测试技术课程总结2011

1、绪论绪论本章学习要求：本章学习要求：1.掌握测试的基本概念及测试工作的任务掌握测试的基本概念及测试工作的任务2.了解测试技术的应用情况了解测试技术的应用情况 3. 测试系统的组成测试系统的组成4.了解测试技术的发展动态了解测试技术的发展动态 一、测试技术的一、测试技术的基本概念基本概念l测试技术属于信息科学范畴。l测试测试（Measurement and Test）是测量和试验的综合，是带有试验性质的测量。二、测试技术的二、测试技术的任务任务测试工作的任务：测试工作的任务：获取与研究任务相关的有用信有用信息，而不是全部信息不是全部信息。激励装置传感器被测对象信号调理反馈、控制显示记录信号处理观

2、察者三、测试系统的组成三、测试系统的组成第一章第一章 信号描述及其分析信号描述及其分析本章学习要求：本章学习要求：l熟悉信号的分类熟悉信号的分类 l掌握信号描述方式，理解信号频谱结构的概念掌握信号描述方式，理解信号频谱结构的概念l利用傅里叶变换求信号的频谱利用傅里叶变换求信号的频谱l掌握几种典型信号的频谱掌握几种典型信号的频谱1.1 信号的分类信号的分类一、确定性信号和非确定性信号一、确定性信号和非确定性信号二、连续信号和离散信号二、连续信号和离散信号 若连续，则为模拟信号连续信号的幅值 若离散，则为量化信号 若连续，则为采样信号离散信号的幅值 若离散，则为数字信号按独立变量取值是否连续，信号

3、连续信号：独立变量取值连续离散信号：独立变量取值离散1.2 信号的描述信号的描述 对同一信号，两种描述方法含有相同的信息量，且对同一信号，两种描述方法含有相同的信息量，且可以互相转换。可以互相转换。 根据描述信号的自变量不同可分为时域描述和频域描述。时域描述：时域描述：描述信号的幅值随时间的变化规律，可直接检测或记录到的信号。频域描述：频域描述：以频率作为独立变量的方式，也就是所谓信号的频谱分析。 特点：特点： 不能揭示信号的频率结构特征 。 可以反映信号的各频率成分的幅值和相位特征。 一、信号的描述方法一、信号的描述方法二、如何求周期信号的频谱二、如何求周期信号的频谱1、简单周期信号、简单周

4、期信号由表达式即可知其频率结构，可直接作其频谱图。2、一般周期信号、一般周期信号 可以利用傅里叶级数傅里叶级数展开成多个乃至无穷多个不同频率的谐波信号的线性叠加，然后作其频谱图。 任意周期信号x(t)在区间(-T/2，T/2)只要满足：连续或只 有有限个第一类间断点，且只有有限个极值点，均可展开成：2200)(1TTdttxTa其中，2200ncos)(2TTtdtntxTa2200nsin)(2TTtdtntxTb1000)sincos()(nnntnbtnaatx(n=1,2,3)(1) 傅里叶级数的三角函数展开式与周期信号的单边频谱傅里叶级数的三角函数展开式与周期信号的单边频谱nnaba

5、rctann22nnnbaA其中，正、余弦合并后得正、余弦合并后得1n0n0)cos)(ntnAatx（n1,2,3）相频图幅频图由上式可作出周期信号的单边频谱由上式可作出周期信号的单边频谱(2) 傅里叶级数的复指数展开式与周期信号的双边频谱傅里叶级数的复指数展开式与周期信号的双边频谱220n0e)(1TTtjndttxTC式中，（n=0, 1, 2,）1n0)(ntjneCtx利用欧拉公式：nCjnnInRneCjCCC在一般情况下，Cn是复数 22nInRnCCCnRnInCCCarctan其中， 可作出周期信号的双边频谱可作出周期信号的双边频谱nn21AC 00aC 幅值： （n0 ）

6、（n0）nnnC0相位：n1，2，3n=0n=-1,-2,-3(3) 单边频谱和双边频谱之间的关系：单边频谱和双边频谱之间的关系：3、周期信号频谱的特点、周期信号频谱的特点周期信号的频谱具有离散性、谐波性和收敛性离散性、谐波性和收敛性 三、非周期信号的描述三、非周期信号的描述1、如何求非周期信号的频谱、如何求非周期信号的频谱(1) 准周期信号准周期信号由表达式即可知其频率结构，可直接作其频谱图。(2) 瞬变非周期信号瞬变非周期信号 利用傅里叶变换傅里叶变换得到瞬变非周期信号的频谱函数、幅频谱和相频谱，然后作其频谱图。 傅里叶变换傅里叶变换称为的傅里叶变换( )x t)( fX的傅里叶逆变换称为

