测试技术 信号调理_处理和记录

一部分：绪论部分1、测量系统有那些环节，各个环节有什么功能？答：激励装置作用于被测对象，使之产生有用信息的信号， 传感器将被测信息转化为某种电信号，信号调理环节将电信号转换成更适合进一步传输和处理的形式，信号处理对信号进行运算和分析，信号显示和记录环节显示信号以便观测者观察和分析。

而反馈、控制环节用于闭环控制系统中的测试系统。

2、为什么选用电表时，不但要考虑它的准确度，而且要考虑它的量程？为什么使用电表时应尽可能在电表量程上限的三分之二以上使用？用量程为150V 的0.5级电压表和量程为30V 的1.5级电压表分别测量25V 电压，试问哪一个测量准确度高？为什么？ 答：若被测量超过电表的量程会损环电表；在电表量程的三分之二以上使用可提高测量准确度；用30V 的1.5级电压表分别测量准确度高，因为其测量误差小。

3、如何表达测量结果？对某量进行8次测量，测得值分别为：802.40、802.50、802.38、802.48、802.42、802.46、802.45、802.43。

求其测量结果。

解：81802.40802.50802.38802.48802.42802.46802.4388802.44ii xx =++++++===∑ˆ0.04s σ==，ˆ0.014x σ== ˆ802.440.014x X x σ=±=± 4、请将下列诸测量结果中的绝对误差改写为相对误差： ⑴.1.01825447.8V V μ± ⑵.(25.048940.00003)g ± ⑶.2(5.4820.026)/g cm ±解：（1）1.01825440.00766V ±‰ ⑵.25.048940.001198g ± ‰ ⑶.25.482/0.474%g cm ±第二部分：信号及其描述1、周期信号和非周期信号的频谱图各有什么特点？答：周期信号的频谱具有离散性、谐波性和收敛性，即各谐波分量频率为基频的整数倍，离散分布，且幅值随频率的增加而减小。

5 信号的调理和记录5.1单选题1、下列（）为不正确叙述。

(A)低通滤波器带宽越窄，表示它对阶跃响应的建立时间越短；(B) 截止频率为幅频特性值为A0/21/2所对应的频率；(C) 截止频率为对数幅频特性衰减-3dB所对应的频率；(D) 带通滤波器的带宽为上、下截止频率之间的频率范围。

2、调幅波（AM）是（）。

(A) 载波与调制信号（即被测信号）相加；(B) 载波幅值随调制信号幅值而变；(C) 载波频率随调制信号幅值而变；(D) 载波相位随调制信号幅值而变。

3、调幅信号经过解调后必须经过（）。

(A) 带通滤波器；(B)低通滤波器；(C) 高通滤波器；(D)相敏检波器。

4、用磁带记录对信号进行快录慢放，输出信号频谱的带宽（）。

(A) 变窄，幅值压低；(B)扩展，幅值增高；(C) 扩展，幅值压低；(D) 变窄，幅值增高。

5、除了（）以外的其他项目可能是信号调理包括的内容。

(A) 信号放大；(B) 信号衰减；(C) 滤波；(D) 调制6、在1/3倍频程分析中，带宽是（）。

(A)常数；与中心频率成正比的；(B)与中心频率成指数关系的；最高频率的三分之一7、如果比较同相放大器和反相放大器，下列说法中，（）是不符合实际的。

(A) 它们都具有低输出阻抗的特性，一般小于1 Ω(B) 它们的增益取决于反馈电阻与输入电阻的比值，而非实际电阻值(C) 它们的增益带宽积相同(D) 对于这两种放大器，相角与频率之间的关系相同8、为了减少测量噪声，除了（），应避免以下做法。

(A) 为了节省导线，使传感器外壳和测量仪器的外壳分别接地(B) 为了安装方便，把仪器的接地点连接到电源插头的地线(C) 为了减小电磁干扰，两电源线尽可能互相靠近并互相缠绕，两信号线也应如此(D) 为了减小耦合电容，使用屏蔽电缆并且使屏蔽层在传感器端和仪器端接地5.2填空题1、交流电桥4个桥臂的阻抗按时针顺序分别是Z1、Z2、Z3、Z4，其平衡条件是（）。

