工程測試技術基礎

第一章、緒論本章學習要求：1.掌握測試技術的概念及研究內容2.了解測試技術的應用情況3.了解測試技術的發展動態4.了解主要測試儀器生產廠商工程測試技術基礎第一章、緒論1.1測試技術的基本概念

測試技術是實驗科學的一部分，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。

測試技術是進行各種科學實驗研究和生產過程參數測量必不可少的手段，起著人的感官的作用。簡單的測試系統可以只有一個模塊，如玻璃管溫度計。它直接將被溫度變化轉化液面示值。沒有電量轉換和分析電路，很簡單，但精度底，無法實現測量自動化。

為提高測量精度和自動化程度，以便于和其它環節一起構成自動化裝置，通常先將被測物理量轉換為電量，再對電信號進行處理和輸出。如圖所示的聲級計。

一般說來，測試系統由傳感器、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)檢出并轉換為電量，中間變換裝置對接收到的電信號用硬件電路進行分析處理或經A/D變換后用軟件進行信號分析，顯示記錄裝置則測量結果顯示出來，提供給觀察者或其它自動控制裝置。

1.1測試技術的基本概念

信息轉換信息提取第一章、緒論1.2測試技術的工程應用

在工程領域，科學實驗、產品開發、生產監督、質量控制等，都離不開測試技術。測試技術應用涉及到航天、機械、電力、石化和海洋運輸等每一個工程領域。

1、工業自動化中的應用

a)機械手、機器人中的傳感器

轉動/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。

1.2測試技術的工程應用

在各種自動控制系統中，測試環節起著系統感官的作用，是其重要組成部分。密歇根大學的機械手裝配模型廣州中鳴數碼的機器狗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。1.2測試技術的工程應用

香港理工AGV模型c)生產加工過程監測1.2測試技術的工程應用

切削力傳感器，加工噪聲傳感器，超聲波測距傳感器、紅外接近開關傳感器等。密歇根大學數字化工廠1.2測試技術的工程應用

2、流程工業設備運行狀態監控

在電力、冶金、石化、化工等流程工業中，生產線上設備運行狀態關系到整個生產線流程。通常建立24小時在線監測系統。石化企業輸油管道、儲油罐等壓力容器的破損和泄露檢測。揚子石化50MW熱電機組監測系統陽邏電廠300MW汽輪機組監測系統荊門電廠200MW機組監測系統青山熱電廠生產信息實時查詢系統沙角電廠生產信息實時查詢系統寶鋼30KW以上風機監測系統寶鋼精軋F2軋機網絡化監測系統寶鋼冷軋帶鋼振動紋監測系統武鋼風機狀態監測系統1.2測試技術的工程應用

3、產品質量測量

在汽車、機床等設備，電機、發動機等零部件出廠時，必須對其性能質量進行測量和出廠檢驗。

圖示為汽車出廠檢驗原理框圖，測量參數包括潤滑油溫度、冷卻水溫度、燃油壓力及發動機轉速等。通過對抽樣汽車的測試，工程師可以了解產品質量。汽車扭距測量機床加工精度測量1.2測試技術的工程應用

4、樓宇控制與安全防護

為使建筑物成為安全、健康、舒適、溫馨的生活、工作環境，并能保證系統運行的經濟性和管理的智能化。在樓宇中應用了許多測試技術，如闖入監測、空氣監測、溫度監測、電梯運行狀況。

圖示為某公司樓宇自動化系統。該系統分為：電源管理、安全監測、照明控制、空調控制、停車管理、水/廢水管理和電梯監控。煙霧傳感器亮度傳感器紅外人體探測器1.2測試技術的工程應用

5、家庭與辦公自動化

在家電產品和辦公自動化產品設計中，人們大量的應用了傳感器和測試技術來提高產品性能和質量。全自動洗衣機中的傳感器：衣物重量傳感器，衣質傳感器，水溫傳感器，水質傳感器，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1.2測試技術的工程應用

5、其他應用航天農業交通醫學1.2測試技術的工程應用

6、PC機中的測試技術應用鼠標:光電位移傳感器攝象頭:CCD傳感器聲位筆:超聲波傳感器麥克風:電容傳聲器聲卡:A/D卡+D/A卡軟驅:速度,位置伺服6、PC機中的測試技術應用1.2.6PC機中的測試技術應用測控實驗DIY1.鼠標測位移實驗2.麥克風測聲音2.聲卡采樣頻率信號分析頻率合成與分解3.簡易聲級計制作4.CCD圖象分析……..

個人測試實驗室1.3測試技術的發展趨勢第一章、緒論1、傳感器方面

a)利用新發現的材料和新發現的生物、物理、化學效應開發出的新型傳感器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熱/光電量第一章、緒論b)傳感器+嵌入式計算機

智能傳感器振動網絡傳感器嵌入式計算機智能壓力網絡傳感器智能傾角RS232傳感器IC總線數字溫度傳感器1.3測試技術的發展趨勢2、測量信號處理方面計算機虛擬儀器技術用PC機＋儀器板卡代替傳統儀器用計算機軟件代替硬件分析電路優點我們的工作第二章、信號分析基礎本章學習要求：1.了解信號分類方法2.掌握信號時域波形分析方法3.掌握信號時差域相關分析方法4.掌握信號頻域頻譜分析方法5.了解其它信號分析方法

第二章、信號分析基礎2.1信號的分類與描述

信號的分類主要是依據信號波形特征來劃分的，在介紹信號分類前，先建立信號波形的概念。信號波形：被測信號信號幅度隨時間的變化歷程稱為信號的波形。波形2.1信號的分類與描述0At信號波形圖：用被測物理量的強度作為縱坐標，用時間做橫坐標，記錄被測物理量隨時間的變化情況。第二章、信號分析基礎

為深入了解信號的物理實質，將其進行分類研究是非常必要的，從不同角度觀察信號，可分為：1從信號描述上分--確定性信號與非確定性信號；2從信號的幅值和能量上--能量信號與功率信號；3從分析域上--時域與頻域；第二章、信號分析基礎4從連續性--連續時間信號與離散時間信號；5從可實現性

--物理可實現信號與物理不可實現信號。2.1信號的分類與描述

1確定性信號與非確定性信號

可以用明確數學關系式描述的信號稱為確定性信號。不能用數學關系式描述的信號稱為非確定性信號。2.1信號的分類與描述

周期信號：經過一定時間可以重復出現的信號

x(t)

