故障诊断基础1课件

第二章故障诊断基础本章内容：信号与检测系统

信号预处理/信号调理信号放大信号滤波信号的调制与解调信号的数字化处理机电设备故障诊断设备诊断：即“设备医生”用一定的仪器、手段

定性、定量描述设备状态分析故障发生原因并根据运行状态的变化预测故障的发展最终实现对故障的控制

信号与检测系统

mVu/0tnfxf和10噪声nunft00tnfxf和1xf0t1被测设备被测量故障诊断基础—信号与检测系统检测系统信号如心电图，就是利用仪器从人体上获得的心脏跳动的数据，通常显示在仪器上供医生诊断之用，或记录在纸上作为病人病例记录。§2.1故障诊断基础-信号定义再比如飞机上的黑匣子，就是将各种传感器采集下来的有关飞机飞行状态、发动机工作状态等数据记录下来，以备将来分析事故之用。§2.1故障诊断基础-信号定义信号的定义：噪声的定义：噪声也是一种信号，任何干扰对信号的感知和解释的现象称为噪声。信号信息分析处理信号有哪些表现形式？噪声干扰图象恢复物理角度，数学角度，工程角度。通常表现为随时间变化的物理量，如：声、光、电、力等等。§2.1故障诊断基础-信号定义问题1：为什么要进行信号的放大？目的？问题2：信号的放大有哪几种形式？问题3：为什么要进行信号的滤波？问题4：滤波分几种类型？问题5：除了放大和滤波，基本的信号调理还有什么内容？§2.2故障诊断基础-信号调理信号放大的目的：(1)标准电压信号：1～5V(2)标准电流信号：4～20mA(3)其它标准电压电流信号(4)方便对被测信号的后续变换、处理、记录、分析§2.2.1信号调理-问题1：放大目的放大电路类型和主要用途比例放大器：通用型，包括直流放大和交流放大电桥放大器：阻抗式传感器差动放大器：电势式、电位式传感器高输入阻抗放大器：电位、电势、电荷式电荷放大器：电荷式传感器仪表放大器：电位差、电势差隔离放大电路：噪声隔离、光电、磁电、电感§2.2.1信号调理-问题2：放大类型根据滤波器的选频作用分低通高通§2.2.2信号调理-问题4：滤波分类带通带阻§2.2.2信号调理-问题4：滤波分类理想滤波器

1)截止频率

：所对应的频率。2)纹波幅度：绕幅频特性均值波动值3)带宽和品质因数：上下两截止频率间的范围称为带宽。中心频率和带宽之比称为品质因数。实际滤波器

§2.2.2信号调理-问题4：滤波分类4)倍频程选择性W1)恒带宽带通滤波器中心频率为上下截止频率的算术平均值。§2.2.2信号调理-问题4：滤波分类2)恒带宽比带通滤波器中心频率为上下截止频率的几何平均值。带宽与中心频率的比值称相对宽度。§2.2.2信号调理-问题4：滤波分类在测试系统中，常用RC滤波器。因为这一领域中信号频率相对来说不高。而RC滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且选用标准阻容元件。1)一阶RC低通滤波器

§2.2.2信号调理-问题4：滤波实现1目的解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。-101-101-101-101-101§2.2.3信号调理-问题5：调制解调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Vin~R1R4R2R3V§2.2.3信号调理-问题5：调制解调调制：利用某种信号来控制或改变另一信号(高频的正、余弦或方波)的某个参数(幅值、频率或相位)的过程。可分为：调幅、调频和调相。调制波：调制中的控制信号(低频信号)载波：载送低频信号的高频信号(正、余弦或方波)已调制波：经调制所得的高频信号(调幅波、调频波和调相波)解调：从调制波中恢复出原有低频调制信号的过程基本概念：§2.2.3信号调理-问题5：调制解调a)幅度调制(AM)b)频率调制(FM)c)相位调制(PM)§2.2.3信号调理-问题5：调制解调3幅值调制

调幅是将一个高频正弦信号(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。缓变信号调制高频信号放大放大高频信号解调放大缓变信号§2.2.3信号调理-问题5：调制解调幅度调制与解调过程（数学分析）乘法器放大器x(t)z(t)xm(t)乘法器滤波器z(t)x(t)§2.2.3信号调理-问题5：调制解调解调方法之一：同步解调该调制方法，将信号x(t)直接与载波z(t)相乘。这种调幅波具有极性变化，解调时必须再乘与z(t)相位相同的z’(t)方能复原出原信号，故称同步解调。

