字电路的逻辑状态为主要研究对象 其他分类开环测量和闭环测量单次或多次测量等精度或不等精度测量 2020 3 21 可编辑 1 1 5测试与计量的共性方法直接计量法和间接计量法直接计量法 不必对与被测量有函数关系的其他量进行计量 能直接得到被测量量值的方法 可用公式表为 A X 其中 A是被测量的量值 X为实验得到的结果 误差 A X 特点 精度不太高 简单方便 高精度测量需误差补偿 间接测量法 通过对与被测量有函数关系的其他量计量 得到被测量值 被计量值由下式求得 A f X1 X2 X3 其中Xi为可直接测量量 在一些测量仪器中 常常通过中间量的测量 并通过计算得到被测量的值 特点 通过建立被测量与各中间量的数学模型 发现中间量值对被测量精度的贡献 高精度测量中常用 例 测频 2020 3 21 可编辑 1 1 5测试与计量的共性方法基本计量法和定义计量法基本计量法 通过对一些有关基本量的计量来确定被测量量值的方法 也称为绝对计量法 实际上该方法属间接计量法 测直径 定义计量法 根据量的单位定义计量该量的方法 这是按计量单位的定义复现其量值的一类方法 适用于基本单位和导出单位 按定义复现单位并不完全局限于建立基准 有多种方法和不同精度的结果 例 根据欧姆定律 用伏安法测电阻 2020 3 21 可编辑 1 1 5测试与计量的共性方法直接比较计量法和替代计量法直接比较法 将被测量直接与已知的同类量相比较的方法 在计量和工程试验中普遍使用 条件 相比较的两个量必须是同一种量 计量时必须用比较式计量器具 特点 能获得较高精度 但需要创造相互比较的条件 使测量的随意或便利性和测量范围受限 2020 3 21 可编辑 1 1 5测试与计量的共性方法直接比较计量法和替代计量法替代计量法 用选定且已知值的同种量替代被测量 并使作用于指示装置的效应相同 在测量仪器中 作用于指示装置的效应 可理解为仪器示值 例1 在天平上用已知砝码替代被测物 消除不等臂所致误差 例2 测交流电压有效值 以热电偶作转换器 用直流替代交流 电子测量中 在测量条件不变时 用一个标准已知量替代被测量 调整标准量使仪器示值相同 于是被测量等于标准量的相应标称值 2020 3 21 可编辑 1 1 5测试与计量的共性方法微差计量法和符合计量法微差计量法 将被测量与同其量值只有微小差别的同种已知量比较 并测出两者之差的方法 计量和工程测试常用 原理 设被测量为x 和它相近的标准量为B 两者之间的微差为A A由仪表测出 则x B A 因 x x B x A x B A B A A A x 且A B 所以A B B 前提条件 使误差为 x x B B A A A x 特点 可大大削弱仪表误差对测量的影响 大幅提高测量精度 但使用范围很窄 2020 3 21 可编辑 1 1 5测试与计量的共性方法微差计量法和符合计量法符合计量法 用观察某些标记或信号相符合的方法来计量出被测量与作为比较标准的同种已知量间的微小差值 有时也称重合法 零示法是其特例 例 游标卡尺测零件尺寸 应用该原理 根据游标的刻线与主尺的刻线是否相符确定尺寸 特点 可获得高精度 其误差只取决于刻度的准确性 刻度线 本身的精细度和对刻线重合性的判断精度 例如数字式测频率 周期的游标法 2020 3 21 可编辑 1 1 5测试与计量的共性方法补偿计量法和调换计量法补偿计量法 将测量过程安排如下 使一次测量中含正向误差 另一次测量含负向误差 则测量结果中的大部分误差能相互抵消 此方法称为补偿计量法 例 热电阻测量中 为消除导线接点热电势带来的误差常改变测量电路的电流方向 交替激励 取两次读数和的一半为结果 在有些测量中 被测量量值取决于两次读数的差 而读数中都含有相同的系差 则该系差自动从测量结果中消去 2020 3 21 可编辑 1 1 5测试与计量的共性方法补偿计量法和调换计量法调换计量法 先将被测量物体与已知量值为A的同种物体比较 使之平衡 然后将被测物移到这个已知量值的地方 