《测试技术与信号处理》课程教学大纲课程代码：0806315008课程名称：测试技术与信号处理英文名称：Testing Technology and Signal Processing总学时：48 讲课学时：40 实验学时：8学分：3适用专业：机械设计制造及其自动化专业（汽车、城轨）先修课程：高等数学、工程数学、工程力学、机械设计基础、电工电子技术一、课程性质、目的和任务《测试技术与信号处理》是机械类专业的专业基础课和必修课程，也是机械大类专业的平台课程。

通过本课程的学习，要求学生初步掌握动态测试与信号处理的基本知识与技能，培养正确选用和分析测试装置及系统的能力，并掌握力、压力、噪声、振动等常见物理量的测量和应用方法，为进一步学习、研究和处理车辆工程技术中的测试问题打下基础。

二、教学基本要求本课程分为概论、信号描述、测试系统特性、常见传感器、信号的调理处理和记录、信号分析基础、常见物理量测量和计算机辅助测试几部分。

学完本课程应具有下列几方面的知识：(1) 掌握测量信号分析的主要方法，明白波形图、频谱图的含义，具备从示波器、频谱分析仪中读取解读测量信息的能力。

(2) 掌握测试系统的静态特性、动态特性，不失真测量的条件，测试系统特性的评定方法，减小负载效应的措施。

(3) 掌握传感器的种类和工作原理，能针对工程问题选用合适的传感器。

(4) 掌握信号的调理、处理和记录的方法和原理。

(5) 掌握信号的相关分析、频谱分析原理与应用。

(6) 掌握温度、压力、位移等常见物理量的测量方法，了解其在工业自动化、环境监测、楼宇控制、医疗、家庭和办公室自动化等领域的应用。

(7) 了解计算机测试系统的构成，用计算机测试系统进行测量的方法、步骤和应该注意的问题。

三、教学内容及要求1. 绪论介绍测试系统的基本概念，测试系统的组成。

及测试技术的工程意义：在工业自动化、环境监测、楼宇控制、医疗、家庭和办公室自动化等领域的应用情况和测试技术的发展趋势。

绪论1 .举例说明什么是测试？答：(1) 测试例子：为了确定一端固定的悬臂梁的固有频率，我们可以采用锤击法对梁进行激振，再利用压电传感器、电荷放大器、波形记录器记录信号波形，由衰减的振荡波形便可以计算出悬臂梁的固有频率。

（2）结论：由本例可知：测试是指确定被测对象悬臂梁的属性—固有频率的全部操作，是通过一定的技术手段—激振、拾振、记录、数据处理等，获取悬臂梁固有频率的信息的过程。

2. 测试技术的任务是什么？答：测试技术的任务主要有:通过模型试验或现场实测，提高产品质量；通过测试，进行设备强度校验，提高产量和质量；监测环境振动和噪声，找振源，以便采取减振、防噪措施；通过测试，发现新的定律、公式等；通过测试和数据采集，实现对设备的状态监测、质量控制和故障诊断。

3. 以方框图的形式说明测试系统的组成，简述主要部分的作用。

（1）测试系统方框图如下：（2）各部分的作用如下：传感器是将被测信息转换成某种电信号的器件；信号的调理是把来自传感器的信号转换成适合传输和处理的形式；信号处理环节可对来自信号调理环节的信号，进行各种运算、滤波和分析；信号显示、记录环节将来自信号处理环节的信号显示或存贮。

模数（A/D）转换和数模（D/A）转换是进行模拟信号与数字信号相互转换，以便用计算机处理。

4.测试技术的发展动向是什么?传感器向新型、微型、智能型方向发展；测试仪器向高精度、多功能、小型化、在线监测、性能标准化和低价格发展；参数测量与数据处理向计算机为核心发展；第一章1 求周期方波的傅立叶级数（复指数函数形式），画出|c n|-w和j-w图。