-505-101-505-101-505-101-505-101-505-101§2.2.3信号调理-问题5：调制解调解调方法之二：整流检波若对信号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§2.2.3信号调理-问题5：调制解调解调二极管检波低通滤波§2.2.3信号调理-问题5：调制解调相敏检波用来鉴别调制信号的极性，利用交变信号在过零位时正、负极性发生突变，使调幅波相位与载波信号比较也相应地产生180°相位跳变，从而既反映原信号的幅值又反映其相位。解调方法之三：相敏检波§2.2.3信号调理-问题5：调制解调解调：相敏检波(e)滤波后的波形(d)相敏检波后的波形(b)载波(c)放大后的调幅波(a)调制信号exR(t)eeee0e01e02=KR(t)§2.2.3信号调理-问题5：调制解调解调：相敏检波全波开关式相敏检波为过零比较器

§2.2.3信号调理-问题5：调制解调相敏检波应用：动态电阻应变仪方框图动态电阻应变仪是电桥调幅与相敏检波的典型实例。电桥由振荡器提供等幅高频振荡电压（相当于载波）。被测量(力、应变等，相当于调制波)通过电阻应变片控制电桥输出。电桥输出为调幅波，经过放大，最后经半波相敏检波与低通滤波取出所需的被测信号。§2.2.3信号调理-问题5：调制解调调幅波的波形失真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180º。xm(t)t0x(t)t0§2.2.3信号调理-问题5：调制解调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:

fz＞fm

Xm(f)-fzfz0调幅波的波形失真§2.2.3信号调理-问题5：调制解调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)的电压幅值而变化的疏密度不同的等幅波。§2.2.3信号调理-问题5：调制解调锯齿波调频正弦波调频4频率调制§2.2.3信号调理-问题5：调制解调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)的电压幅值而变化的疏密度不同的等幅波。§2.2.3信号调理-问题5：调制解调调频波4、调频法（直接调频法）原理：将传感器电容作为振荡器谐振回路的一部分，把被测量的变化直接转换为振荡器的振荡频率的变化。§2.2.3信号调理-问题5：调制解调鉴频：变压器耦合的谐振回路鉴频第一步：先将等幅的调频波转换为幅值随频率变化的调频调幅波;调频波的解调称为鉴频或频率检波第二步：检波、滤波。检测幅值的变化，得到原调制信号。（插讲频率-电压变换原理）§2.2.3信号调理-问题5：调制解调鉴频：§2.2.3信号调理-问题5：调制解调

采样――利用采样脉冲序列，从信号中抽取一系列离散值，使之成为采样信号x(nTs)的过程。Ts称为采样间隔，或采样周期，1/Ts=fs称为采样频率。由于后续的量化过程需要一定的时间τ，对于随时间变化的模拟输入信号，要求瞬时采样值在时间τ内保持不变，这样才能保证转换的正确性和转换精度，这个过程就是采样保持。正是有了采样保持，实际上采样后的信号是阶梯形的连续函数。1、A/D转换

模拟信号0,1,2,3,2,1,…采样量化数字信号§2.4信号的数字化处理012345678012345编码―将离散幅值经过量化以后变为二进制数的过程4位A/D:XXXXX(1)0101X(2)0011X(3)0000量化―把采样信号经过舍入或截尾的方法变为只有有限个有效数字的数，称为量化。x(1)=5x(2)=4x(3)=0x(4)=0x(5)=4x(6)=5x(7)=1x(8)=0信号的六等份量化过程§2.4信号的数字化处理2)A/D转换器的技术指标

(1)分辨率用输出二进制数码的位数表示。位数越多，量化误差越小，分辨力越高。常用有8位、10位、12位、16位等。(2)转换速度指完成一次转换所用的时间，如:1ms(1kHz)；10us(100kHz)(3)模拟信号的输入范围如，5V，+/-5V，10V，+/-10V等。§2.4信号的数字化处理2)A/D转换器的技术指标

(4)转换精度A/D转换器中采用分辨率和转换误差来描述转换精度。a)分辨率用来说明A/D转换器对输入信号的分辨能力，有n位输出的A/D转换器能区分2n个不同等级，因此分辨率=VImax/2n，式中，VImax是输入模拟信号的最大值。b)A/D转换器的转换误差通常以输出误差的最大值形式给出，它表示实际输出数字量和理论上应得到的数字量之间的差别，通常规定应小于＋1/2LSB。§2.4信号的数字化处理一、信号采样采样是将采样脉冲序列p(t)与信号x(t)相乘，取离散点x(nt)值的过程。p(t)x(t)x(nt)§2.4信号的数字化处理000000一个连续信号经过理想采样以后，它的频谱将沿着频率轴每隔一个采样频率ωs,重复出现一次，即其频谱产生了周期延拓，其幅值被采样脉冲序列的傅立叶系数（Cn=1/Ts)所加权，其频谱形状不变。一、信号采样§2.4信号的数字化处理

1频混现象

（a）采样频率等于信号频率，正弦信号离散后得到直流信号（b）采样频率等于信号频率的2倍，正弦信号离散后得到三角波信号（c）采样频率小于信号频率的2倍，正弦信号离散后得到更低频率的正弦信号§2.4信号的数字化处理当采样信号的频率低于被采样信号的最高频率时，采样所得的信号中混入了虚假的低频分量，这种现象叫做频率混叠。采样频率合适的情况下复原信号；采样频率过低的情况下，复原的是一个虚假的低频信号。