=

x(t+nT)簡單周期信號復雜周期信號2.1信號的分類與描述b)非周期信號：在不會重復出現的信號。準周期信號:由多個周期信號合成，但各信號頻率不成公倍數。如：x(t)=sin(t)+sin(√2.t)瞬態信號:持續時間有限的信號，如x(t)=e-Bt.Asin(2*pi*f*t)2.1信號的分類與描述c)非確定性信號：不能用數學式描述，其幅值、相位變化不可預知，所描述物理現象是一種隨機過程。噪聲信號(平穩)統計特性變異噪聲信號(非平穩)2.1信號的分類與描述

2能量信號與功率信號

a)能量信號在所分析的區間（-∞，∞），能量為有限值的信號稱為能量信號，滿足條件：一般持續時間有限的瞬態信號是能量信號。2.1信號的分類與描述b)功率信號

在所分析的區間（-∞，∞），能量不是有限值．此時，研究信號的平均功率更為合適。一般持續時間無限的信號都屬于功率信號:2.1信號的分類與描述

3時限與頻限信號

a)時域有限信號在時間段(t1，t2)內有定義，其外恒等于零．

b)頻域有限信號在頻率區間(f1，f2)內有定義，其外恒等于零．三角脈沖信號正弦波幅值譜2.1信號的分類與描述

4連續時間信號與離散時間信號

a)連續時間信號:在所有時間點上有定義

b)離散時間信號:在若干時間點上有定義采樣信號2.1信號的分類與描述5物理可實現信號與物理不可實現信號物理可實現信號：又稱為單邊信號，滿足條件：

t＜0時，x(t)=0，即在時刻小于零的一側全為零。2.1信號的分類與描述

b)物理不可實現信號：在事件發生前(t<0)就預制知信號。2.1信號的分類與描述

a)

函數:是一個理想函數，是物理不可實現信號。tS(t)tS(t)tS(t)

1/6信號分析中常用的函數2.1信號的分類與描述特性：1）乘積特性（抽樣）2）積分特性（篩選）3）卷積特性2.1信號的分類與描述

4）拉氏變換5）傅氏變換2.1信號的分類與描述b)sinc函數波形性質：偶函數；閘門(或抽樣)函數；濾波函數；內插函數。圖示：頻率放大2.1信號的分類與描述c)復指數函數;2.1信號的分類與描述性質：（1）實際中遇到的任何時間函數總可以表示為復指數函數的離散和與連續和。（2）復指數函數的微分、積分和通過線性系統時總會存在于所分析的函數中。第二章、信號分析基礎2.2信號的時域波形分析

信號的時域波形分析是最常用的信號分析手段，用示波器、萬用表等普通儀器直接顯示信號波形，讀取特征參數。第二章、信號分析基礎1、信號波形圖

周期T，頻率f=1/T峰值PAtT

PPp-p雙峰值Pp-p2.2信號的時域波形分析

4、均值

均值E[x(t)]表示集合平均值或數學期望值。均值：反映了信號變化的中心趨勢，也稱之為直流分量。2.2信號的時域波形分析

5、均方值

信號的均方值E[x2(t)]，表達了信號的強度；其正平方根值，又稱為有效值(RMS)，也是信號平均能量的一種表達。

2.2信號的時域波形分析

6、方差方差：反映了信號繞均值的波動程度。信號x(t)的方差定義為：

大方差

小方差

2.2信號的時域波形分析

演示實驗：2.2信號的時域波形分析

7、波形分析的應用超門限報警信號類型識別

基本參數識別Pp-p2.2信號的時域波形分析

案例：汽車速度測量:2.2信號的時域波形分析

案例：旅游索道鋼纜檢測超門限報警

2.2信號的時域波形分析

第二章、信號分析基礎2.3信號的幅值域分析

1概率密度函數

以幅值大小為橫坐標，以每個幅值間隔內出現的概率為縱坐標進行統計分析的方法。它反映了信號落在不同幅值強度區域內的概率情況。

第二章、信號分析基礎p(x)的計算方法：2.3信號的幅值域分析

2直方圖

以幅值大小為橫坐標，以每個幅值間隔內出現的頻次為縱坐標進行統計分析的一種方法。直方圖概率密度函數歸一化3、概率分布函數

概率分布函數是信號幅值小于或等于某值R的概率，其定義為：概率分布函數又稱之為累積概率，表示了落在某一區間的概率。2.3信號的幅值域分析

2.3信號的幅值域分析

實驗圖譜

第二章、信號分析基礎2.4信號的時差域相關分析

1變量相關的概念

統計學中用相關系數來描述變量x，y之間的相關性。是兩隨機變量之積的數學期望，稱為相關性，表征了x、y之間的關聯程度。第二章、信號分析基礎xyxyxyxy2.4信號的時差域相關分析

2波形變量相關的概念（相關函數）

如果所研究的變量x,y是與時間有關的函數，即x(t)與y(t)：x(t)y(t)2.4信號的時差域相關分析

這時可以引入一個與時間τ有關的量，稱為函數的相關系數，簡稱相關函數，并有：相關函數反映了二個信號在時移中的相關性。x(t)y(t)y(t)y(t)y(t)2.4信號的時差域相關分析

算法：令x(t)、y(t)二個信號之間產生時差τ，再相乘和積分，就可以得到τ時刻二個信號的相關性。

x(t)y(t)時延器

乘法器

y(t-τ)X(t)y(t-τ)積分器

Rxy(τ)*圖例自相關函數：x(t)=y(t)2.4信號的時差域相關分析

相關函數的性質

相關函數描述了兩個信號間或信號自身不同時刻的相似程度，通過相關分析可以發現信號中許多有規律的東西。

（1）自相關函數是的偶函數，RX()=Rx(-)；（2）當=0時，自相關函數具有最大值。（3）周期信號的自相關函數仍然是同頻率的周期信號，但不保留原信號的相位信息。（4）隨機噪聲信號的自相關函數將隨的增大快速衰減。2.4信號的時差域相關分析

（5）兩周期信號的互相關函數仍然是同頻率的周期信號，且保留原了信號的相位信息。（6）兩個非同頻率的周期信號互不相關。2.4信號的時差域相關分析

點擊圖片進入2.4信號的時差域相關分析

相關分析的工程應用

案例：機械加工表面粗糙度自相關分析被測工件相關分析性質3,性質4:

