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机械工程测试技术
绪论
测试信号的描述与分析
测试系统的基本特性
常用传感器
模拟信号处理
数字信号处理
计算机与虚拟仪器测试技术
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主要内容
1.数字信号处理的基本问题
2.3.4.5.6.7.9.略
8.微型计算机在测试技术中的应用举例
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第六章 数字信号处理
6.1 数字信号处理的基本问题
数字信号处理（Digital Signal Processing,简称DSP）
是利用计算机或专用数字信号处理设备，以数字形式对信号
进行采样、变换、调理、滤波及计算等处理，以得到人们所
需要的有用信息。
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6.1.1 时域采样和采样定理
图中 x(t )为连续信号，g (t )为等间隔采样脉冲，Ts为采样
间隔，一般取等间隔，而 x(nTs ) 则为 x(t ) 的等间隔的采样，它
是离散序列。
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6.1.1 时域采样和采样定理
能否用离散序列 x(nTs ) 来唯一地确定和复原原来的连续信号 x(t )
Ts 选得太大，则无法用 x(nTs )来表
征 x(t ) ，如果 Ts 太小，对定长的时间
记录来说，得到的离散序列就会很长，
离散数据的数据量就会很大，这就会
大大增加运算处理的工作量；
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6.1.1 时域采样和采样定理
如果数字序列长度一定，则只能处理很短的时间历程，
可能产生较大的误差。 究竟选多大合适呢？
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6.1.1 时域采样和采样定理
X(0), X(1), X(2), ……, X(n)
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6.1.1 时域采样和采样定理
最少2点:
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一、时域采样和采样定理
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6.1.1 时域采样和采样定理
X ( f )  G( f )
x(t ) g (t )
1
X ( f )  G( f )  X ( f ) 
Ts

n
1

(
f

)


