《工程測試與傳感技術》全套教學課件

《工程測試與傳感技術》第一章緒論第1章緒論.pptx第2章測試信號及其分析.pptx第3章測量系統(tǒng)的基本特性.pptx第4章常用傳感器.pptx第5章信號變換與調理.pptx第6章光電檢測技術.pptx第7章物聯(lián)網傳感技術及其應用.pptx第8章數(shù)字信號采集與計算機測試系統(tǒng).pptx第9章測試系統(tǒng)設計與典型應用實例.pptx全套可編輯PPT課件主要內容1.4測試技術的發(fā)展1.3測試技術的應用概述1.2測試方法的分類與系統(tǒng)組成1.1測試技術的內涵與重要作用1.5本課程的教學目標和要求1.1測試技術的內涵與重要作用

測試技術的含義

測試技術的重要作用1.1.1測試技術的內涵定義：

測量是以確定被測物屬性量值為目的的全部操作；

測試是具有試驗性質的測量，或理解為測量和試驗的結合。

測試和測量緊密相關，本課程不加以嚴格區(qū)分。1.1測試技術的內涵與重要作用1.1.1測試技術的內涵

測試是人們從客觀事物中提取有用信息，從而達到認識事物，掌握事物發(fā)展規(guī)律的目的?？从|摸聽…光學傳感器力傳感器聲傳感器…腦神經反應測試系統(tǒng)信號處理模式識別1.1測試技術的內涵與重要作用

測試技術是指測試過程中所涉及的：

測試理論

測試方法

測試設備等。您在發(fā)燒，請……什么是測試技術？1.1測試技術的內涵1.1測試技術的內涵與重要作用什么是工程測試技術？本課程的意義：掌握工程參數(shù)測量的基本測試技術。工程中的工作參數(shù)測量的測試技術。例如機械工程中的工作參數(shù)包括：位移、距離、脹差、...振動、速度、加速度應力、壓力、摩擦力、...油溫、瓦溫、軸溫、氣溫、...轉速、扭矩...1.1.1測試技術的內涵1.1測試技術的內涵與重要作用

隨之近現(xiàn)代科學技術，特別是信息科學、材料科學、微電子技術、計算機技術和人工智能的迅速發(fā)展，測試技術所涵蓋的內容更加深刻、廣泛，現(xiàn)代工業(yè)生產、人類生活、科學研究和經濟活動都與測試技術息息相關。例如測試技術是工程領域中一個重要的技術

新工藝、新產品均離不開測試

裝備系統(tǒng)越先進、自動化程度越高，對測試技術要求越高

測量成本已達到裝備成本的50%～70%測試是科學研究的基本方法

測量數(shù)據可表達科學規(guī)律

測量數(shù)據可驗證科學理論與規(guī)律1.2測試技術的重要作用1.1測試技術的內涵與重要作用主要內容1.4測試技術的發(fā)展1.3測試技術的應用概述1.2測試方法的分類與系統(tǒng)組成1.1測試技術的內涵與重要作用1.5本課程的教學目標和要求1.2測試方法分類與系統(tǒng)組成

測試方法分類

測試系統(tǒng)組成1.2.1測試方法分類

按是否直接測定被測對象分直接測量間接測量

按是否接觸被測對象分接觸測量非接觸測量

按被測量是否實時獲得分在線測量離線測量哪個方法好？P=FV

按被測量是否隨時間變化靜態(tài)測量動態(tài)測量

按被測信號轉換方式分為：機械測量法、光測量法和電測量法等。1.2測試方法分類與系統(tǒng)組成1.2測試方法分類與系統(tǒng)組成一般測試系統(tǒng)的組成：測試對象傳感器信號調理電源數(shù)據采集數(shù)據處理激勵系統(tǒng)測試系統(tǒng)：完成測試任務的傳感器、儀器和設備的總稱。信號處理顯示/記錄1）一般測試系統(tǒng)的組成1.2.2測試系統(tǒng)組成1.2測試方法分類與系統(tǒng)組成1.2.2測試系統(tǒng)組成傳感器

一種能把特定的信息（物理、化學、生物）按一定規(guī)律轉換成某種可用信號（通常是電信號）輸出的器件和裝置。常用的渦流探頭＋前置器加速度傳感器力傳感器智能式壓力變送器1）一般測試系統(tǒng)的組成國家標準（GB7665—87）對傳感器定義：感受規(guī)定的被測量并按一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。1.2測試方法分類與系統(tǒng)組成1.2.2測試系統(tǒng)組成信號調理對（傳感器輸出的）信號進行變換、隔離、濾波、放大等，以便進一步傳輸和處理。高阻輸入、低阻輸出規(guī)范輸出B&K

測量放大器2525放大、自動量程低通和高通濾波器（用戶自定義）電荷放大器通道：1輸入電荷量：≤104pC增益：1-1000mV/pC

輸出：±5V濾波單元變換放大濾波1）一般測試系統(tǒng)的組成1.2測試方法分類與系統(tǒng)組成1.2.2測試系統(tǒng)組成信號處理

對來自信號調理環(huán)節(jié)后的信號，進行各種運算、分析，并輸出結果模擬信號處理運算：微分、積分、對數(shù)

數(shù)字信號處理信號采集信號量化編程處理：信號分析1）一般測試系統(tǒng)的組成1.2測試方法分類與系統(tǒng)組成1.2.2測試系統(tǒng)組成顯示記錄以觀察者易于識別的形式來顯示測量的結果，或者將測量結果存儲問題：測試環(huán)節(jié)中哪個環(huán)節(jié)為所有測試系統(tǒng)必備環(huán)節(jié)？測試系統(tǒng)組成：

傳感器+信號調理+信號處理+顯示記錄1）一般測試系統(tǒng)的組成1.2測試方法分類與系統(tǒng)組成1.2.2測試系統(tǒng)組成2）自動控制中的測試系統(tǒng)

自動控制中的測試系統(tǒng)是將測量結果轉化為控制計算機可以接收的信號，輸入到控制計算機，由控制計算機作出判斷，并通過執(zhí)行機構對生產過程或設備運行狀態(tài)進行調節(jié)，使其運行于預期的狀態(tài)。自動控制系統(tǒng)一般是閉環(huán)的測試系統(tǒng)在自動控制系統(tǒng)中的位置被控過程或加工設備執(zhí)行機構控制計算機測量系統(tǒng)被控參數(shù)輸入能量/或材料1.2測試方法分類與系統(tǒng)組成1.2.2測試系統(tǒng)組成2）自動控制中的測試系統(tǒng)自動控制中的測試系統(tǒng)框圖

測試對象傳感器信號調理數(shù)據采集

顯示數(shù)據處理控制驅動執(zhí)行單元電源測試系統(tǒng)信號處理主要內容1.4測試技術的發(fā)展1.3測試技術的應用概述1.2測試方法的分類與系統(tǒng)組成1.1測試技術的內涵與重要作用1.5本課程的教學目標和要求1.3測試技術的應用概述

?工業(yè)自動化中的應用?流程工業(yè)設備運行狀態(tài)監(jiān)控?產品質量檢驗?樓宇控制與安全防護?家庭與辦公自動化?其他應用（1）工業(yè)自動化中的應用機械手、機器人中的檢測技術?轉動/移動位置檢測?力檢測?視覺傳感器?聽覺傳感器?接近距離傳感器?觸覺傳感器?熱覺傳感器?嗅覺傳感器。1.3測試技術的應用概述

1.3測試技術的應用概述

機械手、機器人中的檢測技術1.3測試技術的應用概述

工業(yè)4.0智能工廠1.3測試技術的應用概述

流程工業(yè)設備運行狀態(tài)監(jiān)控產品質量檢驗汽車、機床等設備，電機、發(fā)動機等零部件出廠時，必須對其性能質量進行測量和出廠檢驗。檢測潤滑油、冷卻水溫度，燃油壓力及發(fā)動機轉速等。汽車出廠檢驗原理框圖利用激光干涉儀檢驗機床精度1.3測試技術的應用概述

1.3測試技術的應用概述

樓宇控制與安全防護闖入監(jiān)測、空氣監(jiān)測、溫度監(jiān)測、電梯運行狀況電源管理、安全監(jiān)測、照明控制、空調控制、停車管理、廢水管理和電梯監(jiān)控。煙霧傳感器亮度傳感器紅外人體探測器某公司樓宇自動化監(jiān)測系統(tǒng)家庭與辦公自動化在家電產品和辦公自動化產品設計中，人們大量的應用了傳感器和檢測技術來提高產品性能和質量。指紋傳感器溫濕度傳感器溫度傳感器家庭與辦公室用傳感器?衣物重量傳感器?衣質傳感器?水溫傳感器?水質傳感器?透光率光傳感器(洗凈度)?液位傳感器?電阻傳感器(衣物烘干檢測)全自動洗衣機1.3測試技術的應用概述