提取出回轉誤差等周期性的故障源。2.4信號的時差域相關分析

案例：自相關測轉速理想信號干擾信號實測信號自相關系數性質3，性質4：提取周期性轉速成分。2.4信號的時差域相關分析

案例：地下輸油管道漏損位置的探測tX1X22.4信號的時差域相關分析

案例：地震位置測量2.4信號的時差域相關分析

動手做：用計算機上的雙聲道聲卡測量聲波在空氣中的傳播速度。2.5信號的頻域分析

第二章、信號分析基礎

信號頻域分析是采用傅立葉變換將時域信號x(t)變換為頻域信號X(f)，從而幫助人們從另一個角度來了解信號的特征。

8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz傅里葉變換X(t)=

sin(2πnft)0t0f2.5信號的頻域分析

信號頻譜X(f)代表了信號在不同頻率分量成分的大小，能夠提供比時域信號波形更直觀，豐富的信息。

時域分析與頻域分析的關系時間幅值頻率時域分析頻域分析

時域分析只能反映信號的幅值隨時間的變化情況，除單頻率分量的簡諧波外，很難明確揭示信號的頻率組成和各頻率分量大小。

2.5信號的頻域分析

圖例：受噪聲干擾的多頻率成分信號

2.5信號的頻域分析

大型空氣壓縮機傳動裝置故障診斷1時域和頻域的對應關系131Hz147Hz165Hz175Hz2.5信號的頻域分析

頻域參數對應于設備轉速、固有頻率等參數，物理意義更明確。2.5信號的頻域分析

2周期信號的頻譜分析

周期信號是經過一定時間可以重復出現的信號，滿足條件：

x(t)

=

x(t+nT)2.5信號的頻域分析

任何周期函數，都可以展開成正交函數線性組合的無窮級數，如三角函數集的傅里葉級數:傅里葉級數的表達形式：2.5信號的頻域分析

變形為：式中:傅里葉級數的復數表達形式：T――周期，T=2π/ω0；ω0――基波圓頻率；f0=ω0/2π2.5信號的頻域分析

實驗：方波信號的合成與分解

2.5信號的頻域分析

實驗：手機和弦鈴聲的合成2.5信號的頻域分析

實驗：雙音頻DTMF信令模擬實驗系統

2.5信號的頻域分析

頻譜圖的概念

工程上習慣將計算結果用圖形方式表示，以fn(ω0)為橫坐標，bn、an為縱坐標畫圖，稱為實頻－虛頻譜圖。2.5信號的頻域分析

圖例

以fn為橫坐標，An、為縱坐標畫圖，則稱為幅值－相位譜；2.5信號的頻域分析

以fn為橫坐標，為縱坐標畫圖，則稱為功率譜。2.5信號的頻域分析

例子：方波信號的頻譜2.5信號的頻域分析

2.5信號的頻域分析

幅值－相位譜3非周期信號的頻譜分析

非周期信號是時間上不會重復出現的信號，一般為時域有限信號，具有收斂可積條件，其能量為有限值。這種信號的頻域分析手段是傅立葉變換。

2.5信號的頻域分析

或2.5信號的頻域分析

求解：

與周期信號相似，非周期信號也可以分解為許多不同頻率分量的諧波和，所不同的是，由于非周期信號的周期T

∞，基頻fdf，它包含了從零到無窮大的所有頻率分量，各頻率分量的幅值為X(f)df，這是無窮小量，所以頻譜不能再用幅值表示，而必須用幅值密度函數描述。

另外，與周期信號不同的是，非周期信號的譜線出現在0,fmax的各連續頻率值上，這種頻譜稱為連續譜。2.5信號的頻域分析

2.5信號的頻域分析

對比:方波譜實驗：典型信號的頻譜分析

點擊圖片進入2.5信號的頻域分析

4傅立葉變換的性質c.對稱性若x(t)←→X(f)，則X(-t)←→x(-f)2.5信號的頻域分析

a.奇偶虛實性b.線性疊加性若x1(t)←→X1(f)，x2(t)←→X2(f)

則：c1x1(t)+c2x2(t)←→c1X1(f)+c2X2(f)e.時移性若x(t)←→X(f)，則x(t±t0)←→e±j2πft0X(f)2.5信號的頻域分析

d.時間尺度改變性若x(t)←→X(f)，則x(kt)←→1/k[X(f/k)]f.頻移性若x(t)←→X(f)，則x(t)e±j2πf0t←→X(f±f0)例子：求下圖波形的頻譜+X1(f)X2(f)用線性疊加定理簡化2.5信號的頻域分析

5頻譜分析的應用

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，然后根據機床轉速和傳動鏈，找出故障齒輪。案例：螺旋漿設計可以通過頻譜分析確定螺旋漿的固有頻率和臨界轉速，確定螺旋漿轉速工作范圍。2.5信號的頻域分析

譜陣分析：設備啟/停車變速過程分析

2.5信號的頻域分析

2.5信號的頻域分析

動手做：用計算機聲卡和麥克風對樂器進行測量分析，給出不同音階對應的頻率。設計一個計算機電子琴。2.5信號的頻域分析

習題1：從下面的功率譜中讀出信號的主要頻率成分。500Hz010V習題2：從下面的信號波形圖中讀出其主要參數。5V-5V0.1秒02.6卷積分第二章、信號分析基礎1卷積

卷積積分是一種數學方法，在信號與系統的理論研究中占有重要的地位。特別是關于信號的時間域與變換域分析，它是溝通時域－頻域的一個橋梁。

在系統分析中，系統輸入／輸出和系統特性的作用關系在時間域就體現為卷積積分的關系x(t)h(t)

y(t)2卷積的物理意義

對于線性系統而言，系統的輸出y(t)是任意輸入x(t)與系統脈沖響應函數h(t)的卷積。（1）將信號x(t)分解為許多寬度為

t的窄條面積之和，t=nt時的第n個窄條的高度為x(nt)，在

t趨近于零的情況下，窄條可以看作是強度等于窄條面積的脈沖。tx(t)nt

x(nt)t2.6卷積分（2）根據線性系統特性，在t=nt時刻，窄條脈沖引起的響應為:x(nt)th(t-nt)tx(nt)th(t-nt)02.6卷積分（3）根據線性系統的疊加原理，各脈沖引起的響應之和即為輸出y(t)ty(t)02.6卷積分卷積與相關h(t)t0x(t)0t3卷積分的計算圖例設：2.6卷積分（1）t=0時，y(0)=2A2T0y(t)2A2T02T0-2T00x(t)T0-T0h(0-

)T0-T0A2T0-T0卷積與相關tt

0002.6卷積分（2）t=T0/2時，y(T0/2)=3A2T0/2y(t)2A2T02T0-2T00x(t)T0-T0h(T0/2-

)T0-T0A2T0-T0卷積與相關2.6卷積分（3）t=T0時，y(T0)=A2T0y(t)2A2T02T0-2T00x(t)T0-T0h(T0/2-

)T0-T0A2T0-T0卷積與相關2.6卷積分（4）t=3T0/2時，y(3T0/2)=A2T0/2y(t)2A2T02T0-2T00x(t)T0-T0h(T0/2-