解：(1)方波的时域描述为：(2) 从而：2 . 求正弦信号的绝对均值和均方根值。

解(1)(2)3.求符号函数和单位阶跃函数的频谱。

解：(1)因为不满足绝对可积条件，因此，可以把符合函数看作为双边指数衰减函数：其傅里叶变换为：(2)阶跃函数：4. 求被截断的余弦函数的傅里叶变换。

解：(1)被截断的余弦函数可以看成为：余弦函数与矩形窗的点积，即：(2)根据卷积定理，其傅里叶变换为：5.设有一时间函数f(t)与其频谱如图所示。

《机械工程测试技术基础》知识点总结1. 测试是测量与试验的概括，是人们借助于一定的装置，获取被测对象有相关信息的过程。

测试工作的目的是为了最大限度地不失真获取关于被测对象的有用信息。

分为：静态测试，被测量（参数）不随时间变化或随时间缓慢变化。

动态测试，被测量（参数）随时间（快速）变化。

2. 基本的测试系统由传感器、信号调理装置、显示记录装置三部分组成。

传感器：感受被测量的变化并将其转换成为某种易于处理的形式，通常为电量（电压、电流、电荷）或电参数（电阻、电感、电容）。

信号调理装置：对传感器的输出做进一步处理（转换、放大、调制与解调、滤波、非线性校正等），以便于显示、记录、分析与处理等。

显示记录装置对传感器获取并经过各种调理后的测试信号进行显示、记录、存储，某些显示记录装置还可对信号进行分析、处理、数据通讯等。

3. 测试技术的主要应用：1. 产品的质量检测2.作为闭环测控系统的核心3. 过程与设备的工况监测4. 工程实验分析。

4. 测试技术是信息技术的重要组成部分，它所研究的内容是信息的提取与处理的理论、方法和技术。

现代科学技术的三大支柱：能源技术材料技术信息技术。

信息技术的三个方面：计算机技术、传感技术、通信技术。

5. 测试技术的发展趋势：(1) 1. 传感技术的迅速发展智能化、可移动化、微型化、集成化、多样化。

（2）测试电路设计与制造技术的改进（3）计算机辅助测试技术应用的普及（4）极端条件下测试技术的研究。

6. 信息：既不是物质也不具有能量，存在于某种形式的载体上。

事物运动状态和运动方式的反映。

信号：通常是物理、可测的（如电信号、光信号等），通过对信号进行测试、分析，可从信号中提取出有用的信息。

信息的载体。

噪声：由测试装置本身内部产生的无用部分称为噪声，信号中除有用信息之外的部分。

（1）信息和干扰是相对的。

（2）同一信号可以反映不同的信息，同一信息可以通过不同的信号来承载。

7.测试工作的实质（目的任务）：通过传感器获取与被测参量相对应的测试信号，利用信号调理装置以及计算机分析处理技术，最大限度地排除信号中的各种干扰、噪声，最终不失真地获得关于被测对象的有关信息。