家庭與辦公自動化在家電產品和辦公自動化產品設計中，人們大量的應用了傳感器和檢測技術來提高產品性能和質量。家庭自動化系統(tǒng)1.3測試技術的應用概述

其他應用航天農業(yè)智能交通醫(yī)學1.3測試技術的應用概述

主要內容1.4測試技術的發(fā)展1.3測試技術的應用概述1.2測試方法的分類與系統(tǒng)組成1.1測試技術的內涵與重要作用1.5本課程的教學目標和要求測試技術與科學研究、工程實踐密切相關。隨著科學技術的飛速發(fā)展，測試技術的發(fā)展也非常迅速。主要體現(xiàn)兩個方面：傳感器技術的自身發(fā)展計算機測試技術的發(fā)展1.4工程測試與傳感技術的發(fā)展

1.4工程測試與傳感技術的發(fā)展

1.4.1傳感器技術的自身發(fā)展傳感器技術近40年來的發(fā)展20世紀80年代以來，國際上出現(xiàn)“傳感器熱”。日本將傳感器技術列為80年代10大技術之首。美國把傳感器技術列為90年代22項關鍵技術之一。90年代我國做出“加大傳感器開發(fā)和在國民經濟中普遍應用”的戰(zhàn)略決策。自2011年以來，隨著物聯(lián)網和智能制造的興起，智能傳感器行業(yè)得到了廣泛的關注，并迅速發(fā)展。1.4工程測試與傳感技術的發(fā)展

1.4.1傳感器技術的自身發(fā)展傳感器技術發(fā)展趨勢一是新型傳感器的開發(fā)。主要包括采用新原理、填補傳感器空白、仿生傳感器等諸多方面。以此研制出具有新原理的新型物性型傳感器件，這是發(fā)展高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑。二是新材料的應用。用新型功能材料來制造性能更加良好的傳感器是今后的發(fā)展方向之一。例如，根據以硅為基體的許多半導體材料易于微型化、集成化、多功能化、智能化，以及半導體光熱探測器具有靈敏度高、精度高、非接觸性等特點，發(fā)展紅外傳感器、激光傳感器、光纖傳感器等現(xiàn)代傳感器。傳感器技術的不斷發(fā)展也促進了更新型材料的開發(fā)，如納米材料等。三是新工藝的采用。在發(fā)展新型傳感器中，離不開新工藝的采用。這里主要指與發(fā)展新型傳感器聯(lián)系特別密切的微細加工技術。該技術是近年來隨著集成電路工藝發(fā)展起來的，目前已越來越多地用于傳感器領域，例如濺射、蒸鍍、等離子體刻蝕、化學氣體淀積(CVD)、外延、擴散、腐蝕、光刻等。1.4工程測試與傳感技術的發(fā)展

1.4.1傳感器技術的自身發(fā)展全球和中國智能傳感器行業(yè)市場規(guī)模1.4工程測試與傳感技術的發(fā)展

1.4.1傳感器技術的自身發(fā)展傳感器技術發(fā)展趨勢物性型傳感器的大量涌現(xiàn)定義：依靠敏感材料本身的物理屬性隨被測量的變化來實現(xiàn)信號的測量壓電效應渦流效應應變效應：導體材料光電效應霍爾效應壓阻效應：半導體材料的壓阻轉換┅物性型傳感器的開發(fā)實質上是新材料的開發(fā)傳感器正經歷著從以機構型為主轉向以物性型為主的過程1.4工程測試與傳感技術的發(fā)展

1.4.1傳感器技術的自身發(fā)展傳感器技術發(fā)展趨勢

集成化傳感器

微機電系統(tǒng)（MEMS）——微型化微型傳感器＋信號處理——一體化多個傳感器集成————集成化

多敏感元件、多參數(shù)測量運算、補償、變換XCE-062高溫超小型IS壓力傳感器(-55℃到273℃)

智能化傳感器

組成：傳統(tǒng)的傳感器＋微處理器特征：具備通信總線接口、兼有信息監(jiān)測、信息處理和信息傳輸功能智能：通過存放于微處理器中的功能強大的軟件，對系統(tǒng)進行智能化，如非線性自動校正、自校零、自校準、自補償、自檢驗、噪聲抑制等。

智能壓力傳感器/變送器集成、智能化傳感器的開發(fā)1.4工程測試與傳感技術的發(fā)展

1.4.1傳感器技術的自身發(fā)展傳感器技術發(fā)展趨勢物聯(lián)網傳感器的迅速發(fā)展

物聯(lián)網構架可分為三層：感知層、網絡層和應用層。用于感知層的傳感器（物聯(lián)網傳感器）除了具有傳感器功能，更具有對外的通信接口。迅速發(fā)展的物聯(lián)網傳感器包括：射頻識別RFID標簽和讀寫器、攝像頭、紅外感應器、激光掃描器、全球定位系統(tǒng)（GPS）等感知系統(tǒng)。物聯(lián)網傳感器已經滲透到了智能制造、智能家居、醫(yī)學診斷、宇宙開發(fā)等各個領域。1.4工程測試與傳感技術的發(fā)展

1.4.2計算機測試技術的發(fā)展一般計算機測試系統(tǒng)

網絡化測試系統(tǒng)

虛擬儀器

隨著計算機技術的發(fā)展，測試系統(tǒng)中也越來越多地融入了計算機技術。

定義：計算機測試技術——以計算機為中心的自動測試系統(tǒng)。

既能實現(xiàn)對信號的檢測，又能對所獲得信號進行分析處理。計算機測試系統(tǒng)分類1.4工程測試與傳感技術的發(fā)展

1.4.2計算機測試技術的發(fā)展傳感器1傳感器2傳感器3信號調理2信號調理3信號調理1數(shù)據采集卡(板)計算機繪圖、顯示、打印1）一般計算機測試系統(tǒng)一般計算機測試系統(tǒng)的基本形式1.4工程測試與傳感技術的發(fā)展

1.4.2計算機測試技術的發(fā)展

測試系統(tǒng)一般包含數(shù)據采集與調理、數(shù)據分析、數(shù)據表示這三部分。網絡儀器的特點：資源共享有危險的、環(huán)境惡劣的數(shù)據采集工作可實行遠程采集使測試人員不受時間和空間的限制可以實現(xiàn)高度自動化、智能化2）網絡化測試系統(tǒng)將這三個位于不同地理位置的部分由網絡連起來從而完成測試任務，就形成網絡化測試系統(tǒng)。1.4工程測試與傳感技術的發(fā)展

1.4.2計算機測試技術的發(fā)展虛擬儀器的發(fā)展虛擬儀器普通儀器智能儀器虛擬儀器的構成3）虛擬儀器的開發(fā)1.4工程測試與傳感技術的發(fā)展

1.4.2計算機測試技術的發(fā)展3）虛擬儀器的開發(fā)

LabVIEW虛擬儀器開發(fā)軟件主要內容1.4測試技術的發(fā)展1.3測試技術的應用概述1.2測試方法的分類與系統(tǒng)組成1.1測試技術的內涵與重要作用1.5本課程的教學目標和要求1.5本課程學習目標和要求學習目標：

能夠進行各種常見機械工程參量的測量；

能夠初步設計常見工程量測試的測試系統(tǒng)。學習要求：熟悉測試技術的基本概念與系統(tǒng)組成；掌握測試系統(tǒng)基本特性；掌握各種常用傳感器的工作原理及其應用；掌握基本的信號調理與采集技術；熟悉機械測試信號分析的基本方法。習題1-1測試技術主要包括哪些內容？測試工作的意義是什么？1-2什么是直接測量和間接測量？1-3什么是靜態(tài)測量和動態(tài)測量？1-4什么是接觸式測量和非接觸式測量？1-5測試系統(tǒng)一般由哪些環(huán)節(jié)組成？各個環(huán)節(jié)有什么作用？1-6通過查找相關資料，指出一臺數(shù)控機床常用哪些傳感器。1-7計算機測試系統(tǒng)的特點是什么？ThankYou!第二章測試信號及其分析主要內容2.4信號的時頻分析2.3信號的頻域分析2.2信號的時域分析2.1信號的概念與分類2.1