)T0-T0A2T0-T0卷積與相關2.6卷積分（5）t=2T0時，y(2T0)=0y(t)2A2T02T0-2T00x(t)T0-T0h(T0/2-

)T0-T0A2T0-T0卷積與相關2.6卷積分（6）t=-T0/2時，y(-T0/2)=3A2T0/2y(t)2A2T02T0-2T00x(t)T0-T0h(-T0/2-

)T0-T0A2T0-T0卷積與相關2.6卷積分（7）t=-T0時，y(-T0)=A2T0y(t)2A2T02T0-2T00x(t)T0-T0h(-T0-

)T0-T0A2T0-T0卷積與相關2.6卷積分（8）t=-3T0/2時，y(-3T0/2)=3A2T0/2y(t)2A2T02T0-2T00x(t)T0-T0h(-3T0/2-

)T0-T0A2T0-T0卷積與相關2.6卷積分（9）t=-2T0時，y(-2T0)=0y(t)2A2T02T0-2T00x(t)T0-T0h(-2T0-

)T0-T0A2T0-T0卷積與相關2.6卷積分卷積與相關h(t)t00h(-)

(1)反折x(t)0t3卷積積分的幾何圖形表示(2)平移0h(t1-)

(3)相乘0h(t1-)

x(t)0tx(t)0t(4)積分(1)反折；(2)平移；(3)相乘；(4)積分。2.6卷積分4含有脈沖函數的卷積設

h(t)=[(t-T)+(t+T)]卷積為卷積與相關圖示Th(t)0tx(t)0tTh(t)*x(t)0t2.6卷積分5時域卷積定理如果則卷積與相關2.6卷積分時域卷積定理：時間函數卷積的頻譜等于各個時間函數頻譜的乘積，既在時間域中兩信號的卷積，等效于在頻域中頻譜中相乘。

例三角脈沖頻譜計算y(t)2A2T02T0-2T00x(t)T0-T0h(0-

)T0-T0卷積與相關tft

Y(f)2.6卷積分6頻域卷積定理如果則卷積與相關2.6卷積分頻域卷積定理：兩時間函數的頻譜的卷積等效于時域中兩時間函數的乘積。案例：音響系統性能評定卷積與相關2.6卷積分白噪聲y(t)=x(t)*h(t)Y(f)=X(f)H(f)

2.2信號的時域波形分析

點擊圖片進入第三章、傳感器測量原理本章學習要求：1.了解傳感器的分類2.掌握常用傳感器測量原理3.了解傳感器測量電路

第三章、傳感器測量原理3.1概述1.傳感器定義

傳感器是借助檢測元件將一種形式的信息轉換成另一種信息的裝置。

物理量電量

目前，傳感器轉換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉換成電信號的裝置。2.傳感器的構成

傳感器由敏感器件與輔助器件組成。敏感器件的作用是感受被測物理量，并對信號進行轉換輸出。輔助器件則是對敏感器件輸出的電信號進行放大、阻抗匹配，以便于后續儀表接入。3.1概述dV3.傳感器的分類3.1概述1)按被測物理量分類常見的被測物理量機械量:長度,厚度,位移,速度,加速度,

旋轉角,轉數,質量,重量,力,

壓力,真空度,力矩,風速,流速,

流量;聲:聲壓,噪聲.磁:磁通,磁場.溫度:溫度,熱量,比熱.光：亮度，色彩3.1概述機械式,電氣式,光學式,流體式等.2)按工作的物理基礎分類:3.1概述能量轉換型和能量控制型.3)按信號變換特征:能量轉換型:直接由被測對象輸入能量使其工作.

例如:熱電偶溫度計,壓電式加速度計.能量控制型:從外部供給能量并由被測量控制外部供給能量的變化.例如:電阻應變片.3.1概述4)按敏感元件與被測對象之間的能量關系:物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質的變化來實現信號變換.如:水銀溫度計.結構型:依靠傳感器結構參數的變化實現信號轉變.

例如:電容式和電感式傳感器.3.2電阻式傳感器電阻式傳感器是把被測量轉換為電阻變化的一種傳感器,按工作的原理可分為:變阻器式、電阻應變式、熱敏式、光敏式、電敏式.1變阻器式傳感器第三章、傳感器測量原理等效電路分析:xL3.2電阻式傳感器L-變阻器總長;x-電刷移動量.R-總電阻;RL電刷電阻;R=K*ll=R/KEE1Lx=RRL=EE1x=L*E1/E3.2電阻式傳感器x=L*E1/E=K*E10LEE1x3.2電阻式傳感器EE1VRmRxR-Rx1EE1=xLRmR+Lx()-3.2電阻式傳感器負載效應1EE1=xLRmR+Lx()-[]0LE(2)變阻器式傳感器的性能參數:1)線性(或曲線的一致性);4)移動或旋轉角度范圍;2)分辨率;5)電阻溫度系數;3)整個電阻值的偏差;6)壽命;(3)變阻器式傳感器的分類3.2電阻式傳感器按測量類型：單圈電位器多圈電位器直線滑動式電位器3.2電阻式傳感器按制作方式：線繞電位器導電塑料電位器普通塑料基底導電材料粉變阻器式傳感器產品3.2電阻式傳感器案例：重量的自動檢測--配料設備

比較重量設定原材料3.2電阻式傳感器原理：彈簧->力->位移

->電位器->電阻案例：煤氣包儲量檢測煤氣包鋼絲3.2電阻式傳感器原理：鋼絲->收線圈數

->電位器

->電阻案例：玩具機器人（廣州中鳴數碼）3.2電阻式傳感器原理：電機->轉角

->電位器

->電阻2電阻應變式傳感器--應變片

電阻應變片工作原理是基于金屬導體的應變效應，即金屬導體在外力作用下發生機械變形時，其電阻值隨著所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發生變化象。3.2電阻式傳感器1)工作原理上述任何一個參數變換均會引起電阻變化,求導數3.2電阻式傳感器金屬應變片的電阻R為代入3.2電阻式傳感器有：金屬絲：金屬絲體積不變：3.2電阻式傳感器有：對金屬材料，導電率不變：金屬絲應變片：應變計3.2電阻式傳感器金屬應變計3.2電阻式傳感器半導體應變計簡化為：優點：靈敏度大;體積小;缺點：溫度穩定性和可重復性不如金屬應變片。3)應變片的主要參數

4）其它表示應變計性能的參數（工作溫度、滯后、蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。

3.2電阻式傳感器1）幾何參數：表距L和絲柵寬度b，制造廠常用

b×L表示。2）電阻值：應變計的原始電阻值。3）靈敏系數：表示應變計變換性能的重要參數。3.2電阻式傳感器3)應變片測量電路VER1R2R3R43.2電阻式傳感器令：金屬絲應變片：V與應變成線形關系，可以用電橋測量電壓測量應變3.2電阻式傳感器電阻應變片的選擇、粘貼技術