7、( )x t)( fX傅里叶变换的存在条件：傅里叶变换的存在条件：(1)连续或只有有限个间断点；(2)有限个极值点；(3)无限区间上绝对可积，即( )x t dt瞬变非周期信号的频谱瞬变非周期信号的频谱22( )( )( )RIX fXfXf()()tan()IRXffarcXf偶函数奇函数2、傅里叶变换的主要性质、傅里叶变换的主要性质 (1)对称性 X (t) x (- )若x(t) X()，则 (2)尺度改变性质尺度改变性质 若k为常数，且k0,则(3)时移特性时移特性 即信号在时域中平移时，在频域中，其幅值谱不变，相位谱改变，且相位的改变量与频率成正比。 ft02 若x(t) X()，则

8、在时域中信号沿时间轴平移一常值 ，则0t(5)(5)微分和积分特性微分和积分特性 )()2()(fXfjdttdx( )( 2)( )nnnd x tjfX fdt)(21)(fXfjdttx(6)(6)卷积特性卷积特性 若)()(11fXtx，则，)()(22fXtx)()()()(2121fXfXtxtx)()()()(2121fXfXtxtx若x(t) X()，则若x(t) X()，则(4)(4)频移特性频移特性1.3 1.3 几种典型信号的频谱几种典型信号的频谱 一、单位脉冲信号一、单位脉冲信号 1)(t(1)采样性质 )()0()()(txttx)()0()()(00ttxtttx(

9、2)卷积性 1)(t)(1f傅里叶变换对：020)(ftjett)(020ffetfj余弦函数的频谱)()(21)(00fffffX正弦函数的频谱)()(2)(00ffffjfX第二章第二章 信号的分析与处理信号的分析与处理本章学习要求：本章学习要求：l了解信号的时域分析参数的应用了解信号的时域分析参数的应用 l了解自相关、互相关函数的概念及应用了解自相关、互相关函数的概念及应用l掌握信号数字化过程中出现的问题及解掌握信号数字化过程中出现的问题及解决措施决措施2.4.1 2.4.1 数字信号处理的基本步骤数字信号处理的基本步骤 物理信号物理信号x(t)传传感感器器电信号电信号信信号号调调理理电

10、信号电信号A/D转换转换数字信号数字信号数数字字信信号号分分析析仪仪或或计计算算机机显显示示物理信号物理信号y(t)传传感感器器电信号电信号信信号号调调理理电信号电信号A/D转换转换数字信号数字信号2.4 数字信号处理基础1 1、时域采样、混叠和采样定理、时域采样、混叠和采样定理2.4.2 2.4.2 信号数字化出现的问题信号数字化出现的问题（1 1）采样）采样将连续的时域信号转变为离散时间序列的过程。即用采样函数（周期单位脉冲序列）乘以模拟信号。（2 2）混迭）混迭采样间隔间隔太大，即采样频率太低引起的失真。（3 3）采样定理采样定理采样频率fs必须大于或等于最高频率fc的两倍。为避免混迭，

11、可以采取的措施：为避免混迭，可以采取的措施：降低信号中的最高频率。如采样前低通滤波提高采样频率2 2、量化和量化误差、量化和量化误差 量化量化把采样信号经过四舍五入离散化的过程。 3 3、截断、泄漏和窗函数、截断、泄漏和窗函数（1 1）截断）截断将无限长的信号乘以有限宽的窗函数。（3 3）泄漏）泄漏由于时域上的截断而在频域上出现附加频率分量的现象。（2 2）窗函数）窗函数在模数转换过程中对时域信号取样时所采用的截断函数。减小泄漏的措施：减小泄漏的措施：l增长截断长度，加大窗宽。l选用汉宁窗、三角窗等较好的窗函数。 4 4、频域采样与栅栏效应、频域采样与栅栏效应（1 1）频域采样）频域采样与时域