信號的概念與分類

信號的概念信號的分類（一）信號的概念1、信號：

信號是運載信息的工具，是信息的載體

一定物理現(xiàn)象的表示，是研究客觀事物狀態(tài)或屬性

的依據

信號是傳遞信息的函數(shù)（時間變量、空間變量）2.1

信號的概念與分類

2、信號的表示：

信號通常以時間域、頻率域和時頻域來表示時域波形：自變量t，波形x(t)

時間域頻譜：自變量ω或者f頻率域時頻分析：自變量t和f，信號的頻譜不是恒定的，而是隨時間變化的時頻域信號的各種描述方法僅是在不同的變量域進行分析，從不同的角度去認識同一事物，并不改變同一信號的實質。2.1

信號的概念與分類2.1信號的概念與分類（二）信號的分類

1、按照時間函數(shù)取值的連續(xù)性和離散性分類：

連續(xù)時間信號與離散時間信號連續(xù)時間信號：在所有的時間點上有定義（模擬信號）離散時間信號：在若干時間點上有定義（數(shù)字信號）模擬信號數(shù)字信號2.1信號的概念與分類2、按信號隨時間的變化特點分類：

信號可分為兩大類確定性信號：

可以用明確數(shù)學關系式描述的信號非確定性信號：

不能用數(shù)學關系式描述的信號2.1信號的概念與分類

確定性信號

2.1信號的概念與分類

非周期信號

2.1信號的概念與分類

非確定性信號

非確定性信號又稱隨機信號，可分為平穩(wěn)隨機信號和非平穩(wěn)隨機信號兩類。平穩(wěn)隨機信號

隨機信號的各種統(tǒng)計特征（如平均值、均方根值、概率密度函數(shù)等）不隨時間推移而變化。非平穩(wěn)隨機信號

在不同采樣時間內測得的統(tǒng)計參數(shù)不能看作常數(shù)，即統(tǒng)計特性隨時間變化（概率分析）。主要內容2.4信號的時頻分析2.3信號的頻域分析2.2信號的時域分析2.1信號的概念與分類2.2信號的時域分析

時域信號的特征參數(shù)時域相關分析2.2信號的時域分析（一）時域信號的特征參數(shù)峰值：信號在時間間隔T內的最大值峰峰值：信號在時間間隔T內的最大值與最小值之差

峰值和峰峰值

測試中要求：（1）峰峰值不能超過測試系統(tǒng)允許輸入的上、下限；（2）信號在測試系統(tǒng)線性范圍內。2.2信號的時域分析平均值E[x(t)]表示信號在時間間隔T內的平均值，它表示了信號幅值變化的中心趨勢，也稱為固定分量或直流分量，即不隨時間變化的分量信號的中心——直流/固定分量

平均值

2.2信號的時域分析反映了信號圍繞均值的波動程度衡量測量值的穩(wěn)定程度、分散程度

方差、均方差（標準差）

2.2信號的時域分析均方值E[x2(t)]表達了信號的強度、平均功率方均值、方差、均值關系

均方值

信號的強度波動量靜態(tài)量方均值方差均值2.2信號的時域分析（二）時域相關分析

相關函數(shù)：

2.2信號的時域分析信號x(t)的互相關函數(shù)定義為：

自相關函數(shù)

齒輪箱振動信號自相關2.2信號的時域分析互相關函數(shù)主要用于檢測和識別存在于噪聲中的兩信號的關聯(lián)信息。為了測量激勵噪聲信號在某一通道中的傳輸速度，可以采用如下圖所示的測量方法

互相關函數(shù)

主要內容2.4信號的時頻分析2.3信號的頻域分析2.2信號的時域分析2.1信號的概念與分類2.3信號的頻譜分析

周期信號的頻譜分析非周期信號的頻譜分析隨機信號的頻譜分析2.3信號的頻譜分析頻譜分析頻譜分析就是將復雜信號經傅里葉變換分解成若干單一的諧波分量來研究.每個諧波分量由確定的頻率、幅值和相位唯一確定，從而獲得信號的頻率結構以及各諧波分量的幅值和相位信息。傅里葉變換就是將一個信號的時域表示形式映射到頻域表示形式。2.3信號的頻譜分析（一）周期信號的頻譜分析

傅里葉展開

基頻2倍頻3倍頻原始信號頻譜A－f波形A－t2.3信號的頻譜分析

傅里葉展開：三角函數(shù)展開式

任何周期性信號x(t)，周期為T，均可展開為若干簡諧信號的疊加2.3信號的頻譜分析

傅里葉展開

傅里葉系數(shù)的計算正弦信號：余弦信號：2.3信號的頻譜分析

傅里葉展開

示例：矩形波——復雜周期信號——奇函數(shù)f(t)1-1-T-T/20T/2Tt0ω03ω05ω0

7ω09ω0ωA4/π均值為0的奇函數(shù)2.3信號的頻譜分析

傅里葉展開

示例：三角波——偶函數(shù)均值不為0的偶函數(shù)與正/余弦波形相比：三角波較矩形波更接近一些（高次諧波衰減很快）-T-T/20T/2Ttf(t)45°0ω03ω05ω0

7ω09ω0ωAT/42.3信號的頻譜分析

傅里葉展開

周期信號幅值譜特點諧波性

頻率成分比為整數(shù)倍(有理數(shù))離散性以基本頻率為間隔取離散值收斂性隨頻率增加，其總的趨勢是衰減0ω03ω05ω0

7ω09ω0ω-T-T/20T/2Ttf(t)AT/445°2.3信號的頻譜分析

傅里葉展開

示例：

如果矩形波與三角波都是以1000Hz變化的波形,選擇什么樣的放大器通頻帶才能使放大誤差小于10%（或者說某一次諧波的幅值減低到基波的1/10以下即可不考慮）？對于矩形波，因直流分量為0，可以選用交流放大器，其低頻截止頻率應小于1000Hz，高頻截止頻率應大于9000Hz；而對于三角波，必須選用直流放大器，其高頻截止頻率應大于3000Hz。

2.3信號的頻譜分析

傅里葉展開：復指數(shù)展開式

復指數(shù)函數(shù)特點：它的微積分與自身成比例復指數(shù)代表復平面上的一個旋轉矢量對于線性定常系統(tǒng)，復指數(shù)輸入的響應也是一個復指數(shù)函數(shù)θj2.3信號的頻譜分析

傅里葉展開：復指數(shù)展開式

根據歐拉公式：指數(shù)和三角的關系2.3信號的頻譜分析（二）非周期信號的頻譜分析

非周期信號：周期T為無窮大的周期信號

周期信號非周期信號周期TT→∞圓頻率ω0＝2Π/Tω0→dω△ω無窮小譜線k.ω0k.ω0→ω

連續(xù)

2.3信號的頻譜分析

非周期信號：周期T為無窮大的周期信號

周期信號非周期信號復指數(shù)展開

k.ω0→ωω0→dω—傅里葉變換2.3信號的頻譜分析

非周期信號：周期T為無窮大的周期信號

T為無窮大時，非周期函數(shù)頻譜不再表示幅值，而是表示信號在該頻率的幅值密度——單位頻寬上的幅值

頻譜幅值：周期信號um、非周期信號um/Hz

頻率點上、一頻段上從物理概念上講，一個信號無論怎樣分解，所含能量是不變的——收斂非周期信號的頻譜線是連續(xù)的2.3信號的頻譜分析

典型函數(shù)的譜分析

a、單位沖擊函數(shù)δ(t)篩選性：采樣性質——使得模擬信號離散化頻譜的等幅性：全頻、等幅——沖擊激振法2.3信號的頻譜分析

典型函數(shù)的譜分析

b、閘門函數(shù)Gτ(t)：譜為采樣函數(shù)采樣函數(shù)：幅頻特性：振蕩衰減、譜線集中在主瓣內、主瓣的寬度與τ有關f(t)A-τ/20

τ/2t2.3信號的頻譜分析傅里葉變換：f(t)=R-1[F(jω)]←→F(jω)=R[f(t)]性質：fi(t)←→Fi(jω)

傅里葉變換的主要性質

2.3信號的頻譜分析典型函數(shù)的譜分析

特例：

2.3信號的頻域分析

機床主軸振動分析

基頻：Fn=1/0.0308=32.5Hz轉速：N=32.5*60=1950RPM0.0308秒32.5Hz2.3信號的頻譜分析（三）隨機信號的頻譜分析

隨機信號：頻率、幅值、相位都是隨機的，具有統(tǒng)計特性

隨機信號的自相關函數(shù)Rx

自功率譜密度Sx

不作幅值譜、相位譜分析采用具有統(tǒng)計特性的功率譜密度來分析引入隨機信號的自相關函數(shù)