1.目測電阻應變片有無折痕.斷絲等缺陷，有缺陷的應變片不能粘貼。2.用數字萬用表測量應變片電阻值大小。同一電橋中各應變片之間阻值相差不得大于0.5歐姆.3.試件表面處理：貼片處置用細紗紙打磨干凈，用酒精棉球反復擦洗貼處，直到棉球無黑跡為止。4.應變片粘貼:在應變片基底上擠一小滴502膠水，輕輕涂抹均勻，立即放在應變貼片位置。3.2電阻式傳感器5.焊線:用電烙鐵將應變片的引線焊接到導引線上。6.用兆歐表檢查應變片與試件之間的絕緣組織，應大于500M歐。7.應變片保護：用704硅橡膠覆于應變片上，防止受潮。3.2電阻式傳感器電阻應變式傳感器的應用：測力3.2電阻式傳感器標準產品案例：橋梁固有頻率測量3.2電阻式傳感器案例：電子稱原理將物品重量通過懸臂梁轉化結構變形再通過應變片轉化為電量輸出。3.2電阻式傳感器案例：沖床生產記數和生產過程監測3.2電阻式傳感器案例：機器人握力測量3.2電阻式傳感器3.2電阻式傳感器案例：振動式地音入侵探測器

適合于金庫、倉庫、古建筑的防范，挖墻、打洞、爆破等破壞行為均可及時發現。第三章、傳感器測量原理3.3電容式傳感器

變換原理:將被測量的變化轉化為電容量變化兩平行極板組成的電容器,它的電容量為:+++

A

δ、A或ε發生變化時，都會引起電容的變化。3.3電容式傳感器

a)極距δ變化型++++++駐極體電容傳聲器

它采用聚四氟乙烯材料作為振動膜片。這種材料經特殊電處理后，表面永久地駐有極化電荷，取代了電容傳聲器極板，故名為駐極體電容傳聲器。特點是體積小、性能優越、使用方便。3.3電容式傳感器

b)面積變化型角位移型+++3.3電容式傳感器

平面線位移型3.3電容式傳感器

柱面線位移型.3.3電容式傳感器

產品.陶瓷電容壓力傳感器液體壓力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片產生位移。

壓力變送器3.3電容式傳感器

c)介質變化型3.3電容式傳感器

產品.電容式液位傳感器（液位計/料位計）3.3電容式傳感器

電容式接近開關振蕩電路被測物體感應電極被測電容測量頭構成電容器的一個極板，另一個極板是物體本身，當物體移向接近開關時，物體和接近開關的介電常數發生變化，使得和測量頭相連的電路狀態也隨之發生變化.接近開關的檢測物體，并不限于金屬導體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。3.3電容式傳感器

3.3電容式傳感器

3測量電路a)電橋電路3.3電容式傳感器

b)諧振電路3.3電容式傳感器

d)運算放大器電路

3.3電容式傳感器

動手做：觀察你計算機上使用的麥克風，并用它測量你自己的聲音，繪出頻譜。3.3電容式傳感器

第三章、傳感器測量原理3.4電感式傳感器

電感式傳感器是基于電磁感應原理，它是把被測量轉化為電感量的一種裝置。分類:電感式傳感器自感型可變磁阻型渦流式互感型3.4電感式傳感器1自感型--可變磁阻式可變導磁面積型差動型原理:電磁感應電感式接近傳感器（金屬）3.4電感式傳感器教學用低成本四線制無二次儀表傳感器3.4電感式傳感器2渦流式原理:渦流效應3.4電感式傳感器原線圈的等效阻抗Z變化：3.4電感式傳感器3.4電感式傳感器產品：3.4電感式傳感器案例：連續油管的橢圓度測量CoiledTubeEddySensor

ReferenceCircle3.4電感式傳感器案例：無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化。火車輪檢測油管檢測3.4電感式傳感器2互感型--差動變壓器WW1W2Esx-x工作原理:互感現象.EwEout3.4電感式傳感器單螺管線圈型螺管線圈差動雙螺管線圈差動型傳感器測量電路~3.4電感式傳感器差動變壓器測量電路3.4電感式傳感器差動變壓器位移傳感器3.4電感式傳感器案例：板的厚度測量~3.4電感式傳感器案例：張力測量3.4電感式傳感器第三章、傳感器測量原理3.5磁電式傳感器

1.變換原理:

磁電式傳感器是把被測量的物理量轉換為感應電動勢的一種轉換器。感應線圈的感應電動勢e為磁通變化率與磁場強度、磁阻、線圈運動速度有關，改變其中一個因素，都會改變感應電動勢。

2分類

磁電式動圈式磁阻式線速度型角速度型N3.5磁電式傳感器

動圈式傳感器線速度型3.5磁電式傳感器

角速度型測速電機3.5磁電式傳感器

磁阻式傳感器

磁電式車速傳感器3.5磁電式傳感器

NS案例：鼠籠電機轉子斷細條檢測3.5磁電式傳感器

第三章、傳感器測量原理3.6壓電式傳感器

1.變換原理:壓電效應

+串聯+并聯

某些物質，如石英，受到外力作用時，不僅幾何尺寸會發生變化，而且內部會被極化，表面產生電荷；當外力去掉時，又重新回到原來的狀態，這種現象稱為壓電效應。F+q=DF3.6壓電式傳感器

2、測量電路

壓電式傳感器輸出電信號很微弱，通常應把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經過阻抗變換后，方可輸入到后續顯示儀表中。

產品壓力變送器

加速度計力傳感器3.6壓電式傳感器

案例：飛機模態分析3.6壓電式傳感器

案例：熱軋設備診斷3.6壓電式傳感器

第三章、傳感器測量原理3.7磁敏元件傳感器

金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢，這種物理現象稱為霍爾效應。

1霍爾元件霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖示。

3.7磁敏元件傳感器3.7磁敏元件傳感器測轉角：3.7磁敏元件傳感器電流傳感器

當電流流過導線時，將在導線周圍產生磁場，磁場大小與流過導線的電流大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進行檢測。

3.7磁敏元件傳感器鐵磁材料裂紋檢測

NS3.7磁敏元件傳感器葉片和齒輪位置傳感器應用3.7磁敏元件傳感器案例：汽車速度測量:3.7磁敏元件傳感器2磁電阻元件磁阻效應

--++lwx3.7磁敏元件傳感器特點電阻的增量與磁場的平方成正比；與磁場的正負無關；溫度系數影響大；磁感應的范圍比霍爾元件大。應用磁頭；接近開關和無觸點開關。3.7磁敏元件傳感器3磁感應半導體元件分類霍爾元件磁電阻元件磁敏二極管磁晶體管磁半導體開關3.7磁敏元件傳感器產品3.7磁敏元件傳感器案例：轉速測量3.7磁敏元件傳感器3.8熱敏傳感器3.8熱敏傳感器

