機械工程測試技術(shù)

第一章信號及其描述緒論

測試技術(shù)的基本概念

測試技術(shù)是實驗科學(xué)的一部分，主要研究各種物理量的測量原理和測量信號分析處理方法。

測試技術(shù)是進(jìn)行各種科學(xué)實驗研究和生產(chǎn)過程參數(shù)測量必不可少的手段，起著人的感官的作用。通常先將被測物理量轉(zhuǎn)換為電量，再對電信號進(jìn)行處理和輸出。如圖所示的聲級計。

一．測試技術(shù)的重要性測試技術(shù)的基本任務(wù)：獲取有用的信息測量：確定被測物屬性量值，如：長度、重量等測試：具試驗性質(zhì)的測量測量+試驗測試的作用：認(rèn)識客觀世界檢驗科學(xué)理論和規(guī)律的正確性測試的應(yīng)用：工、農(nóng)、醫(yī)、國防、交通、環(huán)保、生活安全等

二、測試過程和測試系統(tǒng)的一般組成信息：蘊涵在信號中，信號的內(nèi)容。

非物質(zhì)的，無能量。信號：信息的載體電、光、力、聲，

物質(zhì)的，有能量。例：講話（聲）、警報聲（聲）、烽火臺（光）。測試系統(tǒng)框圖

一般說來，測試系統(tǒng)由傳感器、中間變換裝置和顯示記錄裝置三部分組成。

傳感器將被測物理量（如噪聲，溫度）檢出并轉(zhuǎn)換為電量，中間變換裝置對接收到的電信號用硬件電路進(jìn)行分析處理或經(jīng)A/D變換后用軟件進(jìn)行信號分析，顯示記錄裝置則測量結(jié)果顯示出來，提供給觀察者或其它自動控制裝置。

信息提取信息調(diào)理

傳感器：被測試量轉(zhuǎn)換為同種或別種量值輸出電信號信號調(diào)理：將來自傳感器的信號轉(zhuǎn)換成更適于傳輸和處理的形式例：調(diào)幅、調(diào)頻信號處理：對信號運算，濾波，分析信號顯示、記錄：測試技術(shù)的工程應(yīng)用

在工程領(lǐng)域，科學(xué)實驗、產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)監(jiān)督、質(zhì)量控制等，都離不開測試技術(shù)。測試技術(shù)應(yīng)用涉及到航天、機械、電力、石化和海洋運輸?shù)让恳粋€工程領(lǐng)域。

1、工業(yè)自動化中的應(yīng)用

a)機械手、機器人中的傳感器

轉(zhuǎn)動/移動位置傳感器、力傳感器、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。

測試技術(shù)的工程應(yīng)用

在各種自動控制系統(tǒng)中，測試環(huán)節(jié)起著系統(tǒng)感官的作用，是其重要組成部分。密歇根大學(xué)的機械手裝配模型廣州中鳴數(shù)碼的機器狗b)AGV自動送貨車

超聲波測距傳感器、判斷建筑物內(nèi)人和物所在位置；紅外線色彩傳感器運動軌跡和AGV小車位置識別；條形碼傳感器，貨品識別。測試技術(shù)的工程應(yīng)用

香港理工AGV模型c)生產(chǎn)加工過程監(jiān)測測試技術(shù)的工程應(yīng)用

切削力傳感器，加工噪聲傳感器，超聲波測距傳感器、紅外接近開關(guān)傳感器等。密歇根大學(xué)數(shù)字化工廠測試技術(shù)的工程應(yīng)用

2、流程工業(yè)設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控

在電力、冶金、石化、化工等流程工業(yè)中，生產(chǎn)線上設(shè)備運行狀態(tài)關(guān)系到整個生產(chǎn)線流程。通常建立24小時在線監(jiān)測系統(tǒng)。石化企業(yè)輸油管道、儲油罐等壓力容器的破損和泄露檢測。測試技術(shù)的工程應(yīng)用

3、產(chǎn)品質(zhì)量測量

在汽車、機床等設(shè)備，電機、發(fā)動機等零部件出廠時，必須對其性能質(zhì)量進(jìn)行測量和出廠檢驗。

圖示為汽車出廠檢驗原理框圖，測量參數(shù)包括潤滑油溫度、冷卻水溫度、燃油壓力及發(fā)動機轉(zhuǎn)速等。通過對抽樣汽車的測試，工程師可以了解產(chǎn)品質(zhì)量。汽車扭距測量機床加工精度測量測試技術(shù)的工程應(yīng)用

4、樓宇控制與安全防護(hù)

為使建筑物成為安全、健康、舒適、溫馨的生活、工作環(huán)境，并能保證系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和管理的智能化。在樓宇中應(yīng)用了許多測試技術(shù)，如闖入監(jiān)測、空氣監(jiān)測、溫度監(jiān)測、電梯運行狀況。

圖示為某公司樓宇自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為：電源管理、安全監(jiān)測、照明控制、空調(diào)控制、停車管理、水/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測試技術(shù)的工程應(yīng)用

5、家庭與辦公自動化

在家電產(chǎn)品和辦公自動化產(chǎn)品設(shè)計中，人們大量的應(yīng)用了傳感器和測試技術(shù)來提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量。全自動洗衣機中的傳感器：衣物重量傳感器，衣質(zhì)傳感器，水溫傳感器，水質(zhì)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)。指紋傳感器透光率傳感器溫濕度傳感器溫度傳感器測試技術(shù)的工程應(yīng)用