2.3信號的頻譜分析

自功率譜密度：描述隨機信號的平均功率沿頻率軸的分布密度

Rx是偶函數(shù)，Sx是非負的實偶函數(shù)單邊自功率譜密度：非負頻率上的譜——工程應用應用：

分析隨機信號頻率結構

求線性系統(tǒng)幅頻特性

自功率譜密度

Gx(ω)0ωSx(ω)2.3信號的頻譜分析

正弦波直流指數(shù)白噪聲限帶白噪聲直流+白噪聲正弦+白噪聲

自功率譜密度

2.3信號的頻譜分析

汽車變速箱振動加速度信號的自功率譜

隨機信號頻譜分析示例

a)正常

b)故障2.3信號的頻譜分析

互功率譜密度：兩個隨機信號之間的譜密度單邊互功率譜密度：復數(shù)，分為幅值和相位

隨機信號頻譜分析

Gxy(w)θxy(w)0ω0ω不具有功率的涵義，只是在頻率域描述兩個平穩(wěn)隨機信號的相關性作用：通過激勵和響應的互功率譜密度識別系統(tǒng)動態(tài)特性2.3信號的頻譜分析

相干函數(shù)：兩個信號之間的相關性系統(tǒng)特性分析：復數(shù)，分為幅值和相位

隨機信號頻譜分析

表示信號不相關表示信號完全相關外界噪聲、綜合輸出、非線性系統(tǒng)主要內容2.4信號的時頻分析2.3信號的頻域分析2.2信號的時域分析2.1信號的概念與分類2.4信號的時頻分析

短時傅里葉變換原理2.4信號的時頻分析

傅里葉變換的缺陷

傅里葉變換是一種整體變換無法同時分析頻率和時間的特征使用時間和頻率的聯(lián)合函數(shù)表示信號處理非平穩(wěn)信號揭示隨時間變化的頻率特征主要方法：短時傅里葉變換、小波變換、Gabor變換等2.4信號的時頻分析

短時傅里葉變換原理

通過中心在t的窗函數(shù)h（τ-t）乘以信號，研究信號在時刻t的特性傅里葉變換沿時間軸移動窗函數(shù)（中心t）限制時間窗寬度的傅里葉變換（窗寬）只能選定固定的窗函數(shù)（矩形窗、漢明窗等）2.4信號的時頻分析

短時傅里葉變換原理

兩個時間的函數(shù)：固定時間t,執(zhí)行時間τ反映t時刻時間窗內信號的頻率結構、幅值和相位能量分布密度—時頻分布2.4信號的時頻分析

旋轉機械仿真信號

2.4

信號的時頻分析

壓縮機高壓缸喘振的時頻分布

2.4

信號的時頻分析

語音信號Gabor的時頻分析

a)語音信號的時域波形和頻譜b)語音信號的時頻分布GABOR語音信號的波形及時頻分布2.4

信號的時頻分析

測不準原理

信號的持續(xù)時間和頻譜寬度滿足

窄波形產生寬頻帶，寬波形產生窄頻帶短時傅里葉變換的缺點時間窗變寬：丟失小尺度短時刻的時間局部信息時間窗變窄：能量泄露，頻譜計算不準確窗函數(shù)h(t)的尺寸和形狀固定，難以適應信號頻率高低不同的分析要求。2.4

信號的時頻分析短時傅里葉變換的特點窄時窗時域分辨率高，頻域分辨率低。寬時窗時域分辨率低，頻域分辨率高。物理意義明確。ThankYou!第三章測量系統(tǒng)的基本特性問題用傳感器測量時，如何才能實現(xiàn)不失真測量？

主要內容3.4典型測量系統(tǒng)的動態(tài)特性3.3一般測試系統(tǒng)的動態(tài)特性3.2測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性3.1測試系統(tǒng)及其主要性質3.5動態(tài)測量誤差及其補償3.6傳感器與測量系統(tǒng)的標定3.1測試系統(tǒng)及其主要性質3.1.1測試系統(tǒng)定義與基本要求3.1.2線性測試系統(tǒng)的基本性質3.1測試系統(tǒng)及其主要性質3.1.1測試系統(tǒng)定義與基本要求靜態(tài)量：不隨時間變化的信號或變化極其緩慢的信號（準靜態(tài)）。（1）基本概念動態(tài)量：隨時間變化的周期信號、非周期信號或隨機信號。靜態(tài)特性：在被測量的各個值都處于穩(wěn)定狀態(tài)時，測量系統(tǒng)的輸入

量與輸出量之間的關系。一般要求傳感器或測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性為一一對應的線性或近似為線性。3.1測試系統(tǒng)及其主要性質3.1.1測試系統(tǒng)定義與基本要求（2）基本要求測試系統(tǒng)分析中一般有三類問題：

（1）當輸入已知，輸岀可測量時，可以通過它們推斷出該系統(tǒng)的傳輸特性（系統(tǒng)辨識）；（2）當系統(tǒng)特性已知，輸出可測量時，可以通過它們推斷出導致該輸出的輸入量（載荷識別）；（3）如果輸入和系統(tǒng)特性已知，則可以推斷和估計該系統(tǒng)的輸出量（響應預測）。測試系統(tǒng)的基本要求：

測試系統(tǒng)的輸出信號能夠真實地反映被測量的變化過程不使其發(fā)生畸變，即實現(xiàn)不失真測試。3.1測試系統(tǒng)及其主要性質3.1.2線性測試系統(tǒng)的基本性質

工程測試的實質是研究被測對象的輸入（或稱激勵）信號、測試系統(tǒng)的傳輸特性和輸出（測試結果或響應）三者之間的關系。如果將測試系統(tǒng)的一個功能模塊簡化為一個方框表示，并用x(t)表示輸入量，用y(t)表示輸岀量，用h(t)表示系統(tǒng)的傳遞特性，則輸入、輸出和測量系統(tǒng)之間的關系可用下圖表示。3.1測試系統(tǒng)及其主要性質3.1.2線性測試系統(tǒng)的基本性質本章研究對象——具有明確輸入輸出的一個環(huán)節(jié)/單元/模塊等特點：獨立單元：能完成部分測試任務，具有明確輸入輸出的單元黑盒子:只關注測試系統(tǒng)的輸入與輸出間的數(shù)學關系，而不是物理結構測試系統(tǒng)h輸入x輸出y3.1測試系統(tǒng)及其主要性質3.1.2線性測試系統(tǒng)的基本性質

線性時不變系統(tǒng)的輸入為x(t)和輸出y(t)之間的關系可用常系數(shù)線性微分方程描述，其微分方程的一般形式為：微分方程的最高階數(shù)就是系統(tǒng)的階數(shù)各階導數(shù)只有線性項系數(shù)ai、bi均為不隨時間而變化的常數(shù)——是由測量系統(tǒng)或功能組件的物理性質決定的定常、時不變。3.1測試系統(tǒng)及其主要性質3.1.2線性測試系統(tǒng)的基本性質1）

疊加性

當幾個輸入同時作用于線性系統(tǒng)時，則其響應等于各個輸入單獨作用于該系統(tǒng)的響應之和特性:(1)作用于線性系統(tǒng)的各個輸入所產生的輸出是互不影響的：

一個輸入的存在絕不影響另一個輸入所引起的輸出。

(2)若線性系統(tǒng)的輸入擴大c倍，則其響應也將擴大c（比例性）線性系統(tǒng)具有如下特性：疊加性、可微性、同頻性應用：利用疊加特性可以測量各種復雜信號：

