工程測(cè)試技術(shù)(第一章)

工程測(cè)試技術(shù)參考書：《測(cè)試技術(shù)》賈民平、張洪亭、周劍英主編，高等教育出版社，2003，5《工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)》曾光奇、胡均安主編，華中科技大學(xué)出版社，2002，3《LabVIEW7.1測(cè)試技術(shù)與儀器應(yīng)用》鄧焱、王磊編著，機(jī)械工業(yè)出版社，2004，8講授內(nèi)容：信號(hào)（描述、分析與處理）傳感器常見測(cè)試方法虛擬儀器實(shí)驗(yàn)考試：結(jié)合自己碩士課題寫個(gè)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃交實(shí)驗(yàn)報(bào)告緒論工程測(cè)試技術(shù)就是利用現(xiàn)代測(cè)試手段對(duì)工程中的各種物理信號(hào)，特別是隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)物理信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)、試驗(yàn)、分析，并從中提取有用信息的一門技術(shù)。振動(dòng)方式測(cè)定木材強(qiáng)度的測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)原理框圖傳感器：從被測(cè)對(duì)象獲取有用的信息，并將其轉(zhuǎn)換為適合于測(cè)量的變量或信號(hào)。信號(hào)調(diào)理部分：對(duì)從傳感器所輸出的信號(hào)作進(jìn)一步的加工和處理，包括對(duì)信號(hào)的轉(zhuǎn)換、放大、濾波、儲(chǔ)存、重放、和一些專門的信號(hào)處理。顯示和記錄部分：將經(jīng)信號(hào)調(diào)理部分處理過的信號(hào)用便于人們所觀察和分析的介質(zhì)和手段進(jìn)行記錄或顯示。被測(cè)對(duì)象和觀察者也是測(cè)試系統(tǒng)的組成部分，它們同傳感器、信號(hào)調(diào)理部分以及數(shù)據(jù)顯示與記錄部分一起構(gòu)成了一個(gè)完整的測(cè)試系統(tǒng)。簡(jiǎn)諧振動(dòng)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1測(cè)試技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的作用

隨著各種機(jī)電產(chǎn)品精度要求和工作性能的提高，產(chǎn)品設(shè)計(jì)正在從傳統(tǒng)的靜態(tài)設(shè)計(jì)方法向考慮了動(dòng)態(tài)參數(shù)的設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)變。2測(cè)試工作的范圍現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)幾乎應(yīng)用了所有近代新技術(shù)和新理論：半導(dǎo)體技術(shù)、激光技術(shù)、光纖技術(shù)、聲控技術(shù)、遙感技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，以及數(shù)理統(tǒng)計(jì)、控制論、信息論等。在機(jī)械工程中，測(cè)試的量主要是非電物理量：長(zhǎng)度、位移、速度、加速度、頻率、力、力矩、溫度、壓力、流量、振動(dòng)、噪聲等?，F(xiàn)代測(cè)試技術(shù)測(cè)量非電量的主要方法―――電測(cè)法

電量包括：電能量和電參量。電能量：電流、電壓、電功率、電場(chǎng)強(qiáng)度等。電參量：電阻、電容、電感、電頻率、相位等。3測(cè)試科學(xué)在現(xiàn)代科學(xué)中的地位

物質(zhì)世界的三大支柱：物質(zhì)、能量、信息。與三大支柱相對(duì)應(yīng)的三大基本技術(shù)：新材料技術(shù)、新能源技術(shù)、信息技術(shù)。信息技術(shù)：傳感技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)。第一章信號(hào)的分類及其描述1.1信息與信號(hào)的關(guān)系信息：描述事物運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)和方式。信號(hào)是信息的載體，信息是信號(hào)所載的內(nèi)容。測(cè)試工作總是首先獲?。姡┬盘?hào)，然后對(duì)其分析取得有用信息。1.2信號(hào)分類

確定性信號(hào)和非確定性信號(hào)

確定性信號(hào)：可以用合適的數(shù)學(xué)模型或數(shù)學(xué)關(guān)系式來完整地描述或預(yù)測(cè)其隨時(shí)間演變情形的信號(hào)。非確定性信號(hào)：具有不能被預(yù)測(cè)的特性且只能通過統(tǒng)計(jì)觀察來加以描述的信號(hào)。確定性信號(hào)又分為周期信號(hào)和非周期信號(hào)周期信號(hào)：定義：滿足下面關(guān)系式的信號(hào)：x(t)=x(t+nT)

式中，T——周期。周期信號(hào)一般又分為諧波信號(hào)、一般周期信號(hào)。非周期信號(hào)：定義：不具有上述性質(zhì)的確定性信號(hào)。非周期信號(hào)又可分成準(zhǔn)周期信號(hào)和一般非周期信號(hào)兩類。諧波信號(hào)具有如下的一般表達(dá)式：一般周期信號(hào)（非諧波周期信號(hào)）：周期方波、周期三角波、周期鋸齒波等。

正、余弦信號(hào)A―――幅值，ω――圓頻率，φ―――初相位 非周期信號(hào)又可分成準(zhǔn)周期信號(hào)和一般非周期信號(hào)兩類。準(zhǔn)周期信號(hào)：由多個(gè)具有不成比例周期的正弦波之和形成，或者稱組成信號(hào)的正（余）弦信號(hào)的頻率比不是有理數(shù)。一般非周期信號(hào)（瞬態(tài)信號(hào)）：時(shí)間歷程短的信號(hào)。瞬態(tài)信號(hào)：x(t)—矩形脈沖信號(hào)；y(t)－衰減指數(shù)脈沖信號(hào)；z(t)－正弦脈沖； 隨機(jī)信號(hào)又可分成兩大類：平穩(wěn)隨機(jī)和非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)。平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)：信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征不隨時(shí)間改變而變化。平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)x(t)－寬帶信號(hào)（白噪聲）y(t)－經(jīng)低通濾波后的信號(hào)