再与已知量B进行比较 再次平衡 若两次测量中指示的读数值相同 就可得出被计量值为 AB 1 2 此法专用于天平计量质量 可消除两臂不等长带来的系差 2020 3 21 可编辑 1 1 5测试与计量的共性方法中介源测试法在许多测试比对中 有时直接用标准量测量被测量 或为了提高测量精度或者在测量在某些方面做到规范化有一定的困难 这时可采用一个与两个比对量特性相同 但数值上有一定差别的中介量 通过该中介量与两个比对量分别比较 再经过计算得到被测量的值 因中介源对称作用于两个测量通道 其自身的噪声等误差常常在最后的测量结果中被全部或部分抵消 中介源的系差一般不影响测量结果 其随差对测量结果的影响主要取决于其随差随自变量变化的特性与测量全过程中被测量的误差关系情况 2020 3 21 可编辑 1 1 5测试与计量的共性方法中介源测试法 2020 3 21 可编辑 1 1 5测试与计量的共性方法通过被测量重构进行测量的方法许多检测情况中 被测对象能直观地产生一个量值 或者能显示被测量 或者经过一定的转换 能以另一种量的方式被表示和测量 这些都可直接用传感器把被测量变换成电量或数字量来测量 对于一些无法用直接的传感手段辅助测量的对象 可采用对被测量进行能代表其量值又便于处理和最终量化显示的量的重建的方法获得测量结果 此方法如下图所示 其中测量对象是不能直接给出基于一般传感方法的被测量值 2020 3 21 可编辑 1 1 5测试与计量的共性方法通过被测量重构进行测量的方法例如 以微波激励来测粮食的水分 以红外激励测水果甜度 以超声激励对金属器件探伤等 2020 3 21 可编辑 1 1 6现代检测技术的含义 特征及常用方法传统检测的特点1 被测变量与待测变量的统一 也即敏感元件所感受的被测变量就是待测量 这意味着用单一传感器实现与之对应的一个参数的测量 2 被测量的大小与传感器的输出的统一 也即传感器的输出与被测变量有单值的 确定的函数关系 常常是线性关系 其他环境参数对传感器的输出几乎没影响 或者有明确的关系或者可以用函数来描述 2020 3 21 可编辑 1 1 6现代检测技术的含义 特征及常用方法现代检测技术的含义和特征含义 用先进的传感技术 信息处理技术 建模与推理技术等实现常规仪表 方法和手段无法直接做到的参数检测 特征1 待测量性质 非常见参数 这些参数目前无合适的传感器对应 难以实现 一一对应 的测量 或者虽有传感器 但误差大 受各种因素影响大 不能满足要求 2 应用领域 对象 复杂设备 对象 复杂过程的影响性能质量等的综合性参数 例如高速运动体的故障分析 多相流的流动参数测量 质量检测等 很难用单一传感器完成 3 使用技术 方法 新传感器或传感技术 更多地利用软技术 由信号处理得到特征量 通过建模 专家知识 数据库 规则等进行推理 根据被测量的信息处理获取待测量 2020 3 21 可编辑 1 1 6现代检测技术的含义 特征及常用方法现代检测技术中的常用技术方法1 先进传感技术充分利用新材料 新效应 新工艺带来的各种新型的 先进的传感技术 2 现代信号处理技术基于现代信号处理方法获取信号的某些特征量 再通过特征量与待测参数的关系得到待测量信息 主要有时域分析 频域分析 幅值域的统计处理分析等方法 3 软测量技术以现有传感器为基础 以计算机为核心 通过计算和估计实现对待测量的测量 推断 属于硬 软件结合的测量技术 2020 3 21 可编辑 1 1 6现代检测技术的含义 特征及常用方法现代检测技术中的常用技术方法4 数据融合技术充分利用多传感器资源 把多传感器在时空上的冗余或互补信息依据某种准则进行组合 以获得对被测对象的一致性解释或描述 以增加检测的可信度 降低不确定性 改善信噪比 增加对待测了的时空覆盖程度 fusion aggregate 5 基于专家系统的检测技术通过综合集成了某个或某些特殊领域专家的知识和经验的计算机软件系统 像人类专家一样运用其知识库的知识 通过推理 模拟人类专家做出决定 