6、其他應(yīng)用航天農(nóng)業(yè)交通醫(yī)學(xué)測試技術(shù)的工程應(yīng)用

鼠標(biāo):光電位移傳感器攝像頭:CCD傳感器聲位筆:超聲波傳感器麥克風(fēng):電容傳聲器聲卡:A/D卡+D/A卡軟驅(qū):速度,位置伺服7、PC機中的測試技術(shù)應(yīng)用測試技術(shù)的發(fā)展趨勢1、傳感器方面

a)利用新發(fā)現(xiàn)的材料和新發(fā)現(xiàn)的生物、物理、化學(xué)效應(yīng)開發(fā)出的新型傳感器熒光材料制作的電子鼻傳感器生物酶血樣分析傳感器熱/光電量b)傳感器+嵌入式計算機智能傳感器振動網(wǎng)絡(luò)傳感器嵌入式計算機智能壓力網(wǎng)絡(luò)傳感器智能傾角RS232傳感器IC總線數(shù)字溫度傳感器測試技術(shù)的發(fā)展趨勢

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是采用無線通信的方式將大量的傳感器節(jié)點形成一個多跳的、自組織的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)

無線通信傳輸，避免布線困難直接數(shù)字化，信號可靠性高自組織、維護(hù)方便、擴展性好由于機組長時間生產(chǎn)厚料，爐區(qū)快冷段冷卻風(fēng)機在長時間高溫和滿負(fù)荷的運行狀態(tài)下，軸承座溫度值較高且呈上升趨勢。對該軸承進(jìn)行冷卻。軸承座溫度逐漸恢復(fù)正常，從而避免了軸承在長時間高溫高速運行狀態(tài)下發(fā)生研磨的可能性。冷軋廠四輥軋機軸承溫度監(jiān)測四輥軋機的軸承溫度可以間接地反映設(shè)備的運行狀態(tài)。軋輥軸承所處的工作環(huán)境極其惡劣，在生產(chǎn)中長期有乳化液進(jìn)行噴淋，若用傳統(tǒng)的有線方式進(jìn)行監(jiān)測，難以安全布線，無法實現(xiàn)實時監(jiān)測。利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并對其進(jìn)行高密封等級防護(hù)(IP68)。

測試技術(shù)的發(fā)展趨勢2、測量信號處理方面計算機虛擬儀器技術(shù)用PC機＋儀器板卡代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器用計算機軟件代替硬件分析電路優(yōu)點我們的工作主要傳感器和測試儀器生產(chǎn)廠商2、振動/噪聲傳感器丹麥B&K（振動測量、聲學(xué)測量領(lǐng)域最富盛名）/1、工業(yè)自動化類傳感器美國霍尼威爾公司（有全球最大傳感器技術(shù)研究中心）/china3、測量分析儀器美國國家儀器公司(全球最大的計算機虛擬儀器生產(chǎn)商)/美國Agilent公司(原惠普公司儀器部，著名的測試儀器商)/參考書目胡均安，曾光奇，工程測試基礎(chǔ)，華中科技大學(xué)出版社。賈民平、張洪廷，測試技術(shù)，高等教育出版社。黃長藝、嚴(yán)普強，機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)，機械工業(yè)出版社。常作升、范福均，機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)，西安交通大學(xué)出版社陳杰等，傳感器與檢測技術(shù)，高等教育出版社吳正毅，測試技術(shù)與測試信號處理，清華大學(xué)出版社王建民，機械工程測試技術(shù)，機械工業(yè)出版社盧文祥，機械工程測試.信息.信號處理，華中理工大學(xué)出版社樊尚春，信號與測試技術(shù)，北京航空航天大學(xué)出版社課程特點1、熟練地對信號進(jìn)行頻域分析，系統(tǒng)掌握系統(tǒng)的靜、動態(tài)特性尤其是動態(tài)特性的分析和評價方法，了解常用傳感器的信號轉(zhuǎn)換原理，信號轉(zhuǎn)換的基本方法。2、測試技術(shù)所涉及的學(xué)科范圍較廣。3、本課程的理論性和實踐性都很強。

第二章信號及其描述

第一節(jié)

信號的分類與描述一、信號的分類：（一）確定性信號：確定函數(shù)x(t)或表格表示

周期信號:x（t）=x(t+nT０)（n=1,2,3,…….）

周期信號簡單周期信號復(fù)雜周期信號非周期信號：準(zhǔn)周期信號，瞬變信號（瞬變非周期信號）準(zhǔn)周期信號:由多個周期信號合成，但各信號頻率不成公倍數(shù)。如：瞬變信號（瞬變非周期信號）:持續(xù)時間有限的信號如

非確定性信號(隨機信號)：無法用x(t)描述，不能準(zhǔn)確預(yù)測其未來瞬時值，但具某些統(tǒng)計特性，用概率統(tǒng)計方法由過去估計未來。例：天氣預(yù)報，樹葉在風(fēng)中的飄動噪聲信號(平穩(wěn))噪聲信號(非平穩(wěn))統(tǒng)計特性變異（二）連續(xù)信號：獨立變量取值連續(xù)，幅值可以連續(xù)也可以離散

離散信號：獨立變量取值離散

幅值連續(xù)幅值不連續(xù)采樣信號模擬信號：獨立變量和幅值均連續(xù)數(shù)字信號：若離散信號的幅值也是離散幅值連續(xù)采樣信號能量信號：

例：矩形脈沖信號，衰減指數(shù)信號功率信號：

例：單自由度振動系統(tǒng)作無阻尼自由振動

定義討論上述兩個式子，只可能出現(xiàn)兩種情況：

(有限值)

(有限值) 滿足式的稱為能量信號，滿足式稱功率信號。定義：一般說來，能量總是與某一物理量的平方成正比。令R=1，則在整個時間域內(nèi)，實信號f(t)的平均功率能量

