鞍山科技大学:机械工程测试技术(电子教案).doc
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1、第一章 信号及频谱Chapter 1 Signal and frequency chart第一节 信号的分类及描述Section 1 The classification of the signal and describe一、信息与信号的关系测试工作的首要任务是将信息(状态、运动、特征等)转变成易于传输、记录和分析的信号。信息是被研究对象的状态和特征的表征或反映,如受力构件的应力状态,减振器的阻尼特征等,它是抽象看不见的。而信号是信息的载体,是传载信息的工具,最常用的是电信号,如I、U。二、信号的分类1、确定性信号:能用明确的数学关系式描述的信号,可以准确的预计未来任意时刻信号的值。周期信号
2、:按一定时间间隔T周而复始重复出现的信号,即满足x(t) =x(t+nT)如x(t)t 2瞬变非周期信号:是指不能重复出现的或在一定时间区域内随时间的增长而衰减至零的信号。如x(t)t*准周期信号:由两种以上周期信号合成的,但无公共周期(频率比为无理数)的信号。如2、随机信号:是一种不能准确预测其未来瞬时值,也无法用数学表达式来描述的信号,但可以用概率统计的方法来估计未来值。平稳随机信号:统计特征参数不随时间t变化的随机信号;非平稳随机信号:统计特征参数随时间t变化的随机信号。三、信号的时域描述和频域描述1、信号的时域描述是以时间t为独立变量来描述信号的;它仅反映信号幅值随时间变化的关系规律(
3、快慢),而不能揭示信号的频率组成关系。2、信号的频域描述将时域信号通过分析变为频域信号,即以频率为独立变量来描述信号的。例:周期方波的时域描述:X(t)A0t-A经付氏级数展开的:式中此式说明周期方波是由一系列幅值和频率不等、相角为零的正弦谐波信号叠加成分找出来,按序排列,得出信号的频谱。357357X()幅频图 相频图可见,信号的时域描述直观地反映信号幅值随时间变化的情况,而频域描述则反映信号的频率组成及幅值和相角的大小。第二节 周期信号与离散频谱Period signal with long-lost frequency chart一、付氏级数的三角函数展开任何周期函数x(t)=x(t+n
4、T),在满足狭里赫利条件时,可展开成付氏级数的三角函数形式:式中常量分量:余弦分量幅值:正弦分量幅值:其中:-周期-圆周率,=;n=1,2,3,也可写成模和幅角形式:式中:为n次谐波由上式可见,周期信号是由无穷多个不同频率的谐波叠加而成的。-基频,相应的的信号为基波;-n倍频,相应的信号为n次谐波;-为幅频图;-为相频图。n为正整数,频谱图中得相邻两频率的最小间隔为,所以周期信号的频谱是离散的谱线。例1、 求周期方波的付氏级数AT/4tA-A 根据付氏级数展开式,求:(x(t)为偶函数,为奇函数,x(t)为奇函数,=0) = 频谱图 0 相频图 0 总结:1. 周期信号的频谱是离散的;2. 周
5、期信号的奇偶性;当x(-t)=x(t)时,只有;当x(-t)=x(t)时,只有;3. 周期信号的频谱图永远是“”。二、付氏级数的复指数函数展开式 依欧拉公式:得: 代入付氏基数展开式得:式中:一般为复数,即: 1. 复指数函数展开式的频谱为双边谱,因为从到;三角函数展开式的频谱为单边谱,因为从0到;2. 单边谱的幅值是双边谱的幅值的两倍,即:3. 周期信号频谱的特点: 周期信号的频谱是离散的; 每条谱线之出现在基波频率的整数倍上; 信号各频率分量的谱线高度与对应的谐波的振幅成正比。第三节 非周期信号和连续频谱Section 3 Not period signal with continuous
