北工大测试技术基础考前复习ppt课件.ppt
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1、北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院测试技术基础测试技术基础第一章第一章 信号及其描述信号及其描述北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院测试技术基础测试技术基础 一般说来,测试系统由传感器、中间变换装置和一般说来,测试系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三部分组成。显示记录装置三部分组成。(1)测试系统组成)测试系统组成信息转换信息转换信息提取信息提取北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院测试技术基础测试技术基础 传感器是能感受规定的传感器是能感受规定的被测量被测量并按一定规律转换并按一定规律转换为为有用信号有用信号的器件或装置。通常由敏感器件、转换器的器件或装置。通常由敏感器件、
2、转换器件和电子线路组成。件和电子线路组成。辅助电源辅助电源敏感元件敏感元件转换元件转换元件基本转换电路基本转换电路被测量被测量电量电量(2)传感器定义及其分类)传感器定义及其分类北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院测试技术基础测试技术基础1、按传感器敏感的工作原理,分为物理型、化学型、生物型等、按传感器敏感的工作原理,分为物理型、化学型、生物型等 其中,物理型又可分为:其中,物理型又可分为:结构型与物性型结构型与物性型两大类两大类 2、根据传感器的能量转换情况,可分为、根据传感器的能量转换情况,可分为能量控制型传感器能量控制型传感器和能能 量转换型传感器量转换型传感器3、按照物理原理分类:
3、光电、热电、压电等、按照物理原理分类:光电、热电、压电等4、按照传感器的用途分类、按照传感器的用途分类 :位移、压力、振动、温度传感器:位移、压力、振动、温度传感器6、根据传感器输出信号:模拟信号和数字信号、根据传感器输出信号:模拟信号和数字信号 5、根据转换过程可逆与否、根据转换过程可逆与否 :单向和双向:单向和双向 (磁致与磁弹磁致与磁弹)7、根据传感器使用电源与否:有源传感器和无源传感器、根据传感器使用电源与否:有源传感器和无源传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院测试技术基础测试技术基础1、物性型物性型依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换的。依靠敏感元件材料本身物
4、理性质的变化来实现信号变换的。例如,例如,水银温度计利用了水银的热胀冷缩性质;利用了水银的热胀冷缩性质;压力测力计利利用石英晶体的压电效应等。用石英晶体的压电效应等。 2、结构型结构型依靠传感器结构参数的变化而实现信号转换的。依靠传感器结构参数的变化而实现信号转换的。例如,例如,电容传感器依靠极板间距离变化引起电容量的变化;依靠极板间距离变化引起电容量的变化;电感传感器依靠衔铁位移引起自感或互感的变化。依靠衔铁位移引起自感或互感的变化。北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院测试技术基础测试技术基础2、能量控制型:、能量控制型:也称有源传感器,是从外部供给能量使传也称有源传感器,是从外部供给能
5、量使传感器工作的,并且由被测量来控制外部供给能量的变化。感器工作的,并且由被测量来控制外部供给能量的变化。例如,电阻应变计中电阻接于电桥上,电桥工作能源由外部供例如,电阻应变计中电阻接于电桥上,电桥工作能源由外部供给,而由被测量变化引起电阻变化来控制电桥输出。给,而由被测量变化引起电阻变化来控制电桥输出。电感温度电感温度计、电容测振仪计、电容测振仪等均属于此类传感器。等均属于此类传感器。1、能量转换型:、能量转换型:也称无源传感器,是直接由被测对象输入也称无源传感器,是直接由被测对象输入能量使其工作的。能量使其工作的。例如,例如,热电偶温度计热电偶温度计、弹性压力计弹性压力计等。在这种情况下,