二、信號的時域描述和頻域描述

為什么要對信號進(jìn)行頻域描述？信號的時域與頻域描述是否包含同樣的信息量？

1.時域描述：以時間為獨立變量

，反映信號

幅值—時間變化的關(guān)系

不能提示信號的頻率組成

2.頻域描述：信號的頻率組成及其幅值相角之大小

揭示：幅值——頻率，

相位——頻率

幅頻譜相頻譜時域描述：直接觀測或記錄到的信號，以時間為獨立變量的，稱其為信號的時域描述。頻域描述：以頻率作為變量的，稱其為信號的頻域描述。周期信號與離散頻譜狄里赫里條件:（1）函數(shù)在一周期內(nèi)極大值與極小值為有限個。（2）函數(shù)在一周期內(nèi)間斷點為有限個。（3）在一周期內(nèi)函數(shù)絕對值積分為有限值。即T：周期。注意n的取值：周期信號“無始無終”傅里葉展開的意義：理論意義：把復(fù)雜的周期函數(shù)用簡單的三角級數(shù)表示；應(yīng)用意義：用三角函數(shù)之和近似表示復(fù)雜的周期函數(shù)。周期信號傅里葉級數(shù)的三角函數(shù)形式

（n=1,2,3，…）式中Ｔ--周期；w0--基頻,w0=2π/T。(1)周期偶函數(shù)只含直流和余弦項(2)周期奇函數(shù)只含正弦項三角函數(shù)展開式的另一種形式

周期信號可以看作均值與一系列諧波之和--諧波分析法傅里葉展開的意義：理論意義：把復(fù)雜的周期函數(shù)用簡單的三角級數(shù)表示；應(yīng)用意義：用三角函數(shù)之和近似表示復(fù)雜的周期函數(shù)。頻譜圖周期信號的頻譜三個特點：

離散性諧波性收斂性例1：求周期性非對稱周期方波的傅立葉級數(shù)并畫出頻譜圖解：信號的基頻n次諧波的幅值和相角最后得傅立葉級數(shù)幅頻譜圖相頻譜圖頻譜圖t=0,t=T周期性非對稱方波的1，3，5，7次諧波

定理(收斂定理，狄利赫里充分條件)

設(shè)f(x)是周期為2的周期函數(shù)，如果它滿足：

(1)在一個周期內(nèi)連續(xù)或只有有限個第一類間斷點，

(2)在一個周期內(nèi)至多只有有限個極值點，則f(x)的傅里葉級數(shù)收斂，并且當(dāng)x是f(x)的連續(xù)點時，級數(shù)收斂于f(x)；收斂定理：

例1

設(shè)f(x)是周期為2的周期函數(shù)，它在[,)上的表達(dá)式為將f(x)展開成傅里葉級數(shù)．

解所給函數(shù)滿足收斂定理的條件，函數(shù)f(x)的傅里葉級數(shù)在

f(x)的連續(xù)點x(xk)

處收斂于f(x)，在f(x)的間斷點xk(k0,1,2,···)處收斂于

三角函數(shù)系中任何兩個不同的函數(shù)的乘積在區(qū)間[,]上的積分等于零，即三角函數(shù)系的正交性：三角函數(shù)系：1，cosx，sinx，cos2x，sin2x，···，cosnx，sinnx，···積化和差公式：

sinαsinβ=-[cos(α+β)-cos(α-β)]/2

cosαcosβ=[cos(α+β)+cos(α-β)]/2

sinαcosβ=[sin(α+β)+sin(α-β)]/2

cosαsinβ=[sin(α+β)-sin(α-β)]/2

1、兩角和、差角的余弦公式2、兩角和、差角的正弦公式3、二倍角的正、余弦公式化為一個角的三角函數(shù)形式令周期信號傅里葉級數(shù)的復(fù)指數(shù)形式歐拉公式e^ix=cosx+isinx，e是自然對數(shù)的底，i是虛數(shù)單位。它將三角函數(shù)的定義域擴大到復(fù)數(shù)，建立了三角函數(shù)和指數(shù)函數(shù)的關(guān)系，它在復(fù)變函數(shù)論里占有非常重要的地位。傅立葉級數(shù)的復(fù)指數(shù)形式復(fù)數(shù)傅里葉系數(shù)的表達(dá)式其中an，bn的計算公式與三角函數(shù)形式相同，只是n包括全部整數(shù)。

一般cn是個復(fù)數(shù)。因為an是n的偶函數(shù)，bn是n的奇函數(shù)，因此

即：實部相等，虛部相反，cn與c-n共軛。傅里葉級數(shù)系數(shù)之間的關(guān)系等于三角函數(shù)模的一半與三角函數(shù)形式中的相角相等

角速度按其旋轉(zhuǎn)方向可以為正或負(fù)，一個向量的實部可以看成為兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的矢量在其實軸上投影之和，而虛部則為虛軸上投影之差。中點

信號頻域分析是采用傅立葉變換等方法將時域信號變換為頻域信號，從而幫助人們從另一個角度來了解信號的特征。大型空氣壓縮機傳動裝置故障診斷頻譜分析的應(yīng)用

頻譜分析主要用于識別信號中的周期分量，是信號分析中最常用的一種手段。案例：在齒輪箱故障診斷通過齒輪箱振動信號頻譜分析，確定最大頻率分量，然后根據(jù)機床轉(zhuǎn)速和傳動鏈，找出故障齒輪。案例：螺旋漿設(shè)計可以通過頻譜分析確定螺旋漿的固有頻率和臨界轉(zhuǎn)速，確定螺旋漿轉(zhuǎn)速工作范圍?！?－3 非周期信號與連續(xù)頻譜

分兩類：a.準(zhǔn)周期信號定義：由沒有公共周期（頻率）的周期信號組成頻譜特性：離散性，非諧波性判斷方法：周期分量的頻率比（或周期比）不是有理數(shù)b.瞬變非周期信號幾種瞬變非周期信號一．傅立葉變換非周期信號可看作為周期信號時，時的信號，其為頻率間隔，其頻譜是連續(xù)的。設(shè)一個周期信號x(t)，在（，）區(qū)間以傅立葉級數(shù)表示：演變思路：視作周期為無窮大的周期信號定義x(t)的傅里葉變換X(ω)