1测试系统包括传感器、信号调理、信号处理、显示与记录四个环节。

传感器：当接受测量的直接作用后，能按一定规律将被测量转换成同种或别种量值输出，其输出通常是电信号。

信号调理：对信号尽享转换、放大和滤波，即把来自传感器的信号转换成更适合进一步传输和处理的信号。

信号处理：接受来自信号调理环节的信号，并进行运算，滤波、分析，将结果输出值显示、记录混控制系统。

信号显示与记录：以观察着易于识别的形式显示测量结果，或将测量结果存储，供必要时使用。

2周期信号的频谱特点：1离散谱；2谱线仅出现在基波和各次谐波频率处；3幅值谱各频率分量的幅值岁频率升高而减小。

非周期信号频谱特点：1连续谱；2各频率分量的幅值随频率分量的升高而趋于无穷小，但保持一定比例关系。

3温度计是一阶惯性系统，其阶跃响应为y=1-e ,系统的输出值与稳态响应值仅相差2%当t越大，系统的处处志与稳态响应值的误差就越小。

4右图是一恒温电路，A 为比较器，当环境温度达到T℃时，输出信号实现自动调温控制。

同相端输入有RP、R1、R2、R3分压确定作比较电平，RP可调节比较器的比较电平，从而调节所需控制温度5测量是采集和表达被测量并与标准作比较的过程。

测量的前提1被测量必须有明确的定义2测量标准必须通过协议事先确定选取传感器原则：灵敏度，响应特性，线性范围，可靠性，精确度，测量方式及其他。

6差动变压器一二次绕组间的耦合能随衔铁移动变化，即绕组间的护肝随被测位移改变而变化7电感式传感器分为自感型和互感型，自感型分为可变磁阻型和涡流式8调幅波特点：1当调制信号x（t）>0时，调幅波xm（t）与载波y（t）同频同相，复制大小与x（t）大小有关2当x（t）<0时xm（t）与载波同频反相，幅值同上3调幅波是以高频，单骑包含络线和调制信号x（t）相似，其幅值受x（t）变化影响，y（t）频率越高，波形越宽，相似程度越好。