復雜輸入一系列簡單輸入一系列簡單響應之和利用比例性可以測量量程內大小不同的信號。3.1測試系統(tǒng)及其主要性質3.1.2線性測試系統(tǒng)的基本性質2)可微性（可積性）系統(tǒng)對輸入信號導數(shù)（積分）的響應等于對原輸入響應的導數(shù)（積分）初始條件為零可微性可積性線性定常系統(tǒng)：1）對輸入信號導數(shù)的響應等于對輸入信號響應的導數(shù)；2）對輸入信號積分的響應等于對輸入信號相應的積分。3.1測試系統(tǒng)及其主要性質3.1.2線性測試系統(tǒng)的基本性質3）同頻性：頻率不變（頻率保持性）若輸入為某一頻率的簡諧（正弦或余弦）信號則系統(tǒng)的輸出必是、也只是同頻率的簡諧信號線性系統(tǒng)三大特性：疊加性可微性同頻性頻率相同！3.1測試系統(tǒng)及其主要性質3.1.2線性測試系統(tǒng)的基本性質同頻性的應用：在測試中，測量信號會受到其它信號或噪聲的干擾，依據同頻性可以分清/確認信號或噪聲。即：信號中只有與輸入信號相同的頻率成分才是真正由該輸入引起的輸出排除干擾：對于線性系統(tǒng)，與信號頻率不同的其它頻率成分就是干擾，設法剔除，得到有用測試信號。問題：為什么測試一個系統(tǒng)的固有頻率特性時常采用脈沖激勵？主要內容3.4典型測量系統(tǒng)的動態(tài)特性3.3一般測試系統(tǒng)的動態(tài)特性3.2測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性3.1測試系統(tǒng)及其主要性質3.5動態(tài)測量誤差及其補償3.6傳感器與測量系統(tǒng)的標定測試系統(tǒng)特性：輸出對輸入的反映能力靜態(tài)特性輸入x：不隨時間變化輸出y：反映測試系統(tǒng)靜態(tài)響應動態(tài)特性輸入x(t)：隨時間變化輸出y(t)：反映測試系統(tǒng)的動態(tài)響應序言3.2

測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性掌握靜態(tài)特性的目的：

選擇儀器：儀器特性與被測量（信號）匹配

確定輸入輸出關系：系統(tǒng)標定、定期校驗靜態(tài)特性的獲得：規(guī)定的標準工作條件：溫度、壓力等高精度信號源產生已知的、準確的、不隨時間變化的輸入量xi高精度測量儀器測定被測系統(tǒng)對應的輸出量yi數(shù)據處理獲得反映系統(tǒng)靜態(tài)響應特性的曲線或公式y(tǒng)x（靜態(tài)下輸入/輸出）特性曲線

3.2.1測量系統(tǒng)靜態(tài)特性定義：被測量不隨時間變化或隨時間變化很緩慢時測量系統(tǒng)的輸入、輸出及其關系的特性或技術指標。1）靈敏度：測試系統(tǒng)對輸入量的反應能力（放大能力）輸入x有一個變化量?x，它引起系統(tǒng)輸出y發(fā)生相應的變化量?y，則定義靈敏度靈敏度的量綱：輸出量綱/輸入量綱

如：V/mm，V/℃，mV/℃，mV/g靈敏度一般由實測該系統(tǒng)獲得的標定曲線的斜率確定對于非線性系統(tǒng):分段擬合直線的斜率，獲得不同輸入范圍內的不同靈敏度yx△x△y3.2

測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性若測量系統(tǒng)是由靈敏度分別為S1、S２、S３、。。。等多個獨立的環(huán)節(jié)組成，整個系統(tǒng)靈敏度如何求？測試單元S1則：一般來講，靈敏度越高響應越大。但是，靈敏度越高穩(wěn)定性越差，測量范圍越窄，因此，也不能過高。靈敏度大好還是小好？測試單元S2測試單元S33.2

測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性2）非線性度（線性度）：測試系統(tǒng)的特性曲線與擬合直線的接近/偏離程度采取引用誤差形式表示yx△L-最大偏差YA量程0端基法（簡單）最小二乘法（常用）測量裝置在線性范圍內工作是保證測量精度的基本條件;線性范圍越寬，表明測量系統(tǒng)有效量程越大；必要時可進行非線性補償.擬合直線的確定：影響非線性引用誤差3.2

測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性3）量程：測試系統(tǒng)允許測量的輸入量的上、下極限值。

只有在量程范圍內，測試系統(tǒng)的性能(精度)有保證。常用滿刻度值F.S表示量程

如：測溫儀測量范圍±100℃與量程有關的一個指標為：

過載能力：承受超過量程而不損壞儀器精度的能力例如：過載能力≤150%F.S、200％F.S測試系統(tǒng)的選用原則：被測量不應超過儀器的量程范圍。3.2

測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性4)精度（測量誤差）：

精度表征測量裝置的測量結果y與被測真值μ的一致程度真值在一定條件下，被測量的真實值客觀存在、不可測量的、可不斷逼近約定真值特定的、有時是約定所取得值，用法律形式指定高一級測量儀器所得的值誤差可以忽略精度通常有三種表示方法：(1)絕對誤差（2）相對誤差（3）引用誤差3.2

測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性（1）絕對誤差

用于評價同一被測量（同一量值）測量精度的高低絕對誤差有明確量綱：1mm、0.1mm、0.05℃、和被測量值有關測量５萬公里距離，誤差1ｍ；測量１m長度物體，誤差0.01ｍ。哪個測量更精確？（2）相對誤差

用于評價不同被測量（不同量值）測量精度的高低沒有量綱，用來評價測量結果：0.1%、和被測量值無關0對同一量測量多次結果可能不一致，如何評價儀器的精度？3.2

測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性（3）引用誤差

絕對誤差與測量儀器量程A（不是真值）之比。

由于具體測量不同量時，絕對誤差δ有大有小，不能全面反映測量儀器的準確度。因此，一般取儀器測量中的最大絕對誤差δmax評價測量設備的準確度等級——最為嚴格的指標。定義最大引用誤差為儀器精度，也稱為準確度。

3.2

測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性注意：測量裝置精度一般采用引用誤差來衡量；以準確度的百分數(shù)定義儀器精度等級如：某電壓表為一級精度，指其準確度為1%國家標準GB776－76規(guī)定測量儀器準確度等級指數(shù)α為：

0.1,0.2,0.5,1.0，1.5,2.5,5.0——工業(yè)等級測量儀器的最大引用誤差不能超過儀器準確度指數(shù)的百分數(shù)

實際使用中，儀器的最大可能誤差為量程A的選擇和測量值x的關系：量程和被測量相差越小越好

避免讓測量系統(tǒng)在小于1/3的量程工作為什么？3.2

測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性例如：某1.0級電壓表，量程為500V，當測量值分別為500V、150V時,求出測量值的最大絕對誤差和相對誤差.可見，用該儀器測量時：

最大絕對誤差是給定的；最大相對誤差取決于被測量的大小。最大絕對誤差:最大相對誤差：3.2

測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性（4）多級測試系統(tǒng)的精度多個測量儀器組成的測試系統(tǒng)誤差理論分析表明：

精度主要取決于精度最低的儀器不等精度測量時，前面環(huán)節(jié)的精度應高于后面環(huán)節(jié)

測試單元a1輸入X輸出Y測試單元a2測試單元a3測試系統(tǒng)的選用原則（1）由同精度的儀器組成測量系統(tǒng)；（2）前面環(huán)節(jié)的精度應高于后面環(huán)節(jié)

；（3）不宜選用大量程儀器測量較小的量。3.2

測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性5）穩(wěn)定性：

在一個較長時間內保持性能參數(shù)不變的能力表示法：給定時間內性能變化量（系統(tǒng)輸出與標定時輸出差異程度）如：某溫度傳感器穩(wěn)定性:0.25%FS/h

時間范圍：一個小時、一天、一個月、半年或一年原因：測試系統(tǒng)內部各個環(huán)節(jié)性能不穩(wěn)定引起測試系統(tǒng)內部溫度變化或蠕變等引起

零漂屬于一個不穩(wěn)定現(xiàn)象：測量系統(tǒng)在零輸入狀態(tài)下輸出值的漂移。

時間零漂（時漂）：在規(guī)定時間和條件下，輸出值的漂移。

溫度漂移（溫漂）：含零點溫漂和靈敏度溫漂，是測量系統(tǒng)在溫度變化時其特性的變化。靈敏度漂移零漂3.2

測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性6）重復性：

標定值的分散性系統(tǒng)的輸入量按同一方向做全量程連續(xù)多次變動時，其輸出值不一致的程度。重復性誤差定義為(引用誤差):重復性誤差決定測量結果的可信度。yx△R-最大偏差YA量程03.2

測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性7）回程誤差：遲滯、滯后、滯環(huán)系統(tǒng)的輸入量由小增大（正行程）和由大減小（反行程）時，輸出特性不一致的程度。回程誤差定義為（引用誤差）:

遲滯原因：測試系統(tǒng)機械部分的摩擦和間隙敏感結構材料的缺陷磁性材料的磁滯等YA△H3.2

測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性8）分辨率：辨識能力

測試系統(tǒng)有效辨別輸入量最小變化的能力以最小單位輸出量所對應的輸入量來表示對于模擬量測試系統(tǒng)，是用其輸出指示標尺最小分度值的一半所代表的輸入量來表示其分辨力，如0.1℃對于數(shù)字量測試系統(tǒng)，其輸出顯示系統(tǒng)的最后一位所代表的輸入量即為該系統(tǒng)的分辨力——分度值如：±5V

