第6章信号分析与处理

1、测试技术与仪器测试技术与仪器主讲教师：王玉魁主讲教师：王玉魁哈尔滨工业大学机电工程学院哈尔滨工业大学机电工程学院机械制造及自动化系机械制造及自动化系办公地点：制造楼办公地点：制造楼322322室室联系电话：联系电话： 20142014年年5 5月月第六章第六章 信号分析与处理信号分析与处理第五节第五节 数字信号处理基本步骤数字信号处理基本步骤预处理预处理A/D转换转换数字信号处理器数字信号处理器或或计算机计算机结结果果显显示示x(t)预处理预处理A/D转换转换y(t)测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系1）电压幅值调理）电压幅值调理2）必要的滤波）必要的滤波3）有必要，隔离

2、直流分量）有必要，隔离直流分量4）解调）解调滤波器是一种选频装置，滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率可以使信号中特定的频率成分通过，而极大衰减其成分通过，而极大衰减其它频率成分。它频率成分。 根据滤波器的选频作用，一般将滤波器分为四类，根据滤波器的选频作用，一般将滤波器分为四类，即低通、高通、带通和带阻滤波器。即低通、高通、带通和带阻滤波器。 测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系低通低通高通高通测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系带通带通带阻带阻测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系1）截断）截断2）加权）加权3）剔除奇异点）

3、剔除奇异点4）分离趋势项）分离趋势项A/DA/D转换是模拟信号经采样、量化并转化为二进制数的转换是模拟信号经采样、量化并转化为二进制数的过程。过程。 测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系第六节第六节 信号数字化出现的问题信号数字化出现的问题 一、概述一、概述0tfx(t)X(f)0原模拟信号及其频谱原模拟信号及其频谱测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系采样函数及其频谱采样函数及其频谱0ts(t)Ts0fS(f)1/Ts-1/Ts1/Tsx(t) s(t)0tfX(f)*S(f)01/Ts-1/Ts-1/2Ts1/2TsTs采样后信号及其频谱采样后信号及其

4、频谱测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系有限长离散信号及其频谱有限长离散信号及其频谱w(t)0tfW(f)01/T-1/TT时窗函数及其频谱时窗函数及其频谱x(t) s(t) w(t)0tfX(f)* S(f) *W(f)0-1/2Ts1/2TsT测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系DFT后的频谱及其时域函数后的频谱及其时域函数频域采样函数及其时域函数频域采样函数及其时域函数0td(t)f0fD(f)T-T1x(t) s(t) w(t) d(t) 0tfX(f)*S(f)*W(f) D(f)0TsT测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系

5、二、时域采样、混叠和采样定理二、时域采样、混叠和采样定理连续时间信号连续时间信号离散时间序列离散时间序列采样采样等距单位脉冲序列等距单位脉冲序列采样信号采样信号测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系TS采样间隔；采样间隔；N序列长度，序列长度，N=T/TSfS采样频率，采样频率， fS =1/TS式式中中TSx(t)AB1234t0混叠现象混叠现象数据数据量大量大测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系卷卷积积定定理理测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系x(t) s(t)0tfX(f)

6、*S(f)0fs-fsfs/2Ts折叠折叠频率频率产生混叠的原因产生混叠的原因测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系fX(f)*S(f)0fhfh-fhfS不产生混叠的条件不产生混叠的条件条件一条件一带限信号带限信号条件二条件二抗混叠滤波预处理抗混叠滤波预处理采样定理采样定理测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系三、量化和量化误差三、量化和量化误差离散信号离散信号的电压幅值的电压幅值二进制数码组二进制数码组数字数字信号信号量化量化量化误差量化误差相邻电平差相邻电平差测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系四、截断、泄漏和窗函数四、截断、泄漏和

7、窗函数截截 断断w(t)0tfW(f)01/T-1/TT窗窗函函数数测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系泄泄 漏漏带限信号在截断后变成无限带宽信号，能量在频带限信号在截断后变成无限带宽信号，能量在频率轴上分布扩展的现象率轴上分布扩展的现象x(t) s(t) w(t)0tfX(f)* S(f) *W(f)0-1/2Ts1/2TsT泄泄 漏漏混混 叠叠测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系五、频域采样、时域周期延拓和栅栏效应五、频域采样、时域周期延拓和栅栏效应频域采样频域采样离散化离散化时时 域域周期函数周期函数周周期期延延拓拓栅栏效应栅栏效应 离散傅里叶变换