1.雙金屬溫度計

把兩種膨脹系數不同的金屬薄片焊接在一起制成的。它是一種固體膨脹溫度計，可將溫度變化轉換成機械量變化。優點：結構簡單牢固可靠防爆

3.8熱敏傳感器3.8熱敏傳感器熒光燈啟輝器熒光燈

熒光燈

零線火線

當電路接通，啟輝器兩端極片得電，擊穿惰性氣體而導電（輝光放電），雙金屬片發熱彎曲而與靜觸板接通形成閉合電路。電路中電流突然中斷，使鎮流器兩端產生一個比電源電壓高得多的感應電動勢，在強電場的作用下，引起管內汞蒸氣電離而形成弧光放電.3.8熱敏傳感器熒光燈啟輝器

啟輝器由玻璃管制成的輝光放電管與小電容器并聯而成輝光放電管內有一個U形雙金屬片，一個固定靜止觸極電板，稱為靜觸板或靜觸極，玻璃管內充有氖氣或氬氣，或氖氬混合的惰性氣體。當電路接通，啟輝器兩端極片得電，擊穿惰性氣體而導電（輝光放電過程），雙金屬片發熱彎曲而與靜觸板接通形成閉合電路。此時電流直接經過雙金屬片與靜觸板流通，惰性氣體失去作用而不放電，雙金屬片開始冷卻，經過1～8秒的時間，雙金屬片收縮回原來狀態，啟輝器停止工作。2.熱電溫度計(熱電偶)

熱電效應

將兩種不同材料的導體A和B串接成一個閉合回路，當兩個接點溫度不同時，在回路中就會產生熱電勢，形成電流，此現象稱為熱電效應。3.8熱敏傳感器ABTT0k——玻耳茲曼常數，e——電子電荷量，T——接觸處的溫度NA，NB——分別為導體A和B的自由電子密度。3.8熱敏傳感器熱電偶測溫基本定律1)均質導體定律由一種均質導體組成的閉合回路，不論導體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產生熱電動勢。TT02)中間導體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導體，只要其兩端的溫度相等，該導體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。TT0V3.8熱敏傳感器3)參考電極定律兩種導體A,B分別與參考電極C組成熱電偶，如果他們所產生的熱電動勢為已知，A和B兩極配對后的熱電動勢可用下式求得：ABTT0=ACTT0—CBTT0由于鉑的物理化學性質穩定、人們多采用鉑作為參考電極。3.8熱敏傳感器3.8熱敏傳感器3.8熱敏傳感器3熱敏電阻傳感器

半導體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅、鉆、鐵等金屬氧化物按一定比例混合燒結而成的半導體，它具有負的電阻溫度系數，隨溫度上升而阻值下降。3.8熱敏傳感器RT3.8熱敏傳感器3.8熱敏傳感器3.8熱敏傳感器產品溫控器3.8熱敏傳感器應用汽車發動機傳感器水溫感應塞還廣泛應用于空調、暖氣、電子體溫計等3傳感器原理

3.9氣敏電阻傳感器

氣體與人類日常生活密切相關，對氣體的檢測已經是保護和改善生態居住環境不可缺少手段，氣敏傳感器發揮著極其重要的作用。

如生活環境中一氧化碳濃度達0.8～1.15ml/L時，就會出現呼吸急促，脈搏加快，甚至暈厥。還有易燃、易爆氣體、酒精等的探測。煙霧報警器酒精傳感器二氧化碳傳感器3.9氣敏電阻傳感器

氣敏傳感器是利用氣敏半導體材料，如氧化錫、氧化錳。當它們吸收了氣體煙霧，如一氧化碳、醇等時，電阻發生變化。從而使氣敏元件電阻值隨被測氣體的濃度改變而變化。

3.9氣敏電阻傳感器3.9氣敏電阻傳感器

3.9氣敏電阻傳感器實驗室中的傳感器3.9氣敏電阻傳感器燃氣報警器煙霧報警器

酒精傳感器3.9氣敏電阻傳感器3.10超聲波檢測傳感器

3.傳感器原理

1)聲波及其分類(1)次聲波，振動頻率低于l6Hz的機械波。(2)聲波:振動頻率在16Hz―20KHz之間的機械波。(3)超聲波:高于20KHz的機械波。2）超聲波的物理性質

超聲波與聲波比，振動頻率高，波長短，具有束射特性，方向性強，可以定向傳播，其能量遠遠大于振幅相同的聲波，并具有很高的穿透能力。3.10超聲波檢測傳感器聲壓

所謂聲壓，是指某點上各瞬間的壓力與大氣壓力之差值，單位為Pa，1Pa=1N/m2。聲強

聲強是聲波在傳播方向上單位時間內通過單位面積的能量，單位為W/m2。聲功率

聲功率(W)是聲源在單位時間內發射出的總能量，單位是W。超聲波傳感器原理

超聲波發射原理是把鐵磁材料置于交變磁場中，產生機械振動，發射出超聲波。

接收原理是當超聲波作用在磁致材料上時，使磁滯材料磁場變化，使線圈產生感應電勢輸出。

3.10超聲波檢測傳感器超聲波傳感器對3.10超聲波檢測傳感器超聲波傳感器應用

超聲波探傷/測距/測物tA3.10超聲波檢測傳感器案例：輸油管檢測檢測機器人3.10超聲波檢測傳感器倒車雷達3.10超聲波檢測傳感器

魚群探測器

3.10超聲波檢測傳感器3.傳感器原理

3.11光電傳感器

光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉化成電信號的器件。其工作原理是基于一些物質的光電效應。內光電效應

半導體材料受到光照時會產生電子-空穴對,使其導電性能增強,光線愈強，阻值愈低，這種光照后電阻率發生變化的現象,稱為內光電效應

。光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管3.傳感器原理

3.傳感器原理

照相機自動測光光控燈工業控制3.7半導體敏感元件傳感器

光電池

光生伏特效應指半導體材料P-N結受到光照后產生一定方向的電動勢的效應。以可見光作光源的光電池是常用的光生伏特型器件。+++---PN3.7半導體敏感元件傳感器

應用

光電傳感器在工業上的應用可歸納為輻射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、四種基本形式。3.7半導體敏感元件傳感器

