測量系統(tǒng)的組成

關(guān)于測量系統(tǒng)的組成第1頁，共24頁，2022年，5月20日，6點9分，星期五

在測量系統(tǒng)中，傳感器的作用是：當(dāng)傳感器受被測量的直接作用后，能按一定規(guī)律將被測量轉(zhuǎn)換成同種或別種量值輸出，其輸出通常是電信號。如金屬電阻應(yīng)變片是將機(jī)械應(yīng)變值的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，電容式傳感器測量位移時是將位移量的變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化等。第2頁，共24頁，2022年，5月20日，6點9分，星期五

傳感器輸出的電信號種類很多，輸出功率較小，一般不能將這種電信號直接輸入到后續(xù)的信號處理電路或輸出元件中去。信號調(diào)理環(huán)節(jié)的主要作用就是對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大，即把來自傳感器的信號轉(zhuǎn)換成更合適進(jìn)一步傳輸和處理的信號。這時的信號轉(zhuǎn)換，在多數(shù)情況下是是電信號之間的轉(zhuǎn)換。第3頁，共24頁，2022年，5月20日，6點9分，星期五

信號處理環(huán)節(jié)接受來自信號調(diào)理的信號，并進(jìn)行各種計算，濾波，分析，將結(jié)果輸出至顯示，記錄或控制系統(tǒng)，例如，扭矩傳感器可以測出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速n和它的扭矩M，信號處理環(huán)節(jié)對M和n進(jìn)行乘法運算可以得到此轉(zhuǎn)軸的傳輸?shù)墓β蔖=Mn，然后將其輸出到顯示與記錄設(shè)備上。第4頁，共24頁，2022年，5月20日，6點9分，星期五

當(dāng)測試工作所希望獲取的信息并沒有直接載于可檢測的信號中，這時測量系統(tǒng)就需要選用合適的方式激勵被測對象，使其產(chǎn)生既能充分表征其有關(guān)信息又便于檢測的信號。

信號顯示記錄環(huán)節(jié)以觀察者易于識別的形式來顯示測量的結(jié)果，或?qū)y量結(jié)果存儲，供需要時使用。第5頁，共24頁，2022年，5月20日，6點9分，星期五

在上述所有環(huán)節(jié)中，為保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須遵循的基本原則是各環(huán)節(jié)的輸出量與輸入量之間保持一一對應(yīng)和盡量不失真的關(guān)系，這種關(guān)系通常是線性關(guān)系，并且必須盡可能地減少或排除各種干擾。第6頁，共24頁，2022年，5月20日，6點9分，星期五傳感器：受被測量直接作用后，能按一定規(guī)律將被測量轉(zhuǎn)換為電信號輸出。（必不可少）信號調(diào)理：將來自傳感器的電信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大，使之更適合傳輸。（可簡化）信號處理：接受來自信號調(diào)理的信號，并進(jìn)行計算，濾波，分析。（可簡化）顯示記錄：顯示和儲存測量結(jié)果。（可簡化）激勵裝置：激勵被測對象，使其產(chǎn)生既能充分表征其有關(guān)信息又便于測量的信號。（可簡化）第7頁，共24頁，2022年，5月20日，6點9分，星期五3.2機(jī)械信號的分類

根據(jù)信號處理的目的不同，可將信號大致分為下列幾類：確定信號與隨機(jī)信號，連續(xù)時間信號與離散時間信號，實信號與復(fù)信號，周期型號與非周期信號，能量信號與功率信號等。第8頁，共24頁，2022年，5月20日，6點9分，星期五

機(jī)械信號常按是否可用確定性圖形，曲線或數(shù)學(xué)解析式準(zhǔn)確來描述分為確定性機(jī)械信號和隨機(jī)機(jī)械信號。第9頁，共24頁，2022年，5月20日，6點9分，星期五

確定性機(jī)械信號可用明確的數(shù)學(xué)關(guān)系式表達(dá)，如單位階躍信號，單自由度無阻尼振動中剛體的位移信號等；不能用明確的數(shù)學(xué)關(guān)系式表達(dá)的機(jī)械信號稱為隨機(jī)機(jī)械信號，如機(jī)床噪聲信號等。

通常實際測量的機(jī)械信號往往是確定性信號和隨機(jī)信號的組合，因此一般的機(jī)械信號可以看做是隨機(jī)信號。第10頁，共24頁，2022年，5月20日，6點9分，星期五確定性機(jī)械信號周期機(jī)械信號非周期機(jī)械信號

