机械信号的预处理

1、第5章 机械信号的预处理 5.1 信号的放大 5.2 信号的滤波 5.3 信号的调制与解调 5.4 信号的数字化方法 5.5 Matlab编程实验 目前机械信号处理方法主要是基于数字分析方法，它要求处理的信号是离散时间序列，尽管已经采用了一些数字式传感器，但大多数机械系统测量信号仍是连续的模拟信号，所以总需要有一个离散化，即模数转换或采样的过程。本章将介绍机械信号的一些基本预处理方法，如信号放大、滤波、调制与解调、信号的数字化等。 5.1 信号的放大 在机械信号测量中，传感器或测量电路的输出信号电压是很微弱的，一般不能直接用于显示、记录或模数转换，需要进行放大。 对机械信号测量系统中使用放大器

2、的要求有以下几点：1）频带宽，且能放大直流信号；2）精度高，线性度好；3）高输入阻抗，低输出阻抗；4）低漂移，低噪声；5）强的抗共模干扰的能力。随着电子技术的发展，各种新型高精度的通用与专用放大器大量涌现，如测量放大器、可编程放大器及隔离放大器等。 5.1.1运算放大器反相比例放大器差动放大器积分放大器微分放大器5.1.3电荷放大器电荷放大器是供压电式传感器专用的一种前置放大器。它实际上是一个带电容深度负反馈的高增益运算放大器，能将压电式传感器的输出电荷转换成一定比例关系的低阻抗电压，并进行放大。其输入阻抗高达 ，而输出阻抗小于100。5.2 信号的滤波 在对测得的机械信号进行分析和处理时，经

3、常会遇到有用信号叠加上无用噪声的问题，这些噪声有些是与信号同时产生的，有些是在信号传输时混入的。 根据有用信号的不同特性，消除或减弱干扰噪声，提取有用信号的过程称为滤波，把实现滤波功能的系统称之为滤波器。 经典滤波器是一种具有选频特性的电路，当噪声和有用信号处于不同的频带时，噪声通过滤波器将被极大地衰减或消除，而有用信号得以保留。但是当噪声和有用信号频率混叠时，经典滤波器就无法实现上述功能。 根据滤波器幅频特性的通带和阻带的范围，可以将其划分为低通、高通、带通、带阻和全通等类型。 根据最佳逼近特性标准分类可以分为巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、贝塞尔滤波器等类型。 根据滤波器处理信号的性质，又

4、可以分为模拟滤波器和数字滤波器。模拟滤波器用于处理模拟信号（连续时间信号），数字滤波器用于处理离散时间信号。 5.2.1 理想模拟滤波器5.2.2 实际模拟滤波器及其基本参数实际的模拟滤波器，其特性曲线没有明显的转折点，带通中不是常数，实际带通模拟滤波器的基本参数如图。需要用更多的特性参数描述和选择实际的滤波器，比如：截止频率、波纹幅度、带宽、品质因数和倍频程选择性等。5.2.3 模拟滤波器的设计模拟滤波器的设计包括确定滤波器传递函数和设计实现该传递函数的实际电网络。 实际滤波器的幅频特性只能是理想特性的逼近，因此解决滤波器传递函数设计的关键是要找到这种逼近的函数，目前已有了多种逼近函数，根据

5、所用的逼近函数的不同，就有相应的滤波器名称。 （1）巴特沃斯滤波器巴特沃斯滤波器是以Butterworth逼近函数作为滤波器的传递函数，该函数以最高阶泰勒级数形式来逼近，它从幅频特性提出要求，而不考虑相频特性。 巴特沃斯滤波器具有最大平坦的幅度特性，其低通滤波器频响函数表达式为（2）切比雪夫滤波器Matlab编程实验n=0:0.01:2;for i=1:4 switch i case 1 N=2; case 2 N=5; case 3 N=10; case 4 N=20; end z,p,k=buttap(N) b,a=zp2tf(z,p,k H,w=freqs(b,a,n magH2=(ab

6、s(H).2 hold on plot(w,magH2)end模拟滤波器应用Simulink仿真 给定一个角频率为1的正弦信号,在该信号上叠加白噪声信号,送入模拟低通巴特沃思滤波器进行滤波,滤波器截至角频率为1.55.3 信号的调制与解调1 )目的解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。 先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，然后利用交流放大器进行放大，最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号。 例：交流电桥VinVoR1R3R2R4调幅电路2) 种类调制信号x(t)载波信号a) 幅度凋制(AM)b) 频率调制(FM)c) 相位调制(PM)3) 幅度调制 调幅是将一个高频正弦信号（