8、（离散傅里叶变换（DFT）测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系六、频率分辨力、整周期截断六、频率分辨力、整周期截断 频率分辨率频率分辨率 计算工作量计算工作量途径：途径：其一是在其一是在DFT的基础上，采用的基础上，采用“频率细化技术（频率细化技术（ZOOM）”，其基本思路是在处理过程中只提高感兴趣的局部频段中的频率其基本思路是在处理过程中只提高感兴趣的局部频段中的频率分辨力，以此来减少计算工作量。分辨力，以此来减少计算工作量。另一条途径则是改用其他把时域序列变换成频谱序列的方法。另一条途径则是改用其他把时域序列变换成频谱序列的方法。 测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院

9、机械制造及自动化系整数整数整周期截断整周期截断在分析简谐信号的场合下，需要了解某特定频率的谱值。在分析简谐信号的场合下，需要了解某特定频率的谱值。从从DFTDFT的原理来看，谱线落在处的条件是：的原理来看，谱线落在处的条件是： / = / =整数。考整数。考虑到是虑到是 分析时长分析时长T T 的倒数，简谐信号的周期是其频率的的倒数，简谐信号的周期是其频率的倒数，因此只有截取的信号长度倒数，因此只有截取的信号长度T T 正好等于信号周期的整数正好等于信号周期的整数倍时，才可能使分析谱线落在简谐信号的频率上，才能获得倍时，才可能使分析谱线落在简谐信号的频率上，才能获得准确的频谱。准确的频谱。 测

10、试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系七、常用窗函数七、常用窗函数w(t)0tfW(f)01/T-1/TT主瓣宽度窄主瓣宽度窄提高频率分辨能力提高频率分辨能力评价指标评价指标最大旁瓣峰值与主瓣峰值比最大旁瓣峰值与主瓣峰值比最大旁瓣最大旁瓣10倍频程衰减率倍频程衰减率主瓣宽度主瓣宽度减小泄漏减小泄漏旁瓣幅度低旁瓣幅度低测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系w(t)0tfW(f)01/T-1/TT评价：评价：主瓣最窄，旁瓣较高，泄漏较大，适用于对峰值附近频率主瓣最窄，旁瓣较高，泄漏较大，适用于对峰值附近频率要求高而对幅值精度要求不高的场合要求高而对幅值精度要求不高

11、的场合（一）矩形窗（一）矩形窗T测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系（二）三角窗（二）三角窗w(t)0tfWT(f)02/T-2/TT/2-T/21T/2评价：评价：三角窗与矩形窗比较，主瓣宽度约为矩形窗的两倍，但旁三角窗与矩形窗比较，主瓣宽度约为矩形窗的两倍，但旁瓣低并且不会出现负值。瓣低并且不会出现负值。 测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系（三）汉宁窗（余弦窗）（三）汉宁窗（余弦窗）2.4%评价：评价：汉宁窗的旁瓣明显降低，具有抑制泄漏的作用；但主瓣较宽，汉宁窗的旁瓣明显降低，具有抑制泄漏的作用；但主瓣较宽，致使频率分辨能力较差。致使频率分辨能力较

12、差。测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系（四）指数窗（四）指数窗评价：评价：指数窗的特点是无旁瓣，但主瓣很宽，其频率分辨能力低。指数窗的特点是无旁瓣，但主瓣很宽，其频率分辨能力低。测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系第七章第七章 常用参量的测量常用参量的测量第一节第一节 位移的测量位移的测量一、气动测量方法一、气动测量方法 利用压缩空气作为介质，根据压缩空气在通过测量部位利用压缩空气作为介质，根据压缩空气在通过测量部位时而产生的流速、流量以及压力的变化量，来间接测量被时而产生的流速、流量以及压力的变化量，来间接测量被测对象的位移、变形等参量测对象的位移、

13、变形等参量 分分 类类流速式流速式压力式压力式流量式流量式测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系特点：特点：1) 非接触、测量力小非接触、测量力小(约为约为0.051N)，适宜于对容易发，适宜于对容易发生变形的薄壁件尺寸的测量；生变形的薄壁件尺寸的测量；2) 放大倍率高，如浮标式量仪可达数千倍，其刻度间隔放大倍率高，如浮标式量仪可达数千倍，其刻度间隔大，读数方便；大，读数方便；3) 气动测量所采用的传感器气动测量所采用的传感器(喷嘴喷嘴)结构简单，尺寸极小，结构简单，尺寸极小，适合于小孔、深槽等特殊尺寸测量；适合于小孔、深槽等特殊尺寸测量；4) 气动测量稳定性好，不磨损，寿命

