6 第3章 测试系统特性分析

机械工程测试技术教案第一章绪论一、教学目的及要求使学生掌握测试系统的基本概念。

学生应了解测试系统的功能结构，静、动态测试的概念等。

二、主要内容测试技术的在机械工程中的意义；测试系统的组成；课程性质；基本内容及学习方法四、教学重点：静态测试与动态测试的概念。

测试系统的组成。

五、教学难点：动态测试概念的建立六、教学过程：(见讲义)八、思考题：根据日常观察，是建立一套结构应力测试系统，要求画出框图即可。

九、作业：静态测试与动态测试系统的构成有何不同十、教学参考书：黄长艺，严普强. 机械工程测试技术基础. 机械工业出版社. 1994年11第二章信号分析一、教学目的及要求使学生掌握确定性信号分析的基本理论和方法；二、主要内容信号的分类；信号的时域和频域描述；周期信号与离散频谱；瞬变非周期信号与连续频谱；脉冲信号及其频谱；正弦函数和余弦函数的频谱四、教学重点：周期信号的时域定义、傅立叶级数表达及其离散频谱λ瞬变非周期信号的傅立叶变换及其连续频谱λ傅里叶变换的主要性质λ五、教学难点：信号时域分析与频域表达的概念、方法及其相互关系六、教学过程：(见讲义)八、思考题与作业：1、什么是信号的频域描述2、周期信号的时域定义及其判断方法3、确定任意一个谐波的三个要素是什么4、周期信号频谱特点是什么5、周期信号双边频谱与单边频谱间的幅值、相位关系6、傅立叶变换的六个主要性质7、单位脉冲函数的描述（函数值、强度）；t0)，及A，t0的意义-(tδ8、一般脉冲函数的表示方法，即A9、叙述脉冲函数的采样性质、卷积性质、频谱10、写出正弦函数、余弦函数的傅立叶变换习题2-1~2-4第三章测量系统分析一、教学目的及要求使学生们掌握测试系统的静、动态特性分析基本概念、表达方法。

二、主要内容测试系统的误差表达方式，静态特性曲线与静态特性参数λ测试系统的动态特性：线性系统的时域描述、频域描述λ理想频向函数—测试系统实现不失真测试的条件λ四、教学重点：线性系统的时域描述、频域描述，二阶系统的频率特性五、教学难点：线性系统的频率保持特性及其应用；系统时域、频域响应的计算六、教学过程：(见讲义)八、思考题与作业：1、绝对误差、相对误差的表达式2、灵敏度、非线性度、回程误差的定义3、叙述线性系统的5个性质4、什么是系统的脉冲响应函数、频率响应函数，两者的关系是什么5、测试系统在时域和频域分别用什么描述6、输入信号、输出信号、测试装置三者关系的时域描述和频域描述7、测试装置实现不失真测试的时域条件和频域条件8、写出线性定常系统微分方程的一般形式（式3.8）9、根据已知二阶系统的微分方程，推导频率响应函数以及系统的固有频率及阻尼比第四章信号的获取一、教学目的及要求使学生们掌握常用传感器的转换原理、评价以及选用原则。

第一章 测试技术基础知识1.4 常用的测量结果的表达方式有哪3种？对某量进行了8次测量，测得值分别为：82.40、82.43、82.50、82.48、82.45、82.38、82.42、82.46。

试用第3种表达方式表示其测量结果。

解：1）常用的测量结果的表达方式有基于极限误差的表达方式、基于t 分布的表达方式和基于不确定度的表达方式等3种2）基于不确定度的表达方式可以表示为0x s x x x nσ∧=±=±均值为8118i i x x ===∑82.44标准偏差为821()7ii x x s =-==∑0.04样本平均值x 的标准偏差的无偏估计值为ˆ8x sσ==0.014 所以082.440.014x =±第二章 信号描述与分析2.2 一个周期信号的傅立叶级数展开为12ππ120ππ()4(cos sin )104304n n n n n y t t t ∞==++∑（t 的单位是秒） 求：1）基频0ω；2）信号的周期；3）信号的均值；4）将傅立叶级数表示成只含有正弦项的形式。

解：基波分量为12ππ120ππ()|cos sin 104304n y t t t ==+ 所以：1）基频0π(/)4rad s ω=2）信号的周期02π8()T s ω==3）信号的均值42a = 4）已知 2π120π,1030n n n n a b ==，所以 22222π120π()() 4.00501030n n n n n A a b n π=+=+= 120π30arctan arctan arctan 202π10n n nn bn a ϕ=-=-=-所以有0011π()cos()4 4.0050cos(arctan 20)24n n n n a n y t A n t n t ωϕπ∞∞===++=+-∑∑2.3 某振荡器的位移以100Hz 的频率在2至5mm 之间变化。

