第3章-工程信号及其可测性分析-检测技术与仪器-工程测试技术-教学课件.pptx

第第3 3章章 工程信号及其可测性分析工程信号及其可测性分析 3.1 概述概述信号信号是信息的载体，是工程测试的对象。是信息的载体，是工程测试的对象。工程测试中需考虑的问题：工程测试中需考虑的问题：不失真的获取不失真的获取被测信号被测信号 测量系统要具有高的性价比测量系统要具有高的性价比第第3 3章章 工程信号及其可测性分析工程信号及其可测性分析 激励激励（excitationexcitation）：测量系统的输入量。）：测量系统的输入量。响应响应（responseresponse）：测量系统的输出量。）：测量系统的输出量。失真失真：测量系统的：测量系统的响应响应与激励的与激励的不相似了不相似了解释解释“相似相似”。理想的理想的测量测量系统：系统：响应与激励相似响应与激励相似=第第3 3章章 工程信号及其可测性分析工程信号及其可测性分析 与下列因素有关与下列因素有关：与测量系统的特性有关与测量系统的特性有关（将在下一章具体讨论）（将在下一章具体讨论）；与与 的复杂程度有关。的复杂程度有关。有必要了解工程信号的特点及分析方法。有必要了解工程信号的特点及分析方法。第第3 3章章 工程信号及其可测性分析工程信号及其可测性分析 信号分析的主要作用：信号分析的主要作用：分析被测信号的类别、构成及特征参数，分析被测信号的类别、构成及特征参数，使工程测试人员了解被测对象的特征参量，以使工程测试人员了解被测对象的特征参量，以便深入了解被测对象内在的物理本质便深入了解被测对象内在的物理本质被测对被测对象的信息。象的信息。为正确选用和设计测试系统提供依据。如为正确选用和设计测试系统提供依据。如对信号的对信号的有效频带有效频带进行分析，确定相应测试系进行分析，确定相应测试系统的统的工作频带工作频带。第第3 3章章 工程信号及其可测性分析工程信号及其可测性分析 3.2工程信号的分类工程信号的分类根据信号随时间变化的情况可分为：根据信号随时间变化的情况可分为：动态信号：动态信号：随时间变化的信号。随时间变化的信号。静态信号：静态信号：不随时间变化的信号。不随时间变化的信号。（本章主要讨论动态信号）（本章主要讨论动态信号）根据根据信号源的确定性信号源的确定性可分为：可分为：确定性信号确定性信号 非确定性信号（随机信号）非确定性信号（随机信号）第第3 3章章 工程信号及其可测性分析工程信号及其可测性分析 3.2.1 确定性信号1、定义：由确定性对象（信号源）发出的信号。例：单自由度质量弹簧系统作无阻尼自由振动时的位移：mk第第3 3章章 工程信号及其可测性分析工程信号及其可测性分析 2、特点：变化规律由信号源的可控参数确定。3、分类：根据信号的波形是否重复再现可分为：周期信号 非周期信号 直流信号特例，最简单的信号（包含的信息量也最小。不随时间变化）第第3 3章章 工程信号及其可测性分析工程信号及其可测性分析 1）周期信号（定义）按一定周期重复的信号。周期T定义。频率（f）、圆频率（）定义。分类：简谐周期信号：第第3 3章章 工程信号及其可测性分析工程信号及其可测性分析 复杂周期信号：由若干频率之比为有理数的正弦信号组合而成的周期信号。x(t)t0第第3 3章章 工程信号及其可测性分析工程信号及其可测性分析 2）非周期信号特点：没有重复周期。分类：无限延续的信号、瞬态信号（时限信号）。第第3 3章章 工程信号及其可测性分析工程信号及其可测性分析 准周期信号：准周期信号是由一些不同频率的简谐信号合成的，组成它的简谐分量的频率之比不全为有理数。x(t)t0 实际意义不大！实际意义不大！在实用的精度范在实用的精度范围内，它就是周期信号。围内，它就是周期信号。第第3 3章章 工程信号及其可测性分析工程信号及其可测性分析 瞬态信号(时限信号)特点：只在有限的时域取值，而在其余时域数值为瞬态量与周期信号相比：周期为无穷大x（t）t（瞬态量例）x（t）t（瞬态量例）tx（t）（瞬态量例）第第3 3章章 工程信号及其可测性分析工程信号及其可测性分析 直流信号特点：幅值不随时间变化的信号，实质上是频率为的周期信号。