±2048，則分辨率為靈敏度：單位輸入引起系統(tǒng)的響應量5mv/mm分辨率：單位響應對應的系統(tǒng)輸入量0.001mm靈敏度：放大能力分辨率：辨別能力分辨率與靈敏度的區(qū)別？3.2

測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性

9）漂移漂移表示測量裝置在零輸入狀態(tài)下，輸出值的漂移。一般包括：時間零漂（時漂）和溫度漂移（溫漂），指時間或溫度的單位變化量所引起的輸出值的變化。漂移可分為：零點漂移和靈敏度漂移兩部分。零漂靈敏度漂移3.2

測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性主要內容3.4典型測量系統(tǒng)的動態(tài)特性3.3一般測試系統(tǒng)的動態(tài)特性3.2測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性3.1測試系統(tǒng)及其主要性質3.5動態(tài)測量誤差及其補償3.6傳感器與測量系統(tǒng)的標定測量系統(tǒng)動態(tài)特性是指測量系統(tǒng)的輸出對快速變化的輸入信號的動態(tài)響應能力。靜態(tài)特性是基礎，而動態(tài)特性是影響動態(tài)信號測量精度的關鍵。理想的測試系統(tǒng)：輸出量與輸入量隨時間的變化規(guī)律相同實際的測試系統(tǒng)：輸出量與輸入量變化規(guī)律只是在一定條件下相同，即：在一定的頻率范圍內對應一定的動態(tài)誤差測試系統(tǒng)輸入X（t）輸出Y（t）3.3一般測量系統(tǒng)的動態(tài)特性線性定常測量系統(tǒng)的動態(tài)特性

——測量系統(tǒng)的輸出對變化的輸入信號的動態(tài)響應特性理想的測試系統(tǒng)輸出量與輸入量隨時間的變化規(guī)律相同

輸出量與輸入量隨頻率的變化規(guī)律相同實際的測試系統(tǒng)只在一定條件下輸出量與輸入量變化規(guī)律保持一致

一定的頻率范圍、一定的動態(tài)誤差

系統(tǒng)的動態(tài)特性直接考察系統(tǒng)的微分方程比較困難，一般采用兩種方法來描述

頻率域利用系統(tǒng)的頻率響應函數(shù)

時間域利用系統(tǒng)的階躍響應函數(shù)只是在不同的域內觀察3.3.1測量系統(tǒng)頻率響應函數(shù)對測量系統(tǒng)來講，主要利用頻率響應函數(shù)描述系統(tǒng)的動態(tài)特性。頻率響應函數(shù)：測試系統(tǒng)輸入X（t）輸出Y（t）頻率響應函數(shù)3.3.1測量系統(tǒng)頻率響應函數(shù)傳遞函數(shù)與頻率響應函數(shù)的關系傳遞函數(shù)：（拉氏變換）頻率響應函數(shù)：（傅氏變換，拉氏變換中a=0）對于任意輸入信號

頻率響應函數(shù)是傳遞函數(shù)的特例，反映頻率域中輸入與輸出之間的傳遞關系。3.3.1測量系統(tǒng)頻率響應函數(shù)頻率響應函數(shù)的基本特性：

1）頻率響應函數(shù)是測量裝置物理性質決定的，與輸入輸出特性沒有關系，與初始狀態(tài)也無關系；

2）頻率響應函數(shù)反映裝置的傳輸特性而不拘泥于系統(tǒng)的物理結構；對于完全不同的物理系統(tǒng)，卻可能有傳遞特性和形式完全相同的；3）測試系統(tǒng)的階數(shù)，可以由傳遞函數(shù)中分母

的冪的次數(shù)n決定。3.3.1測量系統(tǒng)頻率響應函數(shù)4）頻率響應函數(shù)是頻率

的函數(shù)，是復數(shù)5）頻率響應函數(shù)反映了測試系統(tǒng)對不同頻率成分輸入信號的保真情況幅頻特性：系統(tǒng)對不同頻率信號的放大倍數(shù)---動態(tài)靈敏度相頻特性：總是隨頻率變化——延遲幅頻特性相頻特性靜態(tài)靈敏度大多是常數(shù)，反映輸出幅值與輸入幅值的比值。動態(tài)靈敏度通常是的函數(shù)，反映輸出幅值與輸入幅值的比值隨著頻率的變化規(guī)律。頻率響應函數(shù)反映系統(tǒng)動態(tài)特性。系統(tǒng)靜態(tài)靈敏度與動態(tài)靈敏度有無區(qū)別？3.3.1測量系統(tǒng)頻率響應函數(shù)比較重要的靜態(tài)特性指標靈敏度：單位輸入引起的系統(tǒng)響應大?。ǚ糯竽芰Γ┓直媛剩簡挝豁憫獙南到y(tǒng)輸入量（辨識能力）量程：正常工作條件下，測試系統(tǒng)能夠測量的輸入量范圍精度：由線性度、遲滯等影響因素之和來確定，是綜合特性線性定常系統(tǒng)的基本特性特性疊加性、可微性、同頻性測量系統(tǒng)的頻率響應函數(shù)頻率頻率響應函數(shù)是由測量裝置的物理性質決定的頻率響應函數(shù)反映裝置的傳輸特性而不拘泥于系統(tǒng)的物理結構頻率響應函數(shù)是頻率的函數(shù)，是復數(shù)頻率響應函數(shù)的幅頻特性反映系統(tǒng)對不同頻率信號的放大倍數(shù)

---動態(tài)靈敏度簡單回顧測量系統(tǒng)的分類：理想測量系統(tǒng)：信號通過測試系統(tǒng)后，仍然保持信號原形，這種測量為理想測量。經測試系統(tǒng)測量后的信號，只要能夠準確地、更有效地反映原信號的運動與變化狀態(tài)、或保留原信號的特征和全部有用信息，則測試系統(tǒng)對信號的測量是不失真測量，稱為理想測量系統(tǒng)。不同的測量系統(tǒng)，有不同的頻率特性執(zhí)行不同的測量功能，有不同的理想頻率特性測試系統(tǒng)分類：

零階、一階和二階環(huán)節(jié)是測試裝置中最基本、最常見的測量系統(tǒng)；

任何高階系統(tǒng)都可以由零階、一階和二階環(huán)節(jié)以不同方式串、并聯(lián)而成。

因此，本節(jié)對這幾種典型測量裝置分別進行研究。3.3.2實現(xiàn)不失真測量的條件1）零階測量系統(tǒng)零階系統(tǒng)時域特征:微分項系數(shù)為0

tAx(t)y(t)=S.x(t)具有延時的系統(tǒng)也屬于0階系統(tǒng)

測試系統(tǒng)輸出的波形和輸入波形精確地一致，

只是幅值放大了S倍和在時間上延遲了to系統(tǒng)延時不可避免敏感元件、測量電路延時等tAx(t)S.x(t)S.x(t-t0)比例放大器屬于0階系統(tǒng)3.3.2實現(xiàn)不失真測量的條件零階系統(tǒng)頻域特征y(t)=Sx(t)

Y(ω)=SX(ω)y(t)=Sx(t-t0)

Y(ω)=Se-jωt0X(ω）S-t0ω

0階系統(tǒng)不存在因頻率變化引起動態(tài)誤差：信號無畸變的傳輸/保持信號原形。零階系統(tǒng)的幅頻和相頻如下：3.3.2實現(xiàn)不失真測量的條件不失真測試系統(tǒng)——輸出信號能夠真實、準確地反映被測信號的測試系統(tǒng)稱之為不失真測試系統(tǒng)具有延時的0階系統(tǒng)（也稱為延遲環(huán)節(jié)）定義為不失真測試系統(tǒng)

應用：作為實際測試系統(tǒng)幅、相頻率特性的參考標準

相差越小，性能越好注意：雖然波形不失真，系統(tǒng)輸出仍滯后一定的時間測量結果如果用來作為反饋控制信號，延遲有可能破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應根據具體要求，力求減小時間滯后、或進行補償。3.3.2實現(xiàn)不失真測量的條件不失真測試條件：

頻率響應函數(shù)的幅值為常數(shù)、相位角隨頻率線性變化。主要內容3.4典型測量系統(tǒng)的動態(tài)特性3.3一般測試系統(tǒng)的動態(tài)特性3.2測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性3.1測試系統(tǒng)及其主要性質3.5動態(tài)測量誤差及其補償3.6傳感器與測量系統(tǒng)的標定一階測量系統(tǒng)一階系統(tǒng)是慣性環(huán)節(jié)——輸出按一定時間規(guī)律逐漸趨近輸入值。微分方程：變換：