X(ω)的傅里葉反變換x(t):傅立葉變換對：

將代入，則有：幅值譜相位譜的區(qū)別的量綱與信號幅值的量綱一樣，而的量綱則與信號幅值量綱不一樣，它是單位頻寬上的幅值，所以更確切地說是頻譜密度函數(shù)

與一個非周期信號可以分解為角頻率w連續(xù)變化的無數(shù)諧波的疊加

稱X(w)其為函數(shù)x(t)的頻譜密度函數(shù)。以頻率f(Hz)為自變量，因為f=w/(2π

)，得X(f)的指數(shù)形式

傅立葉變換存在的充分條件用廣義函數(shù)的概念，允許奇異函數(shù)也能滿足上述條件，因而象階躍、沖激一類函數(shù)也存在傅立葉變換.頻譜圖幅值頻譜圖和相位頻譜圖：實頻譜圖ReX(ω)和虛頻譜圖Lm(ω)如果X(w)是實函數(shù)，可用一張X(w)圖表示。負(fù)值理解為幅值為X(w)的絕對值，相角為或。單邊指數(shù)信號的頻譜

x(t)t000例求矩陣窗函數(shù)的頻譜其頻譜：及其圖形：反正切y=arctanx,x∈（-∞，∞），y∈（-π/2,π/2）

正切y=tanx，x≠kπ+π/2,k∈Z，y∈（-∞，∞）

反正切曲線圖像與特征反余切曲線圖像與特征拐點(同曲線對稱中心)：O(0,0)，該點切線斜率為1二、 傅里葉變換的主要性質(zhì)

（一）疊加性（二）奇偶虛實性實偶函數(shù)的傅立葉變換仍為實偶函數(shù)f(t)0t0實奇函數(shù)的傅立葉變換則為虛奇函數(shù)f(t)0二、 傅里葉變換的主要性質(zhì)

（二）對稱性

（注意翻轉(zhuǎn)）（三）時移性質(zhì)（幅值不變，相位隨f改變±2πft0）對稱性舉例（四）頻移性質(zhì)（注意兩邊正負(fù)號相反）（五）時間尺度改變特性

尺度改變性質(zhì)舉例

（六）微分性質(zhì)（七）卷積性質(zhì)（1）卷積定義

（2）卷積定理三、 脈沖函數(shù)及其頻譜

（一） 脈沖函數(shù)：

脈沖強度（面積）（二）脈沖函數(shù)的樣質(zhì)

1． 脈沖函數(shù)的采性（相乘）樣質(zhì)：2． 脈沖函數(shù)的卷積性質(zhì)：

結(jié)論：平移（三）脈沖函數(shù)的頻譜均勻幅值譜由此導(dǎo)出的其他3個結(jié)果（利用時移性質(zhì)）（利用對稱性質(zhì)）（對上式，再用頻移性質(zhì)）（四）正弦函數(shù)和余弦函數(shù)的頻譜等間隔的周期單位脈沖序列函數(shù)稱為梳狀函數(shù)，表達(dá)式為：

式中

Ts

為周期，n為整數(shù)，n=0,±1,±2,±3,…。因為周期脈沖序列函數(shù)為周期函數(shù)，所以可以寫成傅里葉級數(shù)的復(fù)指數(shù)函數(shù)形式

周期單位脈沖序列的頻譜因此，有周期單位脈沖序列函數(shù)的傅里葉級數(shù)的復(fù)數(shù)表達(dá)式：

根據(jù)式

可得周期單位脈沖序列函數(shù)的頻譜，

周期單位脈沖序列的頻譜仍是周期脈沖序列。時域周期為

，頻域周期則為

；時域脈沖強度為1，頻域脈沖強度則為

?！?－1 概述

測試系統(tǒng)是執(zhí)行測試任務(wù)的傳感器、儀器和設(shè)備的總稱。

簡單測試系統(tǒng)(光電池)V復(fù)雜測試系統(tǒng)(軸承缺陷檢測)

加速度計帶通濾波器包絡(luò)檢波器測試系統(tǒng)的特性就是：測量系統(tǒng)、輸入信號、輸出信號三者之間的關(guān)系靜態(tài)測量

如果測量時，測試裝置的輸入、輸出信號不隨時間而變化，則稱為靜態(tài)測量。

靜態(tài)測量系統(tǒng)：輸入量(被測量)x、輸出量（測量結(jié)果）都是靜態(tài)量；關(guān)系：y=f(x)，線性靜態(tài)測量系統(tǒng)：y=y0+kx

動態(tài)測量系統(tǒng)：輸入量x(t)、輸出量y(t)：都是動態(tài)量關(guān)系：微分方程測量：用輸出估計輸入研究測量系統(tǒng)的目的：使之更準(zhǔn)確、真實地測量；選擇、評價測量系統(tǒng)§3－2 測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性一、 誤差表達(dá)絕對誤差：x:測量結(jié)果；Q：真值相對誤差：δ,ε評價測量結(jié)果與真值的接近程度引用誤差：δ：最大允許誤差，Ym：儀器的量程表示儀器精度定度曲線：通過實驗得到，反映靜特性靈敏度：非線性度：二、 靜態(tài)特性回程誤差：基準(zhǔn)直線的確定：最小二乘法，端基法理想的靜特性：單值，線性，靈敏度滿足要求§3－3 測試系統(tǒng)的動態(tài)特性

