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机械测试工程总复习测量是获得被测对象属性量值进行的所有操作测试是测量和试验的综合，目的是获得有用的信息测试技术研究的内容是提取与处理的理论、技术和系统信息是事物存在的方式或者运动状态，以及这种方式或者状态的直接间接地表述信号是信息的载体传感器完成非电信号向电信号的转换信号的调理是把信号转换为更易于传输和处理的形式信号处理的主要目的是：消除信号的多余部分；滤除噪声和干扰，提高信噪比；转换为更直观和易于接受的形式确定其特征参数信号处理各环节必须遵循的基本原则1、各环节输入输出之间必须一一对应；2、尽量不失真；3、尽可能减少和消除各种干扰。确定性信号是可以用明确的数学关系式或者图标、图像来描述，能够精确确定其任意时刻的量值。随机信号是不能用确定的数学关系式表达，不能预测未来任何时刻的精确值，但其值的变化服从统计规律。因此，可以通过数理统计、概率论的方法进行描述。连续信号是在连续的时间范围内有定义的信号，其幅值并不一定是连续的。离散信号是在一些离散的瞬间才有定义的信号。模拟信号是指时间和幅值均为连续的信号数字信号是指幅值为离散了的量化了的离散信号。离散信号通常是对连续信号等距采样的结果能量有限的信号是能量信号能量无限功率有限的信号是功率信号随机信号分为平稳信号和非平稳信号。非平稳信号又分为各态历经信号和非各态历经信号各态历经信号是指在任一单个样本函数的时间平均统计特征等于该过程集合平均统计特征非各态历经是指某一单个样本函数的时间平均统计特征不等于该过程集合平均统计特征。平稳信号是概率密度函数不随时间而变化的随机信号是严平稳信号，两阶一下阶次不随时间而变化的随机信号是宽平稳。非平稳是统计特征参数随时间变化的随机信号。时域描述形象直观，但不能揭示信号的内在结构用频域描述信号的理由：频率f 是一个善于表征物质特性的特征参数；波在物质中的传播特性同其频率密切相关；采用频域描述的表达式更为简洁；Fourier变换是求解微分/偏微分方程强大的工具。频率描述的优点是揭示了信号的内在的频率组成一级幅值和相角的大小，描述更加简练、深刻、方便。信号时域与频域描述的关系1、时域描述与频域描述是等价的，可以相互转换，两者蕴涵的信息完全相同；2、时域描述与频域描述各有用武之地，不能单纯地说哪一个更好；3、将信号从时域转换到频域称为频谱分析，属于信号的变换域分析；4、采用频谱图描述信号，需要同时给出幅值谱和相位谱。准周期信号中各简谐成分为无理数具有离散频谱周期信号频谱的特点1、 周期信号的频谱是离散谱（离散性）；2、每条谱线只出现在基波频率的整数倍上，基波频率是诸分量频率的公约数（谐波性）。3、一般周期信号展开成傅氏级数后，在频域上是无限的，但从总体上看，工程上常见的周期信号，其谐波幅值随谐波次数的增高而减小。因此，在频谱分析中没有必要取次数过高的谐波分量。（衰减性）对于实信号，频谱是偶函数，相谱是奇函数。（1）频谱反映信号的频率构成成分。对于周期信号，傅里叶级数的系数组成了离散频谱，其幅值是各次谐波的振幅。（2）而对于非周期信号，其幅值频谱是连续的，幅值谱实际上是幅值谱密度（振幅/频率），所以非周期信号的频谱应该称为谱密度函数；相应的非周期信号的频谱图实际上应该称为谱密度图。非周期信号频谱的特点1、基频无限小，包含了从 0的所有频率分量2、频谱连续。3、当非周期信号为时限信号，可y延拓成一周期信号（T 2t0），使连续谱离散化，所得离散谱的包络线与连续谱的形状相同；在时域中信号沿时间轴平移一个常值时，频谱函数将乘因子，即只改变相频谱，不会改变幅频谱。函数的频谱特点：有无限宽广的频谱，在所有频段上是等强度的。T2t0是满足采样定理的要求|X(w)|与|cn|量纲不同。