9电阻丝应变片与半导体应变片异同及优点：相同点都是将被测量的变化转化为电阻变化前者是几何尺寸引起阻值变化，后者是电阻率变化引起。

通信系统中的信号调理与处理通信系统的发展与进步，离不开对信号的调理与处理。

信号调理与处理是指对信号进行增强、修正、解调、滤波等操作，以使其在传输过程中更稳定、更适合传递信息。

本文将介绍通信系统中常见的信号调理与处理方法。

一、信号调理1.增强信号强度在通信中，有时由于信号强度的不足，导致传输质量不佳。

为了增强信号强度，通信系统可以采用放大器进行信号放大。

放大器可以将信号的电压或者功率进行放大，以提高信号的传输距离和质量。

2.修正信号误差在信号传输过程中，可能会出现误差，导致信号质量下降。

为了修正信号误差，通信系统采用纠错码技术。

纠错码可以通过增加冗余信息，使得在一定范围内可以纠正一定数量的错误，从而提高传输的可靠性。

3.解调信号在接收端，信号需要经过解调过程，将模拟信号转换为数字信号。

解调的方法有多种，常用的方法包括调幅解调、调频解调和调相解调等。

解调过程能够将信号恢复到原始的模拟或数字形式，以便后续处理和分析。

二、信号处理1.滤波为了去除信号中的噪声和干扰，通信系统常使用滤波器进行滤波处理。

滤波器可以通过选择性地传递某一特定频率范围内的信号，来滤除其他频率范围内的干扰信号。

常见的滤波器有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。

2.编码与解码在通信中，为了提高信号传输的效率和可靠性，通信系统采用编码与解码技术。

编码器可以将信号转换成特定的编码形式，以便在传输过程中更好地保持信号的稳定性；解码器则能够将编码后的信号恢复成原始信号，以便进行后续的处理和分析。

3.调制与解调调制是将数字信号转换为模拟信号的过程，而解调是将模拟信号转换为数字信号的过程。

调制与解调是实现数字与模拟信号之间互相转换的重要技术，常用的调制与解调技术有频移键控调制（FSK）、相移键控调制（PSK）和正交振幅调制（QAM）等。

总结：信号调理与处理是通信系统中必不可少的环节。

通过增强信号强度、修正信号误差、解调信号以及滤波、编码与解码、调制与解调等处理，可以使信号在传输过程中更稳定、更适合传递信息。

测试仪工作原理
测试仪工作原理主要是通过采集被测试物体的数据，然后将数据通过信号处理和分析，最终得到测试结果。

具体原理如下：
1. 传感器采集：测试仪通过内置的传感器将被测物体的参数（如温度、湿度、压力等）转换成电信号。

2. 信号调理：采集到的电信号通过信号调理电路进行放大、滤波和线性化处理，以保证测试仪能够准确地读取传感器的输出信号。

3. 数字转换：经过信号调理之后的模拟信号通过模数转换器（ADC）转换成数字信号，使得计算机或其他数字设备能够
处理和分析这些数据。

4. 数据处理与存储：将转换得到的数字信号进行处理，如校正、滤波、平均等，然后存储在内部存储器或外部存储介质中，以备后续分析和参考。

5. 结果显示：测试仪将处理后的数据以可读形式显示在显示屏上，如数值、曲线或图表等，让用户直观地了解测试结果。

总之，测试仪工作原理主要包括传感器采集、信号调理、数字转换、数据处理与存储以及结果显示等环节，通过这些步骤实现对被测物体参数的准确测量和分析。

各章节习题(后附答案)第一章 信号及其描述（一）填空题1、 测试的基本任务是获取有用的信息，而信息总是蕴涵在某些物理量之中，并依靠它们来传输的。

这些物理量就是 ，其中目前应用最广泛的是电信号。

2、 信号的时域描述，以 为独立变量；而信号的频域描述，以 为独立变量。

3、 周期信号的频谱具有三个特点： ， ， 。

4、 非周期信号包括 信号和 信号。

5、 描述随机信号的时域特征参数有 、 、 。

6、 对信号的双边谱而b ，实频谱（幅频谱）总是 对称，虚频谱（相频谱）总是 对称。

（二）判断对错题（用√或×表示）1、 各态历经随机过程一定是平稳随机过程。

（ ）2、 信号的时域描述与频域描述包含相同的信息量。

（ ）3、 非周期信号的频谱一定是连续的。

（ ）4、 非周期信号幅频谱与周期信号幅值谱的量纲一样。

（ ）5、 随机信号的频域描述为功率谱。

（ ）（三）简答和计算题1、 求正弦信号t x t x ωsin )(0=的绝对均值μ|x|和均方根值x rms 。

2、 求正弦信号)sin()(0ϕω+=t x t x 的均值x μ，均方值2x ψ，和概率密度函数p(x)。

3、 求指数函数)0,0()(≥>=-t a Ae t x at的频谱。

4、 求被截断的余弦函数⎩⎨⎧≥<=Tt T t t t x ||0||cos )(0ω的傅立叶变换。

5、 求指数衰减振荡信号)0,0(sin )(0≥>=-t a t e t x atω的频谱。

第二章测试装置的基本特性（一）填空题1、 某一阶系统的频率响应函数为121)(+=ωωj j H ，输入信号2sin)(tt x =，则输出信号)(t y 的频率为=ω ，幅值=y ，相位=φ 。

2、 试求传递函数分别为5.05.35.1+s 和2224.141nn n s s ωωω++的两个环节串联后组成的系统的总灵敏度。

3、 为了获得测试信号的频谱，常用的信号分析方法有 、和 。

测试技术-思考题（答案）机械电⼦⼯程测试技术⼀、采集及传输部分思考题第2节1.信号调理的内容和⽬的？答：信号调理的的⽬的是便于信号的传输与处理。

内容：(1)把传感器输出的微弱电压或电流信号放⼤，以便于传送、信噪分离或驱动其他测量显⽰电路；(2)多数传感器的输出是电阻、电感或电容等不便于直接记录的电参量，需要⽤电桥电路等把这些电参量转换为电压或电流的变化；(3)抑制传感器输出信号中噪声成分的滤波处理；其他内容：如阻抗变换、屏蔽接地、调制与解调、信号线性化等。

2.信号调制与解调的种类？答：根据载波受调制的参数不同，使载波的幅值、频率或相位随调制信号⽽变化的过程分别称为调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）。

