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1、机械工程测试与信号处理,主讲:范良志武汉科技学院机电学院,课程内容,本课程主要介绍工业自动化领域中常见物理量（压力、应变、位移、加速度、温度等）的传感器测量原理、测量电路原理和信号分析方法。,基于项目的学习,轨迹跟踪,培养学生在实践中对知识融会贯通，独立学习和解决问题的能力。,打算：开设一门独立于课程之外的测控实验课。,仓储模型,机械手,AGV小车,基本概念,测试技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数测量必不可少的手段，起着人的感官的作用。,简单的测试系统可以只有一个模块，如玻璃管温度计。它直接将被温度变化转化液面示值。没有电量转换和分析电路，很简单，但精度底，无法实现测量自动化。,为提高测
2、量精度和自动化程度，以便于和其它环节一起构成自动化装置，通常先将被测物理量转换为电量，再对电信号进行处理和输出。如图所示的声级计。,存在的问题：1.测试技术应用、发展部分空洞；2.传感器部分没有实物对象、枯燥无味；3.信号分析理论部分深奥、难懂。,煤气包高度测量 桥梁固频测量 机翼模态分析 索道检测,测试技术的工程应用,1、工业自动化中的应用,a)机械手、机器人中的传感器 转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。,在各种自动控制系统中，测试环节起着系统感官的作用，是其重要组成部分。,机械手装配模型,机器狗,b)AGV自动送货车
3、,超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器运动轨迹和AGV小车位置识别；条形码传感器，货品识别。,香港理工AGV模型,c)生产加工过程监测,切削力传感器，加工噪声传感器，超声波测距传感器、红外接近开关传感器等。,数字化工厂,2、流程工业设备运行状态监控,在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在线监测系统。,3、产品质量测量,在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。,图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试
4、，工程师可以了解产品质量。,汽车扭距测量,机床加工精度测量,4、楼宇控制与安全防护,为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。,图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监控。,5、家庭与办公自动化,在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。,全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器(洗净度)液位传感器，电阻传
5、感器(衣物烘干检测)。,指纹传感器,透光率传感器,6、其他应用,航天,农业,交通,医学,鼠标:光电位移传感器,摄象头:CCD传感器,声位笔:超声波传感器,麦克风:电容传声器,声卡:A/D卡+D/A卡,软驱:速度,位置伺服,7、PC机中的测试技术应用,第一章 信号描述及其分析基础,1.1 概述 信号的分类主要是依据信号波形特征来划分的，在介绍信号分类前，先建立信号波形的概念。,信号波形：被测信号信号幅度随时间的变化历程称为信号的波形。,信号波形图：用被测物理量的强度作为纵坐标，用时间做横坐标，记录被测物理量随时间的变化情况。,第一章 信号描述及其分析基础,为深入了解信号的物理实质，将其进行分类研
6、究是非常必要的，从不同角度观察信号，可分为：,第一章 信号描述及其分析基础,第一章 信号描述及其分析基础,5 从可实现性-物理可实现信号与物理不可实现信号。,1 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号。不能用数学关系式描述的信号称为非确定性信号。,周期信号：经过一定时间可以重复出现的信号 x(t)=x(t+nT),简单周期信号,复杂周期信号,准周期信号:由多个周期信号合成，但各信号频率不成公倍数。如：x(t)=sin(t)+sin(2.t),瞬态信号:持续时间有限的信号，如 x(t)=e-Bt.Asin(2*pi*f*t),b)非周期信号：在不会重复出现的信号。
7、,c)非确定性信号：不能用数学式描述，其幅值、相位变化不可预知，所描述物理现象是一种随机过程。,噪声信号(平稳),2 能量信号与功率信号,a)能量信号 在所分析的区间（-，），能量为有限值的信号称为能量信号，满足条件：,一般持续时间有限的瞬态信号是能量信号。,b)功率信号 在所分析的区间（-，），能量不是有限值此时，研究信号的平均功率更为合适。,一般持续时间无限的信号都属于功率信号:,3 时限与频限信号,a)时域有限信号在时间段(t1，t2)内有定义，其外恒等于零,b)频域有限信号在频率区间(f1，f2)内有定义，其外恒等于零,4 连续时间信号与离散时间信号,a)连续时间信号:在所有时间点上有
8、定义,b)离散时间信号:在若干时间点上有定义,5 物理可实现信号与物理不可实现信号,物理可实现信号：又称为单边信号，满足条件：t0时，x(t)=0，即在时刻小于零的一侧全为零。,b)物理不可实现信号：在事件发生前(t0)就预制知信号。,5 物理可实现信号与物理不可实现信号,第一章 信号描述及其分析基础,信号的数字特征峰值 峰峰值 均值 均方值 均方根值,相关性分析,统计学中用相关系数来描述变量x，y之间的相关性。是两随机变量之积的数学期望，称为相关性，表征了x、y之间的关联程度。,x(t),y(t),这时可以引入一个与时间有关的量，称为函数的相关系数，简称相关函数，并有：,相关函数反映了二个信
9、号在时移中的相关性。,相关函数描述了两个信号间或信号自身不同时刻的相似程度，通过相关分析可以发现信号中许多有规律的东西。,（1）自相关函数是 的偶函数，RX()=Rx(-)；,（2）当=0 时，自相关函数具有最大值。,（3）周期信号的自相关函数仍然是同频率的周期信号，但不保留原信号的相位信息。,（4）随机噪声信号的自相关函数将随 的增大快速衰减。,（5）两周期信号的互相关函数仍然是同频率的周期信号，且保留原了信号的相位信息。,（6）两个非同频率的周期信号互不相关。,相关分析的工程应用,案例：机械加工表面粗糙度自相关分析,被测工件,相关分析,性质3,性质4:提取出回转误差等周期性的故障源。,周期
10、信号及其频谱,信号频域分析是采用傅立叶变换将时域信号x(t)变换为频域信号X(f)，从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。,信号频谱X(f)代表了信号在不同频率分量成分的大小，能够提供比时域信号波形更直观，丰富的信息。,时域分析与频域分析的关系,时域分析只能反映信号的幅值随时间的变化情况，除单频率分量的简谐波外，很难明确揭示信号的频率组成和各频率分量大小。,图例：受噪声干扰的多频率成分信号,时域和频域的对应关系,131Hz,147Hz,165Hz,175Hz,频域参数对应于设备转速、固有频率等参数，物理意义更明确。,周期信号傅里叶级数的表达形式：,变形为：,式中:,傅里叶级数的复数表达形式
11、：,T周期，T=2/0；0基波圆频率；f0=0/2,频谱图,工程上习惯将计算结果用图形方式表示，以fn(0)为横坐标，bn、an为纵坐标画图，称为实频虚频谱图。,图例,以fn为横坐标，An、为纵坐标画图，则称为幅值相位谱；,以fn为横坐标，为纵坐标画图，则称为功率谱。,非周期信号的傅立叶变换,非周期信号是时间上不会重复出现的信号，一般为时域有限信号，具有收敛可积条件，其能量为有限值。这种信号的频域分析手段是傅立叶变换。,或,求解：,与周期信号相似，非周期信号也可以分解为许多不同频率分量的谐波和，所不同的是，由于非周期信号的周期T，基频fdf，它包含了从零到无穷大的所有频率分量，各频率分量的幅值为X(f)df，这是无穷小量，所以频谱不能再用幅值表示，而必须用幅值密度函数描述。,另外，与周期信号不同的是，非周期信号的谱线出现在0,fmax的各连续频率值上，这种频谱称为连续谱。,
