測量系統(tǒng)的組成

關(guān)于測量系統(tǒng)的組成

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(hào)。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(shí)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，2024年2月25日，星期天

傳感器輸出的電信號(hào)種類很多，輸出功率較小，一般不能將這種電信號(hào)直接輸入到后續(xù)的信號(hào)處理電路或輸出元件中去。信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)的主要作用就是對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大，即把來自傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換成更合適進(jìn)一步傳輸和處理的信號(hào)。這時(shí)的信號(hào)轉(zhuǎn)換，在多數(shù)情況下是是電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。第3頁,共24頁，2024年2月25日，星期天

信號(hào)處理環(huán)節(jié)接受來自信號(hào)調(diào)理的信號(hào)，并進(jìn)行各種計(jì)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(hào)處理環(huán)節(jié)對(duì)M和n進(jìn)行乘法運(yùn)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，2024年2月25日，星期天

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(hào)中，這時(shí)測量系統(tǒng)就需要選用合適的方式激勵(lì)被測對(duì)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(hào)。

信號(hào)顯示記錄環(huán)節(jié)以觀察者易于識(shí)別的形式來顯示測量的結(jié)果，或?qū)y量結(jié)果存儲(chǔ)，供需要時(shí)使用。第5頁,共24頁，2024年2月25日，星期天

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(duì)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，2024年2月25日，星期天傳感器：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(hào)輸出。（必不可少）信號(hào)調(diào)理：將來自傳感器的電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大，使之更適合傳輸。（可簡化）信號(hào)處理：接受來自信號(hào)調(diào)理的信號(hào)，并進(jìn)行計(jì)算，濾波，分析。（可簡化）顯示記錄：顯示和儲(chǔ)存測量結(jié)果。（可簡化）激勵(lì)裝置：激勵(lì)被測對(duì)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(hào)。（可簡化）第7頁,共24頁，2024年2月25日，星期天3.2機(jī)械信號(hào)的分類

根據(jù)信號(hào)處理的目的不同，可將信號(hào)大致分為下列幾類：確定信號(hào)與隨機(jī)信號(hào)，連續(xù)時(shí)間信號(hào)與離散時(shí)間信號(hào)，實(shí)信號(hào)與復(fù)信號(hào)，周期型號(hào)與非周期信號(hào)，能量信號(hào)與功率信號(hào)等。第8頁,共24頁，2024年2月25日，星期天

機(jī)械信號(hào)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(hào)和隨機(jī)機(jī)械信號(hào)。第9頁,共24頁，2024年2月25日，星期天

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

通常實(shí)際測量的機(jī)械信號(hào)往往是確定性信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)的組合，因此一般的機(jī)械信號(hào)可以看做是隨機(jī)信號(hào)。第10頁,共24頁，2024年2月25日，星期天確定性機(jī)械信號(hào)周期機(jī)械信號(hào)非周期機(jī)械信號(hào)

正弦周期信號(hào)復(fù)雜周期信號(hào)

準(zhǔn)周期信號(hào)瞬態(tài)信號(hào)第11頁,共24頁，2024年2月25日，星期天

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

x(t)=Asin(2πft+θ)

A為振幅，f為振動(dòng)頻率，θ為初始相角

復(fù)雜周期機(jī)械信號(hào)由不同頻率的周期信號(hào)疊加而成，并且其頻率為有理數(shù)。若設(shè)周期信號(hào)中的基頻為f，則各構(gòu)成正弦信號(hào)的頻率fn為基頻的整數(shù)倍，fn=nf。第12頁,共24頁，2024年2月25日，星期天

回轉(zhuǎn)體不平衡引起的振動(dòng)，往往是一種周期性運(yùn)動(dòng)，可以近似地看做周期信號(hào)。第13頁,共24頁，2024年2月25日，星期天準(zhǔn)周期信號(hào)是由兩個(gè)以上不同頻率的正弦機(jī)械信號(hào)疊加而成。準(zhǔn)周期信號(hào)往往出現(xiàn)在機(jī)械轉(zhuǎn)子振動(dòng)分析，齒輪噪聲分析，語音分析等場合。第14頁,共24頁，2024年2月25日，星期天瞬態(tài)信號(hào)：在某一時(shí)刻出現(xiàn)又在某一時(shí)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，2024年2月25日，星期天隨機(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，2024年2月25日，星期天

隨機(jī)機(jī)械信號(hào)不能用確定性函數(shù)來描述，表面上看來是一個(gè)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，2024年2月25日，星期天

雖然如此，這種波形卻有一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性，例如當(dāng)試驗(yàn)次數(shù)很多或時(shí)間取得充分長時(shí)，其幅值的平均值就可能趨向某一確定的極限值。所以，對(duì)隨機(jī)信號(hào)或復(fù)雜的波形必須用統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行處理。第18頁,共24頁，2024年2月25日，星期天

統(tǒng)計(jì)平均是對(duì)隨機(jī)過程的所有現(xiàn)實(shí)在時(shí)刻t上的隨機(jī)變量的平均運(yùn)算。例如，隨機(jī)過程在t1時(shí)刻的平均值就是該時(shí)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(shí)刻t的隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)平均。

均值的定義式：mX(t)=E[X(t)]

E[.]表示統(tǒng)計(jì)平均，它描述隨機(jī)過程在任意時(shí)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，2024年2月25日，星期天

隨機(jī)過程的均值是某個(gè)均值函數(shù)，隨機(jī)過程就在其附近波動(dòng)。第20頁,共24頁，2024年2月25日，星期天對(duì)于一個(gè)隨機(jī)過程，如果過程的統(tǒng)計(jì)特性不隨時(shí)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(shí)的統(tǒng)計(jì)平均才能得到其統(tǒng)計(jì)量值。第21頁,共24頁，2024年2月25日，星期天

如果隨機(jī)過程的每一個(gè)現(xiàn)實(shí)都代表所有可能的現(xiàn)實(shí)，并且每一個(gè)觀測時(shí)間充分長的現(xiàn)實(shí)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(gè)平穩(wěn)過程具有遍歷性，則它的每一個(gè)現(xiàn)實(shí)都經(jīng)歷了隨機(jī)過程所有現(xiàn)實(shí)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(shí)間充分長的一個(gè)現(xiàn)實(shí)的時(shí)間平均得到，這樣就大大簡化了實(shí)際問題，節(jié)約了工作量。

第22頁,共24頁，2024年2月25日，星期天平穩(wěn)遍歷過程的均值和自相關(guān)函數(shù)的定義式：

T為觀測時(shí)間