测试技术与信号处理
杭州电子科技大学
主讲教师：陈志平
《测试技术与信号处理》属信息科学范畴，是机械工程、机电工程、车辆工程、测控技术与仪器等各类专业的机电类本科教学的技术基础课、研究生必修课，是一门涉及数学、物理学、力学、电子学、控制理论、精密机械、信号处理和计算机等多学科综合技术的课程。以信号分析与处理、测试系统的基本特性、常用传感器、常用测试方法和测试仪器、计算机辅助测试（CAT）等为核心内容，具有涉及知识面广、理论分析抽象复杂、技术更新快、理论教学与实验教学并重等特点。
近年来，该课程通过国家规划教材编写（2009年）、省级精品课程立项（2010年）、数字教学资源开发（2018年）、课程思政立项（2019年）和线上线下混合式教学（2019年）等教学改革的具体实施，已具有优质的教学资源和较好的教学基础，教学过程中积淀了丰富的教学经验。我校学生在参与省、国家级各类机电类学科大学生竞赛、各类实践创新大赛中都取得了突出的成绩，进一步说明了该课程对提高学生创新精神、培养学生实践能力、促进学生综合素质发展等方面具有十分重要的作用。
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| 学校： | 杭州电子科技大学 |
| 开课院系： | 机械工程学院 |
| 专业大类： | 机械类 |
| 课程负责人： | 陈志平 |
| 课程编号： | B0102710 |
| 学分： | 2 |
| 课时： | 32 |
《测试技术与信号处理》课程教学大纲
课程英文名 | Measurement Technique ＆ Signal Processing | ||||
课程代码 | B0102710 | 课程类别 | 专业课 | 课程性质 | 选修 |
学 分 | 2.0 | 总学时数 | 32 | ||
开课学院 | 机械工程学院 | 开课基层教学组织 | 机械工程系 | ||
面向专业 | 机械设计制造及其自动化 车辆工程 | 开课学期 | 5 | ||
注：课程类别是指学科基础课/专业课；课程性质是指必修/选修。
一、 课程目标
测试技术与信号处理课程是高等学校工科机械类专业的一门专业基础课，主要讨论机械工程动态测试中的传感器、信号调理及记录装置的工作原理，以及测试装置的动、静态特性评价方法，测试信号的分析和处理等基础理论知识；探讨各种机械物理量的测量、分析和处理方法，具有较强的实践性和应用性。培养专业理论知识、实践能力和学习能力的同时，从德育教育视角紧扣4个课程目标（知识与能力未变，增加思政）与毕业要求及其指标点的对应关系（工程知识、问题分析、设计/开发解决方案、研究等对应关系未变，增加科学精神、价值观和思辨能力）并突出科学素养与团队合作能力培养，为机械产品研发提供必备的综合知识。
课程目标1：掌握信号的描述方法，测试系统的基本特性，常用传感器以及信号处理等基本理论和基本知识，且有一定的工程素养。
课程目标2：能够灵活运用基础理论知识，并且掌握对测试系统各部分进行分析、设计的能力。
课程目标3：初步具备测试系统总体方案设计的能力，根据不同的目标选择合理的系统方案，并且具有一定程度的创新设计意识与能力。
课程目标4：关注本课程相关的科技发展，提振民族精神和科学精神，具备运用实验方法研究测试系统的能力，培养严谨学风、价值引领和思辨能力。
二、 课程目标与毕业要求对应关系
《测试技术与信号处理》支撑毕业要求1的指标点1-3、毕业要求2的指标点2-3、毕业要求3的指标点3-2和毕业要求4的指标点4-1及4-2，课程目标与相关毕业要求及其指标点的对应关系如表1所示。
表1. 《测试技术与信号处理》毕业要求及其指标点的对应关系
毕业要求 | 指标点 | 课程目标 |
1. 工程知识与素养 | 1-3具有从事机械工程工作所需的机械设计、机械制造、计算机辅助技术、检测与控制技术等专业基础知识和科学素养，能用于解决复杂机械工程问题。 | 课程目标1 |