目前适用于生产设备的运行诊断 检测系统的数据分析 2020 3 21 可编辑 1 1 7检测技术的发展趋势整体发展趋势提高检测系统的分辨率 精度 稳定性 可靠性 可测范围利用新技术 新原理研制新型传感器 以组成新型自动检测系统和填补自动检测的空白 微电子技术 微型计算机技术与传感器技术相结合 构成新一代的智能检测系统 采用多传感器探索 检测线的 面的和体的空间参数及综合参数 以构成特殊的自动检测系统 智能化 虚拟化 网络化 微型化 多参数化 2020 3 21 可编辑 1 1 7检测技术的发展趋势传感器技术传感器本体的构成技术 智能传感器技术所包含的智能化技术 以集成和微 纳传感器技术代表的制造和多功能技术 基于传感网的网络化应用及接口标准化技术 检测仪器与计算机技术的集成这是当今仪器仪表技术发展的最显著特点 测量及仪器技术与计算机技术彼此难以分离 具体包括 硬件与软件的综合化 仪器仪表的集成化与模块化 参数整定与结构修改在线实时化 硬件平台通用化 2020 3 21 可编辑 1 1 7检测技术的发展趋势基于计算机的信号处理技术信号处理包含模拟信号处理和数字信号处理 属数据层 软测量技术 模糊传感器等基于软件的信息处理技术采用智能理论和方法处理传感器测量数据 从其蕴含的丰富信息中深入挖掘其中的只适合规律 全面认识被测对象及系统 2020 3 21 可编辑 1 1 8检测理论发展展望检测理论指把通信 宇航和卫星测控等领域发展起来的 行之有效的信号处理理论和技术移植 更新 补充并发展运用到生产过程检测中来的一整套理论和技术 内容涉及 生产过程参数检测系统与检测对象模型的建立与研究 检测系统中的信息理论 检测系统中的随机信号与噪声研究 相关理论与谱分析的应用研究 模式识别与图像处理理论研究 模糊信息处理与应用研究 仿人与仿生测量理论与应用研究等 现代检测面临的任务或需求变化 从单变量到多变量 从确定性到随机性 从对比的观念到获取信息的观念 从获取定量信息到获取状态信息 到状态诊断 通过状态信息反推定量信息等 2020 3 21 可编辑 1 1 8检测理论发展展望检测理论研究示例对于生产过程参数检测领域的流动参数检测 国内外对两相流和多相流流体的流动参数测量做了许多理论研究工作 1977年英国学者L Fnkelstein提出了检测理论的观念 MeasuremnetandInstrumentationScience 并提出了建立这一理论体系 对生产过程参数检测领域的重要意义和作用 1982年澳大利亚P H Sydenham支持并编辑出版了检测理论与应用的第一部专著 HandbookofMeasurementScience 建立和研究检测理论对仪器仪表专业发展的作用 1 改善和提高现有传感元件和检测方法所构成的测量系统或检测仪表的实用性能 2 为研制现代检测系统和新型仪器仪表提供理论指导 2020 3 21 可编辑 1 1 8检测理论发展展望检测理论研究事例现已发现 常规意义下传感器测量系统的 一一对应 设计有时在实际中难以实现 甚至不可能 在生产过程中 实际只要第一个环节具有保证状态信息不变 即忠实的 信息转换元件 这一特性 则利用信息处理理论和方法可以得到便于人们利用的生产过程或对象的信息表达形式 这时检测系统的第一个环节应称为 信息转换器或检测器 例如相关流量测量系统中 所用信息转换器直接感受的并不是常规意义下的流量信号 而是放映流动状态的流动噪声信号 对此噪声信号进行相关处理后 得到所需的流体流量大小信息 建立和研究检测理论具有重要意义 但并不意味着排斥其他途径 2020 3 21 可编辑 1 2测试信号及其描述 1 2 1概述概念检测或测试系统中的被测对象称为信源 信息由信源产生 信源以信号的形式发出信息 信号是信息的载体 装载在信号上的信息才能变换与传递 信息传递和信息处理实际是指传递 处理载有信息的信号 信号测试的过程与系统的组成结构 一个接收物体振动信号的测试系统结构框图 2020 3 21 可编辑 