為時間常數(shù),是零階系統(tǒng)的靈敏度，是常數(shù)。實際中的一階測量系統(tǒng)：(a)忽略質量的單自由度振動；(b)液柱式溫度計；(c)RC積分電路；(d)光電傳感器；(e)渦流傳感器3.4.1一階測量系統(tǒng)的動態(tài)特性

一階測量系統(tǒng)的時域特征

用一階系統(tǒng)的階躍響應表征。

根據一階系統(tǒng)微分方程：可得一階系統(tǒng)的階躍響應(令S=1)：

輸入輸出顯然，時間常數(shù)越小，響應越快，動態(tài)特性越好。因此，將稱為系統(tǒng)的特征參數(shù)。3.4.1一階測量系統(tǒng)的動態(tài)特性

一階測量系統(tǒng)的頻域特征：

對一階系統(tǒng)微分方程進行富氏變換，取S＝1，則有截止頻率理想系統(tǒng)當:

可見，動態(tài)靈敏度是由特性參數(shù)決定的。有:截止頻率一階系統(tǒng)幅頻特點？3.4.1一階測量系統(tǒng)的動態(tài)特性一階系統(tǒng)有以下特點：（1）一階系統(tǒng)是一個低通環(huán)節(jié)：在低頻段，各頻率成分的幅值基本保持不變；在高頻段，幅值與頻率成反比；因此，一階裝置只適用于測量緩變或低頻信號；（2）時間常數(shù)決定了一階系統(tǒng)適用的頻率范圍，只有時，幅頻特性才近似為1，當時，輸出輸入的幅值比降為0.707，相角滯后450。此點對應著輸出信號的功率衰減到半功率的頻率點。（3）

在所有頻率范圍均小于等于1。

對于一階測量系統(tǒng)：為了擴大測量頻率范圍或為了減小測量誤差，時間常數(shù)應該盡可能小還是大？3.4.1一階測量系統(tǒng)的動態(tài)特性二階測量系統(tǒng)實例：慣性式傳感器（彈簧-質量-阻尼系統(tǒng)）磁電式傳感器微分方程：變換：

系統(tǒng)特征參數(shù)：固有頻率ωn、阻尼比ξ可見：固有頻率與阻尼比是二階測量系統(tǒng)本身的參數(shù)，是系統(tǒng)固有的。

3.4.2二階測量系統(tǒng)的動態(tài)特性二階測量系統(tǒng)的時域特征用二階系統(tǒng)的階躍響應表征：ξ=0，無阻尼系統(tǒng)，系統(tǒng)響應為等幅振蕩，振蕩頻率為其固有頻率ξ=0.707，臨界阻尼，無振蕩，且ξ>0.707時呈現(xiàn)過阻尼，可近似按一階系統(tǒng)對待0<ξ<0.707，欠阻尼，衰減振蕩阻尼比ξ直接影響超調量和振蕩次數(shù)一般ξ選在0.6至0.7之間3.4.2二階測量系統(tǒng)的動態(tài)特性

二階測量系統(tǒng)動態(tài)特性的頻域特征(取S＝1)可見，動態(tài)靈敏度A（ω）與特性參數(shù)ξ、ωn有關。幅頻特性相頻特性不失真測量條件與不失真測量條件比較可見：幅頻特性不是一條直線；當輸入信號是由多頻率構成時，測量裝置對不同頻率的信號有不同的靈敏度，從而引起幅度失真——動態(tài)誤差；同理，也存在相位失真。二階系統(tǒng)頻域特性圖3.4.2二階測量系統(tǒng)的動態(tài)特性可以看出：（1）二階系統(tǒng)也是一個低通環(huán)節(jié)。當頻率比遠小于1時，幅值近似為1，而相位約等于零；當頻率比遠大于1時，幅值近似為0，而相位約等于1800;（2）二階系統(tǒng)的A（ω）在一定頻率范圍小于1，在一定頻率范圍大于1；(3)當阻尼比大于、等于0.707時，不出現(xiàn)峰值；在阻尼比較小時，幅頻特性出現(xiàn)峰值，峰值在頻率比小于1時出現(xiàn)：（4）影響二階系統(tǒng)動態(tài)特性的參數(shù)是固有頻率和阻尼比，然而在通?？墒褂玫念l率范圍內，又以固有頻率的影響最為重要。問題：為了擴大測量頻率范圍或者為了減小測量誤差，二階系統(tǒng)的固有頻率越大越好還是越小越好？阻尼比呢？峰值點頻率比：峰值大?。?.4.2二階測量系統(tǒng)的動態(tài)特性測量裝置性能歸納測量系統(tǒng)物理參數(shù)性能圖形理想系統(tǒng)(不失真測量系統(tǒng))時域表達幅頻特性相頻特性特點全頻不失真測量一階系統(tǒng)時域表達幅頻特性相頻特性特點低通濾波特性時間常數(shù)決定系統(tǒng)動態(tài)性能，越小越好二階系統(tǒng)時域表達幅頻特性相頻特性特點低通濾波特性、固有頻率與阻尼比決定系統(tǒng)性能

、固有頻率越大越好，阻尼比存在最佳值S-t0ω截止頻率應用任何實際測試系統(tǒng)都存在一個有限的可用頻率范圍；測試系統(tǒng)的頻響特性必須與被測信號的頻率結構相適應；測量系統(tǒng)動態(tài)響應及其動態(tài)誤差決定于測量系統(tǒng)的頻率響應函數(shù)。主要內容3.4典型測量系統(tǒng)的動態(tài)特性3.3一般測試系統(tǒng)的動態(tài)特性3.2測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性3.1測試系統(tǒng)及其主要性質3.5動態(tài)測量誤差及其補償3.6傳感器與測量系統(tǒng)的標定3.4.1測量系統(tǒng)的動態(tài)測量誤差定義：測量系統(tǒng)輸出信號波形與輸入信號波形相比有畸變

（失真），畸變（失真）大小就是動態(tài)測量誤差。動態(tài)測量誤差的表征：在研究動態(tài)誤差中，一般假設A(0)=1測量中一般只規(guī)定、研究幅值誤差靜態(tài)誤差是由于信號幅值變化引起（非線

性、穩(wěn)定性、重復性等），是確定的值。動態(tài)誤差是頻率的函數(shù)，由頻率變化引起。一階與二階系統(tǒng)的高頻誤差大還是低頻誤差大？測量裝置的靜態(tài)誤差與動態(tài)誤差的區(qū)別是什么？3.5動態(tài)測量誤差及補償靜態(tài)誤差1)一階測量系統(tǒng)的動態(tài)測量誤差已知測量系統(tǒng)動態(tài)幅值誤差為由于一階系統(tǒng)A(ω)總是小于等于1，所以，一階系統(tǒng)的誤差一般規(guī)定為不同頻率下的動態(tài)幅值誤差如下表所示測試系統(tǒng)輸入X（t）輸出Y（t）可見：時間常數(shù)、動態(tài)幅值誤差、可測最高頻率三者間互相制約。3.5.1測量系統(tǒng)的動態(tài)測量誤差實例（1）設計一個一階測試系統(tǒng)，要求輸入信號為200Hz時其輸出信號的幅值誤差不超過10％，其測量系統(tǒng)的截止頻率應該是多少？測試系統(tǒng)輸入X（t）輸出Y（t）根據：則：因為：可知：3.5.1測量系統(tǒng)的動態(tài)測量誤差（2）已知一階測量系統(tǒng)，其頻率響應函數(shù)試分析當測定信號為x(t)=sint+sin5t時，有無波形失真現(xiàn)象？誤差為多少?可見：存在比較嚴重的波形失真現(xiàn)象；不同頻率的輸入產生的失真大小不同。用途：要能恰當選擇一階測量裝置，必須首先對被測信號有概略的了解：（1）知道其幅值的變化范圍，根據信號幅值變化范圍選擇儀器量程；（2）知道構成此信號的各頻率成分的頻率范圍，根據頻率范圍去選擇儀器頻率范圍。

已知：3.5.1測量系統(tǒng)的動態(tài)測量誤差2)二階測量系統(tǒng)的動態(tài)誤差系統(tǒng)動態(tài)誤差的定義為（A(0)=1）二階系統(tǒng)的動態(tài)幅值誤差為不同頻率下的動態(tài)幅值誤差如下表所示(ξ=0)由于可能大于1或小于1，所以，二階系統(tǒng)的誤差一般規(guī)定為可見：阻尼比、幅值誤差、頻率比三者間互相制約。3.5.1測量系統(tǒng)的動態(tài)測量誤差結論：