2. 问题分析 | 2-3能够综合运用数学、自然科学、工程科学的基本原理和方法，并结合文献研究，对复杂机械工程问题进行分析，以获得有效结论。 | 课程目标2 |
3. 设计/开发解决方案 | 3-2能够根据解决方案对特定需求的典型机械产品、零部件、传动与控制和机械制造过程进行设计； | 课程目标3 |
4. 研究与思辨 | 4-1能够综合运用所学科学原理并采用科学方法，针对复杂机械工程问题制定实验方案，建立实验系统，按照合理步骤进行实验并获取数据，进行科学分析。 | 课程目标4 |
4-2参照科学的理论模型，对比实验数据和结果，解释实验和理论模型结果的差异，明确辩证关系。 | 课程目标4 |
三、 课程目标与教学内容和方法的对应关系
1.绪论（支撑课程目标1）
掌握测试技术所涉及的主要内容，测试技术在机械工业改造、技术开发及科学研究中的作用。理解测试工作的主要任务，认识测试系统的构成及其发展，领会“检测技术”在机电一体化技术和智能制造技术方面的重要性。了解我国在这些科技发展中的地位和作用，通过举例我国“天眼”工程、LAMOST工程和北斗导航系统等，阐述国家的“集中力量办大事”、科学家的“吃苦耐劳精神”和劳动者的“工匠精神”。
2.测试信号及其描述（支撑课程目标1、2）
（1）信号分类
了解时域信号分类原则，掌握时域信号类型及其描述方法。了解频域信号的描述，领会信号时域描述与频域描述的联系与区别，掌握信号频域描述的作用。
（2）周期信号与离散频谱
了解周期信号的定义，掌握周期信号的描述方法。深入学习周期信号傅立叶三角级数展开方法，掌握周期信号及其频谱特点。学习周期信号傅立叶复指数函数展开方法，比较复指数形式的傅立叶级数与三角级数展开的联系与区别，掌握周期信号频谱的重要特点，注重方法性引导。
（3）非周期信号与连续频谱
了解准周期信号与瞬变信号的描述，学习非周期信号傅立叶变换的频域描述方法，掌握非周期信号频谱的特点。了解傅立叶变换的基本性质。掌握几种典型信号的频谱。学习与思辨方法引导。
（4）随机信号
了解随机信号过程及其描述，掌握平均值、方差和均方差的计算方法，了解概念密度函数及其工程中的应用。
3.测试系统的基本特性（支撑课程目标1、2、3）
（1）概述
了解测试系统的描述、测试系统的构成。了解线性系统及其主要性质。
（2）测试系统的静态特性
掌握静态特性方程和定度曲线，了解静态特性参数。
（3）测试系统的动态特性
了解拉普拉斯变换定义，掌握拉普拉斯变换的主要性质。学习传递函数的描述及其特点，掌握串、并联环节，闭环系统的传递函数表达，了解测试系统传递函数的分解。掌握频率响应函数描述及频谱特性。了解脉冲响应函数描述，掌握一、二阶系统脉冲响应函数。掌握测试系统对任意输入的响应，了解脉冲响应函数与频率响应函数的关系。
（4）测试系统在典型输入下的动态特性分析
掌握一阶系统动态特性分析中的传递函数、频率响应函数、阶跃响应函数的描述。掌握二阶系统动态特性分析中传递函数的描述，频率响应函数中幅频与相频特性曲线的物理意义，阶跃响应函数的性质。
（5）实现不失真测试的条件
了解测试系统输入输出描述，掌握系统不失真测试的频谱特性。了解一、二阶系统响应的影响因素。
（6）系统动态特性参数的测试
了解一阶系统采用频率响应法求测试系统的动态特性参数方法，掌握二阶系统采用幅频特性曲线和相频特性曲线估计动态参数方法。掌握一、二阶系统阶跃响应法确定动态特性参数方法。
4.常用传感器（支撑课程目标1、2、3）
（1）传感器的基本概念
了解传感器的定义、组成，熟悉传感器的分类依据及其类型。了解传感器的基本结构类型，掌握不同类型传感器灵敏度误差。了解传感器的发展趋势。
（2）电阻式传感器
熟悉电阻式传感器基本原理以及类型，由电阻式传感器全微分方程，掌握电阻式传感器灵敏度表达。应变式电阻传感器分类，掌握金属电阻应变片和半导体应变片灵敏度计算公式。了解几种应变式电阻传感器应用及其工作原理。
（3）电感式传感器