Ts
Ts
n 
采样定理
fs 


n 
X( f 
n
)
Ts
1
 2 fc
Ts
fc 为信号最高频率。实际应用中常取 f s  (3 ~ 4) fc
若被分析的信号中含有高频分量，则其频带可延伸到一个很
宽的区域。如果我们确知这个高频部分是由噪声干扰所致，为
了满足采样定理而又不致使处理数据过长，可以把信号先进行
低通滤波处理。
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6.1.2
量化与编码
经过采样所得的离散信号需要转变为数字信号才能送
入计算机处理，实现这一转换的器件通常是模拟/数字转换
器，简称A/D转换器
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6.1.2
量化与编码
1、A/D转换
采样――利用采样脉冲序列，从信号中抽取一系列
离散值，使之成为采样信号x(nTs)的过程．
量化――把采样信号经过舍入变为只有有限个有
效数字的数，这一过程称为量化．
编码――将经过量化的值变为二进制数字的过程。
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6.1.2
量化与编码
4位A/D: XXXX
X(1)  0101
X(2)  0011
X(3)  0000
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6.1.3
截断、泄漏和窗函数
因为实际处理的信号只能是有限长，这就需要对过长的信
号时间历程进行截断。截断就是将无限长信号乘以有限宽的窗
函数。
|t|Τ
|t|Τ
1
w(t )  
0
其傅里叶变换为
sin(2 fT )
W ( f )  2T
2 fT
对信号截取一段
x(t )w(t )
X ( f ) W ( f )
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6.1.3
截断、泄漏和窗函数
)
由于 w(t是一个频带无限的函数，所以即使
x(t ) 是限带信号，
而截断后也必然成为无限带宽的函数，这种信号能量的分布扩
展到整个频率轴上的现象称为泄漏
选用什么样的窗函数要根据分析精度和减小泄漏误差的
要求来决定。一般对其频谱的要求为：
（1）主瓣宽度尽可能窄。
（2）旁瓣要小，第一旁瓣与主瓣高度之比尽可能小，每倍
频程旁瓣衰减率要大。
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6.1.3
截断、泄漏和窗函数
设有余弦信号x(t), 用矩形窗函数w(t)与其相乘，
得到截断信号:
y(t) =x(t)w(t)
将 截 断 信 号 谱 XT(ω)
与 原 始 信 号 谱 X(ω) 相
比较可知，它已不是原
来的两条谱线，而是两
段振荡的连续谱. 原来
集中在f0处的能量被分
散到两个较宽的频带中
去了，这种现象称之为
频谱能量泄漏。
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6.1.3
截断、泄漏和窗函数
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6.1.4
频域采样与栅栏效应
对一函数实行采样，即是抽取采样点上对应的函数值。
其效果如同透过栅栏的缝隙观看外景一样，只有落在缝隙前
的景象被看到，其余景象均被栅栏挡住而视为零，这种现象
称为栅栏效应。
减小栅栏效应可用提高频率采样间隔 f 也就是频率分
辨力的方法来解决。间隔越小，频率分辨力越高，被“挡
住”或丢失的频率成分就会越少。
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6.8 微型计算机在测试技术中的应用举例
例1 两路同步数据采集系统
落锤式动态断裂韧性实验是断裂力学研究中的重要实验，
实验中应力和位移两个数据是表征被测金属断裂特性的重要
参数，但由于实验过程瞬时即逝，持续时间大约只有5ms，
因此记录和再现实验过程中这两个参数的动态值对研究金属
材料断裂特性是极为重要的。利用微型计算机和A/D、D/A
转换器构成的数据采集、数据处理、数据再现系统即可实现
以上的功能。其原理图如图6-25所示
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例1 两路同步数据采集系统
图6-25 两路数据采集系统原理框图
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例2 齿轮啮合应力测试装置
齿轮啮合应力的测试是一个重要的指标。测试齿轮啮合应
力要求在齿轮静载到动载的情况下，即高速旋转情况下测试
啮合应力。因此，要求测试装置装在被测齿轮上，能随齿轮
高速旋转。显然，进行这种测试最好的方法是采用离线方式。
测试装置由应变传感器、放大电路、A/D转换及存储电路、
控制电路、地址发生器、接口电路等部分组成。如图6-26
所示
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例2 齿轮啮合应力测试装置
图6-26 测试装置原理框图
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例2 齿轮啮合应力测试装置
传感器为应变片桥路。齿轮啮合时产生的应力变化对应应变
片桥路输出为几百微伏电压。所以放大电路采用两级放大。
A/D转换器采用低功耗，单电源供电的AD7576芯片，其转换
范围为0~2.5V。存储电路用于存放A/D转换器输出的数字信
号，即测试数据。地址发生器生成存储器地址。控制电路控制
A/D转换和数据存储协调进行。接口电路提供测试装置与计算
机之间的接口。
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例3 发动机智能式预行程及转速测量仪
预行程测量仪是内燃机台架试验的关键测试仪器之一。预
行程直接关系到泵的供油量，其数值和离散性是考核泵质
量的重要指标。
对柴油机而言，当凸轮作圆周运动使活塞向上运动至堵
住进油孔时，一定容积的油将被压缩并通过高压油管喷射
出去，预行程就是指活塞从下止点到进油孔之间的距离，
如图6-27所示。
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例3 发动机智能式预行程及转速测量仪
图6-27测试原理图
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例3 发动机智能式预行程及转速测量仪
其测试原理为：当泵开始工作时，位移传感器及其测量线
路测出直线预行程，并将其转换成12位数字量。当活塞达到
预行程点时，被压缩的油使油压迅速升高从而打开单向阀喷
射出去。在预行程点，油压是个突变点，则压力传感器也产
生一个突变上升信号，将此信号经放大，滤去高频噪声，通
过微分电路提取压力信号的上升沿信号，整形后形成一负脉
冲，送给单片机8031，一方面使计算机产生中断响应读取位
移测量值；另一方面启动单片机定时/计数器，因为泵每一周
只有一次喷油信号，故定时/计数器的值可作为泵旋转一周的
时间值，经换算，取其倒数即可求出转速。
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例3 发动机智能式预行程及转速测量仪
图6-28测量仪硬件原理框图
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