6、 frequency chart周期信号离散谱线的间隔当时,则周期信号成为非周期信号,其谱线成为连续变化曲线。非周期信号,如: 0 t 0 t 0 t 0 非周期信号由时域频域,采用付氏变换;而周期信号由时域频域,采用付氏基数。一 傅里叶变换(付氏级数)非周期信号的频谱是连续的,可以将其理解为由无穷多个无限接近的频率成分组合而成的。若非周期信号时域用表示,频域用表示则 一般是f的复函数,故: 式中: 注意:周期信号的与非周期信号的重要区别是:的量纲与信号幅值量纲一样;而的量纲与信号幅值量纲不同;它表示单位频宽上的幅值。例:求矩形窗函数的频谱。 1 0 解: 为非周期信号;求频谱要用付氏变换。
7、而有专门的数学用表可查它是以为周期的,随而逐渐衰减,且为偶函数,在处为0, 周期而在处,为0,处为0。 T 0 二、付氏变换的主要性质对于非周期信号,由时域频域时采用付氏变换工具,故掌握付氏变换性质有助于工程实际问题的分析和简化计算。1. 函数的奇偶虚实性:时域 频域、实偶函数 实偶函数实奇函数 虚奇函数2. 线性叠加性若则3. 对称性若证明:将与互换,则有即:4. 时移和频移特性 若 则 时移 频移5. 时间尺度扩缩特性若则应用: 把记录磁带慢录快放,即使时间尺度压缩K1,这样声音发尖,频带加宽,幅值降低; 我们记录一信号非常长的时间,为了在短时间内处理这一信号,就利用时间尺度压缩原理,即K
8、1; 正常录慢放,K1,将时间拉长,一个女同志的声音,就变成了又粗又低的声音,频带变窄,幅值增高; 原子弹爆炸瞬态很快,为研究这一过程,快录慢放,来了解爆炸瞬间的情况,K1,将时间拉长来研究。6. 卷积特性两个函数与的卷积为:卷积特性在信号分析中占有重要的地位;若则 7. 微分和积分特性若则: 应用:若以测得a、v、s 任一信号,即可利用微分、积分来求另一信号。三、几种典型信号的频谱1、矩形窗函数的频谱前面讲过例题,其频谱是连续的,频谱是无限延伸的。 在,当时,峰值最大,称为主瓣;主瓣宽度为2/T,与时域窗宽度T成反比; 两侧其它各谱峰的峰值较低,称为旁瓣。2、单位冲激函数及频谱(1) 函数的
9、定义在时间内的激发一个矩形脉冲,面积为1。当时,的极限,就称为函数,记作,亦称作单位脉冲函数。 0 从函数值极限角度看:从面积(即函数的强度)角度看:(2) 函数的筛选特性若为时域函数,则: =同理有: 该性质主要用于连续信号的离散采样。(3)的频谱 可见,函数具有无限宽广的频谱,且是等强度的,称为“均匀谱”。 1 0 t 0 f 所以称函数是理想的白噪声,它包含了无限宽广的频率信号,很有使用价值;通常给系统施加一个激厉,测系统的的响应怎样;还可以进行模态分析和固有频率的测试. 总结: 时域 频域 单位脉冲 1(均匀谱)逆变换 1 (f=0处有定义)(函数时移) (各频率成分相移角)逆变换:
10、(频移)4. 正余弦函数的频谱依欧拉公式: 利用函数频移后付氏逆变换,得: 第二章测试系统静特性及误差分析Chapter 2 Test system Stabilize characteristic and error margin analysis第一节测试系统的静特性Section 1 Test system Stabilize characteristic测试系统的静特性是指被测信号为定位或变化十分缓慢时测试装置输出与与输入的关系。在静态测量中,当输入信号为静态时输出信号应变为 (2-1)式中均为常数一般说来,不理想的定常线性系统,其输出静是输入的单调、线性比例函数,其中斜率S应是常数。
11、实际的测试系统中并非是理想的定常线性系统,上式不是常数。总的来说:测试系统的静态特性就是在测量静态量的情况下,实际测量装置与理想定常线性系统的接近程度的描述。1.非线性度非线性度是指测试系统的输入、输出关系保持常值线性比例关系的出程度。在静态测量中,定度曲线偏离其拟合在线的程度即为非线性度。非线性度= (2-2)B:一定曲线与拟合直线的最大偏差;A:标称输出范围(范围)拟合直线的确定主要有两种2.灵敏度灵敏度表征的是测试系统对输入信号变化的一种反应能力。若系统的输入有一个增量,引起输出产生相应增量,则定义灵敏度为: (2-3)当输出与输入是线性关系时:(有条零装置) (2-4)这时灵灵敏度 (