6、由于被等。在这种情况下,由于被测对象与传感器的能量交换,必然导致被测对象状态的变化和测对象与传感器的能量交换,必然导致被测对象状态的变化和测量误差。测量误差。北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院测试技术基础测试技术基础 为深入理解信号的物理实质,将其进行分类研究。为深入理解信号的物理实质,将其进行分类研究。从不同角度观察,信号可分为:从不同角度观察,信号可分为:p 从从信号描述信号描述上上 确定性信号与非确定性信号;确定性信号与非确定性信号;p 从从信号幅值和能量信号幅值和能量 能量信号与功率信号;能量信号与功率信号;p 从从连续性连续性 连续信号与离散信号;连续信号与离散信号;p 从从可
7、实现性可实现性 物理可实现信号与物理不可实物理可实现信号与物理不可实现信号。现信号。(3)信号分类方式)信号分类方式北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院测试技术基础测试技术基础p 确定性信号与非确定性信号确定性信号与非确定性信号 可以用明确数学关系式描述的信号称为确定性信可以用明确数学关系式描述的信号称为确定性信号。不能用数学关系式描述的信号称为非确定性信号。号。不能用数学关系式描述的信号称为非确定性信号。2.2 信号的分类信号的分类 与描述与描述-分分类类北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院测试技术基础测试技术基础若自变量为时间:连续时间信号与离散时间信号若自变量为时间:连续时间信号
8、与离散时间信号 时间时间幅值幅值连续连续离散离散连续连续模拟信号模拟信号 量化信号?量化信号?离散离散采样信号采样信号数字信号数字信号2.2 信号的分类信号的分类 与描述与描述-分分类类00.020.040.060.080.1-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81Time (s)Amplitude 数字信号数字信号(4)离散与连续信号的特点)离散与连续信号的特点北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院测试技术基础测试技术基础正交三角函数系正交三角函数系(n=1,2,3,)1000sincos)(nnntnbtnaatx傅立叶系数傅立叶系数tn, tn00sincos1
9、,(5)周期函数的傅里叶级数展开)周期函数的傅里叶级数展开展开思想:满足狄里赫利条件的任意函数展开思想:满足狄里赫利条件的任意函数x(t)在考察在考察区间内可由正交函数系的区间内可由正交函数系的线性组合线性组合表示。表示。2.3.1 傅立叶级数的三角函数展开式傅立叶级数的三角函数展开式0,nnaab北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院测试技术基础测试技术基础2.3 周期信号与离散频谱周期信号与离散频谱 22nnnbaA,.3,2, 1narctannnnab100sin)(nnntnAatxnAn谐波谐波(n0)幅值幅值谐波谐波(n0)初相角初相角; ttntxa/T/TTn2202000
10、d)cos(000/210/2( ) 1d ;TTTax tt傅立叶系数傅立叶系数计算公式计算公式; ttntxb/T/TTn2202000d)sin(正交三角函数系正交三角函数系(n=1,2,3,)10cosnt0sinnt北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院测试技术基础测试技术基础2.3 周期信号与离散频谱周期信号与离散频谱 正交复指数函数系正交复指数函数系0jent0, 1, 2,.n 0/2j/21( )ed0, 1, 2,TntnTCx ttnT 傅傅立立叶级数的复系数叶级数的复系数nC2.3.2 傅立叶级数的复指数函数展开式傅立叶级数的复指数函数展开式jjjj1jcos(ee)
11、;sin(ee)22tttttt由欧拉公式由欧拉公式:代入代入傅立叶级数三角表达式,整理得到傅立叶级数三角表达式,整理得到:0j( )e0, 1, 2,ntnnx tCn 1(j)2nnnCab北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院测试技术基础测试技术基础解:解:例例2 求周期矩形脉冲的频谱,设周期矩形脉冲的求周期矩形脉冲的频谱,设周期矩形脉冲的周期为周期为 ,脉冲宽度为,脉冲宽度为 ,如图所示。,如图所示。 T2.3 周期信号与离散频谱周期信号与离散频谱 0sincsinc2nnnCTTT 0, 1, 2,n 傅傅立立叶级数的复系数叶级数的复系数nC00jj( )esincentntnnn