1 请给出3种家用电器中的传感器及其功能。

洗衣机：水位传感器冰箱：温度传感器彩电：亮度传感器热水器：温度传感器空调：温度传感器2 请给出智能手机中用到的测试传感器。

重力传感器、三维陀螺仪、GPS、温度传感器、亮度传感器、摄像头等。

3 系统地提出（或介绍）你了解的（或设想的）与工程测试相关的某一（小）问题。

考虑通过本门课程的学习，你如何来解决这一问题。

（注意：本题的给出的答案将于课程最后的综合作业相关联，即通过本课程的学习，给出详细具体可行的解决方案）第二章普通作业1请写出信号的类型1)简单周期信号2)复杂周期信号3)瞬态信号准周期信号4)平稳噪声信号5) 非平稳噪声信号第二章 信号分析基础 测试题1. 设时域信号x(t)的频谱为X(f)，则时域信号（C ）的频谱为X(f ＋fo ）。

A . B. C. D.2. 周期信号截断后的频谱必是（A ）的。

A. 连续B. 离散C. 连续非周期D. 离散周期3. 不能用确定的数学公式表达的信号是 (D) 信号。

A 复杂周期B 非周期C 瞬态D 随机4. 信号的时域描述与频域描述通过 (C) 来建立关联。

A 拉氏变换B 卷积C 傅立叶变换D 相乘5. 以下 (B) 的频谱为连续频谱。

A 周期矩形脉冲B 矩形窗函数C 正弦函数D 周期方波6. 单位脉冲函数的采样特性表达式为（A ） 。

)(0t t x -)(0t t x +t f j e t x 02)(π-t f j e t x 02)(πA )(d)()(t xttttx=-⎰∞∞-δB )()(*)(ttxtttx-=-δC )()(*)(t xtt x=δ D 1)(⇔tδ2.6 思考题1) 从下面的信号波形图中读出其主要参数。

解答提示：峰值9.5V，负峰值-9.5V，双峰值19V，均值0V。

周期=0.06/3.5S2) 绘出信号的时域波形解答提示：3) 为什麽能用自相关分析消去周期信号中的白噪声信号干扰。

3测试系统特性分析要进行测试，首先面临的就是如何选择和使用测试装置的的问题，从信号流的角度来看，测试装置的作用就是把输入信号（被测量）进行某种加工处理后将其输出，也就是输出信号（测试结果）。

测试装置对信号做什么样的加工，是有测试装置的特性决定的，所以测试装置的特性直接关系测试的准确度和精度。

由于受测试系统的特性以及信号传输过程中的干扰影响，输出信号的质量必定不如输入信号的质量。

为了正确地描述或反映北侧的物理量，实现“精确测试”或“不失真测试”，测试系统的选择及其传递特性的分析就显得非常重要。

测试系统是指由传感器、信号调理电路、信号处理电路、记录显示设备组成并具有获取某种信息之功能的整体。

测试系统的复杂程度取决于被测信息检测的难易程度以及所采用的实验方法。

对测试系统的基本要求是可靠、实用、通用、经济。

3.1 概述3.1.1测试系统的基本要求测试系统的组成如图3-1所示，由于测试目的和要求不同，测量对象又千变万化，此测试系统的组成、复杂程度都有很大差别。

最简单的测试系统如用来进行温度测试的仅仅是一个液柱式温度计，而较完整的动态特性测试系统，其组成相当复杂。

测试系统的概念是广义的，在测试信号流通过程中，任意连接输入、输出并有特定功能的部分，均可视为测试系统。

图3-1 测试系统与其输入、输出关系图对测试系统的基本要求就是使测试系统的输出信号能够真实地反映被测物理量的变化过程，不使信号发生畸变，即实现不失真测试。

任何测试系统都有自己的传输特性，当输入信号用x(t)表示，测试系统的传输特性用h(t)表示，输出信号用y(t)表示，则通常的工程测试问题总是处理x(t)、h(t) 和y(t)三者之间的关系，如图3-1所示，即：（1）若输入x(t )和输出y(t)是已知量，则通过输入、输出就可以判断系统的传输特性；（2）若测试系统的传输特性h(t)已知，输出y(t)可测，则通过h(t)和y(t)可推断出对应于该输出的输入信号x(t)；（3）若输入信号x(t)和测试系统的传输特性h(t)已知，则可推断和估计出测试系统的输出信号y(t)。

第二章 信号描述及其分析【2-1】 描述周期信号的频率结构可采用什么数学工具? 如何进行描述? 周期信号是否可以进行傅里叶变换? 为什么?参考答案：一般采用傅里叶级数展开式。