1 2 2信号的定义与分类定义信号 指信号本身在其传输的起点到终点的过程中所携带的信息的物理表现 信噪比 信号功率Ps与噪声功率PN之比 Ps PN 1 2 1 信噪比用对数刻度来表示 单位为分贝 dB 101g 1 2 2 噪声与信号的区分纯粹是人为的 取决于使用者对两者的评价标准 分类的意义规律不同 特点不同 方法不同 效果不同 2020 3 21 可编辑 1 2 2信号的定义与分类信号的分类方法与类型 1 形态分类法基于信号幅值或者独立变量是连续还是离散进行分类 可将信号分为两大类 连续信号和离散信号 连续信号 信号的独立变量或自变量是连续的信号 离散信号 信号的独立变量或自变量是离散的信号 模拟信号 连续信号的自变量和幅值均为连续的信号 量化信号 自变量是连续的 但幅值为离散的信号 数字信号 离散信号的自变量及幅值均为离散值的信号 被采样信号 信号的自变量为离散值 但其幅值为连续值的信号 2020 3 21 可编辑 1 2 2信号的定义与分类信号的分类方法与类型 1 形态分类法 信号按形态分类法区分的4种形式 2020 3 21 可编辑 1 2 2信号的定义与分类信号的分类方法与类型 2 能量分类法规定了两类信号 具有有限能量的信号 具有有限平均功率和无限能量的信号 当信号x t 满足条件 1 2 3 则称信号x t 为有限能量信号 简称能量信号 矩形脉冲 衰减指数信号等均属这类信号 当信号x t 满足条件 1 2 4 即信号具有有限的 非零 平均功率 则称信号为有限平均功率信号 简称功率信号 2020 3 21 可编辑 1 2 2信号的定义与分类信号的分类方法与类型 3 表象分类法基于信号的演变类型 信号的预定特点或信号的随机特性 可将信号分为确定性信号和随机信号 确定性信号 可用合适的数学模型完整描述或预测其随时间演变情形的信号 随机信号 具有不能被预测的特性且只能通过统计观察加以描述的信号 确定性信号又分为周期信号和非周期信号 周期信号 按一定时间间隔 周期T 重复出现的信号 即有x t x t kT 1 2 5 周期信号一般又分为正余弦信号 多谐复合信号和伪随机信号 2020 3 21 可编辑 1 2 2信号的定义与分类信号的分类方法与类型 3 表象分类法伪随机信号组成周期信号的一个特殊范畴 它们具有准随机的特性 如图所示 非周期信号 不具有上述性质的确定性信号 可分成准周期信号和瞬态信号两类 准周期信号 由多个具有不成比例周期的正弦波之和形成 组成信号的正 余 弦信号的频率比不是有理数 瞬态信号 时间历程短的信号 如矩形脉冲信号 衰减指数脉冲信号 正弦脉冲等 伪随机信号 2020 3 21 可编辑 1 2 2信号的定义与分类信号的分类方法与类型 3 表象分类法随机信号分成两类 平稳随机信号 非平稳随机信号平稳随机信号 信号的统计特征是时不变的 或者是不随时间原点的选取而变化的信号 非平稳随机信号 不具有上述特点的随机信号 a 宽带信号 白噪声 b 经低通滤波后的信号图平稳随机信号 图非平稳随机信号 2020 3 21 可编辑 1 2 3信号的描述方法概述信号的描述方法包括时域描述 频域描述 幅值域描述和时延域描述 2020 3 21 可编辑 1 2 3信号的描述方法时域描述法以时间为独立变量 描述信号随时间的变化 主要反映信号的幅值随时间变化的特征 对系统分析时 除采用微分或差分方程外 还可引入单位脉冲响应和单位序列响应的概念 借助卷积积分方法进行分析 表现形式 波形图 即以时间为横坐标的幅值变化图 可计算信号的均值 均方值 方差等统计参数 优 缺点 形象 直观 不能明显揭示信号的内在结构 频率组成关系 2020 3 21 可编辑 1 2 3信号的描述方法频域描述法将信号和系统的时间变量函数或序列变换成对应频率域中的某个变量的函数 以此来研究信号和系统的频域特性 连续系统和信号常采用傅里叶变换和拉普拉斯变换 离散系统和信号则常采用z变换 将时域描述法中的微分或差分方程转换为代数方程 