非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)：不具有上述特點(diǎn)的隨機(jī)信號(hào)。非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)1.3周期信號(hào)的特征

1.3.1周期信號(hào)的頻譜特征（1）諧波信號(hào)的頻譜特征（2）非諧波周期信號(hào)的頻譜特征

非諧波周期信號(hào)是由兩個(gè)乃至無(wú)窮多個(gè)不同頻率的諧波信號(hào)疊加而成，各諧波所占的比重成份不同。傅立葉級(jí)數(shù)定理：以T為周期的函數(shù)x(t)，如果在[-T/2,T/2]上滿足狄利克雷條件，即函數(shù)在[-T/2,T/2]上滿足：1)連續(xù)或只有有限個(gè)第一類間斷點(diǎn)（即左、右極限均存在但不相等的間斷點(diǎn)）；2)只有有限個(gè)極值點(diǎn)，那么在[-T/2,T/2]上就可以展開成傅立葉級(jí)數(shù)。其中，

――直流分量，――基頻，――n階基頻，――余弦分量幅值，――正弦分量幅值x(t)式還可以簡(jiǎn)化為其中，舉例：求如圖所示周期方波的傅立葉級(jí)數(shù)展開式，繪出其幅頻譜和相頻譜。

1.3.2周期信號(hào)的強(qiáng)度特征

峰值均值絕對(duì)均值有效值（信號(hào)的均方根值）平均功率（有效值的平方）1.4非周期信號(hào)的特征1.4.1非周期信號(hào)的頻譜特征

非周期信號(hào)x(t)可以看作是由某個(gè)周期信號(hào)xT(t)當(dāng)T→∞時(shí)轉(zhuǎn)化而來的。傅立葉積分定理：若x(t)在（－∞，∞）上滿足下列條件：1)x(t)在任一有限區(qū)間上滿足狄利克雷條件；2)x(t)在無(wú)限區(qū)間（－∞，∞）上絕對(duì)可積，即積分收斂，則有令則有，上兩式構(gòu)成一傅立葉變換對(duì)：x(t)←→X(f)X(f)稱為x(t)的傅立葉變換，x(t)稱為X(f)的傅立葉逆變換。記為一般X(f)是實(shí)變量f的復(fù)函數(shù)。非周期信號(hào)仍然可以分解成諧波信號(hào)的疊加。與周期信號(hào)分解的不同之處在于，各諧波信號(hào)的頻率是連續(xù)的，而不是離散的。舉例：求矩形窗函數(shù)的頻譜函數(shù)，并繪出其圖形。

1.4.2單位脈沖函數(shù)（δ函數(shù)）及其頻譜（1）δ函數(shù)的定義它是一種廣義函數(shù)，其定義為如下兩式，（取值定義）(面積定義)（2）δ函數(shù)的物理背景說明f(t)=ma=m(v-0)/ε=mv/ε設(shè)mv=1（單位動(dòng)量），則有，（3）δ函數(shù)的頻譜1.4.3常用信號(hào)的頻譜函數(shù)（1）矩形窗函數(shù)及其頻譜（2）δ函數(shù)及其頻譜（3）常用函數(shù)x(t)=1的頻譜

（4）符號(hào)函數(shù)sgn(t)及其頻譜符號(hào)函數(shù)sgn(t)的定義為

（5）單位階躍函數(shù)u(t)及其頻譜

1.5隨機(jī)信號(hào)(非確定性信號(hào))的描述1.5.1隨機(jī)過程的概念及分類隨機(jī)信號(hào)的特點(diǎn)：時(shí)間函數(shù)不能用精確的數(shù)學(xué)關(guān)系式描述；不能預(yù)測(cè)它未來任何時(shí)刻的準(zhǔn)確值；對(duì)這種信號(hào)的每次觀測(cè)結(jié)果都不同；大量重復(fù)試驗(yàn)可以看到它具有統(tǒng)計(jì)規(guī)律，因而可以用概率統(tǒng)計(jì)方法來描述和研究。隨機(jī)現(xiàn)象――產(chǎn)生隨機(jī)信號(hào)的物理現(xiàn)象。隨機(jī)過程統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)有：（1）時(shí)的均值（2）和兩不同時(shí)刻的相關(guān)性若上兩參數(shù)隨改變而變化，這種隨機(jī)過程稱為非平穩(wěn)隨機(jī)過程。如上統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)不隨時(shí)間變化，則稱之為平穩(wěn)隨機(jī)過程。如果平穩(wěn)隨機(jī)過程的任何一個(gè)樣本函數(shù)的時(shí)間平均統(tǒng)計(jì)特征均相同，且等于總體統(tǒng)計(jì)特征，則該過程稱為各態(tài)歷經(jīng)過程。對(duì)各態(tài)歷經(jīng)過程，第i個(gè)樣本的時(shí)間平均為1.5.2隨機(jī)過程的主要統(tǒng)計(jì)參數(shù)（1）均值、均方值、均方根值和方差平均值

T――樣本長(zhǎng)度均方值均方根值方差標(biāo)準(zhǔn)差－－反映信