|cn|具有与原信号幅值相同的量纲，|X(w)|是单位频宽上的幅值非周期信号频域描述的基础（数学工具）是傅里叶变换。周期信号频域和时域时域周期单位脉冲序列的频谱也是周期脉冲序列；时域周期为Ts ，则频域周期为1/Ts ；时域脉冲强度为1，频域中的脉冲强度为为1/Ts。样本函数：按时间历程所作的各次长时间观测记录；样本记录：按时间历程所作的各次有限时间观测记录随机过程（信号）：在相同试验条件下，随机现象可能产生的全体样本函数的集合（总体）。集合平均：将集合中所有样本函数对某一时刻观测值取平均；时间平均：按单个样本函数的时间历程进行平均平稳与非平稳随机过程：平稳随机过程指其统计特性不随时间而变化，或者说，不随时间坐标原点的选取而变化。否则，则为非平稳随机过程。各态历经：若平稳随机过程任一样本函数的时间平均统计特性等于该过程的集合平均统计特性，则称该随机过程是各态历经的（遍历性）。各态历经过程的物理含义：任一样本函数在足够长的时间区间内，包含了各个样本函数所有可能出现的状态。对于各态历经过程，其时间平均等于集合平均，因此，各态历经过程的所有特性都可以用单个样本函数上的时间平均来描述。一般，随机过程需足够多（理论上为无限个）的样本函数才能描述，即使是各态历经过程，理论上也需要无限长的时间记录。工程中绝大多数随机过程都是各态历经的或可以近似为各态历经过程进行处理。非周期信号的幅值谱和周期信号的幅值很相似，但是两者是有差别的，其差别突出表现在周期信号的幅值的量纲为幅值量纲，而非周期信号的幅值谱的量纲不是幅值量纲，而是振幅/频率，即单位频带上的幅值实际测试工作中通常做法：（a）将随机信号按各态历经过程来处理；（b）常以一个或几个有限长度的样本记录来推断整个随机过程，以其时间平均来估计集合平均。随机信号的描述方法有时域描述（矩，概率密度函数）和频域描述（功率谱，能量谱）各态历经随机信号的均值表示信号的常值分量，方差表示信号的波动分量，均方值描述信号的强度。概率密度函数表示信号幅值落在制定区间内的概率概率密度函数提供了随机信号的幅值分布信息，是随机信号的主要特征参数之一。不同的随机信号有不同的概率密度函数图形，可以借此来识别信号的性质。在实际应用中，当不知道所处理的随机数据服从何种分布时，可以用统计概率分布图和直方图来估计p(x)。信号处理系统的几个概念：研究信号的构成和特征值称为信号分析；把信号经过必要的加工变换，以获得有用信息的过程称为信号处理。由以上定义可知，信号分析并不影响信号本身的结构，而信号处理则有可能改变信号本身的结构。由于信号分析和信号处理是密切相关的，就一般而言，这两个概念并无明显的界限。因此在应用当中一般这两个词并不加以区分。信号分析和信号处理的目的1）剔除信号中的噪声和干扰，即提高信噪比(SNR)；2）消除测量系统的误差，修正畸变的波形；3）强化、突出有用信息，削弱无用部分；4）将信号加工、处理、变换，以便更容易识别和分析信号的特征，解释被测对象所表现的各种物理现象有模拟分析法和数字处理分析法两种方法模拟信号处理系统由一系列能实现模拟运算的电路组成，是任何数字处理的前一个步骤用数字序列表示信号，并用数字计算方法对这些序列进行处理，称为数字信号处理信号处理过程灵敏度越高，测量范围越窄，测量系统的稳定性也往往越差。所以对于测试装置来说并不是灵敏度越高越好。输入量由小到大与由大到小变化时，测试装置对同一输入量所得输出量不一致的程度称为回程误差。通过实验确定，产生原因是系统内部各种类型的摩擦、间隙以及某些机械材料如弹性元件和电磁元件的（弹性或磁性）滞后。有时装置存在死区也可能产生滞后现象。稳定度是测量装置在规定条件下保持其测量特性恒定不变的能力。稳定度通常指时间稳定度。漂移是测量装置的测量特性随时间的缓慢变化（未加载荷）。