给问题的分析带来了方便 表现形式 频谱图 即以频率为横坐标的幅值 相位变化图 其中 幅值谱指幅值 频率图 功率谱指功率 频率图 相位谱指相位 频率图 特点 抽取信号内在的频率组成 信息丰富 应用广泛 2020 3 21 可编辑 1 2 3信号的描述方法幅值域描述法以信号幅值为自变量 反映信号中不同强度幅值的分布情况 常用于随机信号统计分析 用概率密度函数反映信号落在不同幅值强度区域内的概率 2020 3 21 可编辑 1 2 3信号的描述方法时延域描述法描述信号在不同时域 频域的能量密度或强度 是分析非平稳信号的有效工具 可同时反映信号时 频信息 用于图像 语音 故障诊断等信号分析 方法如小波 短时傅里叶变换等 实际信号的形式往往比较复杂 因此常将复杂的信号分解成某些特定类型的基本信号之和 如正弦信号 复指数信号 阶跃信号 冲激信号等 各种描述方法提供了从不同角度观察和分析信号的手段 既可通过一定的数学关系相互转换 也不会因为采取不同的描述方法而增添或减少原信号的信息量 2020 3 21 可编辑 1 2 4随机信号的描述概述随机信号具有不可被预测的特性 幅值 相位变化不可预知 不能用数学关系式描述 只能由其统计特性和频谱特性表征 根据信息论的基本原理 只有那些具有随机行为的信号才能传递信息 随机信号被用来排除随机干扰的影响或辨识和测量出淹没在强噪声环境中 以微弱信号形式表现出来的各种现象 对随机信号按时间历程所做的各次长时间观测记录称为样本函数 记作xi t 在有限时间区间上的样本函数称为样本记录 在同样的条件下 不同时间段的各样本函数的集合称为总体 记作 x t 总体描述了一个随机过程 x t x1 t x2 t xi t 2020 3 21 可编辑 1 2 4随机信号的描述概述如果对于时间t的任意n个数值t1 t2 tn和任意实数 随机过程 x t 的n维分布函数满足关系式 Fn x1 x2 xn t1 t2 tn Fn x1 x2 xn t1 t2 tn n 1 2 则该过程称为各态历经随机过程 其任一单个样本函数的时间平均统计特征等于该过程的集合平均统计特征 完整地描述一个各态历经随机过程 理论上需要无限长时间记录 而实际上不可能 工程上的随机过程大都可近似成各态历经随机过程来处理 然后通过有限长样本记录的分析来判断 估计被测对象的整个随机过程 通常用统计方法从以下三个方面进行数学描述 1 幅值域描述 均值 均方值 方差 概率密度函数等 2 时域描述 自相关函数 互相关函数 3 频域描述 自功率谱密度函数 互功率谱密度函数 2020 3 21 可编辑 1 2 4随机信号的描述幅值域描述对于一个各态历经随机过程x t 其均值 x表示集合平均值或数学期望值 其定义为 1 2 7 式中 E x 为变量x的数学期望值 x t 为样本函数 T为观测的时间 均值 x表示信号的常值 直流 分量 随机信号的均方值 x2描述信号的能量 平均功率 或强度 其定义为 1 2 8 式中 E x2 为变量x2的数学期望值 随机信号的方差 x2描述随机信号的波动分量 其定义为 1 2 9 方差的平方根 x称为标准偏差 2020 3 21 可编辑 1 2 4随机信号的描述幅值域描述概率密度函数 如图所示 是指一个随机信号的瞬时值落在指定区间 x x x 内的概率对 x比值的极限值 其定义为 1 2 10 式中 Tx 表示信号幅值在T时间内落在这区间的总时间 概率分布函数P x 表示随机信号的瞬时值低于某一给定值x的概率 即 1 2 11 式中 为x t 值小于或等于x的总时间 概率密度函数与概率分布函数的关系为 1 2 13 2020 3 21 可编辑 1 2 4随机信号的描述幅值域描述联合概率密度函数表示两信号在指定范围内变化的概率 其定义为 1 2 14 式中 Txy表示在测试时间T内信号x的幅值落在 x x x 内 而且y落在 y y y 的总时间 利用概率密度函数还可来识别不同的随机过程 如图所示 a 正弦信号 