现代测试技术课件

1、机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技术机械工程测试技术第第3 3章章 信号分析与处理信号分析与处理第一节第一节 相关分析及其应用相关分析及其应用第二节第二节 功率谱分析及其应用功率谱分析及其应用第三节第三节 模拟信号数字化处理模拟信号数字化处理第四节第四节 频谱分析的应用频谱分析的应用第第3 3章章 测试信号分析与处理测试信号分析与处理机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技术机械工程测试技术第第3 3章章 信号分析与处理信号分析与处理第一节第一节 相关分析及其应用相关分析及其应用 一、相关与相关系数一、相关与相关系数 当

2、两个随机变量之间具有某种关系时，随着某一个变量当两个随机变量之间具有某种关系时，随着某一个变量数值的确定，另一变量却可能取许多不同值，但取值有一定数值的确定，另一变量却可能取许多不同值，但取值有一定的概率统计规律，这时称两个随机变量存在着的概率统计规律，这时称两个随机变量存在着相关关系相关关系。 a)a)变量变量x x和变量和变量y y之间是无关的之间是无关的 b)b)变量变量x x和变量和变量y y之间有相关关系之间有相关关系机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技术机械工程测试技术第第3 3章章 信号分析与处理信号分析与处理所以所以1xy 相关系数相关系数

3、 的绝对值愈接近的绝对值愈接近1 1，变量，变量x x和和y y的线性相关程的线性相关程度愈高。相关系数度愈高。相关系数 接近于零，则可认为变量接近于零，则可认为变量x x、y y之间完之间完全无关。全无关。xyxy机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技术机械工程测试技术第第3 3章章 信号分析与处理信号分析与处理 自相关函数：同一过程不同时刻的相互依赖关系，描自相关函数：同一过程不同时刻的相互依赖关系，描述随机信号述随机信号x(t)x(t)在任意两个不同时刻在任意两个不同时刻t1t1和和t2t2的取值之间的的取值之间的相关程度。相关程度。 互相关函数：不同

4、过程在某一时刻的相互依赖关系，互相关函数：不同过程在某一时刻的相互依赖关系，描述随机信号描述随机信号x(t)x(t)，y(t)y(t)在任意两个不同时刻在任意两个不同时刻t1t1和和t2t2的取的取值之间的相关程度。值之间的相关程度。机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技术机械工程测试技术第第3 3章章 信号分析与处理信号分析与处理自相关函数的工程自相关函数的工程应用应用 1 1）区别信号类型）区别信号类型2 2）检测混杂在随机信号中的周期成分。）检测混杂在随机信号中的周期成分。例例 某一机械加工表面粗糙度波形的自相关分析。某一机械加工表面粗糙度波形的自相关

5、分析。 a a）表面粗糙度）表面粗糙度b b）自相关函数）自相关函数 自相关图呈现出周期性，自相关图呈现出周期性，表明造成表面粗糙度的原表明造成表面粗糙度的原因中包含有某种周期因素。因中包含有某种周期因素。 机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技术机械工程测试技术第第3 3章章 信号分析与处理信号分析与处理互相关函数的互相关函数的应用应用 1 1）互相关函数的计算要用到时间延时信息，因而可用来测）互相关函数的计算要用到时间延时信息，因而可用来测量有时间延时信息的物理量量有时间延时信息的物理量( (如速度、距离、流量等如速度、距离、流量等) )，而构，而构成相

6、关流量计，这是一种先进的流速、流量测量方法。成相关流量计，这是一种先进的流速、流量测量方法。 2 2）对信号中的随机干扰噪声有极强的抑制能力。基于相关）对信号中的随机干扰噪声有极强的抑制能力。基于相关原理可以将混叠在噪声中的微弱有用信号提取出来，或者说原理可以将混叠在噪声中的微弱有用信号提取出来，或者说将噪声从信号中分离出去（将噪声从信号中分离出去（相关滤波器相关滤波器）。）。测定热轧钢带运动速度测定热轧钢带运动速度 钢带表面的反射光经透镜聚焦在相距为钢带表面的反射光经透镜聚焦在相距为d d的两个光电池上。反的两个光电池上。反射光强度的波动，经过光电池转换为电信号，再进行相关处射光强度的波动，

7、经过光电池转换为电信号，再进行相关处理。当可调延时理。当可调延时等于钢带上某点在两个测试点之间经过所等于钢带上某点在两个测试点之间经过所需的时间需的时间d d时，互相关函数为最大值。则钢带的运动速度为时，互相关函数为最大值。则钢带的运动速度为 ddv机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技术机械工程测试技术第第3 3章章 信号分析与处理信号分析与处理机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技术机械工程测试技术第第3 3章章 信号分析与处理信号分析与处理确定埋在地下输油管裂损位置确定埋在地下输油管裂损位置 漏损处漏损处K K视为向