调幅是将⼀个⾼频简谐信号（载波）与测试信号（调制信号）相乘，使⾼频信号的幅值随测试信号的变化⽽变化。

在实际的调幅信号的解调中⼀般不⽤乘法器⽽采⽤⼆极管整流检波器和相敏检波器；调频是利⽤信号电压的幅值控制载波的频率，调频波是等幅波，但频率偏移量与信号电压成正⽐。

调频波的解调⼜称为鉴频，调制波的解调电路⼜叫鉴频器。

调相：载波的相位对其参考相位的偏离值随调制信号的瞬时值成⽐例变化的调制⽅式，称为相位调制，或称调相。

3.隔离放⼤器有何特征和特点，主要⽤在哪些场合？它分哪⼏类？答：隔离放⼤器是带隔离的放⼤器，其输⼊电路、输出电路和电源之间没有直接的电路耦合，信号的传递和电源的传递均通过变压器耦合或光电耦合（多⽤变压器耦合，因光电耦合线性度较差）实现。

隔离放⼤器不仅具有通⽤运放的性能，⽽且输⼊公共地与输出公共地之间具有良好的绝缘性能。

变压器耦合隔离放⼤器有两种结构：⼀种为双隔离式结构，另⼀种为三隔离式结构。

光隔离放⼤器，最简单的光隔离放⼤器可⽤光电耦合器件组成。

但是，光电耦合器的电流传输系数是⾮线性的，直接⽤来传输模拟量时，会造成⾮线性失真较⼤和精度差等问题。

4.信号滤波器的种类？答：滤波器按其阶次可分为⼀阶滤波器、⼆阶滤波器、三阶滤波器……等；根据滤波器的电路是数字的还是模拟的，可将滤波器分为数字滤波器和模拟滤波器两类；根据构成滤波器的元件类型，可分为RC、LC或晶体谐振滤波器；根据构成滤波器的电路性质，可分为⽆源滤波器和有元滤波器；最常⽤的是根据滤波器的通频带可将滤波器分为低通、⾼通、带通和带阻类型。

1测试系统的组成及各部分的作用？测量对象，传感器（感受被测量量并将其转化成电信号），信号调理电路（将电信号衰减、放大、转换、调制和解调、运算和数字化处理），输出装置（显示和记录结果）2信号的分类？信号的描述方法？信号分为确定性信号和非确定性信号（随机），确定性信号分为周期信号和非周期信号。

周期信号分为简谐信号、多谐复合信号、伪随机信号。

非周期信号分为准周期信号和瞬变信号非确定性信号又名随机信号，包括平稳随机信号（各态历经信号，非各态历经信号），非平稳信号。

描述方法；时域描述：反映信号随时间t 变化的总体情况。

频域描述：揭示信号各分量的频率构成。

3A/D 转换的过程？信号数字化过立程中遇到的问题及解决方法（频混、频谱泄露）？什么是采样定理？采样，量化，编码混频现象，采样频率必须大于或等于2倍的x(t)最高频率的两倍量化误差，可提高量化电平的精度频谱泄露，选择主瓣尽可能窄，旁瓣尽可能小且衰减的快。

采样频率)/2(s s T πω=或)/1(s s T f =必须大于或等于信号)(t x 中的最高频率m ω的两倍，这就是采样定理。

表达式：m s f f 22m s ≥≥或ωω4信号频谱分析的步骤？周期信号和非周期信号的频谱分析及其频谱的特点。

1将时域转变为频域 2 信号分解：将复杂信号转变为基本信号 3求幅值频谱，相位频谱 4画图周期信号：离散性，谐波性，收敛性非周期：无穷多且不可列性，连续性，收敛性分析公式看书5傅立叶变换的性质？常用信号的频谱（如δ函数、正余弦函数、周期单位脉冲函数等）。

1线性叠加性 2尺度展缩性 3对称性 4时移性质 5频移性质 6卷积 7微分与积分 6随机信号概念及分类，随机信号的统计特性。

随机信号它所描述的物理现象是一种随机过程，其变化过程无法用确定的数学关系来描述，不能预测其未来瞬间任何值。

平稳随机信号和非平稳随机信号；统计特征：均值，均方差，方差9测试系统的静态特性及其静态特性参数。