领会自感式传感器的工作原理，掌握传感器的灵敏度计算公式。了解差动式电感传感器的分类，差动式自感传感器的工作原理，掌握差动式电感传感器的灵敏度计算公式。领会差动变压器式电感传感器的工作原理，掌握差动变压器式电感传感器输出特性。领会涡电流式传感器的工作原理，了解涡电流式传感器的特点及其在测试领域中的应用。
（4）电容式传感器
了解电容式传感器分类。领会变极距型电容传感器的工作原理及输出特性，掌握变极距型及差动电容结构的灵敏度。领会变面积型电容传感器工作原理，掌握变面积型及差动电容传感器灵敏度。熟悉变介电常数型电容传感器的工作原理，掌握其灵敏度，了解电容式传感器的优点。
（5）压电式传感器
了解压电效应以及逆压电效应，领会压电式传感器的工作原理，掌握压电式传感器输出特性，熟悉压电式传感器典型应用的工作原理。
（6）磁电式传感器
了解动圈式磁电传感器的类型，熟悉其工作原理，掌握动圈式磁电传感器的输出特性。熟悉磁阻式磁电传感器的工作原理及其应用。
（7）霍尔式传感器
了解霍尔效应机理，掌握霍尔式传感器输出特性，了解霍尔式传感器的特点。
（8）智能式传感器
了解智能式传感器的主要特点，熟悉智能式传感器的构成，了解智能式传感器的各种数据处理技术以及未来发展。
（9）传感器的选用原则
了解传感器选用的注意事项，熟悉传感器选用的原则。
（10）其它传感器
补充“光纤传感器”，引入“智能机器人”内容，分析传感器核心技术，突出科技工作者的“精益求精”科学素养；介绍光纤之父，增加该传感器研制过程和发展趋势的小故事和短视频，突出我国在传感器技术发展中的贡献。
5.模拟信号处理（支撑课程目标1、2、3）
（1）电桥
熟悉直流电桥的结构，掌握直流电桥的平衡条件。了解电桥的分类，掌握各类型直流电桥的输出特性及灵敏度。掌握交流电桥的平衡条件，熟悉电容、电感、电阻看交流电桥的平衡条件，掌握各种差动工作电桥的工作原理及其输出特性。
（2）运算放大器
了解运算放大器的符号及其特点，熟悉理想运算放大器的特性。了解测试装置中几种常见的运算放大器工作原理，电路结构，掌握其输出特性及其灵敏度。
（3）调制和解调
了解信号调制的目的，熟悉信号调制的几种类型及其相关术语，掌握信号调制与解调的原理。掌握相敏检波解调工作原理，熟悉二极管相敏检波器的结构。了解调频方式，熟悉调频电路结构，掌握调频及其解调的工作原理。学习与思辨方法引导。
（4）滤波器
了解滤波器的分类，掌握理想滤波器的频率响应函数及其满足条件。熟悉实际滤波器与理想滤波器的区别，了解实际滤波器的基本参数。熟悉几种无源滤波器的电路结构，掌握其频谱特性。了解恒带宽比滤波器与恒带宽滤波器的工作原理，熟悉具体应用。
（5）测量电路及其应用举例
了解电阻应变仪的工作原理，熟悉几种调幅式测量电路。了解调频式测量电路的工作原理，熟悉调频测量电路结构。
（6）信号的显示和记录
了解信号显示和记录的仪器和设备，熟悉动圈式指示机构、伺服式记录仪和磁记录仪的工作原理。了解数字式显示记录装置中LED和LCD显示技术，熟悉LED显示技术的工作原理及相关接口电路。熟悉LCD显示技术的工作原理及其电路结构。了解数字式波形存储记录仪的工作原理，熟悉该设备的应用对象及该系统的组成结构。
6．数字信号处理（支撑课程目标1、2、3）
了解数字信号处理的基本知识，时域采样与采样定理、截断、泄漏、窗函数以及频域采样与栅栏效应。
7．计算机与虚拟仪器测试技术（支撑课程目标3、4）
了解智能仪器基本特征、智能仪器的组成、自动测试系统的组成、自动测试系统的分类、虚拟仪器特点、虚拟仪器构成、虚拟仪器应用等。计算机辅助测试系统（CAT）举例，团队精神、学习能力与思辨方法引导。
8．机械振动测试（支撑课程目标1、2、3）
了解机械振动基本测量方法及相应的测试装置，重点掌握机械系统的力学模型、机械振动的概念与种类、惯性式测振传感器的工作原理及它们的结构。通过查阅资料，对其他工程参数的测试也要有一定的了解。
表2 课程目标与教学内容、教学方法的对应关系