3.7半導體敏感元件傳感器

3.7半導體敏感元件傳感器

3.7半導體敏感元件傳感器

案例：光電鼠標就是利用LED與光敏晶體管組合來測量位移。3.7半導體敏感元件傳感器

亮度傳感器：通過檢測周圍環境的亮度，再與內部設定值相比較，調整光源的亮度和分布，有效利用自然光線，達到節約電能的目的。3.7半導體敏感元件傳感器

相機測距反射式光電傳感器3.7半導體敏感元件傳感器

3.12光纖傳感器

物性型光纖傳感器是利用光纖對環境變化的敏感性，將輸入物理量變換為調制的光信號。1）物性型光纖傳感器第三章、傳感器測量原理光纖流速傳感器3.12光纖傳感器

結構型光纖傳感器是由光檢測元件與光纖傳輸回路及測量電路所組成的測量系統。其中光纖僅作為光的傳播媒質，所以又稱為傳光型或非功能型光纖傳感器。2）結構型光纖傳感器3.12光纖傳感器光纖檢測型光電傳感器作業件檢測顏色檢測3.12光纖傳感器3.13CCD固態圖象傳感器

MOS(MetalOxideSemiconductor)光敏元的結構是在半導體(P型硅)基片上形成一種氧化物(如二氧化硅)，在氧化物上再沉積一層金屬電極，以此形成一個金屬-氧化物-半導體結構元(MOS)。

第三章、傳感器測量原理

在半導體硅片上按線陣或面陣排列MOS單元，如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖像，則這些光敏元上就會感生出一幅與光照強度相對應的光生電荷圖像。3.13CCD固態圖象傳感器01111100光敏管陣列并聯串聯轉換器運算電路顯示電路結束信號驅動脈沖CCD3.13CCD固態圖象傳感器特點:(1)非接觸檢測;(2)響應快;(3)可靠性高,為修簡便;(4)測量精度高;(5)體積小,重量輕;容易與計算機連接(6)對被測物體需要強光照射;(7)受被測物體以外的光的影響.應用:(1)寬度測量;(2)外徑測量;(3)主軸徑向跳動測量.3.13CCD固態圖象傳感器

條形碼掃描器GREY=RED*0.299+GREEG*0.587+BLUE*0.114

數碼相機3.13CCD固態圖象傳感器第三章、傳感器測量原理3.14其它類型的傳感器

1、熱輻射檢測傳感器

絕對零度以上的物體都有輻射，其強度依賴于物體溫度(K)，根據普朗克輻射定律有以下表達式：應用：

冶金、軋制、磨削加工以及各種熱加工過程中都涉及到動態溫度場的檢測問題。3.14其它類型的傳感器2、聲發射檢測傳感器

材料或結構受外力或內力作用產生變形或斷裂，以彈性波形式釋放出應變能的現象稱聲發射。各種材料聲發射頻率范圍很寬，從次聲、聲頻到超聲。多數金屬的聲發射頻帶在超聲范圍內。3.14其它類型的傳感器案例：材料斷裂等結構監測3.14其它類型的傳感器

3.15生物傳感器第三章、傳感器測量原理熱/光電量微生物/酶等敏感元件

生物傳感器與其它傳感器是檢測對象中含生命物質。根據敏感物質不同,生物傳感器分酶傳感器、微生物傳感器、組織傳感器、細胞器傳感器、免疫傳感器等。第三章、傳感器測量原理2、環境監測3.醫學應用領域1、發酵工業(食品)第三章、傳感器測量原理血糖－乳酸測定流程體育上耐力訓練第三章、傳感器測量原理德國研發的環境廢水BOD分析儀第三章、傳感器測量原理手掌型葡萄糖(glucose)分析儀第三章、傳感器測量原理工廠發酵車間化驗員正在分析樣品發酵工廠谷氨酸-葡萄糖分析3.16智能傳感器第三章、傳感器測量原理

傳感器一般指能夠感知某種物理量（如電、光、磁等）、化學量（如濃度、PH值等）、生物量（如細菌等）等的信息，并將該信息轉化為電信息的裝置。

智能傳感器是將傳感器與微型計算機集成在一塊芯片上，其主要特征是將敏感技術和信息處理技術相結合，使其除了具有感知的本能外，還具有認知能力。第三章、傳感器測量原理嵌入式計算機智能傾角RS232傳感器IC總線數字溫度傳感器第三章、傳感器測量原理振動網絡傳感器智能壓力網絡傳感器第三章、傳感器測量原理GSM/SMS第三章、傳感器測量原理3.16傳感器選用原則

選擇傳感器主要考慮靈敏度、響應特性、線性范圍、穩定性、精確度、測量方式等六個方面的問題。1、靈敏度

一般說來，傳感器靈敏度越高越好，但，在確定靈敏度時，要考慮以下幾個問題。

a)靈敏度過高引起的干擾問題；

b)量程范圍。

c)交叉靈敏度問題。2響應特性

傳感器的響應特性是指在所測頻率范圍內，保持不失真的測量條件。實際上傳感器的響應總不可避免地有一定延遲，但總希望延遲的時間越短越好。3線性范圍

任何傳感器都有一定線性工作范圍。在線性范圍內輸出與輸入成比例關系，線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。傳感器工作在線性區域內，是保證測量精度的基本條件。第三章、傳感器測量原理4穩定性

穩定性是表示傳感器經過長期使用以后，其輸出特性不發生變化的性能。影響傳感器穩定性的因素是時間與環境。5精確度

傳感器的精確度是表示傳感器的輸出與被測量的對應程度。第三章、傳感器測量原理6測量方式

傳感器工作方式，也是選擇傳感器時應考慮的重要因素。例如，接觸與非接觸測量、破壞與非破壞性測量、在線與非在線測量等。第三章、傳感器測量原理3.2電阻式傳感器第四章、測試系統特性

本章學習要求：1.建立測試系統的概念2.了解測試系統特性對測量結果的影響3.了解測試系統特性的測量方法第四章、測試系統特性

測試系統是執行測試任務的傳感器、儀器和設備的總稱。4.1測試系統概論

簡單測試系統(光電池)V第四章、測試系統特性

復雜測試系統(軸承缺陷檢測)

加速度計帶通濾波器包絡檢波器第四章、測試系統特性

不失真測量：語音片段1(Good)語音片段2(bad)4.2測試系統靜態響應特性

第四章、測試系統特性

如果測量時，測試裝置的輸入、輸出信號不隨時間而變化，則稱為靜態測量。

靜態測量時，測試裝置表現出的響應特性稱為靜態響應特性。a)靈敏度

當測試裝置的輸入x有一增量△x,引起輸出y發生相應變化△y時,定義:S=△y/△x第四章、測試系統特性

yx△x△y4.2測試系統靜態響應特性b)非線性度

標定曲線與擬合直線的偏離程度就是非線性度。

非線性度=B/A×100%yxB4.2測試系統靜態響應特性c)回程誤差

測試裝置在輸入量由小增大和由大減小的測試過程中，對于同一個輸入量所得到的兩個數值不同的輸出量之間差值最大者為hmax，則定義回程誤差為:(hmax/A)×100%yxhmaxAd)靜態響應特性的其他描述4.2測試系統靜態響應特性精度：是與評價測試裝置產生的測量誤差大小有關的指標

