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同学们好

智能仪器第二章

介绍测量信息描述

这一章 分四个方面介绍

首先介绍信息 信号与测量的概念

和他们之间的关系

我们常说自己学的是信息类专业

我们学过信号变换 信号处理

那么

什么是信息 什么是信号呢

有些常常张口即用的词

真的解释起来

还有些说不清楚

信息是标志客观事物所包含的时间与空间特征

是客观事物无时不在 无处不在的

场的概念

信号是为了解事物某一本质问题

而提取的这一事物某些方面的特殊性信息

这些特殊信息可以表达成为供仪器观测

分析 处理的方式

信号是表示消息的物理量

例如

电信号可以通过幅度 频率

相位的变化来表示不同的消息

总结起来

信息是描述客观事物的多方面的特征

而信号则是为达到了解客观事物某一方面

特性而从该事物信息中提取的部分特征

通俗地说

信息泛指人类社会传播的一切内容

而信号是信息的载体

表现为一定的物理量

可以用函数 图表等形式描述

智能仪器的测量的目的

就是要从纷繁复杂的信息中

提取需要了解的事物的某些特殊性信息

从而获得

对这一事物的某一本质问题的最大了解

大家都知道

仪器的信息观测是通过传感器采样完成的

那么问题来了

传感器是仪器获取信息的唯一来源吗

显然不是唯一来源

仪器的信息获取

除了传感器

还有A/D转换器

通信接口

人机接口

I/O口等等

仪器利用信息处理还能获得新的信息

随着智能仪器测量参数的增加

随着智能化信息处理能力的增强

已经很难对仪器的多传感器观测

划分出一条

信息与信号的分界线

所以

现在我们讲的信息观测

信号检测 信息处理 信号处理

这里的信息和信号已经没有表达上的区别了

噪声我们个常说的

噪声是一种特殊信号

对于智能仪器

任何干扰都是噪声

但有用信号与噪声信号的区别纯粹是人为的

这种区别取决于应用目的

例如齿轮噪声

对工作环境构成噪音

但是对语音识别

它可能构成有用的也可能构成噪声

根据齿轮噪声可以检测分析

齿轮的工作状态

一般来说

噪声是干扰信号

叠加在我们要观测的信号上的

那么反过来

通过信号分离技术 也就是滤波

就可以实现噪声和有用信号的分离

不同领域的智能仪器的观测对象不同

可能是各种物理量 化学量

生物量

涉及自然科学的一切领域

甚至社会科学领域

随着科学技术的迅猛发展

和社会需求的不断提高

现代仪器观测 传输

处理的信息表现出多样性

宽程性 动态性和广域性

也就是说

测量参数越来越多了

测量量程越来越宽了

测量信号的不确定性越来越大了

测量的区域越来越广了

说了这么多次测量

究竟什么是测量呢

测量的定义很简单

以确定量值为目的的一组操作

这个定义表明

测量的目的就是确定量值

这么理解吧

利用一个已知的单位量或者约定的参考标尺

采取一定的手段和方法

与被测的同种量进行比较的实验过程

这就是测量

智能仪器的测量的目的就是从

纷繁复杂的信息中

提取需要了解的事物的特殊性信息

从而获得对这一事物的

某一本质问题的最大了解

测量结果

是具有确定单位的量值

或与约定参考标尺相关联的数值

测量对象 计量单位 测量方法 测量准确度

这是测量的四要素

测量对象

就是测量的客体

是指被测试样和需要观测的被测试样的参数

米制是我国的基本计量制度

也称为公制

今后做某个参数的测量

可以翻阅下这个参数的国际通用单位

我这里不展开

测量方法

是针对被测对象

研究被测参数与其他参数的关系

最后确定对被测参数

进行如何测量的操作方法

测量准确度

表达的是测量结果与真值的一致程度

误差大说明测量结果离真值远

准确度低

按照测量方式的区分

测量可以分为直接测量 间接测量

接触测量 非接触测量等等多种形式

没有统一的规定

这门课叫智能仪器

显然是研究智能化 自动化的测量技术

智能仪器的信号检测理论

主要研究在噪声中识别信号能力的

量化理论与方法

所谓的测量信号

是指对传感器输出的

携带有

量值信息的信号进行处理后所得到的测量结果

包括利用人的经验

或先验知识对测量结果的解释

为准确描述被测对象

需要对测量信号进行分类

信号的分类主要是依据

信号波形特征来划分的

信号的波形

是信号幅度随时间的变化历程

以声音测量为例

振动产生的声音信号

经声级计测量

可以显示被测声音的波形

这个智能声级计

是我们团队跟湖南一家仪器公司联合研制的

这是我们团队和

南网公司合作研制的电网谐波检测装置

显示的是三相电压 三相电流的波形

这是几种电压扰动的波形

从不同角度看测量信号

测量信号可以有不同的分类

这方面没有统一标准

从信号描述的角度

按照被测对象的变化特征区分

测量信息可分为确定性信号和非确定性信号

确定性信号具有确定的变化规律

可用明确的数学关系表达

包括周期信号 非周期信号

非确定性信号表征的被测参数是一个随机变量

不能用一般的时间函数来表达

只能用概率统计的规律 描述

它包括平稳随机信号和非平稳随机信号

我们知道任意波形总能进行谱分析

分解为不同频率

不同振幅的简谐信号的线性叠加

这是一个

正向信号波形