教学内容 | 教学方法 | 课程目标 | |||
目标1 | 目标2 | 目标3 | 目标4 | ||
1.绪论 | 讲授法，讨论课 | √ | √ | ||
2.测试信号及其描述 | 讲授法，讨论课 | √ | √ | ||
3.测试系统的基本特性 | 讲授法 | √ | √ | √ | |
4.常用传感器 | 讲授法，讨论课，PPT汇演 | √ | √ | √ | |
5.模拟信号处理 | 讲授法 | √ | √ | √ | |
6．数字信号处理 | 讲授法 | √ | √ | ||
7．计算机与虚拟仪器测试技术 | 讲授法，讨论课 | √ | √ | ||
8．机械振动测试 | 讲授法 | √ | √ | √ | |
四、 实践环节及要求
1．应变片测量电路特性实验（支撑课程目标2、4）
了解电阻应变片的工作原理与应用；掌握应变片测量电路工作原理及连接方式；分别组建电阻应变片的单臂、半桥、全桥电路进行测试并对结果进行对比、分析。
2．应变直流全桥的应用-电子秤实验（支撑课程目标2、4）
了解应变直流全桥的应用及电路的标定方法；利用应变片、电桥、运放组成测量重量的实验装置并测量实际物体的重量。
3.压电式传感器测量振动实验（支撑课程目标2、4）
了解压电式传感器结构及其特点；了解压电式传感器测量电路的组成方式和测量振动的方法；利用压电式传感器、电荷放大器和低通滤波器组建振动测量电路并测定振动频率及其波形。
4. 电容式传感器测量位移实验（支撑课程目标2、4）
了解平板式变面积差动结构电容式传感器的结构及其特点；了解电容式传感器测量电路的组成方式；利用电容式传感器、电容变换器和放大器组建位移测量电路并对可变位移进行测量；
五、 与其它课程的联系
先修课程：高等数学、线性代数与概率论、大学物理、理论力学、材料力学、电工学、电子电路、微机原理、控制工程。
后续课程：智能感知与控制技术、智能检测与控制技术、自动化制造系统、毕业设计
六、 学时分配
表3 学时分配表
教 学 内 容 | 讲课时数 | 实验时数 | 实践学时 | 课内上机时数 | 课外上机时数 | 自学时数 | 习题课 | 讨论时数 | |
1. 绪论 | 2 | 0.5 | |||||||
2. 测试信号的描述与分析 | 4 | 1 | |||||||
3. 测试系统的基本特性 | 4 | 1 | |||||||
4. 常用传感器 | 4 | 2 | 2 | ||||||
5. 模拟信号处理 | 4 | 2 | 1 | ||||||
6. 数字信号处理 | 2 | ||||||||
7. 计算机与虚拟仪器测试技术 | 1 | 0.5 | |||||||
8. 机械振动测试 | 1 | ||||||||
合 计 | 22 | 4 | 3 | 3 | |||||
总 计 | 32 | ||||||||
七、 课程目标达成途径及学生成绩评定方法
1．课程目标达成途径
表4 课程目标与达成途径
课程目标 | 课堂教学 | 习题课 | 讨论课 | 作业 | 项目 | 实践 | 自学 | 备注 |
课程目标1 | √ | √ | √ | √ | 通过课堂教学、习题课和作业，信号的描述方法，测试系统的基本特性，常用传感器以及信号处理等基本理论和基本知识，大作业。 | |||
课程目标2 | √ | √ | √ | 通过课堂教学、习题课和作业培养学生理论知识的运用能力。 | ||||
课程目标3 | √ | √ | √ | 通过课堂教学、课堂讨论等形式培养学生灵活运用课堂讲授的知识、结合文献资料查阅和分析进行测试系统总体方案设计的能力。 | ||||
课程目标4 | √ | 实验方案分组讨论、实验操作或独立或合作执行，要求独立分析实验数据并撰写实验报告。举一个“传感器敏感元件”案例，突出劳动者的“工匠精神”。 |
2．学生成绩评定方法
表5 课程考核与成绩评定方法
考核项目 | 考核内容 | 考核关联的课程目标 | 考核依据与方法 | 占总评成绩的比重 |