初始相角为随机量 b 窄带随机信号 c 宽带随机信号 d 白噪声信号 2020 3 21 可编辑 1 2 4随机信号的描述时域描述描述一个随机过程自身在不同时刻的状态间 或者两个随机过程在某个时刻状态间线性依从关系的数字特征称为相关 相关性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 利用相关分析可实现不同类别信号的辨识 相关滤波 相关测速和测距 测量流速和流量等 例如 在动态测试中 输入信号的有用分量往往受到噪声干扰 可通过相关运算检测出有用信号 有效提高信噪比 因此相关分析在微弱信号检测 机械振动分析中被广泛应用 2020 3 21 可编辑 1 2 4随机信号的描述时域描述相关分析用相关函数 自相关和互相关函数 或相关系数来描述 定义 1 2 15 为协方差 xy 式中 E表示数学期望值 x E x 为随机变量x的均值 y E y 为随机变量y的均值 定义 xy xy x y 1 xy 1 1 2 16 为相关函数 xy 式中 x y分别为x y的标准偏差 而x和y的方差 x2 和 y2则分别为 x2 E x x 2 y2 E y y 2 利用柯西一许瓦兹不等式可知 xy 1 2020 3 21 可编辑 1 2 4随机信号的描述时域描述当 xy 1时 所有数据点均落在y y m x x 的直线上 因此x y两变量是理想的线性相关 当 xy 0时 xi x 与 y y 的正积之和等于其负积之和 因而其平均积 xy为0 表示x y之间完全不相关 如图所示 a 精确相关 b 中等程度相关 c 不相关图变量x和y的相关性 2020 3 21 可编辑 1 2 4随机信号的描述时域描述定义 1 2 17 为自相关函数 自相关函数具有如下性质 1 是对偶函数 即有Rx Rx 2 具有最大值均方值 即有Rx 0 x2 Rx 3 周期函数的自相关函数仍是同周期函数 例如 正弦函数x t Asin 0t 的自相关函数为 2020 3 21 可编辑 1 2 4随机信号的描述时域描述该函数是与原函数同频的余弦函数 它保留了原信号的幅值和频率信息 但失去了原信号的相位信息 利用自相关函数可检测淹没在随机信号中的周期分量 4 若f t c 则有Rx c c2 5 对随机函数有 且若x t 中包含周期分量 则Rx 中存在同周期成分 定义 1 2 18 为互相关函数 2020 3 21 可编辑 1 2 4随机信号的描述时域描述互相关函数具有如下性质 1 Rxy 在 d处出现峰值 d反映了两信号间的相位差 即把一信号固定 另一信号在时间轴上平移 d距离 这时两信号相似程度最大 相关程度最高 2 Rxy Rxy 3 两个周期相同的周期信号的互相关函数仍是周期函数 其周期不变且相位信息不丢失 4 对随机信号x t y t 有 若x t y t 中含有同频信号 则当 时 会呈现同频周期成分 若x t y t 相互独立 则Rxy x y 2020 3 21 可编辑 1 2 4随机信号的描述频域描述理论上 随机信号既不是能量有限信号 又不是功率有限信号 因此 不能对其进行傅里叶变换 设x t 为一零均值的随机过程 且x t 中无周期性分量 则其自相关函数Rx 在当 时有Rx 0 该自相关函数Rx 满足傅里叶变换的条件 对其进行傅里叶变换可得 1 2 19 其逆变换为 1 2 20 Sx f 为x t 的自功率谱密度函数 简称自谱 2020 3 21 可编辑 1 2 4随机信号的描述频域描述自谱Sx f 与自相关函数Rx 之间是傅里叶变换对的关系 式 1 2 19 和式 1 2 20 称为维纳 辛钦 ener Khintchne 公式 由于Rx 为实偶函数 所以Sx f 也为实偶函数 Sx f 曲线下面和频率轴所包围的面积即为信号的平均功率 Sx f 就是信号的功率谱密度沿频率轴的分布 因此它也称为功率谱 如图所示为振动信号的波形和功率谱 2020 3 21 可编辑 1 2 