在规定条件下，对一恒定输入在规定时间内的输出变化，称为点漂。标称范围最低值处的点漂，称为零点漂移，简称零漂。理想的测试装置应该是具有单值的、确定的输入输出关系。其中以输入输出关系为线性最佳。测试装置的特性：静态特性：静态测量时输入和输出关系。动态特性：动态测量时输入和输出关系，如响应速度等。负载效应：所接入的测试装置成为被测对象的负载。抗干扰特性：抵制干扰信号作用的能力，它决定了系统的可靠性。静态测量可以不考虑动态特性，动态测量必须同时考虑静、动态特性。静态特性是在静态测量下获得的测试装置的特性。静特性就是在静态测量情况下描述实际测试装置与理想定常线性系统的接近程度。表示静态（或动态）方程的图形称为测试装置的定度曲线（特性曲线、校准曲线、标定曲线）。传递函数的特点：H(s)与输入x(t)及系统的初始状态无关。如果x(t)给定，则系统输出的特性完全由H(s)决定，即传递函数表征了系统内在的固有动态特性。H(s)只反映系统传输特性，而和系统具体物理结构无关。即同一形式的传递函数可表征具有相同传输特性的不同物理系统。实际物理系统中，输入与输出间的量纲变换关系在传递函数中通过系数ai(i=0,1,n)和bj(j=0,1,m)来反映。ai和bj的量纲由具体物理系统决定。H(s)的分母取决于系统的结构，分母中s的最高幂次n代表系统微分方程的阶数；分子则和系统与外界之间的关系，如输入（激励）点的位置、输入方式、被测量及测点布置情况有关。幅频特性与相频特性统称系统的频率特性。因此，所谓频率特性即系统在正弦信号激励下，其稳态输出对输入的幅值比及相位差随激励频率w变化的特性。任何的高阶系统都可以看成若干个一阶环节和二阶环节的串联或并联。一阶系统适用于测量缓变或低频被测量。从时域看，系统的输出为输入与系统脉冲响应函数之卷积。时间常数反映系统响应的快慢，一阶系统的时间常数越小越好。二阶系统 0.707为最佳阻尼比。信号不失真测试指系统的响应y(t)的波形和输入x(t)的波形完全相似，从而保留原信号的特征和全部信息。即：若输入与输出间仅幅值不同和存在时间滞后，则表明系统实现了不失真测试。所说的不失真测试指输出信号“再现”了原来的输入信号，但二者有两个方面的不同：1、幅值放大（或缩小）了A0倍；2、时间上延迟了t0不失真测试系统应该满足的条件：幅频特性A()在x(t)的频谱范围内为常数；相频特性()与成线性关系，为一经过原点的直线。幅值失真：A()不等于常数时引起的失真。相位失真：()与间的非线性引起的失真。减少失真的措施：根据测试信号的频带选择合适的测试装置；信号预处理，如消除处于测试系统共振区的噪声；一阶系统：时间常数越小，响应越快，近于满足不失真测试条件的通频带越宽。二阶系统：当= 0.60.8时，可以获得较为合适的综合特性。当=0.7时，在=(00.58)n的频段内，A()变化小于5%，而()也接近直线，产生的相位失真也很小对于一阶装置，主要的动态特性参数是时间常数可以通过幅频和相频特性直接确定。对于二阶装置，主要的动态特性参数是固有频率n和阻尼比可以通过幅频和相频特性进行估计测试装置和被测对象之间，以及测试装置内部各环节之间的相互连接会产生相互作用，一般后接环节总是成为前面环节的负载，两者总是存在能量交换和相互影响，这会或多或少地改变被测量的数值，这种效应称为装置的负载效应。负载效应导致两种现象：前一装置的联接处甚至整个装置的状态和输出均将发生变化；两装置共同形成新的整体，虽保留了原有装置的某些主要特征，但传递函数已不能由原装置的传递函数通过串、并联公式表达。减轻负载效应的措施：提高仪表或装置（负载）的输入阻抗；环节间通过辅助能源放大器实现互联，进行阻抗变换。利用负反馈技术实现零位测量，如电位差计。测量装置的干扰：信道干扰，电磁干扰，电源干扰供电系统抗干扰措施1）交流稳压器2）隔离稳压器3）低能滤波器4）独立功能块单独供电信道干扰抗干扰措施1）合理选用元器件和设计方案。