分类（方法）按取值情况分：连续信号、离散信号。第第3 3章章 工程信号及其可测性分析工程信号及其可测性分析 连续信号 离散信号t（连续信号例）x（t）x（t）t第第3 3章章 工程信号及其可测性分析工程信号及其可测性分析 3.2.2 不确定信号（随机信号）1、定义不能宏观控制其变化规律的信号，都可称之为随机信号。、统计特点随机信号具有随机特性，每次观测的结果都不相同，无法获得其时域变化规律因为不存在规律。但大部分随机信号都可用概率统计的方法提炼出一些统计特征量，这些特征量往往可以可以描述信号（其实是信号源）的规律。第第3 3章章 工程信号及其可测性分析工程信号及其可测性分析 、分类按概率统计特征可分为：平稳随机信号、非平稳随机信号平稳随机信号：随机信号中统计特征量不随时间变化的信号。非平稳随机信号：随机信号中统计特征量随时间变化的信号。第第3 3章章 工程信号及其可测性分析工程信号及其可测性分析 3.2.3工程信号的描述方法、时域描述定义：以时间作为独立变量，信号幅值为时间的函数。特点：直观。第第3 3章章 工程信号及其可测性分析工程信号及其可测性分析 、频域描述定义：以频率作为独立变量，信号幅值、相位为频率的函数。特点：揭示了信号的频率组成。x（f）f（幅值频率）（f）f（相位频率）第第3 3章章 工程信号及其可测性分析工程信号及其可测性分析 3.3 3.3 周期信号描述及分析周期信号描述及分析 周期信号是按一定的时间间隔T不断重复的量，（n=1、2、）周期信号可分为简单周期信号及复杂周期信号。第第3 3章章 工程信号及其可测性分析工程信号及其可测性分析 3.3.1 简单周期信号1.数学描述第第3 3章章 工程信号及其可测性分析工程信号及其可测性分析 式中说明：x（t）t（时域描述）x（f）f（频域描述幅值）第第3 3章章 工程信号及其可测性分析工程信号及其可测性分析 3.3.2 复杂周期信号如：x（t）t复杂周期信号例（1）x（t）t复杂周期信号例（2）第第3 3章章 工程信号及其可测性分析工程信号及其可测性分析 1.分析方法1）借助于傅里叶级数2）狄里赫利（Dirichlet）条件 根据傅里叶级数理论，在有限区间上，任何可展开成傅里叶级数的周期函数必须满足狄里赫利条件，即函数x(t)在周期T区间上连续或只有有限个第一类间断点；函数x(t)只有有限个极值点；函数收敛。第第3 3章章 工程信号及其可测性分析工程信号及其可测性分析 2）将组成 的各频率谐波信号的三要素 幅值谱图（Amplitude Spectrum）以圆频率 （或频率f）为横坐标，纵坐 标为幅值的图An0(f0)(f)2(f2)0第第3 3章章 工程信号及其可测性分析工程信号及其可测性分析 相位谱图（Phase Spectrum）以圆频率 （或频率f）为横坐标，纵坐 标为幅值的图说明：幅值谱图和相位谱图均由一系列谱线组成，每一个谱线组成对应周期量的一个谐波。123(f)(n)第第3 3章章 工程信号及其可测性分析工程信号及其可测性分析 物理解释第第3 3章章 工程信号及其可测性分析工程信号及其可测性分析 3、分析举例 例3-1 用圆频率为 的正弦信号对圆频率为 的正弦载波进行幅值调制，得到的调幅波的时域表示形式为：求：调幅波的频谱第第3 3章章 工程信号及其可测性分析工程信号及其可测性分析 解：由三角公式得：可见：调幅波是由两个正弦分量合成的，它们是等幅的。分布在载波的两侧，一个频率为载波与调制频率之差 ，另一个为第第3 3章章 工程信号及其可测性分析工程信号及其可测性分析 3.6 3.6 典型激励信号描述典型激励信号描述 激励信号在测试信号的分析中起着重要的作用。工程测试中常通过施加激励信号来求取系统的冲激响应或阶跃响应等，以获得系统的动态特性参数或传感器的灵敏度等。第第3 3章章 工程信号及其可测性分析工程信号及其可测性分析 3.6.3 单位斜坡信号及其频谱1、斜坡信号 斜坡信号也称为斜变信号或斜升信号，指从某一时刻开始随时间成正比例增长的信号。当增长的变化率为1，称单位斜坡信号。r(t)t0单位斜坡信号第第3 3章章 工程信号及其可测性分析工程信号及其可测性分析 2、频谱分析 由傅立叶变换的性质