12、采样相似，在频域中用周期脉冲序列乘以信号的连续频谱函数。频域采样相当于在时域中将窗内的信号波形进行周期延拓。（3 3）如何减小栅栏效应：）如何减小栅栏效应：（2 2）栅栏效应）栅栏效应由于频域采样造成的频率成分丢失的现象。l提高频率分辨力l频率细化技术l对周期信号进行整周期截断第三章第三章 测试系统的特性测试系统的特性本章学习要求：本章学习要求：1.1.了解测试系统与输入、输出的关系及其在典型了解测试系统与输入、输出的关系及其在典型输入下的响应输入下的响应2.2.掌握描述测试系统的静态特性的各指标的含义掌握描述测试系统的静态特性的各指标的含义3.3.掌握描述测试系统的动态特性方法掌握描述测试系

13、统的动态特性方法3.1 测试装置与线性系统一、对测试系统的一、对测试系统的基本要求基本要求：不失真测试：不失真测试理想定常线性系统呈单调、线性比例的关系，即输理想定常线性系统呈单调、线性比例的关系，即输入、输出关系是一条理想的直线，斜率为常数。入、输出关系是一条理想的直线，斜率为常数。理想的测试系统应该具有单值的、确定的输入输出关系，其中输出与输入呈线性关系为最佳。3.1 测试装置与线性系统一、对测试系统的一、对测试系统的基本要求基本要求：不失真测试：不失真测试二二. . 时不变线性系统及其主要性质时不变线性系统及其主要性质)()(.)()()()(.)()(0111101111txbdttd

14、xbdttxdbdttxdbtyadttdyadttydadttydammmmmmnnnnnn则称该系统为时不变线性系统，也称定常线性系统。 测试系统输入 和输出 间的关系可以用常系数线性微分方程来描述： )(tx)(ty主要性质：叠加性主要性质：叠加性、比例特性、微分特性、积分特性、 频率保持性频率保持性。 3.2 测试系统的静态特性静态特性静态特性：在静态测量情况下描述实际测试装置与理想定 常线性系统的接近程度。4.4.回程误差回程误差：同一输入量的两条定度曲线之差的最大值 与标称的输出范围A之比maxih5.5.漂移：漂移：指测试系统在输入不变的条件下，输出随时间而变化 的趋势。 描述系

15、统静态特性的参数描述系统静态特性的参数1.非线性度：非线性度：定度曲线与拟合直线的接近程度。2.灵敏度灵敏度xyS作用：用来描述测试系统对输入信号变化的一种反应能力。 3.3.分辨力分辨力：测试系统所能检测出来的输入量的最小变化量。 3.3 测试系统的动态特性 测试系统的动态特征是指在输入量随时间变化时,测试系统对输入信号的响应特征。一、测试系统动态特征的描述方法一、测试系统动态特征的描述方法频域频率响应函数)(H复数域传递函数)(sH时域脉冲响应函数)(th时域微分方程在初始条件为零的前提下，定义传递函数定义传递函数其中s为复变量，sj1.传递函数传递函数( )H s)()()(sXsYsH

16、01110111.asasasabsbsbsbnnnnmmmm求法求法：对系统的微分方程作拉普拉斯变换求得。2.频率响应函数频率响应函数( )H在初始条件为零的前提下，定义频率响应函数定义频率响应函数( )( )( )YHX求法：求法： 即得sj(1)若已知 ,则在 中，令 sj，将其代入( )H( )H s( )H s(2)若已知微分方程，作傅里叶变换，则()()()YHX(3)用实验方法求得：在初始条件全为零的条件下，同时测得输入和输出，由其傅里叶变换求得。物理意义：描述了系统的频率特性。)()()()()()()()()()(jjjjeAeXYeXeYXYHxyxy)(A系统的幅频特性)

17、(系统的相频特性 描述系统的简谐输入和其稳态输出的关系，不包含瞬态响应信息。)(H3.脉冲响应函数脉冲响应函数系统的输入为单位脉冲函数,即 时，系统的输出即为脉冲响应函数 。)()(ttx)(th它是对测试系统动态特性的时域描述。系统的动态系统的动态特性描述特性描述频域频率响应函数)(H复数域传递函数)(sH时域脉冲响应函数)(th拉普拉斯变换对傅里叶变换对二、测试系统的动态特性二、测试系统的动态特性2.一阶系统的动态特性时间常数一阶系统的动态特性时间常数1.求系统的动态特性的方法求系统的动态特性的方法3.二阶系统的动态特性固有频率和阻尼比二阶系统的动态特性固有频率和阻尼比三、环节的串联和并联