12、2-5)灵明度为直线的斜率。当输出与输入为非线关系时灵敏度 (2-6)3.回程误差产生原因:由于仪器仪表中磁性材料的磁滞,弹性材料的迟滞现象以及机械结构的摩擦合游隙等原因。当正向校正曲线与反向校准曲线不重合时,两线最大差值与最大两量程之比。回程误差 (2-7)4.分辨力分辨力是指测试系统所 能检测出来等输入量的最小变化量。5.稳态度稳态度是指测试装置在规定使用条件下保持测量特性不变的能力。6.漂移漂移是指测试系统在输入不变的条件下,输出随时间变化的趋势。漂移可分为7.系统灵敏度当采用多台测试装置串联成一个测量系统是,如图3-2所示:系统总灵敏度为: (2-8)式中:为各台仪器的灵敏度。第二节
13、误差概述Section 2 The error margin says all测量是一个比较的过程,是将被测量与已知标准量进行比较的过程。有误差公里:凡是测量就会产生误差,也就是说,误差自始至终存于一切科学试验和测量中。1.示值及真值示值:测试仪器所指示的测量值。真值:对于所要测量的量来说(客观值),一般是未知的,是一个理想的概念。但往往不需要运用真值。由此引出“约定真值”的概念。“约定真值”可分为三种情况2.绝对误差绝对误差是指测量值与真实值之差。(测量值偏离真值的大小)表示为:,A真值,测量示值。3.相对误差(1)实际相对误差:(2)示值相对误差:(3)满称相对误差: :量程最大值将代入中
14、得到示值相对误差:二、误差分类(1)按误差的表示方法可分为(2)按误差出现的规律可分为(3)按误差来源可分为(4)按被测量随时间变化的速度可分为(5)按使用条件分为(6)按误差与被测量的关系分为本课程主要研究三、精度、精密度、及准确度1.精密度:表示示值的分散程度,表现为示值在平均值左右波动,反应了随机误差的大小和程度,精密度高则随机误差小。2.准确度:表示示值均值的准确程度,表现为均值与真值的相差程度,反映了系统误差的大小和程度。准确度俞低则系统误差俞大。3.精确度(精度):表示精密度和准确度的综合程度。反映了随机误差和系统误差合成的大小和程度。第三节 随机误差Section 3 Rando
15、m error margin error margin随机误差的特点:在测量中是不确定的,对单次测量结果,随机误差大小和符号不确定,但对同一个量进行等精度多次重复测量,随机误差符合统计规律,服从正态分布或t分布.一、随机误差的数字特征离散随机变量的数字特征主要有以下几种:(1)算术平均值(样本平均值)假若有n个测量值,其算术平均值为(2)样本标准差零称为残差,样本标均差: (3)均值标准偏差 n 为测量次数二、正态分布及t分布1.正态分布(高斯分布)随机误差服从正态分布,其概率密度函数为式中:u-总体均值, -总体标准差正态分布具有以下特征:(1)单峰值表现为当x=0最大值为,子误差比大误差出
16、现的机会多;(2)对称性因为是偶函数,故有,绝对值相等的正误差和负误差出现的机会相同。(3)有界性 误差的区间为,但实际上误差只出现在一定的区间内,把作为单次测量随机误差的界限;(4)抵偿性由随差的对称性可知,当测量次数增加到无限多次,随差的算术平均值趋于零。即可增加观测次数来减小随驾误差的影响。假若称为标准正态分布,其概率密度为:,置信概率用表示,可得到.称为显著水平一般.2.t分布有限次测量(nm.特点:(1)将微分方程式转换为一个代数式,便于计算,s的幂次n称为H(s)的阶次,一般nm。(2)H(s)与输入x(t)形式及系统的初始状态无关,它只表达了系统的传输特性;(3)H(s)的分母完
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