根据具体情况可选择采用傅里叶级数三角函数展开式和傅里叶级数复指数函数展开式两种形式。

不考虑周期信号的奇偶性,周期信号通过傅里叶级数三角函数展开可表示为:001()sin()(1,2,3,)n n n x t a A n n ωϕ∞==++=∑2021()T T a x t dt T-=⎰n A =(2022()cos T n T a x t n tdt T ω-=⎰ 202()sin T n T b x t n tdt Tω-=⎰ )tan n n n b a ϕ=式中，T 为信号周期, 0ω为信号角频率, 02T ωπ=。

n A ω-图为信号的幅频图, n ϕω-图为信号的相频图。

周期信号通过傅里叶级数复指数函数展开式可表示为:0()(0,1,2,)jn tnn x t C e n ω∞=-∞==±±∑0221()T jn t n T C x t e dt Tω--=⎰n C 是一个复数,可表示为:n j n nR nI n C C jC C e ϕ=+=n C = arctan n nI nR C ϕ=n C ω-图为信号的幅频图, n ϕω-图称为信号的相频图。

▲ 不可直接进行傅里叶变换,因为周期信号不具备绝对可积条件。

但可间接进行傅里叶变换。

参见书中第25页“正弦和余弦信号的频谱”。

【2-2】 求指数函数()(0,0)at x t Ae a t -=>≥的频谱。

参考答案：由非周期信号的傅里叶变换，()()j t X x t e dt ωω∞--∞=⎰，得22()()j tA a j X x t edt A a j a ωωωωω∞--===++⎰由此得到，幅频谱为：()X ω=相频谱为： ()arctan()a ϕωω=-【2-3】 求周期三角波（图2-5a ）的傅里叶级数（复指数函数形式）参考答案：周期三角波为： (2)20()(2)02A A T tT t x t A A T tt T +-≤<⎧=⎨-≤≤⎩则0221()T jn t n T C x t e dt T ω--=⎰积分得 02222204(1cos )(1cos )2n A T AC n n n T n ωπωπ=-=- 即 22()1,3,5,00,2,4,n A n n C n π⎧=±±±=⎨=±±⎩又因为周期三角波为偶函数，则0n b =，所以arctan 0n nI nR C C ϕ==所以，周期三角波傅里叶级数复指数形式展开式为：00(21)222()(0,1,2)(21)jn tj k tnn n A x t C ee k k ωωπ∞∞+=-∞=-∞===±±+∑∑【2-4】 求图2-15所示有限长余弦信号()x t 的频谱。

测试技术主要内容本页仅作为文档封面，使用时可以删除This document is for reference only-rar21year.March机械工程测试技术主要知识点绪论1)测试系统的组成第一章信号的描述2)信号的分类什么是确定信号，什么是周期信号什么是非周期信号什么是准周期信号什么是非确定性信号确定性信号：能用明确的数学关系式或图像表达的信号称为确定性信号非确定性信号：不能用数学关系式描述的信号周期信号(period signal)：依一定的时间间隔周而复始、重复出现；无始无终。

一般周期信号：（如周期方波、周期三角波等）由多个乃至无穷多个频率成分（频率不同的谐波分量）叠加所组成，叠加后存在公共周期。

准周期信号(quasi-periodic signal)：也由多个频率成分叠加而成，但不存在公共周期。

（实质上是非周期信号）3)离散信号和连续信号能量信号和功率信号什么是能量（有限）信号—总能量是有限的什么是功率（有限）信号信号在有限区间（t1, t2）上的平均功率是有限的4)时域信号和频域信号以时间为独立变量，描述信号随时间的变化特征，反映信号幅值与时间的函数关系以频率为变量建立信号幅值、相位与频率的函数关系5)一般周期信号可以利用傅里叶展开成频域信号6)傅里叶级数展开和傅里叶变换的定义和公式傅里叶变换的主要性质傅里叶变换：傅里叶变换：性质：对称性：X(t) x(-f )尺度改变性频移特性1)把时域信号变换为频域信号，也叫做信号的频谱分析。

2)求方波和三角波的频谱，做出频谱图，分别用三角函数展开式和傅里叶级数展开式傅里叶变换……3)非周期信号的频谱分析通过傅里叶变换4)周期信号和非周期信号的频谱的主要区别周期信号的频谱是离散的，非周期信号的频谱是连续的求单边指数衰减函数的傅里叶变换（频谱）5)随机信号的描述，可分成足什么条件在随机信号的实际测试工作中，为什么要证明随机过程是各态历经的随机信号必须采用概率和统计的方法进行描述工程中绝大多数随机过程假定符合各态历经过程，则可用测得的有限样本记录来代表总体过程，否则理论上要测量无穷个样本才能描述该过程6)脉冲函数的频谱什么是脉冲函数的筛选性质矩形窗函数平稳随机过程和非平稳随机过程，平稳随机过程又可分为各态历经和非各态历经两类，各态历经随机过程的统计特征参数满的频谱sinc函数的定义单边指数函数的频谱单位阶跃函数的频谱δ函数具有等强度、无限宽广的频谱，这种频谱常称为“均匀谱”。