工程測試與信息處理

前言

　　信息的獲取是人類最基本的活動之一，人類可通過感覺器官獲取滿足生活的大量信息。但在浩瀚的科學技術領域中欲獲取揭示事物內(nèi)在規(guī)律的信息，無論在獲取信息的幅值上，還是時間、空間上，或在分辨信息的能力方面，人類的感覺和大腦功能是十分有限的。測試作為定量地獲取事物信息的一種手段，而成為現(xiàn)代科學技術研究的一個重要領域。測試技術是一門專業(yè)技術基礎課程。本教材針對各專業(yè)測試工作中的共性問題展開系統(tǒng)討論，以測試技術涵蓋的經(jīng)典內(nèi)容為重點，適當介紹測試技術發(fā)展中的新技術，新內(nèi)容，力求讓讀者較全面地理解及掌握測試技術。　　本書共分為三篇11章內(nèi)容：第一篇為工程測試技術基礎篇；第二篇為工程測試應用篇；第三篇為測試信號處理篇?！　【w論簡要介紹了測試技術及信息處理的內(nèi)涵和發(fā)展趨勢，重點闡明本教材的特點及目的；第1章工程測量的基礎知識介紹了測量的基本方法、標準量及其傳遞及現(xiàn)代測試系統(tǒng)的組成作初步介紹。第2章工程信號的分析及處理基礎介紹了信號的分類及描述方法和典型的動態(tài)激勵信號，重點討論了工程中常見的周期信號和時限信號的分解及頻譜分析方法和隨機信號的分析方法，為信號的可測性提供依據(jù)。第3章測試系統(tǒng)及基本特性針對動態(tài)測試的特點，研究測量系統(tǒng)的基本特性及其分析方法。第4章工程測試中的傳感器技術將傳感器按其工作原理分類，闡述其工作原理、結構及特性。第5章信號調(diào)理、顯示及記錄儀器介紹了信號調(diào)理中的信號放大、濾波、調(diào)制解調(diào)等重要單元，分析研究其工作原理和用途，同時討論了常見的顯示方式。第6章計算機化測試技術介紹了采樣定理、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機輔助測試技術中常用的接口技術、儀器總線及虛擬儀器系統(tǒng)。第7章試驗數(shù)據(jù)處理主要介紹了實驗數(shù)據(jù)的表示方法及回歸分析方法。第8章誤差分析及不確定度評估主要介紹了誤差的基本概念及A類、B類不確定度評估的方法。第9章常用參量測量介紹了工程中常見的參量（如應力、應變、力、壓力、流量、噪聲、溫度、位移、速度、加速度、振動等的測量）。第10章數(shù)字信號處理基礎講述數(shù)字信號分析、處理方法，重點討論窗函數(shù)、離散傅里葉變換（DFT）、快速傅里葉變換（FFT）及數(shù)字濾波器。第11章工程測試信號處理討論了常用的數(shù)據(jù)處理方法，重點介紹了信號的相關分析、功率譜分析、倒頻譜分析、頻譜細化分析、小波變換，還介紹了數(shù)字濾波及動態(tài)補償技術。

內(nèi)容概要

　　《工程測試與信息處理（第2版）》詳細介紹了工程測量的基礎知識、工程信號的可測性分析方法、測試系統(tǒng)的基本特性、工程測試中常用傳感器技術、常用信號調(diào)理及記錄儀器、計算機在測試技術中的應用、常用參量測量技術、測試信號處理的數(shù)字信號分析基礎及工程測試中的常用測試信號處理方法?！　楸阌谧x者學習和掌握《工程測試與信息處理（第2版）》的主要內(nèi)容，每章都列出學習要點、配有一定的工程應用實例及習題?！　　豆こ虦y試與信息處理（第2版）》可作為機械設計制造及其自動化、武器系統(tǒng)與發(fā)射工程、地面武器機動工程、過程裝備與控制工程、測控技術及儀器、精密儀器與機械及機械電子工程等專業(yè)的教科書或參考書，亦可供相關專業(yè)的研究生、教師及工程技術人員參考。