4随机信号的描述频域描述巴塞伐尔定理 信号在时域中计算的总能量等于它在频域中计算的总能量 即 1 2 21 式中 X f 2称能量谱 它是沿频率轴的能量分布密度 在整个时间轴上 信号的平均功率可计算为 1 2 22 自谱与能量谱之间的关系为 1 2 23 根据信号功率 或能量 在频域中的分布情况 将随机过程分为窄带随机过程 宽带随机过程和白噪声随机过程等类型 窄带随机过程的功率谱 或能量 集中在某中心频率附近 宽带随机过程的能量分布在较宽的频率上 白噪声随机过程的能量在所分析的频域内均匀分布 2020 3 21 可编辑 1 2 4随机信号的描述频域描述若Rxy 满足傅里叶变换的条件 则定义Rxy 傅里叶变换 1 2 24 为信号x t 和y t 的互功率谱密度函数 简称互谱 互谱与互相关函数满足维纳 辛钦关系 是一个傅里叶变换对 互谱反映了两个信号中共同的频率成分 互谱为复频谱 保留了原信号频率 幅值和相位差的信息 利用自谱和互谱求取系统频响函数时不会受到系统干扰的影响 另外 将一个长的变化的信号分为若干个时间段 每个时间段计算一个信号频谱 然后堆叠显示 可了解信号频率成分随时间的变化情况 这一时频域分析方法称为 瀑布图法 也称为谱阵分析 常用于检测旋转机械的振动特性 2020 3 21 可编辑 1 2 5信号特征对系统的基本要求静态量的测量通常采用普通模拟式和数字式测量系统即可 动态量测量需采集被测量各时刻的数据 要用现代系统实现 信号的时域特征对系统的基本要求被测信号随时间变化的波形常常较复杂 一般没有预知的时间函数关系式 但从统计规律看 被测信号幅度变化范围一般可确定 若被测信号幅度最大值和最小值分别为xmax和xmin表示 则被测信号的动态范围为 Lx 20lg xmax xmin 1 2 25 动态量测量系统的测量范围的下限应小于xmin 测量范围的上限应大于xmax 即系统能容纳的动态范围应大于被测信号的动态范围 2020 3 21 可编辑 1 2 5信号特征对系统的基本要求信号的频域特征对系统的基本要求任一个周期为T的周期信号x t 都可展开成一个静态分量x0和无限多个谐波分量 幅值为xn 相角为 n 的和 即 1 2 26 通常把频率为f1 T 1 1 2 的分量称为基波 频率为2fl 3f1 的分量称为二次谐波 三次谐波 下图为周期方波信号的分解与合成示意图 2020 3 21 可编辑 1 2 5信号特征对系统的基本要求信号的频域特征对系统的基本要求以圆频率为横坐标 幅值An及相角 n为纵坐标绘制成如下图所示的线图 则称为频谱图 其中An 或An f 图称为幅值谱 n 或 n f 图称为相位谱 频谱图直观表示了各频率分量的相对大小 谱线代表某一频率分量的幅值 谱线的包络线反映各分量幅值变化情况 周期信号的幅值谱是由以基频 1为间隔的若干离散谱线组成的 其分布情况取决于信号波形 信号频谱的疏密程度与信号的基波周期直接有关 周期越长 即基频越低 谱线之间的距离越小 当信号周期无限增大时 谱线间的距离将无限缩小 最后当信号成为非周期信号时 其频谱将从离散转变为连续 2020 3 21 可编辑 1 2 5信号特征对系统的基本要求信号的频域特征对系统的基本要求 a 幅值谱 b 相位谱周期信号的频谱图 2020 3 21 可编辑 1 2 5信号特征对系统的基本要求信号的频域特征对系统的基本要求非周期信号x t 不能用式 1 2 26 的傅里叶级数描述 必须用傅里叶积分来描述 时间函数x t 的傅里叶变换X 称为非周期信号x t 的频谱密度 有X X ej 1 2 27 式中 X 称为x t 的幅值谱密度 称为相位谱密度 综上所述 利用傅里叶级数或傅里叶积分可建立时域函数 波形 与频域函数 频谱 之间的一一对应关系 因此可以肯定 一个信号只要在通过系统时其频谱不变 其波形就不会失真 2020 3 21 可编辑 1 2 5信号特征对系统的基本要求信号的频域特征对系统的基本要求理论上 周期信号的谐波分量有无限个 