平时成绩 | 平时作业 | 课程目标1（8分） 课程目标2（12分） | 主要考核学生对每节课知识点的复习、理解和掌握程度。大作业报告。 | 20% |
讨论课 | 课程目标1（5分） 课程目标2（4分） 课程目标3（6分） 课程目标4（5分）
| 讨论课要求每组学生针对特定问题参与讨论，并按照学生发言的积极性和提出方案的可行性给分；从三层次PPT汇演、考核德育评价。 | 20-10% | |
期末考试 | 期末考试（闭卷） | 课程目标1（20分） 课程目标2（24分） 课程目标3（6分） | 主要考核信号的时域和频域分析、一、二阶系统的动态特性分析、常用传感器原理、中间调理电路的分析以及测试系统设计等内容。以卷面成绩的50%计入课程总成绩。考试的题型为填空题、选择题、判断题、简答题、计算分析题和设计题。 | 50-60% |
实践环节成绩 | 课程实验 | 课程目标4（10分） | 要求每个学生完成4个实验，根据实验中的表现和实验报告质量给分。考查工程素养。 | 10% |
总评成绩 | 100 | 100% | ||
八、 教学资源
表6 课程的基本教学资源
资源类型 | 资源 |
教 材 | 测试技术基础，赵文礼主编，高等教育出版社，第一版，2009。 |
参考书籍或文献 | 机械工程测试技术基础，熊诗波、黄长艺主编，机械工业出版社，第三版，2013 机械工程测试技术基础，杜向阳主编，清华大学出版社，第一版，2009. 机械工程测试技术，祝海林主编，机械工业出版社，第二版，2017 机械工程测试技术，张淼主编，高等教育出版社，2008 机械工程测试技术，祝志慧，冯耀泽主编，华中科技大学出版社，2017 |
教学文档 | 无 |
九、 课程目标、毕业要求指标点达成度定量评价
1.课程目标达成度评价
⑴课程目标达成度的评价环节及支撑课程目标的权重分配
本课程共4个课程目标，表示为课程目标(i)，i = 1, 2, 3, 4。为便于表示和计算，本课程定义了以下符号。
CG(i)：课程目标(i)达成度，其中i = 1, 2, 3, 4。
A：作业。
B：讨论课。
C：课程实验。
D：期末考试。
WA(i)：评价环节A支撑课程目标(i)的权重，其中i = 1, 2, 3, 4。
WB(i)：评价环节B支撑课程目标(i)的权重，其中i = 1, 2, 3, 4。
WC(i)：评价环节C支撑课程目标(i)的权重，其中i = 1, 2, 3, 4。
WD(i)：评价环节D支撑课程目标(i)的权重，其中i = 1, 2, 3, 4。
注：WA(i) + WB(i) + WC(i) + WD(i) = 1，其中i = 1, 2, 3, 4。详见表8。
VA：评价环节A的学生平均得分。
VB：评价环节B的学生平均得分。
VC：评价环节C的学生平均得分。
VD：评价环节D的学生平均得分。
表7 《测试技术与信号处理》课程目标达成度的评价环节及支撑课程目标的权重分配表
课程目标 | 评价环节支撑课程目标的权重及符号表示 | |||
作业 | 讨论课 | 课程实验 | 期末考试 | |
⑴ | WA(1)，0.21 | WB(1)，0 | WC(1)，0 | WD(1)，0.79 |
⑵ | WA(2)，0.3 | WB(2)，0.1 | WC (2)，0 | WD(2)，0.6 |
⑶ | WA(3)，0 | WB(3)，0.5 | WC (3)，0 | WD(3)，0.5 |
⑷ | WA(4)，0 | WB(4)，0 | WC (4)，1 | WD(4)，0 |
⑵课程目标达成度计算
根据上述的符号定义及表8的权重分配，课程目标(i)的达成度CG(i)可计算如下：
CG(i) = VA * WA(i) + VB * WB(i) + VC * WC(i) + VD * WD(i)
其中：i = 1, 2, 3, 4。
即得：
课程目标(1)的达成度：CG(1) = VA * 0.21 + VB * 0 + VC * 0 + VD * 0.79