2）优化电路板设计3）长距离传输时，可彩光耦合隔离技术、双绞线传输等方法。接地的方法：1）单点接地2）串联接地3）多点接地4）模拟地和数字地机械振动是指物体在平衡位置附近来回往复的运动常用的激励方法 :l、稳态正弦激振；2、随机激振；3、瞬态激振两种标定方法：绝对标定，相对标定。第一章 测试技术的基本知识测试技术的概念：测试技术：也称检测技术，是具有试验性质的测量，泛指测量和试验两个方面的技术。工程中，“检测”视作为“测量”的同义词或近义词。 什么叫测量？以确定被测对象属性量值为目的的全部操作测量可以分为直接测量和间接测量。直接测量可以分为直接比较和间接比较。2理想的测试系统应该具有单值的、确定的输入输出关系。对于每一输入量都应该只有单一的输出量与之对应。知道其中一个量就可以确定另一个量。其中以输出和输入成线性关系最佳第二章 测量系统的基本特性(1) 标定：用已知的标准 校正 仪器或测量系统的过程称为标定。 输入到测量系统中的已知量是静态量还是动态量，标定分静态标定和动态标定。定义：静态标定：就是将原始基准器，或比被标定系统准确度高的各级标准器或已知输入源 作用于测量系统，得出测量系统的 激励响应 关系的实验操作。静态标定的作用：确定仪器或测量系统的输入输出关系，赋予仪器或测量系统分度值；确定仪器或测量系统的静态特性指标；消除系统误差，改善仪器或测量系统的正确度静态标定的过程及要求：要求：标定时，一般应在全量程范围内均匀地取定5个或5个以上的标定点（包括零点）正行程：从零点开始，由低至高，逐次输入预定的标定值此称标定的正行程。反行程：再倒序依次输入预定的标定值，直至返回零点，此称反行程。几种曲线：正行程曲线，反行程曲线，实际工作曲线工作曲线：方程 称之为工作曲线或静态特性曲线。实际工作中，一般用标定过程中静态平均特性曲线来描述。正行程曲线：正行程中激励与响应的平均曲线反行程曲线：反行程中激励与响应的平均曲线实际工作曲线：正反行程曲线之平均。3，测量系统静态特性指标：灵敏度，线性度，迟滞，重复性，分辨率，阙值，测量范围 定义，求取方式灵敏度S：是仪器在静态条件下响应量的变化y和与之相对应的输入量变化x的比值。示值范围是显示装置上最大与最小示值的范围。当仪器有多档量程时，用标称范围取代示值范围。量程指标称范围两极限值之差的模。测量范围又称工作范围，指测量仪器的误差处在规定极限内的一组被测量的值。一般小于或等于标称范围。动态范围是仪器所能测量的最强信号和最弱信号之比。非线性：通常也称为线性度，是指测量系统的实际输入输出特性曲线对于参考线性输入输出特性的接近或偏离程度，用实际输入输出特性曲线对参考线性输入输出特性曲线的最大偏差量与满量程的百分比来表示。迟滞：亦称滞后量、滞后或回程误差，表征测量系统在全量程范围内，输入量由小到大(正行程)和由大到小(反行程)两者静态特性不一致的程度。显然,越小,迟滞性能越好。重复性表示测量系统在同一工作条件下，按同一方向作全量程多次(三次以上)测量时，对于同一个激励量其测量结果的不一致程度。准确度是指测量仪器的指示接近被测量真值的能力。准确度是重复误差和线性度等的综合。准确度可以用输出单位来表示。 阈值：产生可测输出变化量时的最小输入量值。 4、传递函数的物理意义：1）传递函数反映了测量系统的固有特性，不随输入信号、输出信号的变化而变化；2）不同类型的测量系统可用同一种形式的拉氏传递函数表达。 5、测量系统的动态标定主要是通过研究系统对已知激励的动态响应，得到系统的动态特性参数，一阶测量系统的时间系数 ，二阶测量系统则有固有频率和阻尼比 两个参数。常用的动态标定方法有阶跃响应法（时域）和频率响应法（频域）。第三章 随机信号1，随机信号