一、 線性系統(tǒng)（一） 線性系統(tǒng)的定義線性系統(tǒng)（僅限于線性定常系統(tǒng)）用常系數(shù)線性微分方程描述的系統(tǒng)系統(tǒng)階次：輸出導(dǎo)數(shù)的最高階次，n階（二） 線性系統(tǒng)的性質(zhì)性質(zhì)1．疊加性性質(zhì)2．比例特性性質(zhì)3．

微分特性性質(zhì)4．積分特性性質(zhì)5．頻率保持特性：輸入簡諧信號，輸出是同頻率簡諧信號頻率保持特性意義：線性系統(tǒng)的輸出、輸入具有相同的頻率成分，反之輸出、輸入具有相同的頻率成分說明系統(tǒng)是線性系統(tǒng)）二、 測試系統(tǒng)的動態(tài)描述（一）測試系統(tǒng)對任意輸入的響應(yīng)：脈沖響應(yīng)函數(shù)脈沖響應(yīng)函數(shù)h(t):測試系統(tǒng)在零初始條件下對δ(t)的響應(yīng)。h(t)是系統(tǒng)的是系統(tǒng)的時域描述：對于不同系統(tǒng)，h(t)不同測試系統(tǒng)對任意輸入的響應(yīng)（二）測試系統(tǒng)特性的頻域描述-頻率響應(yīng)函數(shù)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)，h(t)的傅里葉變換。頻率特性曲線:包括幅頻特性曲線，相頻特性曲線頻率響應(yīng)函數(shù)的意義此式的數(shù)學(xué)含義：由任意兩個求出另外一個兩邊傅里葉變換頻率響應(yīng)函數(shù)。已知微分方程時頻率響應(yīng)函數(shù)的求法例子：二階系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)：質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)：步驟：微分方程二階系統(tǒng)頻率特性曲線幅頻特性、相頻特性曲線：特點及的影響。（1）線性坐標(biāo)（2）波德Bode圖（三）信號通過系統(tǒng)的時、頻域響應(yīng)

初始條件為零時，測試系統(tǒng)對諧波輸入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)：（1）頻域

（2）時域任意諧波輸入

三、 理想頻響函數(shù)不失真測試的時域條件：成比例，允許時移兩邊傅里葉變換，得理想頻響函數(shù)：

不失真測試的頻域條件：幅頻特性等于常數(shù)；相頻特性是通過原點，斜率為-t0的斜直線。實際二階系統(tǒng)：當(dāng)ζ＝0.6～0.7，可以獲得近似滿足不失真測試條件的最寬的頻率段。

設(shè)測試系統(tǒng)的輸出y(t)與輸入x(t)滿足關(guān)系

y(t)=A0x(t-t0)

該系統(tǒng)的輸出波形與輸入信號的波形精確地一致，只是幅值放大了A0倍，在時間上延遲了t0而已。這種情況下，認(rèn)為測試系統(tǒng)具有不失真的特性。tAx(t)y(t)=A0x(t)y(t)=A0x(t-t0)時域條件y(t)=A0x(t-t0)Y(ω)=A0e-jωt0X(ω)

不失真測試系統(tǒng)條件的幅頻特性和相頻特性應(yīng)分別滿足

A(ω)=A0=常數(shù)φ(ω)=-t0ω做傅立葉變換

頻域定義頻率響應(yīng)函數(shù)的測定正弦信號激勵脈沖信號激勵階躍信號激勵

一般說來，檢測系統(tǒng)由傳感器、中間變換裝置和顯示記錄裝置三部分組成。

傳感器將被測物理量(如噪聲,溫度)檢出并轉(zhuǎn)換為電量，中間變換裝置對接收到的電信號用硬件電路進(jìn)行分析處理或經(jīng)A/D變換后用軟件進(jìn)行信號分析，顯示記錄裝置則將測量結(jié)果顯示出來，提供給觀察者或其它自動控制裝置。

測試系統(tǒng)的組成力位移

速度

加速度

壓力流量溫度電阻式電容式電感式壓電式熱電式光電式磁電式電橋

放大器濾波器調(diào)制器解調(diào)器運算器

阻抗變換器

筆式記錄儀光線示波器磁帶記錄儀電子示波器半導(dǎo)體存儲器顯示器磁卡數(shù)據(jù)處理器

頻譜分析儀

FFT

實時信號分析儀

電子計算機

被測對象

傳感器

中間變換測量裝置

顯示及記錄裝置

實驗結(jié)果處理裝置

激發(fā)裝置

第4章 信號的獲取

§4－1 概述信號的轉(zhuǎn)化：機-電，熱-電，聲-電★傳感器的定義（GB665-87）：完成轉(zhuǎn)換功能，由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。傳感器的分類1. ★按被測物理量分類:位移傳感器，力傳感器等2. ★按工作原理：電阻式，電容式，壓電式等3. ★按能量的傳遞方式：有源傳感器，無源傳感器以及其他分類傳感器在汽車中的應(yīng)用日新月異發(fā)動機：向發(fā)動機的電子控制單元（ECU）提供發(fā)動機的工作狀況信息，對發(fā)動機工作狀況進(jìn)行精確控制溫度、壓力、位置、轉(zhuǎn)速、流量、氣體濃度和爆震傳感器等

汽車傳感器：汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，關(guān)鍵部件，核心技術(shù)內(nèi)容

普通轎車：約安裝幾十到近百只傳感器，豪華轎車：傳感器數(shù)量可多達(dá)二百余只。

底盤：控制變速器系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動防抱死系統(tǒng)等車速、踏板、加速度、節(jié)氣門、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、水溫、油溫車身：提高汽車的安全性、可靠性和舒適性等溫度、濕度、風(fēng)量、日照、加速度、車速、測距、圖象等例：空調(diào)機測量控制室溫被測對象：被測信息：檢測器具：操作過程：室內(nèi)空氣溫度溫度傳感器---熱電阻、熱電偶空氣熱敏電阻電信號處理顯示空調(diào)機傳感器在家具生活中的應(yīng)用傳感器技術(shù)在日常生活中的應(yīng)用與日俱增