8、两侧传播声响的声源，在两侧管道上分别放置视为向两侧传播声响的声源，在两侧管道上分别放置传感器传感器1 1和和2 2，因为放传感器的两点距漏损处不等远，则漏油的，因为放传感器的两点距漏损处不等远，则漏油的音响传至两传感器就有时差，在互相关图上音响传至两传感器就有时差，在互相关图上= =mm处互相关函处互相关函数有最大值，这个数有最大值，这个mm就是时差。由就是时差。由mm就可确定漏损处的位置：就可确定漏损处的位置： mvs21s s两传感器的中点至漏损处的距离两传感器的中点至漏损处的距离vv音响通过管道的传播速度音响通过管道的传播速度 机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院

9、机械工程测试技术机械工程测试技术第第3 3章章 信号分析与处理信号分析与处理第三节第三节 模拟信号数字化处理模拟信号数字化处理信号处理的目的：信号处理的目的： 1 1）分离信、噪，提高信噪比；）分离信、噪，提高信噪比；2 2）从信号中提取有用的特征信号；）从信号中提取有用的特征信号；3 3）修正测试系统的某些误差。）修正测试系统的某些误差。信号处理系统信号处理系统 模拟信号处理系统模拟信号处理系统数字信号处理系统数字信号处理系统 模拟信号处理系统模拟信号处理系统由一系列能实现模拟运算的电路，如模拟由一系列能实现模拟运算的电路，如模拟滤波器、乘法器、微分放大器等环节组成。滤波器、乘法器、微分放大

10、器等环节组成。 数字信号处理系统数字信号处理系统可以在通用计算机上借助程序来实现，也可可以在通用计算机上借助程序来实现，也可以用专用信号处理机来完成。数字信号处理机具有稳定、灵活、以用专用信号处理机来完成。数字信号处理机具有稳定、灵活、快速、高效、应用范围广、设备体积小、重量轻等优点，在各快速、高效、应用范围广、设备体积小、重量轻等优点，在各行业中得到广泛的应用。行业中得到广泛的应用。 机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技术机械工程测试技术第第3 3章章 信号分析与处理信号分析与处理一、数字信号处理的基本步骤一、数字信号处理的基本步骤 信号的预处理信号的预

11、处理是把信号变成适于数字处理的形式，以减是把信号变成适于数字处理的形式，以减轻数字处理的困难。预处理包括：轻数字处理的困难。预处理包括： 1 1）电压幅值调理，将模拟信号的幅值进行衰减或者放大，）电压幅值调理，将模拟信号的幅值进行衰减或者放大，一符合采集系统输入信号量程的要求，以便充分利用一符合采集系统输入信号量程的要求，以便充分利用A AD D转转换器的精确度。换器的精确度。 2 2）抗混滤波，按照被测有用信号的最高频率进行低通滤）抗混滤波，按照被测有用信号的最高频率进行低通滤波，以提高信噪比，并滤去信号中的高频噪声。波，以提高信噪比，并滤去信号中的高频噪声。机械与电气工程学院机械与电气工程

12、学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技术机械工程测试技术第第3 3章章 信号分析与处理信号分析与处理3 3）隔离信号中的直流分量。）隔离信号中的直流分量。 4 4）如原信号经过调制，则应先行解调。）如原信号经过调制，则应先行解调。 模模- -数数(A(AD)D)转换转换是模拟信号经采样、量化并转化为二进制是模拟信号经采样、量化并转化为二进制的过程。的过程。 数字信号处理器或计算机数字信号处理器或计算机对离散的时间序列进行运算处理。对离散的时间序列进行运算处理。 数字序列数字序列截断（加窗函数）截断（加窗函数）剔除奇异点剔除奇异点数字滤数字滤波波进行各种分析进行各种分析 运算结果可以直接显示

13、或打印运算结果可以直接显示或打印。若后接。若后接D DA A，还可得到模拟，还可得到模拟信号。如有需要可将数字信号处理结果送入后接计算机或通过信号。如有需要可将数字信号处理结果送入后接计算机或通过专门程序再做后续处理。专门程序再做后续处理。机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技术机械工程测试技术第第3 3章章 信号分析与处理信号分析与处理二、时域采样及采样定理二、时域采样及采样定理 )()(fXtxnsSnsnffTfGnTttg)(1)()()(采样函数采样函数模拟信号模拟信号机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技术机械

