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、测试技术的基本概念一、测试技术的基本概念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、测试技术的任务二、测试技术的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息，而不是全部信息。激励装置传感器被测对象信号调理反馈、控制显示纪录信号处理观察者三、测试系统的
2、组成三、测试系统的组成第一章第一章 信号及其表述信号及其表述本章学习要求：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利用傅立叶变换求信号的频谱利用傅立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，信号连续信号：独立变量取值连续
3、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、简单周期信号由表达式即可知其频率
4、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nnabarctann22nnnba
5、A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 ） （n0）nnnC0相位：n
6、1，2，3n=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 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( )x t)( fX傅里叶变换的存在条件：傅里
7、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 若k为常数，且k0,则(3)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
8、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(2)卷积性 1)(t)(1f傅里叶变换对：020)(ftjett)(
9、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 信号的分析和处理信号的分析和处理本章学习要求：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掌握自相关、互相关函数的概念及应用掌握自相关、互相关函数的概念及应用l理解信号数字化出现的问题理解信号数字化出现的问题2.1 信号的时域分析信号的时域分析一、随机信号中的几个概念一、随机信号中的几个概念随机信号随机信号无法用明确的数学关系式来描述的信号。平稳随机信号平稳随机信号随机现象的统计特征参数不随时间变化 ，即任意两个时刻的统计特征参数相等。各态
10、历经随机信号各态历经随机信号如果平稳随机信号的任何一个时间平均统计特征均相同，且等于总体统计特征，这样的随机信号叫各态历经随机信号。二、随机信号的主要统计参数二、随机信号的主要统计参数2.2 信号的相关分析信号的相关分析1 1、自相关函数、自相关函数01( )lim( ) ()TxxTRx t x tdtTl性质：性质：周期信号的自相关函数仍为同频率的周期信号 l应用：应用：用于检测周期信号的存在，有助于检测混淆在随机信号中的周期成分。 2 2、互相关函数、互相关函数01( )lim( ) ()TxyTRx t y tdtTRxy()的峰值点不在0处，峰值点偏离原点的位置0反映了x(t)和y(
11、t)两信号在错开多大时差时，相关程度最高。周期信号与随机信号的互相关函数为零。 l性质：性质： (1) 相关滤波，即利用相关分析原理消除信号中的干扰噪声、提取有用信息的处理方法。l应用应用 (2) 相关测速 (3) 故障诊断 (4) 查找振源 (5) 声学应用 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.
12、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为避免混为避免混叠叠，可以采取的措施：，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（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。（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，为了避免混迭，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。2 2、截断、泄漏和窗函数、截断、泄漏和窗函数（1
13、 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：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。 第三章 测试系统的基本特性本章学习要求：本章学习要求：.掌握测试系统的组成.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.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动态特性方法3.1 测试系统及其主要性质一、对测试系统的基本要求：不失真测试一、对测试系统的基本要求：不失真测试二二. . 时不变线性系
14、统及其主要性质时不变线性系统及其主要性质)()(.)()()()(.)()(0111101111txbdttdxbdttxdbdttxdbtyadttdyadttydadttydammmmmmnnnnnn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：主要性质：叠加性、比例特性、微分特性、积分特性、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 。描述系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
15、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。 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。 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
16、拉普拉斯变换对傅里叶变换对频率响应函数的求法。如何求幅频特性和相频特性？传递函数的求法。二、测试系统的动态特性二、测试系统的动态特性1.一阶系统的动态特性2.二阶系统的动态特性三、环节的串联和并联三、环节的串联和并联并联并联niisHsH1)()(niisHsH1)()(串联串联时间常数 影响一阶系统响应速度。 越小，响应速度越快。 二阶系统的频率特性受 和 的影响。 在0.6-0.8之间动态特性最好。 越大，动态特性越好。nn3.5 实现不失真测试的条件 幅频特性：0)(AA相频特性：0)(t3.6 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
17、”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 。)(H第四章 常用传感器 1.熟悉传感器的定义、作用和分类2.了解传感器的选用原则 3.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：4.1 4.1 传感器概述传感器概述1
18、.1.传感器定义传感器定义 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。将被测量转换成电信号,传送给测试系统中的后续环节。2.2.传感器的作用传感器的作用3.3.传感器的构成传感器的构成传感器由一次敏感元件、敏感器件与辅助器件组成。分类法分类法型式型式说明说明按被测量按被测量分类分类位移、温度、压力、流量这种分类便于传感器的管理按工作原按工作原理分类理分类应变式、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按被测量转换特征转换特征（构成原（构成原理）理） 结构型，如电容式，电阻应变片；通过改变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，
19、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。按能量传按能量传递方式递方式 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、热电式、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4. 分类分类 ：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：5.1 5.1 电桥电桥 作用：作用： 将电阻R R、电感L
20、 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5.3 5.3 调制与解调调制与解调l调制的目的：调制的目的：便于实现缓变信号的放大和传输。 l调制：调制：缓变信号变成高频信号的过程；是使高频信号的某些参数在被测缓变信号的控制下发生
21、变化的过程。l调制的种类：调制的种类：根据参数的不同，调制可以分为：调幅、调频、调相l解调的目的：解调的目的：从已调制波中不失真地恢复原来的调制信号。 一、调幅一、调幅l调幅调幅是将一个高频简谐信号y(t)（载波信号）与缓变信号（调制信号）x(t)相乘，使载波信号y(t)的幅值随缓变信号x(t) 幅值的变化而变化的过程。l调幅的目的是为了便于缓变信号的放大和传送。二、调幅波的解调二、调幅波的解调解调的目的：解调的目的：不失真地恢复原来的缓变信号 三种解调方法的比较：三种解调方法的比较： 1.同步解调：能恢复信号的极性，幅值减半；3.相敏检波：既能能恢复信号的极性，又能恢复信号的极性。2.整流检
22、波：不能恢复信号的极性，所以调幅前要加直流偏置；三、应用电路三、应用电路动态电阻应变仪动态电阻应变仪的工作原理试件 电桥 放大 低通滤波 相敏检波 显示记录振荡器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。 5.4 5.4 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) 带宽带宽B：上下截止频率间的频率范围称为带宽。 3) 品质因数品质因数Q反映滤波器通频带内特性中心频率和带宽之比称为品质因数，即Q = f0 / B 4) 倍频程选择性倍频程选择性W 反映滤波器对通带外信号的衰减能力三、三、RC无源滤波器无源滤波器动态特性的分析方法