書籍目錄

緒論第一篇 工程測試技術基礎篇第1章 測量的基礎知識1.1 測量的基本方法1.1.1 直接測量1.1.2 間接測量1.1.3 組合測量1.1.4 軟測量1.2 標準量及其傳遞1.2.1 SI的構成1.2.2 SI基本單位1.3 非電量電測系統(tǒng)的組成習題第2章 工程信號描述及其分析方法2.1 概述2.2 工程信號的分類2.2.1 確定性信號2.2.2 隨機信號2.3 周期信號2.3.1 周期信號的分解和頻譜2.3.2 周期信號的可測性分析2.4 時限信號(瞬態(tài)信號)2.4.1 時限信號的分解和頻譜2.4.2 時限信號與周期信號的異同點2.4.3 時限信號的可測性分析2.5 隨機信號2.5.1 隨機信號的特征參數(shù)2.5.2 隨機信號的幅值域特征估計2.6 典型激勵信號2.6.1 沖激函數(shù)及其譜分析2.6.2 單位階躍信號及其譜分析2.6.3 單位斜坡信號及其譜分析習題第3章 測試系統(tǒng)及基本特性3.1 概述3.1.1 測量系統(tǒng)的基本要求3.1.2 線性系統(tǒng)及其主要性質(zhì)3.1.3 測量系統(tǒng)選用注意事項3.2 測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性3.2.1 靈敏度3.2.2 量程及測量范圍3.2.3 非線性3.2.4 遲滯性3.2.5 重復性3.2.6 準確度3.2.7 分辨率3.2.8 漂移3.3 測量系統(tǒng)靜態(tài)特性獲取方法3.4 測量系統(tǒng)動態(tài)特性3.4.1 動態(tài)參數(shù)測試的特殊問題3.4.2 測量系統(tǒng)動態(tài)特性的分析方法及技術指標3.4.3 測量系統(tǒng)的數(shù)學模型3.4.4 傳遞函數(shù)3.4.5 頻率響應函數(shù)3.4.6 沖激響應函數(shù)3.5 測量系統(tǒng)動態(tài)特性分析3.5.1 典型系統(tǒng)的頻率響應3.5.2 典型激勵的系統(tǒng)瞬態(tài)響應3.5.3 相似系統(tǒng)3.6 測量系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù)獲取方法3.7 測量系統(tǒng)無失真測試條件3.8 動態(tài)誤差修正3.8.1 頻域修正方法3.8.2 時域修正方法習題第4章 工程測試中的傳感器技術4.1 概述4.2 應變式電阻傳感器4.2.1 金屬電阻應變片4.2.2 半導體應變片4.2.3 電阻應變片的選用注意事項4.2.4 應變片的粘貼4.2.5 電阻應變片的測量電路4.3 電感式傳感器4.3.1 自感式傳感器4.3.2 互感式傳感器4.3.3 電渦流傳感器4.4 電容傳感器4.4.1 工作原理與結構4.4.2 電容傳感器的性能改善4.5 磁電式傳感器4.5.1 電磁感應式傳感器4.5.2 霍耳傳感器4.6 壓電式傳感器4.6.1 壓電效應4.6.2 壓電傳感器的測量電路4.6.3 應用4.7 光電式傳感器4.7.1 光電效應4.7.2 光電器件4.7.3 光纖傳感器4.7.4 紅外傳感器4.7.5 光柵4.7.6 光電編碼器4.8 熱電式傳感器4.8.1 熱電偶4.8.2 熱電阻4.8.3 熱敏電阻4.9 智能傳感器4.9.1 智能傳感器的結構4.9.2 智能傳感器的功能4.9.3 智能傳感器的特點習題第5章 信號調(diào)理、顯示及記錄儀器5.1 濾波器5.1.1 濾波器的基本參數(shù)5.1.2 一階無源濾波器5.1.3 有源濾波器5.1.4 開關電容濾波器5.2 信號放大電路5.2.1 運算放大器5.2.2 實際運算放大器存在的問題5.2.3 測量放大器5.2.4 程控放大器5.3 調(diào)制與解調(diào)5.3.1 幅值調(diào)制與解調(diào)5.3.2 頻率調(diào)制與解調(diào)5.4 模擬顯示5.4.1 動圈式顯示儀表5.4.2 自平衡式顯示儀表5.5 數(shù)字顯示：5.5.1 發(fā)光二極管(LED)5.5.2 液晶顯示習題第6章 計算機化測試技術6.1 概述6.1.1 智能測量儀器6.1.2 計算機自動測試系統(tǒng)6.1.3 計算機數(shù)據(jù)處理6.2 采樣6.2.1 采樣過程6.2.2 采樣定理6.2.3 量化6.2.4 編碼6.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6.3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要組成6.3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要性能指標6.3.