（1）阻尼比可以顯著影響二階測量系統(tǒng)可用頻率范圍；

（2）二階系統(tǒng)最佳阻尼比為0.6_0.7；

（2）通?？捎妙l率范圍為：0～0.6

。表3-1與對應的最佳阻尼比和可用頻率比范圍允許的測量誤差最佳阻尼比可用頻率比范圍±100．540～1.028±50．590～0.867±20．630～0.692±10．660～0.5853.5.1測量系統(tǒng)的動態(tài)測量誤差實例：有兩個結構相同的二階系統(tǒng)，其固有頻率相同，但兩者阻尼比不同，一個是0.1，另一個是0.65，若允許的幅值誤差10％，問它們的可用頻率范圍是多少？解：求二階系統(tǒng)的可用頻率范圍，實際上就是求幅頻特性曲線與A(ω)＝1±ε兩根直線的交點對應的橫坐標坐標點1：0.303坐標點3：0.8153.5.1測量系統(tǒng)的動態(tài)測量誤差3）動態(tài)誤差與靜態(tài)誤差的區(qū)別？動態(tài)誤差：被測信號的頻率變化引起的誤差——頻響特性決定靜態(tài)誤差：被測信號的幅值變化引起的誤差（非線性等特性決定）應用中優(yōu)先考慮哪項誤差？當被測信號的頻率構成比較簡單，而幅值變化比較大時，主要考慮非線性度誤差，頻率引起的誤差可以修正當被測信號的頻率構成比較復雜，而幅值變化較小時，主要考慮頻響特性誤差，而非線性度誤差可以通過系統(tǒng)標定來減小當被測信號的頻率構成比較復雜，并且幅值變化比較大時，頻響特性誤差和非線性度誤差必須同時考慮3.5.1測量系統(tǒng)的動態(tài)測量誤差動態(tài)靈敏度（動態(tài)誤差）是頻率的函數(shù)信號中有的成分被放大、有的被衰減、有的被完全濾掉！頻域補償：修正信號的主要頻率分量：不同頻率下的信號放大系數(shù)不同修改不同頻率分量的幅值ωr測試系統(tǒng)輸入X（t）輸出Y（t）3.5.2動態(tài)測量誤差的補償方法測量目的：通過y(t)了解x(t)存在問題：由于頻率響應函數(shù)不是一條直線

使得測得的輸出發(fā)生畸變yc(t)，導致YC(jω)發(fā)生畸變。

修正方法：

已知測量系統(tǒng)頻率響應函數(shù)：

對輸出yc(t)進行富氏變換：

修正：由于頻率響應函數(shù)特性使得輸出畸變，利用上式消除了頻率響應函數(shù)的影響。再進行復氏反變換這樣得到的y(t)就是我們需要的被測量。ωr測試系統(tǒng)輸入X（t）輸出Y（t）注意：動態(tài)誤差補償時只有在頻率響應函數(shù)不為零的頻域里才是可行的，通過測試系統(tǒng)后完全消失的那些頻率分量無法補償。3.5.2動態(tài)測量誤差的補償方法主要內容3.4典型測量系統(tǒng)的動態(tài)特性3.3一般測試系統(tǒng)的動態(tài)特性3.2測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性3.1測試系統(tǒng)及其主要性質3.5動態(tài)測量誤差及其補償3.6傳感器與測量系統(tǒng)的標定3.6傳感器與測量系統(tǒng)的標定掌握靜態(tài)特性的目的：

選擇儀器：儀器特性與被測量（信號）匹配

確定輸入輸出關系：系統(tǒng)標定、定期校驗靜態(tài)特性的獲得：規(guī)定的標準工作條件：溫度、壓力等高精度信號源產生已知的、準確的、不隨時間變化的輸入量xi高精度測量儀器測定被測系統(tǒng)對應的輸出量yi數(shù)據處理獲得反映系統(tǒng)靜態(tài)響應特性的曲線或公式y(tǒng)x（靜態(tài)下輸入/輸出）特性曲線測量系統(tǒng)靜態(tài)特性定義：被測量不隨時間變化或隨時間變化很緩慢時測量系統(tǒng)的輸入、輸出及其關系的特性或技術指標。3.6.1傳感器與測量系統(tǒng)的靜態(tài)標定

任何一個測試系統(tǒng)，都需要通過實驗的方法來確定系統(tǒng)輸入、輸出關系，這個過程稱為標定。即使經過標定的測試系統(tǒng)，也應當定期校準，這實際上就是要測定系統(tǒng)的特性參數(shù)。目的：在作動態(tài)參數(shù)檢測時，要確定系統(tǒng)的不失真工作頻段是否符合要求。方法：用標準信號輸入，測出其輸出信號，從而求得需要的特性。標準信號:正弦信號、脈沖信號和階躍信號。3.6.2傳感器與測量系統(tǒng)的動態(tài)標定1.穩(wěn)態(tài)響應法理論依據：方法：以頻率為ω的正弦信號

x(t)=X0sinωt

作用于裝置，在輸出達到穩(wěn)態(tài)后測量輸出和輸入的幅值比和相位差，則幅值比就是該ω對應的幅頻特性值，相位差與該ω對應的即為相頻特性值。3.6.2傳感器與測量系統(tǒng)的動態(tài)標定

從接近零頻率的足夠低的頻率開始，以增量方式逐點增加ω到較高頻率，直到輸出量減小到初始輸出幅值的一半為止，即可得到A(ω)-ω；φ(ω)-ω特性曲線。一階系統(tǒng)的幅頻曲線●●●●●●●3.6.2傳感器與測量系統(tǒng)的動態(tài)標定對于一階測試系統(tǒng)，主要特性參數(shù)是時間常數(shù)

，可以通過幅頻、相頻特性數(shù)據直接計算

值。一階系統(tǒng)的幅頻、相頻特性一階系統(tǒng)的幅頻特性曲線

3.6.2傳感器與測量系統(tǒng)的動態(tài)標定對于二階系統(tǒng)，通常通過幅、相頻特性曲線估計其固有頻率n和阻尼比。φ’(ω)=-1/ξ，所以，作出曲線φ(ω)–ω在ω=ωn處的切線，即可求出阻尼比ξ。

3.6.2傳感器與測量系統(tǒng)的動態(tài)標定較為精確的求解方法

1）求出A(ω)的最大值及其對應的頻率ωr；求出阻尼比ξ

；

2）由式3）根據，求出固有頻率ωn。

由于這種方法中A(ωr)和ωr的測量可以達到一定的精度，所以由此求解出的固有頻率ωn和阻尼比ξ具有較高的精度。欠阻尼系統(tǒng)（<1)3.6.2傳感器與測量系統(tǒng)的動態(tài)標定2.脈沖響應法3.6.2傳感器與測量系統(tǒng)的動態(tài)標定2.脈沖響應法3.6.2傳感器與測量系統(tǒng)的動態(tài)標定振幅:振蕩頻率：振蕩周期：推導3.6.2傳感器與測量系統(tǒng)的動態(tài)標定

根據響應曲線上的振蕩周期求出系統(tǒng)的振蕩頻率ωd，再求ωn3.6.2傳感器與測量系統(tǒng)的動態(tài)標定代入2.脈沖響應法3.6.2傳感器與測量系統(tǒng)的動態(tài)標定3.6.2傳感器與測量系統(tǒng)的動態(tài)標定ThankYou!第4章常用傳感器主要內容4.4其他常用傳感器4.3發(fā)電式傳感器4.2參數(shù)式傳感器4.1概述主要內容4.4其他常用傳感器4.3發(fā)電式傳感器4.2參數(shù)式傳感器4.1概述4.1概述基本概念信息檢測中不可缺少的首要環(huán)節(jié)，直接影響測試系統(tǒng)的整體測試精度工程實際中俗稱測量頭、檢測器等，也稱為一次儀表傳感器Transducer/Sensor/probe身體與機器人的對應關系圖國家標準（GB7665—87）對傳感器定義:感受規(guī)定的被測量并按一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。一個指定的傳感器，只能感受規(guī)定的物理量：電量、非電量輸入輸出關系服從一定規(guī)律，可以復現(xiàn)——公認、標準傳感器的輸出信號中載有被測量信息，是能夠傳送的電信號、光信號、氣動信號4.1概述4.1概述傳感器的結構組成感受規(guī)定的被測量并按一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或