14、工程测试技术第第3 3章章 信号分析与处理信号分析与处理)(*)()()(fGfXtgtx采样采样nsnTtxtgtxnx)()()()(nssnssnffXTnffTfXfGfX)(1)(1*)()(*)(nssnsnffXTnTtx)(1)(机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技术机械工程测试技术第第3 3章章 信号分析与处理信号分析与处理量化量化 采样所得的离散信号的电压幅值，若用二进制数码组来表采样所得的离散信号的电压幅值，若用二进制数码组来表示，就使离散信号变成数字信号，这一过程称为示，就使离散信号变成数字信号，这一过程称为量化量化。量化一。量化一

15、般是由般是由A/DA/D转换器来实现的。转换器来实现的。 量化过程的量化误差与采集过程中寄存器的位数和采集卡量化过程的量化误差与采集过程中寄存器的位数和采集卡的最大输入幅值有关系。的最大输入幅值有关系。量化误差量化误差量化电化实际)()()(nxnxn三、量化和量化误差三、量化和量化误差 机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技术机械工程测试技术第第3 3章章 信号分析与处理信号分析与处理降低量化误差的措施降低量化误差的措施 1 1）提高）提高A/DA/D转换器的位数即可降低量化误差。但转换器的位数即可降低量化误差。但A AD D转换器位数选择应视信号的具体情

16、况和量化的精度要求而转换器位数选择应视信号的具体情况和量化的精度要求而定，要考虑位数增多后，成本显著增加，转换速率下降的定，要考虑位数增多后，成本显著增加，转换速率下降的影响。影响。 2 2）实际上，和信号获取、处理的其他误差相比，量）实际上，和信号获取、处理的其他误差相比，量化误差通常不大，所以一般可忽略其影响。化误差通常不大，所以一般可忽略其影响。机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技术机械工程测试技术第第3 3章章 信号分析与处理信号分析与处理四、截断、泄漏和窗函数四、截断、泄漏和窗函数 1. 1.信号的截断、能量泄漏及窗函数信号的截断、能量泄漏及窗函

17、数 截断就是将信号乘以时域的有限宽矩形窗函数。截断就是将信号乘以时域的有限宽矩形窗函数。 )(*)()()(fWfXtwtx 由于由于W(f)W(f)是一个无限带宽的是一个无限带宽的sincsinc函数，所以即使函数，所以即使x(t)x(t)是带是带限信号，在截断后也必然成为无限带宽的信号，这种信号的能限信号，在截断后也必然成为无限带宽的信号，这种信号的能量在频率轴分布扩展的现象称为泄漏。量在频率轴分布扩展的现象称为泄漏。 截断后信号带宽变为无限带宽，因此无论采样频率多高，截断后信号带宽变为无限带宽，因此无论采样频率多高，信号总是不可避免地出现混叠，故信号截断必然导致一些误差。信号总是不可避免

18、地出现混叠，故信号截断必然导致一些误差。 降低泄漏的的方法为增大窗的宽度和选择较好的窗函数。降低泄漏的的方法为增大窗的宽度和选择较好的窗函数。 选择合适的窗函数来对时域信号进行加权处理。选择合适的窗函数来对时域信号进行加权处理。 几种常见的窗函数：矩形窗、三角窗、汉宁窗几种常见的窗函数：矩形窗、三角窗、汉宁窗机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技术机械工程测试技术第第3 3章章 信号分析与处理信号分析与处理机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技术机械工程测试技术第第3 3章章 信号分析与处理信号分析与处理2.4 2.4 频

19、谱分析的应用频谱分析的应用设备故障诊断设备故障诊断 在机械设备故障诊断技术中，针对不同的情况，存在不同在机械设备故障诊断技术中，针对不同的情况，存在不同的信号分析方法，而频域分析更是发挥至关重要的作用。一般的信号分析方法，而频域分析更是发挥至关重要的作用。一般说来，频谱分析是故障诊断的关键。频域分析法主要是对信号说来，频谱分析是故障诊断的关键。频域分析法主要是对信号的频率结构进行分析，确定信号是由那些频率成分所组成，以的频率结构进行分析，确定信号是由那些频率成分所组成，以及这些频率成分幅值的大小。通过对及这些频率成分幅值的大小。通过对“故障特征频率故障特征频率”及及“故故障特征频率幅值障特征频

20、率幅值”的分析，就可以准确地对设备的故障情况进的分析，就可以准确地对设备的故障情况进行诊断。行诊断。 在分析频谱图时应抓住重点，忽略次要因素，以确定故障在分析频谱图时应抓住重点，忽略次要因素，以确定故障类型，找出设备存在的问题。类型，找出设备存在的问题。在分析振动谱图时，有两条原则：在分析振动谱图时，有两条原则：（1 1）频率形态（大小及其变化等）代表故障类型；）频率形态（大小及其变化等）代表故障类型；（2 2）幅值代表故障劣化程度。）幅值代表故障劣化程度。 机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技术机械工程测试技术第第3 3章章 信号分析与处理信号分析与处理