家用電器：數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機：自動對焦---紅外測距傳感器數(shù)字體溫計：接觸式---熱敏電阻，非接觸式---紅外傳感器自動感應(yīng)燈：亮度檢測---光敏電阻空調(diào)、冰箱、電飯煲：溫度檢測---熱敏電阻、熱電偶電話、麥克風(fēng)：話音轉(zhuǎn)換---駐極電容傳感器遙控接收：紅外檢測---光敏二極管、光敏三極管辦公商務(wù)：可視對講、可視電話：圖像獲取---面陣CCD掃描儀：文檔掃描---線陣CCD紅外傳輸數(shù)據(jù)：紅外檢測---光敏二極管、光敏三極管醫(yī)療衛(wèi)生：電子血壓計：血壓檢測---壓力傳感器血糖測試儀、膽固醇檢測儀---離子傳感器檢測技術(shù)在軍事國防上的應(yīng)用美軍研制的未來單兵作戰(zhàn)武器---OICW夜視瞄準(zhǔn)機系統(tǒng)：非冷卻紅外傳感器技術(shù)美國國家導(dǎo)彈防御計劃---NMD1.地基攔截器2.早期預(yù)警系統(tǒng)3.前沿部署(如雷達(dá)）4.管理與控制系統(tǒng)5.衛(wèi)星紅外線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng):探測和發(fā)現(xiàn)敵人導(dǎo)彈的發(fā)射并追蹤導(dǎo)彈的飛行軌道；攔截器：能識別真假彈頭，敵友方傳感器技術(shù)在航天領(lǐng)域舉足輕重飛行器測控---檢測飛行器姿態(tài)、發(fā)電機工況，控制與操縱

火箭測控---檢測火箭狀況、姿態(tài)、軌跡

“阿波羅10”：火箭部分---2077個傳感器飛船部分---1218個傳感器檢測參數(shù)---加速度、溫度、壓力、振動、流量、應(yīng)變、聲學(xué)等神州飛船：185臺（套）儀器裝置“物化法官”

檢查產(chǎn)品質(zhì)量

監(jiān)測環(huán)境污染

識別指紋、假鈔

查服違禁藥物

偵破刑事案件……教學(xué)實驗氣象預(yù)報大地測繪災(zāi)情預(yù)報交通指揮……涵蓋吃穿用、農(nóng)輕重、海陸空輔助電源敏感元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路被測量電量敏感元件是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉(zhuǎn)換成電路參量?；巨D(zhuǎn)換電路：上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路（簡稱轉(zhuǎn)換電路），便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。傳感器的組成由于空間的限制或者其他原因,轉(zhuǎn)換電路常裝入電箱中。然而，因為不少傳感器要在通過轉(zhuǎn)換電路后才能輸出電信號，從而決定了轉(zhuǎn)換電路是傳感器的組成環(huán)節(jié)之一。

最簡單的傳感器由一個敏感元件(兼轉(zhuǎn)換元件)組成，它感受被測量時直接輸出電量，如熱電偶。有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，沒有轉(zhuǎn)換電路，如壓電式加速度傳感器，其中質(zhì)量塊m是敏感元件，壓電片（塊）是轉(zhuǎn)換元件。有些傳感器，轉(zhuǎn)換元件不只一個，要經(jīng)過若干次轉(zhuǎn)換。實際上，有些傳感器很簡單，有些則較復(fù)雜，大多數(shù)是開環(huán)系統(tǒng)，也有些是帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。熱電偶壓電加速度傳感器氣體壓力傳感器1、按傳感器的工作機理，分為物理型、化學(xué)型、生物型等2、按構(gòu)成原理，結(jié)構(gòu)型與物性型兩大類

3、根據(jù)傳感器的能量轉(zhuǎn)換情況，可分為能量控制型傳感器和能量轉(zhuǎn)換型傳感器4、按照物理原理分類：十種

5、按照傳感器的用途分類：位移、壓力、振動、溫度傳感器7、根據(jù)傳感器輸出信號：模擬信號和數(shù)字信號

6、根據(jù)轉(zhuǎn)換過程可逆與否：單向和雙向8、根據(jù)傳感器使用電源與否：有源傳感器和無源傳感器

傳感器的分類結(jié)構(gòu)型傳感器：依賴結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換利用物理學(xué)中場的定律構(gòu)成的，包括動力場的運動定律，電磁場的電磁定律等。這類傳感器的特點是傳感器的工作原理是以傳感器中元件相對位置變化引起場的變化為基礎(chǔ)，而不是以材料特性變化為基礎(chǔ)。物性型傳感器：依賴敏感元件的物理特性的變化實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換利用物質(zhì)定律構(gòu)成的,如虎克定律、歐姆定律等。物質(zhì)定律是表示物質(zhì)某種客觀性質(zhì)的法則。這種法則，大多數(shù)是以物質(zhì)本身的常數(shù)形式給出。這些常數(shù)的大小，決定了傳感器的主要性能。因此，物性型傳感器的性能隨材料的不同而異。如，光電管，它利用了物質(zhì)法則中的外光電效應(yīng)。所有半導(dǎo)體傳感器，以及所有利用各種環(huán)境變化而引起的金屬、半導(dǎo)體、陶瓷、合金等性能變化的傳感器，都屬于物性型傳感器。