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構形式6.4 計算機輔助測試技術中的接口技術6.4.1 概述6.4.2 RS232C標準接口總線6.4.3 GPIB標準接口總線6.4.4 其他標準接口總線簡介6.5 總線系統(tǒng)6.5.1 VxI總線系統(tǒng)6.5.2 PXI總線系統(tǒng)6.6 虛擬儀器系統(tǒng)6.6.1 概述6.6.2 虛擬儀器的結構及特點6.6.3 虛擬儀器的系統(tǒng)組成6.6.4 虛擬儀器軟件開發(fā)平臺習題第7章 實驗數(shù)據(jù)處理7.1 概述7.2 實驗數(shù)據(jù)的表示方法7.2.1 表格法7.2.2 圖解法7.2.3 經(jīng)驗公式7.2.4 有效數(shù)字及數(shù)據(jù)修約7.3 回歸分析及其應用7.3.1 一元線性回歸7.3.2 多元線性回歸7.3.3 非線性回歸7.3.4 回歸分析應用舉例習題第8章 誤差分析及不確定度評估8.1 誤差的定義及分類8.1.1 誤差的概念8.1.2 誤差的分類8.I.3 誤差的表示方法8.1.4 表征測量結果質(zhì)量的指標8.2 不確定度評定的基本知識8.2.1 有關不確定度的術語8.2.2 產(chǎn)生測量不確定度的原閑和測量模型8.3 標準不確定度的A類評定8.3.1 單次測量結果實驗標準差與平均值實驗標準差8.3.2 最小二乘法8.3.3 不確定度A類評定的獨立性8.3.4 不確定度A類評定的自由度和評定度8.4 標準不確定度的B類評定8.4.1 不確定度B類評定的信息來源8.4.2 不確定度的B類評定方法8.4.3 標準不確定度B類評定的流程8.5 合成標準不確定度的評定8.5.1 輸入量不相關時不確定度的合成8.5.2 輸入量相關時不確定度的合成8.5.3 合成標準不確定度的自由度8.5.4 合成不確定度的計算流程8.6 擴展不確定度的評定及報告形式8.6.1 擴展不確定度的評定8.6.2 測量不確定度的報告與表示習題第二篇 工程測試應用篇第9章 常用參量測量9.1 應力、應變及力的測量9.1.1 力值傳遞9.1.2 應變、應力的測量9.1.3 力的測量9.1.4 測力傳感器的標定9.2 壓力測量9.2.1 概述9.2.2 常用測壓傳感器9.2.3 動態(tài)壓力測量時管道傳輸效應9.2.4 測壓系統(tǒng)的標定9.3 流量測量9.3.1 概述9.3.2 常用流量計9.3.3 流量計的定度9.4 噪聲測量9.4.1 噪聲測量的基礎知識9.4.2 常用噪聲測量儀器9.4.3 噪聲測量的方法9.4.4 噪聲測量不確定度的影響因素9.5 溫度測量9.5.1 概述9.5.2 接觸式溫度測量9.5.3 非接觸式溫度測量9.6 位移、速度及加速度的測量9.6.1 概述9.6.2 位移測量9.6.3 速度測量9.6.4 加速度測量9.7 機械振動測試9.7.1 概述9.7.2 測振系統(tǒng)的組成及合理選擇9.7.3 振動系統(tǒng)特性測試9.7.4 機械阻抗測試9.7.5 振動分析方法及儀器習題第三篇 測試信號處理篇第10章 數(shù)字信號處理基礎10.1 數(shù)字信號的截斷及窗函數(shù)10.1.1 信號的截斷及能量泄漏10.1.2 常用窗函數(shù)10.2 離散時間信號變換10.2.1 DFS(離散傅里葉級數(shù))10.2.2 DFT(離散傅里葉變換)10.2.3 DFT的主要性質(zhì)10.3 FFT(快速傅里葉變換)10.3.1 DFT直接計算的工作量10.3.2 提高DFTr運算效率的思路10.3.3 FFT算法10.4 數(shù)字濾波器10.4.1 數(shù)字濾波器的分類10.4.2 IIR數(shù)字濾波器的設計10.4.3 FIR數(shù)字濾波器設計習題第11章 工程測試信號處理11.1 工程測試信號處理的目的11.2 相關分析及其應用11.2.1 隨機信號的相關函數(shù)11.2.2 信號相關函數(shù)的實現(xiàn)11.2.3 信號相關的物理解釋=和工程應用11.3 功率譜分析及其應用11.3.1 定義11.3.2 物理意義11.3.3 功率譜分析的實現(xiàn)11.3.4 功率譜的應用11.3.5 相干函數(shù)11.4 倒頻譜技術11.4.1 倒頻譜分析的基本原理11.4.2 倒頻譜分析的意義11.4.3 倒頻譜技術的應用11.5 頻譜細化分析11.5.1 基于復調(diào)制的FFT方法11.5.2 相位補償細化方法11.5.3 應用……參考文獻