这是三个正向信号合成的波形

确定性非周期信号

在时域上

不按固定周期重复出现

但可用明确的数学关系描述

确定性的非周期信号

包括准周期信号和非周期信号

若各正弦信号的频率比不是有理数

几个正弦或者余弦

谐波信号叠加的结果不可能是周期信号

但由于这类信号与周期信号一样

频域描述表现为离散的频谱

因此将这类信号称为准周期信号

除了准周期信号

一切非周期信号都是瞬变非周期信号

瞬变非周期信号最为常见的

例如电容器的充放电 矩形脉冲信号

工程应用中所称的非周期信号

一般是指这种瞬变非周期信号

瞬变非周期信号不能像周期信号那样

按傅里叶级数

分解成若干正弦或者余弦谐波信号的叠加

但可将瞬变非周期信号的周期

当成无穷大来考虑

这样

借助周期信号的频谱描述方法

可以将瞬变非周期信号分解成为

无限多个频率极其接近的频率成分的合成

这些信号

都是瞬态信号

非确定性信息是随机信息

不能用确定的数学解析公式表达

它的幅值 频率与相位

的出现都是随机的或部分是随机的

只能用统计参数的概念与数学公式来描述

非确定信息的幅值出现的概率

还可以用统计参数概率密度函数来表达

幅值出现的集中点可用均值表达

幅值的分散性 可用方差表达

内部波形的结构与联系

联系的程度等等 可用相关函数表达

频域情况 可用功率谱表达

如果一个随机过程的任一时刻

所得的集平均是一个固定值

那么这个随机过程是平稳随机过程

本课时学过

平稳随机过程的观测时间可以大大缩短

用某一时刻的集平均来代表所有时刻的集平均

这样可以大大缩短测量时间

若平稳随机过程的集平均与任一子集的

时间平均值相等

这个平稳随机过程就是各态历经

随机过程也是本课学过的

智能仪器观测的非确定性信息

大多可以用各态历经平稳随机过程表达

否则

信息处理过程会很复杂

非确定性信息

可以从信号幅值的能量角度来描述

从分析域的角度

信号可以分为时域信息

和频域信息

或者说时域信号 频域信号

时域信号

以时间为独立变量

描述信号幅值随时间的变化特性

信号时域表达的优点是直观 形象

但不能反映信号的内在结构

看不出频率成分

频域信号

以频率为独立变量

描述信号幅值 相位与频率的关系

频域表达的优点

它是能够揭示信号本质

信息量丰富

但计算量比较大

计算代价大

标准的正弦信号

可以表达为单个频率的频域信号

方波

可以表达为基波

和基波频率奇数

整数倍的谐波的叠加

而三角波

可以表达为基波

和基波频率整数倍的谐波的叠加

利用傅里叶变换

可以将满足一定条件的某个函数

表示成三角函数

正弦或者余弦函数

或者它们的积分的线性组合

这个方波信号经傅里叶变换

可以分解成为基波信号

和基波频率整数倍的各次谐波信号的和

由傅里叶变换可看得到

信号从时域 频域

两个方面都能刻画

时域有限信号是在某个时间段以内

有定义的信号

这个时间段之外 其余信号都等于零

频域有限信号

是在某个频率区间里有定义

这个频域以外 都为零

从不同的角度看信号

有不容的信号特征

从连续性的角度看

时域信号可以分为连续时间信号

和离散时间信号

连续时间信号在所有时间点上都有定义

而离散时间信号 只在若干时间点上有定义

从物理可实现性的角度来看

信号可以分为可实现信号和不可实现信号

物理可实现信号也叫做单边信号

在时刻小于零的一侧完全为零

而物理不可实现信号

在事件发生前就有预知信号

时域波形分析是最常用的信号分析方法

用示波器

万用表

这些普通仪器可以直接显示信号波形

读取特征参数

我们可以通过示波器

观察信号波形的

周期 频率 峰值 峰峰值等等这些参数

信号的均值

反映了信号变化的中心趋势

是信号的直流分量

其数学表达为集合平均值

或者数学期望值

而均方值则表达了信号的强度

在工程上表示信号的平均功率

它的正平方根值

称为有效值

也是信号平均能量的一种表达

有效值是交流电通过一个电阻

在固定时间内产生的热量

相当于那个直流电流经这个电阻

在相同时间内产生的热量

把这一直流电的数值叫做这一交流电的有效值

我们常说的220V交流

是指有效值相当于220V直流

对纯电阻的做功能力

这个交流电的峰值

是根号2倍有效值

峰峰值是两倍的峰值

方差

方差是信号分析和工程实际常用的参数

它表达信号以均值为中心的波动的程度

显然 方差越小

信号的波动越小

波形分析的应用价值非常大

以幅值为例

超门限报警 以大小分类等等

都可以通过测量信号的幅值

与阈值的比较得到

比如 对于100吨的桥梁限载

如果100吨的称量信号输出是4V

称量信号超过4V就是超载

超载可能导致安全事故

测量信息处理是智能仪器

核心技术中的核心

通过有效的信息处理

智能仪器

可以对检测信息进行必要的去误差处理

可以找出被测对象变化的统计规律

跟准确地揭示被测对象的本质

依据信息特征

可以实施故障诊断

故障预报和故障维修提示

还能找出对产品进行例行试验的规律

提高测量分辨能力

提高智能仪器的工作性能

获取新的准确的信息

改进仪器的容错性能和可靠性

完善仪器的智能功能

这一章的内容介绍到这里

下一章介绍智能仪器的测量信息通道

好 再见