傳感器的分類能量控制型傳感器：在信息變化過程中，傳感器將從被測對象獲取的信息能量用于調(diào)制或控制外部激勵源，使外部激勵源的部分能量載運信息而形成輸出信號，這類傳感器必須由外部提供激勵源，如電阻、電感、電容等電路參量傳感器都屬于這一類傳感器?；趹?yīng)變電阻效應(yīng)、磁阻效應(yīng)、熱阻效應(yīng)、光電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)等的傳感器也屬于此類傳感器。傳感器的分類能量轉(zhuǎn)換型傳感器：又稱有源型或發(fā)生器型，傳感器將從被測對象獲取的信息能量直接轉(zhuǎn)換成輸出信號能量，主要由能量變換元件構(gòu)成，它不需要外電源。如基于壓電效應(yīng)、熱電效應(yīng)、光電動勢效應(yīng)等的傳感器都屬于此類傳感器。按照物理原理分類：電參量式傳感器：電阻式、電感式、電容式等；磁電式傳感器：磁電感應(yīng)式、霍爾式、磁柵式等；壓電式傳感器：聲波傳感器、超聲波傳感器；光電式傳感器：一般光電式、光柵式、激光式、光電碼盤式、光導(dǎo)纖維式、紅外式、攝像式等；氣電式傳感器：電位器式、應(yīng)變式；熱電式傳感器：熱電偶、熱電阻；波式傳感器：超聲波式、微波式等；射線式傳感器：熱輻射式、γ射線式；半導(dǎo)體式傳感器：霍耳器件、熱敏電阻；其他原理的傳感器：差動變壓器、振弦式等。有些傳感器的工作原理具有兩種以上原理的復(fù)合形式,如不少半導(dǎo)體式傳感器，也可看成電參量式傳感器。

傳感器的分類

開發(fā)新型傳感器

開發(fā)新材料新工藝的采用集成化、多功能化智能化

開展基礎(chǔ)研究，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，開發(fā)傳感器的新材料和新工藝；實現(xiàn)傳感器的集成化與智能化1.6傳感器及檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢1、傳感器方面

可拍照的手機傳感器的工作機理是基于各種效應(yīng)和定律，由此啟發(fā)人們進(jìn)一步探索具有新效應(yīng)的敏感功能材料，并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。結(jié)構(gòu)型傳感器發(fā)展得較早，目前日趨成熟。結(jié)構(gòu)型傳感器，一般說它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積偏大，價格偏高。物性型傳感器大致與之相反，具有不少誘人的優(yōu)點，加之過去發(fā)展也不夠。世界各國都在物性型傳感器方面投入大量人力、物力加強研究，從而使它成為一個值得注意的發(fā)展動向。

開發(fā)新型傳感器新型傳感器包括：①采用新原理；②填補傳感器空白；③仿生傳感器等方面。光纖流速傳感器熒光材料制作的電子鼻傳感器生物酶血樣分析傳感器傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)，由于材料科學(xué)的進(jìn)步，人們在制造時，可任意控制它們的成分，從而設(shè)計制造出用于各種傳感器的功能材料。用復(fù)雜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。開發(fā)新材料（1）半導(dǎo)體敏感材料（2）陶瓷材料（3）磁性材料（4）智能材料如，半導(dǎo)體氧化物可以制造各種氣體傳感器，而陶瓷傳感器工作溫度遠(yuǎn)高于半導(dǎo)體，光導(dǎo)纖維的應(yīng)用是傳感器材料的重大突破，用它研制的傳感器與傳統(tǒng)的相比有突出的特點。有機材料作為傳感器材料的研究，引起國內(nèi)外學(xué)者的極大興趣。在發(fā)展新型傳感器中，離不開新工藝的采用。新工藝的含義范圍很廣，這里主要指與發(fā)展新型傳感器聯(lián)系特別密切的微細(xì)加工技術(shù)。該技術(shù)又稱微機械加工技術(shù)，是近年來隨著集成電路工藝發(fā)展起來的，它是離子束、電子束、分子束、激光束和化學(xué)刻蝕等用于微電子加工的技術(shù)，目前已越來越多地用于傳感器領(lǐng)域。

新工藝的采用例如利用半導(dǎo)體技術(shù)制造出壓阻式傳感器，利用薄膜工藝制造出快速響應(yīng)的氣敏、濕敏傳感器，日本橫河公司利用各向異性腐蝕技術(shù)進(jìn)行高精度三維加工，在硅片上構(gòu)成孔、溝棱錐、半球等各種開頭，制作出全硅諧振式壓力傳感器。集成化、多功能化同一功能的多元件并列化，即將同一類型的單個傳感元件用集成工藝在同一平面上排列起來，如CCD圖像傳感器。多功能一體化，即將傳感器與放大、運算以及溫度補償?shù)拳h(huán)節(jié)一體化，組裝成一個器件。把多個功能不同的傳感元件集成在一起，除可同時進(jìn)行多種參數(shù)的測量外，還可對這些參數(shù)的測量結(jié)果進(jìn)行綜合處理和評價，可反映出被測系統(tǒng)的整體狀態(tài)。

為同時測量幾種不同被測參數(shù)，可將幾種不同的傳感器元件復(fù)合在一起，作成集成塊。例如一種溫、氣、濕三功能陶瓷傳感器已經(jīng)研制成功。智能化對外界信息具有檢測、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、自診斷和自適應(yīng)能力的集成一體化多功能傳感器，這種傳感器具有與主機互相對話的功能，可以自行選擇最佳方案，能將已獲得的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分割處理，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高速度、高精度傳輸?shù)?。智能傳感器是傳感器技術(shù)與大規(guī)模集成電路技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它的實現(xiàn)取決于傳感技術(shù)與半導(dǎo)體集成化工藝水平的提高與發(fā)展。這類傳感器具有多功能、高性能、體積小、適宜大批量生產(chǎn)和使用方便等優(yōu)點，是傳感器重要的發(fā)展方向之一。傳感器+嵌入式計算機智能傳感器