12、nx tCTT北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院测试技术基础测试技术基础幅频谱幅频谱相频谱相频谱Cnn-6/-4/-2/02/4/6/00.25-6/-4/-2/02/4/6/0 周期矩形脉冲的频谱周期矩形脉冲的频谱(T= 4) 2.3 周期信号与离散频谱周期信号与离散频谱 ,n,nTCn2102sinc0周期矩形脉冲周期矩形脉冲信号主带带宽信号主带带宽2C频谱峰值频谱峰值T/谱线间隔谱线间隔2 /T 考虑考虑: :当周期矩形脉冲信号的当周期矩形脉冲信号的周期周期T和和脉宽脉宽改变时改变时, ,频谱如何变化?频谱如何变化?北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院测试技术基础测试技术基础C
13、nCn2.3 周期信号与离散频谱周期信号与离散频谱 2C带宽带宽频谱峰值频谱峰值T/2T谱线间隔谱线间隔p脉冲宽度脉冲宽度变化变化(T=2s不变不变)-100-500501000-100-500501000-100-500501000-100-5005010001/81/161/4(=1/4T) (=1/16T) (=1/8T) (=1/32T) 1/32n0n0n0n0CnCn 当信号周期不变而脉宽减小时,谱线的间隔不变,当信号周期不变而脉宽减小时,谱线的间隔不变,信号信号频谱幅值减小频谱幅值减小。脉冲宽度愈窄脉冲宽度愈窄,信号的,信号的带宽愈大带宽愈大,从而使得频带中包含的频率分量愈多。从
14、而使得频带中包含的频率分量愈多。北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院测试技术基础测试技术基础-80-60-40-200204060800-80-60-40-200204060800-80-60-40-200204060800-80-60-40-2002040608002.3 周期信号与离散频谱周期信号与离散频谱 2C带宽带宽频谱峰值频谱峰值T/2T谱线间隔谱线间隔p信号周期信号周期T变化变化(=0.25s不变不变)1/81/161/4(T=4) (T=16) (T=8) (T=32) 1/32n0n0n0n0CnCnCnCn周期增大而脉宽不变时,各频率分量幅值变小。周期增大而脉宽不变时,各
15、频率分量幅值变小。周期周期T愈大,信号谱线间隔愈小。愈大,信号谱线间隔愈小。北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院测试技术基础测试技术基础2.3 周期信号与离散频谱周期信号与离散频谱 若周期趋于无限大,周期信号变成非周期信号。若周期趋于无限大,周期信号变成非周期信号。此时,谱线间隔趋近于零,整个谱线成为连续频谱。此时,谱线间隔趋近于零,整个谱线成为连续频谱。讨论:讨论:T趋于无穷大的情况?趋于无穷大的情况?-80-60-40-2002040608000.10.2离散频谱离散频谱连续频谱连续频谱n0Cn周期信号周期信号(T有限有限)非周期信号非周期信号(T无穷大无穷大)ttx(t)xT(t)北
16、京工业大学机电学院北京工业大学机电学院测试技术基础测试技术基础 dede21ede2dj-jj-jttttttxttxtx 在区间在区间 内,周期函数内,周期函数 的傅立叶级的傅立叶级数展开式为:数展开式为:)(tx)2/,2/(TT00/2jj/21( )( )edeTntntTnx tx ttT2.4 .1 傅立叶变换傅立叶变换(1) 当T时,区间(-T/2,T/2)变成(-, );(2) 频率间隔=0=2/T变为无穷小量d;(3) 离散频率n0变成连续频率 。北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院测试技术基础测试技术基础jj1( )( )eded2ttx tx tt(1)2.4 .1
17、傅立叶变换傅立叶变换将式(1)中括号中的积分记为X():它是变量的函数。则(1)式可写为:j( )( )edtx tX将X()称为x(t)的傅立叶变换,而将x(t)称为X()的逆傅立叶变换,记为:)()(Xtxj1( )( )ed2tXx tt与时间与时间t无关无关北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院测试技术基础测试技术基础若将上述变换公式中的角频率用频率 f 来替代,则j2( )( )edftX fx ttj2( )( )edftx tX ff)()(fXtx)()(Xtx( )2( )X fX一个非周期函数可分解成频率一个非周期函数可分解成频率f连续变化的谐波的叠加连续变化的谐波的叠加
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