靈敏閥：又稱為死區，用來衡量測量起始點不靈敏的程度。

分辨力：指能引起輸出量發生變化時輸入量的最小變化量，表明測試裝置分辨輸入量微小變化的能力。測量范圍：是指測試裝置能正常測量最小輸入量和最大輸入量之間的范圍。4.2測試系統靜態響應特性

可靠性：是與測試裝置無故障工作時間長短有關的一種描述。

穩定性：是指在一定工作條件下，當輸入量不變時，輸出量隨時間變化的程度。4.2測試系統靜態響應特性案例：物料配重自動測量系統的靜態參數測量

靈敏度=△y/△x非線性度=B/A×100%回程誤差=(hmax/A)×100%測量范圍：

無論復雜度如何，把測量裝置作為一個系統來看待。問題簡化為處理輸入量x(t)、系統傳輸特性h(t)和輸出y(t)三者之間的關系。x(t)h(t)y(t)輸入量系統特性輸出4.3測試系統的動態響應特性

第四章、測試系統特性

y(t)=X(t)*h(t)卷積分卷積分第二章、信號分析基礎

卷積積分是一種數學方法，在信號與系統的理論研究中占有重要的地位。特別是關于信號的時間域與變換域分析，它是溝通時域－頻域的一個橋梁。卷積的物理意義1）將信號x(t)分解為許多寬度為

t的窄條面積之和，t=nt時的第n個窄條的高度為x(nt)，在

t趨近于零的情況下，窄條可以看作是強度等于窄條面積的脈沖。2.6卷積分tx(t)nt

x(nt)t2）在t=nt時刻，窄條脈沖引起的響應為:

x(nt)th(t-nt)tx(nt)th(t-nt)02.6卷積分3）各脈沖引起的響應之和即為輸出y(t)ty(t)02.6卷積分卷積與相關2.6卷積分如果則時域卷積定理卷積分的傅立葉變換計算法：3)如果輸入和系統特性已知，則可以推斷和估計系統的輸出量。(預測)系統分析中的三類問題：1)當輸入、輸出是可測量的(已知)，可以通過它們推斷系統的傳輸特性。(系統辨識)2)當系統特性已知，輸出可測量，可以通過它們推斷導致該輸出的輸入量。(反求)第四章、測試系統特性

x(t)h(t)y(t)測試系統基本要求

4.1測試系統概論

理想的測試系統應該具有單值的、確定的輸入－輸出關系。對于每一輸入量都應該只有單一的輸出量與之對應。知道其中一個量就可以確定另一個量。其中以輸出和輸入成線性關系最佳。xy線性xy線性xy非線性4.1測試系統概論

系統輸入x(t)和輸出y(t)間的關系可以用常系數線性微分方程來描述：線性系統(時域描述)一般在工程中使用的測試裝置都是線性系統。4.1測試系統概論

線性系統性質：a)疊加性

系統對各輸入之和的輸出等于各單個輸入的輸出之和，即若x1(t)→y1(t)，x2(t)→y2(t)

則x1(t)±x2(t)→y1(t)±y2(t)b)比例性

常數倍輸入所得的輸出等于原輸入所得輸出的常數倍，即:

若x(t)→y(t)則kx(t)→ky(t)4.1測試系統概論

c)微分性

系統對原輸入信號的微分等于原輸出信號的微分，即若x(t)→y(t)則x'(t)→y'(t)d)積分性

當初始條件為零時，系統對原輸入信號的積分等于原輸出信號的積分，即若x(t)→y(t)則∫x(t)dt→∫y(t)dt4.1測試系統概論

e)頻率保持性

若系統的輸入為某一頻率的諧波信號，則系統的穩態輸出將為同一頻率的諧波信號，即

若x(t)=Acos(ωt+φx)

則y(t)=Bcos(ωt+φy)

線性系統的這些主要特性，特別是符合疊加原理和頻率保持性，在測量工作中具有重要作用。傳遞函數：

拉氏變換(數學定義)：富氏變換(數字計算):4.3測試系統的動態響應特性4.3測試系統的動態響應特性傳遞函數:直觀的反映了測試系統對不同頻率成分輸入信號的扭曲情況。a)傳遞函數的測量(正弦波法)

依次用不同頻率fi的簡諧信號去激勵被測系統，同時測出激勵和系統的穩態輸出的幅值、相位，得到幅值比Ai、相位差φi。4.3測試系統的動態響應特性依據：頻率保持性若x(t)=Acos(ωt+φx)

則y(t)=Bcos(ωt+φy)第四章、測試系統特性

優點：簡單，信號發生器，雙蹤示波器缺點：效率低

從系統最低測量頻率fmin到最高測量頻率fmax，逐步增加正弦激勵信號頻率f，記錄下各頻率對應的幅值比和相位差，繪制就得到系統幅頻和相頻特性。4.3測試系統的動態響應特性第四章、測試系統特性

案例：音響系統性能評定y(t)=x(t)*h(t)Y(f)=X(f)H(f)

改進：脈沖輸入/白噪聲輸入，測量輸出，再求輸出頻譜。飛機模態分析b)脈沖響應函數

若裝置的輸人為單位脈沖δ(t)，因δ(t)的傅立葉變換為1，有：

Y(f)=H(f)，或y(t)=F-1[H(S)]4.3測試系統的動態響應特性優點：直觀缺點：簡單系統識別記為h(t)，稱它為脈沖響應函數。H(f)固頻、阻尼參數傅立葉變換4.3測試系統的動態響應特性案例:鏜桿固有頻率測量實驗：懸臂梁固有頻率測量4.3測試系統的動態響應特性4.3測試系統的動態響應特性案例:橋梁固頻測量原理：在橋中設置一三角形障礙物，利用汽車礙時的沖擊對橋梁進行激勵，再通過應變片測量橋梁動態變形，得到橋梁固有頻率。c)階躍響應函數

若系統輸入信號為單位階躍信號，即x(t)=u(t)，則X(s)=1/s，此時Y(s)=H(s)/s4.3測試系統的動態響應特性H(f)時域波形參數識別

設測試系統的輸出y(t)與輸入x(t)滿足關系

y(t)=A0x(t-t0)4.4系統不失真測量條件第四章、測試系統特性

該系統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，認為測試系統具有不失真的特性。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)4.4系統不失真測量的條件

不失真測試系統條件的幅頻特性和相頻特性應分別滿足

A(ω)=A0=常數φ(ω)