傳感器+嵌入式計算機智能傳感器

振動網(wǎng)絡(luò)傳感器嵌入式計算機智能壓力網(wǎng)絡(luò)傳感器智能傾角RS232傳感器IC總線數(shù)字溫度傳感器傳感器及檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢聲發(fā)射智能探頭§4－2 電阻式傳感器★非電物理量電阻變化包括：電阻應(yīng)變式、電位器式、錳銅壓阻式一、 ★電位器式傳感器（1） 繞線式電位器存在的問題：（1）電刷在間斷表面滑動產(chǎn)生階梯狀輸出；（2）電刷（二階系統(tǒng)）一定速度共振使輸出特變壞（2） 非繞線式電位器1、金屬膜電位器；2、導(dǎo)電塑料電位器（塑料+導(dǎo)電體）；3、導(dǎo)電玻璃釉（電阻物質(zhì)用玻璃釉粘合、燒結(jié)）電位器；4、光電電位器（非接觸式，見書，P56）二、 ★二、電阻應(yīng)變片式傳感器兩大類：金屬柵式和半導(dǎo)體式（一）電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和工作原理1、★金屬柵應(yīng)變片的工作原理

電阻的相對變化率

第一項表示由電阻絲幾何尺寸變化引起的電阻相對變化率—金屬柵應(yīng)變片；第二項表示材料變形通過導(dǎo)電率變化引起的電阻相對變化率—半導(dǎo)體應(yīng)變片?！飸?yīng)變（片）絲的靈敏度：其他形式應(yīng)變片：（1）箔式應(yīng)變片（照相光刻）；(2)應(yīng)變花2、 半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理★壓阻效應(yīng)：沿晶體某軸加載，電阻率變化。德國HBM電阻應(yīng)變式傳感器

立柱應(yīng)力

橋梁應(yīng)力

應(yīng)變式電阻傳感器的應(yīng)用

德國HBM電阻應(yīng)變式傳感器

質(zhì)量傳感器

位移傳感器

加速度計

壓力傳感器

電阻傳感器壓力傳感器

轉(zhuǎn)矩傳感器

電阻傳感器其他電阻傳感器

(1).熱電阻傳感器

利用導(dǎo)電物體電阻率隨本身溫度變化而變化的溫度電阻效應(yīng)制成的傳感器。溫度(熱量)的變化電阻的變化溫度檢測

:-200℃～+500℃電阻傳感器(2).熱敏電阻傳感器

圓形熱敏電阻柱形熱敏電阻珠形熱敏電阻熱敏電阻在電路中的符號非線性元件:它的溫度-電阻關(guān)系是指數(shù)關(guān)系

溫度為-50℃～＋350℃

電阻傳感器(3).光敏電阻傳感器

(4).濕敏電阻傳感器

▲電阻傳感器§4－3 電容式傳感器一. 變換原理被測量電容變化（有源）平行板電容（一）極距變化型靈敏度與δ有關(guān)，不是常數(shù)，非線性；應(yīng)使Δδ≤0.1,測小位移（二） 面積變化型

a)角位移型

b)直線位移型

a)角位移型

b)平面線位移型：c)圓柱體線位移型：均為線性。（三）介質(zhì)變化型介電常數(shù)變化，測介質(zhì)的厚度、溫度、濕度和液位等。電容式傳感器的應(yīng)用振動測量

旋轉(zhuǎn)軸的偏心量的測量

電容傳感器電容式氫液高度傳感器

紗條均勻度測試儀

▲電容傳感器§4－4 電感式傳感器

物理量自感或互感的變化（有源）功率大、靈敏度高、穩(wěn)定性好一、 自感式傳感器1. 工作原理及其結(jié)構(gòu)改變氣隙（非線性）、改變導(dǎo)磁面積、改變磁阻或認(rèn)為是改變有效匝數(shù)，均測量可變換為直線位移的物理量。二、 互感傳感器1. 工作原理及其結(jié)構(gòu)變壓器作用：信號互感M的變化。類似變壓器。單次級方案的缺點：不能實現(xiàn)零輸出，要后續(xù)電路補償或抵消。差動變壓器型互感式傳感器：兩次級線圈差動連接。實現(xiàn)零輸出，提高靈敏度，減小非線性。三、 渦流式傳感器轉(zhuǎn)換原理：利用電渦流效應(yīng)。非電量→阻抗（電感，品質(zhì)因數(shù)）的變化。有源傳感器。測金屬表面物體測位移四、 壓磁式傳感器轉(zhuǎn)換原理：壓磁效應(yīng)：應(yīng)力使鐵磁材料磁化強度變化。有源，耦合線圈輸出電勢變化?！?－5 電動式傳感器工作原理：電磁感應(yīng)原理（電磁感應(yīng)定律）無源傳感器（發(fā)電型）轉(zhuǎn)換：速度→感應(yīng)電勢一、 工作原理及動態(tài)特性電動傳感器結(jié)構(gòu)實例§4－6 壓電傳感器

屬無源傳感器利用壓電效應(yīng)一、工作原理1、 壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)：加力-極化-與力成正比的電荷D：壓電常數(shù)逆壓電效應(yīng)：交變電場-機械變形2、 壓電材料：壓電晶體；有機壓電材料3、 壓電現(xiàn)象特點：

壓電加速度傳感器§4－7 熱電式傳感器

一、熱電偶式傳感器1、熱電效應(yīng):不同材料料組成回路2，接點溫度不同，產(chǎn)生電勢包括：兩種導(dǎo)體的接觸電勢（帕爾帖電勢）和單一導(dǎo)體的溫差電勢總熱電偶電勢：結(jié)論：只有材料兩端溫度不同電勢才不為零。二、熱敏電阻受熱電阻變化：金屬：

半導(dǎo)體