课程目标(2)的达成度：CG(2) = VA * 0.3 + VB * 0.1 + VC * 0 + VD * 0.6
课程目标(3)的达成度：CG(3) = VA * 0 + VB * 0.5 + VC * 0 + VD * 0.5
课程目标(4)的达成度：CG(4) = VA * 0 + VB * 0 + VC * 1+ VD * 0
2.毕业要求指标点达成度评价
⑴课程目标支撑毕业要求指标点的权重分配
本课程的4个课程目标共同支撑了5个毕业要求指标点，为便于表示和计算，本课程还定义了以下符号。
GS(m-n)：毕业要求m的第n个指标点的达成度。即本课程所支撑的5个毕业要求指标点的达成度分别为GS(1-3) 、GS(2-3)、GS(3-2)、GS(4-1)、GS(4-2)。
W(i)(m-n)：课程目标(i)支撑毕业要求(m-n)的权重，其中i = 1, 2, 3, 4。
注：W(1)(m-n) + W(2)(m-n) + W(3)(m-n) + W(4)(m-n) = 1
其中，(m-n) = (1-3), (2-3), (3-2), (4-2), (4-2)。
详见表9。
表8 《测试技术与信号处理》课程目标支撑毕业要求指标点的权重分配表
毕业要求 | 课程目标支撑毕业要求指标点的权重及符号表示 | ||||
⑴ | ⑵ | ⑶ | ⑷ | ||
1-3 | W(1)(1-3)，1 | W(2)(1-3)，0 | W(3)(1-3)，0 | W(4)(1-3)，0 | |
2-3 | W(1)(2-3)，0 | W(2)(2-3)，1 | W(3)(2-3)，0 | W(4)(2-3)，0 | |
3-2 | W(1)(3-2)，0 | W(2)(3-2)，0 | W(3)(3-2)，1 | W(4)(3-2)，0 | |
4-1 | W(1)(4-1)，0 | W(2)(4-1)，0 | W(3)(4-1)，0 | W(4)(4-1)，1 | |
4-2 | W(1)(4-2)，0 | W(2)(4-2)，0 | W(3)(4-2)，0 | W(4)(4-2)，1 | |
⑵毕业要求指标点达成度计算
根据上述的符号定义及表9的权重分配，毕业要求(m-n)的达成度GS(m-n)可计算如下：
GS(m-n) = CG(1) * W(1)(m-n) + CG(2) * W(2)(m-n) + CG(3) * W(3)(m-n) + CG(4) * W(4)(m-n)
其中：(m-n) = (1-3), (2-3), (3-2), (4-1), (4-2)。
即得：
毕业要求(1-3)的达成度：GS(1-3) = CG(1) * 1+ CG(2) * 0 + CG(3) * 0 + CG(4) * 0
毕业要求(2-3)的达成度：GS(2-3) = CG(1) * 0 + CG(2) * 1 + CG(3) * 0 + CG(4) * 0
毕业要求(3-2)的达成度：GS(3-2) = CG(1) * 0 + CG(2) * 0 + CG(3) * 1 + CG(4) * 0
毕业要求(4-1)的达成度：GS(4-1) = CG(1) * 0 + CG(2) * 0 + CG(3) * 0 + CG(4) * 1
毕业要求(4-2)的达成度：GS(4-2) = CG(1) * 0+ CG(2) * 0 + CG(3) * 0+ CG(4) * 1
十、 说明
课程教学中，根据具体情况有机融入思政教育元素，灵活处理。通过教学引导，鼓励学生更多地参与学科专业研讨、社会实践实习和创新创业项目训练，激发大学生在各类团队中的创新引领和跨界融合的潜力。
十一、 编制与审核
表9大纲编制与审核信息
工作内容 | 责任部门或机构 | 负责人 | 完成时间 |
编制 | 机械工程学院机械工程系 | 陈志平 | 2019.11.21 |
审核 | 机械工程学院 |