21、 频谱分析主要用于识别信号中的周期分量，是频谱分析主要用于识别信号中的周期分量，是信号分析中最常用的一种手段。信号分析中最常用的一种手段。案例：案例：在齿轮箱故障诊断在齿轮箱故障诊断通过齿轮箱振动信号频谱分析，通过齿轮箱振动信号频谱分析，确定最大频率分量，然后根据确定最大频率分量，然后根据机床齿轮转速和传动链，找出机床齿轮转速和传动链，找出故障故障案例：案例：螺旋浆设计螺旋浆设计可以通过频谱分析确定螺旋浆可以通过频谱分析确定螺旋浆的固有频率和临界转速，确定的固有频率和临界转速，确定螺旋浆转速工作范围。螺旋浆转速工作范围。机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技

22、术机械工程测试技术第第3 3章章 信号分析与处理信号分析与处理转动机械常见故障的频率特征强迫振动类故障强迫振动类故障自激振动类故障自激振动类故障R R: : 转动频率转动频率故障名称频率特征转动特征故障名称频率特征转动特征不平衡1R同步正进动油膜涡动(0.40.49)R正进动热弯曲1R同步正进动油膜振荡等于低阶固有频率正进动不对中2R正进动气隙振荡等于低阶固有频率正进动磁拉力不平衡2NRN 为磁极对数正进动内腔积液失稳前 0.5R失稳后为低阶固有频率正进动松 动1R, 2R 等也有 1.5 R,2.5R 等转子内阻失稳前 0.5R失稳后为低阶固有频率正进动齿轮故障啮合频率等于齿数R ，边带频率

23、径向摩擦失稳前小于低阶固有频率失稳后等于低阶固有频率反进动滚动轴承外环故障内环故障滚珠故障轴向摩擦失稳前小于低阶固有频率失稳后等于低阶固有频率机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技术机械工程测试技术第第3 3章章 信号分析与处理信号分析与处理例例1 1 不平衡故障不平衡故障 泵、风机、电动机使用一段时间后，由于磨擦、泵、风机、电动机使用一段时间后，由于磨擦、积灰等原因，使转子质心改变，出现不平衡（电动积灰等原因，使转子质心改变，出现不平衡（电动机由于润滑脂过量也会引起不平衡）。不平衡的特机由于润滑脂过量也会引起不平衡）。不平衡的特点是：点是：1 1、振动频率

24、单一，振动方向以径向为主。在工频、振动频率单一，振动方向以径向为主。在工频（亦称转频）（亦称转频）（1X 1X ）处有一最大峰值，（转子若为）处有一最大峰值，（转子若为悬臂支承，将有轴相分量）；悬臂支承，将有轴相分量）；2 2、在一阶临界转速内振幅随转速的升高而增大；、在一阶临界转速内振幅随转速的升高而增大；3 3、谱图中一般不含工频（、谱图中一般不含工频（1X1X）的高次谐波（）的高次谐波（2X2X、3X 3X ）。）。 机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技术机械工程测试技术第第3 3章章 信号分析与处理信号分析与处理 一台射流泵正常运转时在工频（一台射

25、流泵正常运转时在工频（1800r1800rminmin）处幅值最大，）处幅值最大，达达1.5m1.5m（图（图5-15-1）。）。3 3个月后再测量，同一处的最大峰值已是个月后再测量，同一处的最大峰值已是2.83m2.83m（图（图5-25-2），达到泵安全运行的报警值。拆机修理发现），达到泵安全运行的报警值。拆机修理发现一异物缠绕在叶轮上，改变了质心。除异物，工频处幅值仅为一异物缠绕在叶轮上，改变了质心。除异物，工频处幅值仅为0.97m0.97m（图（图5-35-3），振幅明显减小，泵运行正常。），振幅明显减小，泵运行正常。 机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工

26、程测试技术机械工程测试技术第第3 3章章 信号分析与处理信号分析与处理例例2 2 不对中及轴弯曲不对中及轴弯曲 就旋转机械而言，就旋转机械而言，7070-75-75的振动是不对中引起的振动是不对中引起的。不对中有两种：平行不对中和角度不对中。平行不的。不对中有两种：平行不对中和角度不对中。平行不对中径向振动比较突出，角度不对中轴向振动更突出、对中径向振动比较突出，角度不对中轴向振动更突出、两者在机器端部或联轴器两边都有两者在机器端部或联轴器两边都有180180的相位差。的相位差。不对中振动的特点：不对中振动的特点：1 1在在2X2X处有大的能量分布；处有大的能量分布；2 2随着不对中程度的增加，产生