14、长，使用方便，维气动测量稳定性好，不磨损，寿命长，使用方便，维修容易等等。修容易等等。 测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系 测量被加工零件的厚度、孔径、轴径、槽宽、槽深、配测量被加工零件的厚度、孔径、轴径、槽宽、槽深、配合间隙，以及圆度、平面度、孔的垂直度、平行度、锥度、合间隙，以及圆度、平面度、孔的垂直度、平行度、锥度、孔距等几何尺寸和形位参数孔距等几何尺寸和形位参数 测量高度测量高度测量厚度测量厚度测量圆锥孔测量圆锥孔测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系测量垂直度测量垂直度测量内孔测量内孔测量圆度、跳动测量圆度、跳动abab测量二尺寸和（测量二尺寸

15、和（a+b）测量二尺寸差（测量二尺寸差（a-b）测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系1、流速式气动测量原理、流速式气动测量原理sd气泵气泵稳压器稳压器流速计流速计测头（喷嘴挡板）测头（喷嘴挡板）测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系2、流量式气动测量原理、流量式气动测量原理测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系3、压力式气动测量原理、压力式气动测量原理Pc工作压力工作压力P

16、gx气室气室喷嘴挡板式喷嘴挡板式测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系喷嘴盖板式喷嘴盖板式xPcPg测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系PcPgPc*xx*压力特性曲线压力特性曲线测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系线线性性化化测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系差压式水银柱式气动量仪差压式水银柱式气动量仪4、气动测量原理的典型应用、气动测量原理的典型应用测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系二、回转轴径向运动误差的测量二、回转轴径向运动误差的测量 回转轴运动误差是指在回转过程中回转轴线偏离理想位回

17、转轴运动误差是指在回转过程中回转轴线偏离理想位置置(一条不动的直线一条不动的直线)而出现的附加运动而出现的附加运动 1. 回转轴的运动误差回转轴的运动误差端面跳动端面跳动端面运动误差端面运动误差 轴向窜动轴向窜动径向运动误差径向运动误差测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系2. 回转轴的运动误差的测量方法回转轴的运动误差的测量方法测量仪器测量仪器测量仪器测量仪器位移传感器位移传感器位移传感器位移传感器双向测量法双向测量法测量仪器测量仪器位移传感器位移传感器单向测量法单向测量法测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造

18、及自动化系第二节第二节 应变、力的测量应变、力的测量一、应变、应力的测量一、应变、应力的测量1. 应变仪的电桥特性应变仪的电桥特性UyU0abcdR1R2R4R3直流电桥直流电桥一般采用交流电桥一般采用交流电桥测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系应变仪工作方式和输出电压应变仪工作方式和输出电压工作方式工作方式单单 臂臂双双 臂臂四四 臂臂应变片所在桥臂应变片所在桥臂R1R1、R2R1、R2 、 R3、R4输出电压输出电压测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系2. 应变仪的布置和接桥方法应变仪的布置和接桥方法测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自

19、动化系测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系 3. 在平面应力状态下主应力的测定在平面应力状态下主应力的测定补偿片补偿片Rtuyu0abcdR1或或R2RtRR 1) 已知主应力方向已知主应力方向R1R212测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系 2) 主应力方向未知主应力方向未知90450090451356060060901200直角应变花直角应变花等边三角形应变花等边三角形应变花T-应变花应变花双直角型应变花双直角型应变花120测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系 4提高应变测量精度的措施提高应变测量精度的措施 1）选择合适的仪器进行

20、准确的定度）选择合适的仪器进行准确的定度 2）消除导线电阻引起的影响）消除导线电阻引起的影响测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系 3）减小读数漂移）减小读数漂移 4）补偿温度影响）补偿温度影响 5）减小贴片误差）减小贴片误差 6）力求应变片实际工作条件和额定条件一致）力求应变片实际工作条件和额定条件一致 7）排除测量现场的电磁干扰）排除测量现场的电磁干扰测试技术与仪器测试技术与仪器 机电学院机械制造及自动化系 5测点的选择测点的选择 1）预先对结构进行大致的分析，预测其变形）预先对结构进行大致的分析，预测其变形 2）截面尺寸急剧变化的部位、应力集中部位）截面尺寸急剧变化的部位、应力集中部位 3）均匀分布测点，了解应力分布规律）均匀分布测点，了解应力分布规律 4）利用结构与载荷的对称性减少测点）利用结构与载荷的对称性减少测点 5）在不受力的部位安排一个测点）在不受力的部位安排一个测点最少的测点达到足够真实反映受力状态的原则最少的测点达到足够真实反映受力状态的原则测试技术与仪器测试