非周期信号的频谱函数的 趋于无穷大 但实际信号能量大部分集中在主频附近一个有限的频率范围内 此范围才是实际要测的信号频率范围 假设待测信号的最低频和最高频分别为fmin和fmax 则测试系统的通频带的上限 即高截止频率 应不小于fmax 通频带的下限 即低截止频率 应不高于fmin 只有当系统的测量范围和通频带能容纳被测信号的幅度范围和频率范围时 被测信号才有可能被无失真测量 信号中携带的信息也才有可能不失真 不丢失 测量范围与通频带是动态信号对测试系统的两个基本技术要求 2020 3 21 可编辑 1 3信号的获取 传输和调理 1 3 1检测系统信号的获取信号的获取都是通过不同类型的传感器完成 测量的第一步是有效地从被测对象取得能用于测量的信息 因此传感器是 源头 作用十分重要 1 信号获取的基本概念传感 将被测量 被观察量 通过传感器或敏感元件转换成不同形式的物理输出量的过程 根据可利用的物理定律 被测量与被转换的物理输出量之间应具有明确的关系 一一对应 传感器的组成 2020 3 21 可编辑 1 3 1检测系统信号的获取1 信号获取的基本概念传感器的输出 输入特性 理想特性 y kx 灵敏度k恒定 实际特性为曲线 设定作为工作特性的期望曲线 设定工作特性为直线时 非线性误差 实际特性 设定直线 传感器的不可逆变化是引起误差的一个主因 引起不可逆变化的原因有多种 如老化 零件接触点状况变化 热的或机械的过载及化学变化 摩擦 弹簧的弹性后效 磁性材料的迟滞效应 以及间隙和松动等 选择传感器时应加以注意 应尽量选择对上述情况不敏感的传感器 此外 温度的变化 传感器的老化等也会引起特性曲线的漂移 从而引起误差 2020 3 21 可编辑 1 3 1信号的获取2 传感器的分类进行分类的原因 种类繁多 同种参量可用不同原理的传感器测量 m s 基于一种传感原理可制作多种参量传感器 s m 分类依据很多 可按不同方式分类 基本物理量和派生物理量 名目繁多的待测物理量本质上只是一些基本物理量和由其派生的其他物理量 了解它们之间的关系 有助于划分传感器类型和从总体上认识掌握传感器原理 性能及选用 2020 3 21 可编辑 1 3 1信号的获取2 传感器的分类一些基本物理量和常见派生物理量下表为按被测物理量的分类 2020 3 21 可编辑 1 3 2信号的传输传感器信号的传输方式三种 四线 三线和两线 根据传感器的种类和不同需要选择 两线式有一个零点电流 如4 20mA制式中的4mA即零点电流 要求以零电位起始的单电源供电 不能用正 负电源 三线式中信号零点不易调整 多路情况时要用独立电源供电 四线式对传感器的零点无严格要求 信号传输分两种情况 敏感元件与传感器电路间传输 传感器电路之间传输 对前者 主要考虑敏感元件拾取的信号在传输中受导线电阻的影响 对后者 多采用电流信号传输 即两线传输 2020 3 21 可编辑 1 3 3信号调理的概念与内容信号调理的概念信号调理 signalconditioning 为便于信号的传输与处理 通过控制信号来提高测量精度 实现隔离 滤波及线性化的过程 包括输入信号调理和输出信号调理两个方面 信号调理的内容随输入传感器类型 系统测试要求等的不同而不同 常用主要手段 阻抗匹配 信号放大 信号隔离 信号滤波 传感器激励 信号线性化 电气转换 功率驱动等 2020 3 21 可编辑 1 3 3信号调理的概念与内容信号调理的内容1 阻抗匹配描述信号源的参数 信号强弱 信源内部阻抗 输出阻抗 输出阻抗大小决定了传感器电路的结构形式 阻抗不匹配会使信号在各环节的传输中严重畸变 导致严重的检测误差 阻抗匹配一般可由运放组成的跟随器完成 1 高输出阻抗型这类传感器输出信号微弱 输出阻抗高 调理电路的作用 吸收信号源的输出并进行信号放大 将传感器的高输出阻抗变换成低输出阻抗 2 低输出阻抗型这类传感器的输出阻抗较低 输出信号形式多种多样 调理电路的作用 将信号不失真地变换成较强的电