1频混现象

§2.4信号的数字化处理频混现象又称频谱混叠效应，它是由于采样信号频谱发生变化，而出现高、低频成分发生混淆的一种现象。

1频混现象

§2.4信号的数字化处理

1频混现象

信号x(t)的傅里叶变换为X(ω)，其频带范围为

-ωm~ωm；当采样周期Ts较小时，ωs＞2ωm，周期谱图相互分离如图中(b)所示；当Ts较大时，ωs＜2ωm，周期谱图相互重叠，即谱图中高频与低频部分发生重叠，如图中(c)所示，此即频混现象，这将使信号复原时丢失原始信号中的高频信息。§2.4信号的数字化处理2采样定理为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信号信息，信号采样频率必须至少为原信号中最高频率成分的2倍。这是采样的基本法则，称为采样定理，亦称仙农定理。fs＞2fmax

§2.4信号的数字化处理

注意：满足采样定理，只保证不发生频率混叠，而不能保证采样信号能真实地反映原信号x(t)。工程实际中采样频率通常大于信号中最高频率成分的3~5倍。2采样定理§2.4信号的数字化处理A/D采样前的抗混迭滤波：物理信号对象传感器电信号放大调制电信号A/D转换数字信号展开低通滤波(0~Fs/2)放大2采样定理§2.4信号的数字化处理其中为采样频率对于任意信号：1.信号采样§2.4信号的数字化处理为便于数学处理，对截断信号做周期延拓，得到虚拟的无限长信号。

用计算机进行测试信号处理时，不可能对无限长的信号进行测量和运算，而是取其有限的时间片段进行分析，这个过程称信号截断。§2.4信号数字化处理-截断、能量泄露周期延拓后的信号与真实信号是不同的，下面从数学的角度来看这种处理带来的误差情况。设有余弦信号x(t)，用矩形窗函数w(t)与其相乘，得到截断信号：y(t)=x(t)w(t)将截断信号谱XT(ω)与原始信号谱X(ω)相比较可知，它已不是原来的两条谱线，而是两段振荡的连续谱.原来集中在f0处的能量被分散到两个较宽的频带中去了，这种现象称之为频谱能量泄漏。§2.4信号数字化处理-截断、能量泄露对于任意信号：2.信号截断（加窗）§2.4信号数字化处理-截断、能量泄露其中Ｔ－－采样时间长度对于任意信号：3.频谱的离散化§2.4信号数字化处理-截断、能量泄露周期延拓信号与真实信号是不同的：能量泄漏误差§2.4信号数字化处理-截断、能量泄露克服方法之一：信号整周期截断§2.4信号数字化处理-截断、能量泄露为了减少频谱能量泄漏，可采用不同的截取函数对信号进行截断，截断函数称为窗函数，简称为窗。泄漏与窗函数频谱的两侧旁瓣有关，如果两侧瓣的高度趋于零，而使能量相对集中在主瓣，就可以较为接近于真实的频谱。

克服方法之二：窗函数§2.4信号数字化处理-截断、能量泄露常用窗函数：

(1)幂窗——采用时间变量某种幂次的函数，如矩形、三角形、梯形或其它时间(t)的高次幂；

(2)三角函数窗——应用三角函数，即正弦或余弦函数等组合成复合函数，例如汉宁窗、海明窗等；

(3)指数窗——采用指数时间函数，如e-st形式，例如高斯窗等．克服方法之二：窗函数§2.4信号数字化处理-截断、能量泄露1.矩形窗矩形窗属于时间变量的零次幂窗，函数形式为相应的窗谱为：矩形窗使用最多，习惯上不加窗就是使信号通过了矩形窗优点：主瓣比较集中缺点：旁瓣较高，并有负旁瓣，导致变换中带进了高频干扰和泄漏，甚至出现负谱现象。§2.4信号数字化处理-截断、能量泄露2.三角窗三角窗亦称费杰(Fejer)窗，是幂窗的一次方形式：相应的窗谱为：三角窗与矩形窗比较，主瓣宽约等于矩形窗的两倍，但旁瓣小，而且无负旁瓣。§2.4信号数字化处理-截断、能量泄露

3.汉宁(Hanning)窗汉宁窗又称升余弦窗，其时域表达式为：相应的窗谱为：与矩形窗对比，汉宁窗主瓣加宽并降低，旁瓣则显著减小。汉宁窗的旁瓣衰减速度也较快。比较可知，从减小泄漏观点出发，汉宁窗优于矩形窗。但汉宁窗主瓣加宽，相当于分析带宽加宽，频率分辨力下降。§2.4信号数字化处理-截断、能量泄露