章節(jié)摘錄

　　由信息論的觀點看，信息是客觀事物的時間、空間的特殊性，是無所不在、無時不有的，是一個“場”的概念。人們?yōu)榱四承┨囟ǖ哪康?，將需研究的那些信息以各種技術手段表達出來，這種對信息的表達形式稱為“信號”。因此信號是某一特定信息的載體，在測試過程中，需要對測試信號進行分析及處理，才能獲得信息?！　⌒盘柗治龅哪康氖鞘刮覀兡軌蚋佑行У貜谋粶y對象中獲得有用信息，常用的方法是將復雜信號分解為若干簡單信號分量疊加，并以這些分量的組成情況去考察信號的特性，從而使復雜問題簡單化。信號分析中一個最基本的方法：把頻率作為信號的自變量，在頻域里進行信號的頻譜分析，研究信號的幅頻特性和相頻特性。如在動態(tài)測試過程中，需對被測信號進行頻譜分析，以確定所選的傳感器的頻率響應范圍?！　⌒盘柼幚硎侵笇π盘栠M行某種加工變換或運算（如濾波、變換、增強、壓縮、估計、識別等），來獲取信息或?qū)⒅D換成人們希望的另一種信號形式。信號處理包括時域和頻域兩部分。如采用模擬低通濾波器對加速度傳感器輸出的振動信號進行濾波，可以避免信號混疊現(xiàn)象的發(fā)生?！　?.本書的特點及目的　　本課程主要討論機械工程動態(tài)測試中的傳感器、中間變換電路及記錄顯示分析設備的工作及原理，測量系統(tǒng)的靜、動態(tài)特性的評價方法，測量信號的描述、分析和處理，計算機化測試系統(tǒng)的應用，常用物理量的動態(tài)測試方法等?！　Ω叩葘W校機械工程各有關專業(yè)來說，本課程是一門技術基礎課。本課程是數(shù)學、物理學、電工學、電子學、力學、控制工程及計算機技術等課程的綜合應用。本課程具有很強的實踐性，只有在學習過程中密切聯(lián)系實際，加強實驗，注重物理概念的理解，才能真正掌握有關知識。本課程在教學環(huán)節(jié)中安排了相關的必要實驗，學習中學生必須主動積極地參加實驗，才能受到應有的實驗能力的訓練，才能獲得關于動態(tài)測試T作的完整概念，也只有這樣，才能初步具有處理實際測試工作的能力。

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