正弦周期信號復(fù)雜周期信號

準(zhǔn)周期信號瞬態(tài)信號第11頁，共24頁，2022年，5月20日，6點9分，星期五

周期機(jī)械信號：經(jīng)過一段時間間隔重復(fù)出現(xiàn)的機(jī)械信號。最基本的周期型號是正弦信號

x(t)=Asin(2πft+θ)

A為振幅，f為振動頻率，θ為初始相角

復(fù)雜周期機(jī)械信號由不同頻率的周期信號疊加而成，并且其頻率為有理數(shù)。若設(shè)周期信號中的基頻為f，則各構(gòu)成正弦信號的頻率fn為基頻的整數(shù)倍，fn=nf。第12頁，共24頁，2022年，5月20日，6點9分，星期五

回轉(zhuǎn)體不平衡引起的振動，往往是一種周期性運動，可以近似地看做周期信號。第13頁，共24頁，2022年，5月20日，6點9分，星期五準(zhǔn)周期信號是由兩個以上不同頻率的正弦機(jī)械信號疊加而成。準(zhǔn)周期信號往往出現(xiàn)在機(jī)械轉(zhuǎn)子振動分析，齒輪噪聲分析，語音分析等場合。第14頁，共24頁，2022年，5月20日，6點9分，星期五瞬態(tài)信號：在某一時刻出現(xiàn)又在某一時刻消失。例如阻尼振蕩系統(tǒng)在解除激振力后的自由振蕩。第15頁，共24頁，2022年，5月20日，6點9分，星期五隨機(jī)過程瞬態(tài)過程非平穩(wěn)過程平穩(wěn)過程連續(xù)過程非各態(tài)歷經(jīng)過程各態(tài)歷經(jīng)過程第16頁，共24頁，2022年，5月20日，6點9分，星期五

隨機(jī)機(jī)械信號不能用確定性函數(shù)來描述，表面上看來是一個沒有規(guī)律的波形，因而，不能用前述簡單波形分析方法直觀地確定其增幅和頻率。第17頁，共24頁，2022年，5月20日，6點9分，星期五

雖然如此，這種波形卻有一定的統(tǒng)計規(guī)律性，例如當(dāng)試驗次數(shù)很多或時間取得充分長時，其幅值的平均值就可能趨向某一確定的極限值。所以，對隨機(jī)信號或復(fù)雜的波形必須用統(tǒng)計的方法進(jìn)行處理。第18頁，共24頁，2022年，5月20日，6點9分，星期五

統(tǒng)計平均是對隨機(jī)過程的所有現(xiàn)實在時刻t上的隨機(jī)變量的平均運算。例如，隨機(jī)過程在t1時刻的平均值就是該時刻的隨機(jī)變量X(t1)的平均值，因此，隨機(jī)過程的均值是所有時刻t的隨機(jī)變量的統(tǒng)計平均。

均值的定義式：mX(t)=E[X(t)]

E[.]表示統(tǒng)計平均，它描述隨機(jī)過程在任意時刻t的集中程度。在一般情況下隨機(jī)過程的均值依賴于t。第19頁，共24頁，2022年，5月20日，6點9分，星期五

隨機(jī)過程的均值是某個均值函數(shù)，隨機(jī)過程就在其附近波動。第20頁，共24頁，2022年，5月20日，6點9分，星期五對于一個隨機(jī)過程，如果過程的統(tǒng)計特性不隨時間的推移而變化，就稱為平穩(wěn)隨機(jī)過程。自相關(guān)函數(shù)：mX(t)=mX=常數(shù)rX(t,t+τ)=E[X(t)X(t+τ)]=rX(τ)雖然平穩(wěn)過程比一般的隨機(jī)過程簡單了許多，但仍需要利用大量現(xiàn)實的統(tǒng)計平均才能得到其統(tǒng)計量值。第21頁，共24頁，2022年，5月20日，6點9分，星期五

如果隨機(jī)過程的每一個現(xiàn)實都代表所有可能的現(xiàn)實，并且每一個觀測時間充分長的現(xiàn)實都能替代隨機(jī)過程的總體，則稱該過程具有各態(tài)歷經(jīng)性或遍歷性。

如果一個平穩(wěn)過程具有遍歷性，則它的每一個現(xiàn)實都經(jīng)歷了隨機(jī)過程所有現(xiàn)實的各種可能狀態(tài)。平穩(wěn)過程的均值和自相關(guān)函數(shù)就可以用觀測時間充分長的一個現(xiàn)實的時間平均得到，這樣就大大簡化了實際問題，節(jié)約了工作量。

第22頁，共24頁，2022年，5月20日，6點9分，星期五平穩(wěn)遍歷過程的均值和自相關(guān)函數(shù)的定義式：

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