7、或称载波）与测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化幅度调制与解调过程（波形分析）乘法器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器滤波器z(t)x(t)fs=1000; % 采样频率(要有足够的采样频率)t=0:1/fs:1 % 采样时间点m=0.4; % 调制指数(原信号振幅)fh=10; % 载波信号频率10Hzfl=1; % 调制信号频率1Hzxh=sin(2*pi*fh*t); % 构建载波信号xl=sin(2*pi*fl*t); % 构建调制信号y=(1+m*xl).*xh; % 调幅plot(t,1+m*xl); % 显示调制信号包络hold on; plot(t,y);

8、% 显示调制后信号幅度调制MATLAB程序t=0:0.00001:1;A0=10; %载波振幅A1=8; %调制信号振幅fc=30000; %载波频率30kHzf=300; %调制信号频率300Hzmes=A1*cos(2*pi*f*t);%调制信号uam=A0*(mes+10).*cos(2*pi*fc*t);%已调信号subplot(221); %显示调制信号plot(t,mes)xlabel(t),title(调制信号)axis(0,0.01,-20,20)subplot(222) %显示已调信号plot(t,uam)grid ontitle(AM已调信号)axis(0,0.01,-20

9、0,200)subplot(223) %显示调制信号频谱Y1=fft(mes);%求频谱stem(abs(Y1)title(调制信号频谱)axis(0,500,0,500000)subplot(224) %显示AM信号频谱Uam=fft(uam);stem(abs(Uam)title(AM信号频谱)axis(29000,31000,0,5000000)加10的目的是防止过调失真幅度调制过程（波形与频谱分析）乘法器放大器x(t)z(t)x m(t)解调过程（波形与频谱分析）乘法器滤波器z(t)x(t)幅度调制过程（波形与频谱分析）幅度解调过程（波形与频谱分析）幅度调制与解调过程（数学描述）乘法器

10、放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器滤波器z(t)x(t)非抑制调幅 若对信号x(t)进行偏置，叠加一个直流分量D，使偏置后的信号都具有正电压。 调幅解调二极管检波低通滤波调幅波的波形失真a）过调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏置必须足够大，否则x(t)的相位将发生180。uam=A0*(mes+2).*cos(2*pi*fc*t);非抑制调幅的过调失真b)重叠失真：调幅波是由一对每边为fm的双边带信号组成当载波频率fz较低时，正频端的下边带将与负频端的下边带相重叠要求: fzfm 4) 频率调制 调频是利用信号x(t)的幅值调制载波的频率，或者说，调频波是一种随信号x(t)的电压幅值而

11、变化的疏密度不同的等幅波. 鉴频（调频波的解调）：T1T2T3T4F优点：抗干扰能力强。因为调频信号所携带的信息包含在频率变化之中，并非振幅之中，而干扰波的干扰作用则主要表现在振幅之中 缺点：占频带宽度大，复杂调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的20倍；调频系统较之调幅系统复杂，因为频率调制是一种非线性调制。编程练习：自行设计一个调幅信号。作业：8、产生一个由两个频率成分55Hz、79Hz组成的信号，然后设计滤波器滤去7.9Hz的频率成分。写出程序，并用图形解释处理结果。%产生一个由两个频率成分5.5Hz、7.9Hz组成的信号.t=0:0.0001:1f1=55;f2=79;y2=

12、sin(2*pi*f2*t);y1=sin(2*pi*f1*t);y=y1+y2Y=fft(y)subplot(221)plot(t,y1)xlabel(t),title(sin(2*pi*f1*t)axis(0,0.1,-3,3)subplot(222)plot(t,y2)axis(0,0.1,-3,3)xlabel(t),title(sin(2*pi*f2*t)subplot(223)plot(t,y)axis(0,0.1,-3,3)xlabel(t),title(sin(2*pi*f2*t)+sin(2*pi*f1*t)subplot(224)stem(abs(Y)axis(40,100,0,10000)xlabel(f),title(|Y(jw)|)%滤波器通带截止频率60Hz，阻带起始频率75Hz%设计低通滤波器wp=60*2*pi;ws=75*2*pi;rp=3;as=20;N,wc=buttord(wp,ws,rp,as,s);b,a=butter(N,wc,s);fk=0:1:length(Y)-1wk=2*pi*fk;H=freqs(b,a,wk)figure(2)plot(fk,abs(H)axis(0,100