18、三、环节的串联和并联并联并联niisHsH1)()(niisHsH1)()(串联串联负载效应负载效应四、测试系统静态特性和动态特性的测定（一）测试系统静态特性的测定（一）测试系统静态特性的测定“标准”的静态量输入定度曲线拟合直线非线性度、灵敏度等（二）测试系统动态特性的测定（二）测试系统动态特性的测定1.频率响应法（稳态正弦法）频率响应法（稳态正弦法）测试系统txtxiiisin)()sin()(yiiiityty步骤：步骤：(1)给系统输入 ，输出达到稳态后测得 。 txtxiiisin)()()(iiA和(2)作 、 曲线。)(A)(3)求动态参数(4)写出频率响应函数 。)(H3.4 3

19、.4 实现不失真测试的条件实现不失真测试的条件 幅频特性：幅频特性：0)(AA相频特性：相频特性：0)(t第四章第四章 常用传感器常用传感器1.熟悉传感器的定义、作用和分类2.掌握电阻式、电感式、电容式、压电式等常用传感 器的原理、特点、应用。 本章学习要求：本章学习要求：一、传感器定义一、传感器定义传感器传感器将被测量按一定规律转换成便于应用的某种物理量的装置。被测量被测量电量电量 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。二、传感器的作用二、传感器的作用传感器类似于人的感觉器官，是人类感官的延伸。作用作用：将被测量转换成电信号,传

20、送给测试系统中的后续环节。身体与机器人的对应关系传感器由一次敏感元件、敏感器件与辅助器件组成。传感器由一次敏感元件、敏感器件与辅助器件组成。一次敏感元件的作用是将被测量转化为能引起敏感元件变化的机械量。敏感器件的作用是感受被测量，并对信号进行转换输出。辅助器件一般为信号传递元件。 三、传感器的构成三、传感器的构成分类法分类法型式型式说明说明按被测量种按被测量种类类位移、温度、压力、流量这种分类便于传感器的管理按工作原理按工作原理分类分类应变式、电容式、电感式、压电式、光电式以传感器对信号转换的原理命名按被测量转按被测量转换特征（构换特征（构成原理）成原理）结构型，如电容式，电阻应变片；通过改变

21、传感器元件的参数实现信号转换。物性型，如压电式，水银温度计，双金属片依靠敏感元件本身物理性质随被测量变化实现信号转换。按能量传递按能量传递方式方式能量控制型，如R、L、C式传感器输出能量由外部供给，但受被测量控制。能量转换型，如压电式、电热式、弹簧秤传感器输出量直接由被测量能量转换而得。按输出量按输出量模拟式输出量为模拟信号数字式输出量为数字信号四、分类 ：第五章第五章 信号的调理与记录信号的调理与记录 1、掌握电桥的作用、原理。2、掌握调制的概念、分类和目的；解调的目的； 掌握幅值调制与解调的原理。3、掌握滤波器的作用、分类； 了解实际滤波器的基本参数。 本章学习要求：本章学习要求：5.2

22、5.2 电桥电桥 作用：作用： 将电阻R R、电感L L、电容C C 等电参数变为电压U U 或电流I 信号后输出。一、直流电桥一、直流电桥 1、平衡条件、平衡条件 R1R3=R2R4 直流电桥 2、联接方式、联接方式 (1) 半桥单臂半桥单臂(2) 半桥双臂半桥双臂(3) 全桥全桥二、交流电桥二、交流电桥 交流电桥 1、平衡条件、平衡条件 2、常用电桥、常用电桥 （1）电容电桥 （2）电感电桥 （3）纯电阻交流电桥 3、交流电桥的输出、交流电桥的输出调幅波调幅波滤波器滤波器是一种选频装置，它只允许一定频带范围内的信号通过，而极大地衰减其它频率成分。 5.3 5.3 滤波器滤波器滤波器滤波器的作用：的作用： 滤除干扰噪声，去除无用信号。分离不同频率的有用信号。对测量仪器或控制系统的频率特性进行补偿。一、滤波器一、滤波器的分类：的分类： 按滤波器通频带范围，分为：低通，高通，带通，带阻滤波器带宽决定着滤波器的频率分辨力分离信号中相邻频率成分的能力。二、实际滤波器的基本参数二、实际滤波器的基本参数1) 截止频率截止频率: 幅频特性值等于 所对应的频率fc1、fc2称为滤波器的截止频率。 2) 带宽带