機械工程測試技術(shù)第五章課件

1、27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)1第五章 信號處理初步2重點：數(shù)字信號處理的初步概念。相關(guān)分析及其應(yīng)用、功率譜分析及其應(yīng)用。難點：信號數(shù)字化中出現(xiàn)的問題：采樣、混疊、截斷、泄漏和窗函數(shù)等概念。 27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)3測試的目的是獲取反映被測對象狀態(tài)和特征的信息。實際中有用的信息總是和各種噪聲混雜在一起，難于直接識別和利用。只有分離信號和噪聲并經(jīng)過必要處理和分析，消除和修正系統(tǒng)誤差之后，才能準確提取信息中有用信息。信號處理目的:（1）分離信號和噪聲，提高信噪比。（2）從信號中提取有用的特征信號。（3）修正測試系統(tǒng)的某些誤差（如非線性誤差，溫度影響）。27 七月 202

2、2機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)4 信號分析（Signal analysis）： 研究信號的構(gòu)成和特征值（對信號結(jié)構(gòu)無影響）。信號處理（Signal process）： 把信號經(jīng)過必要的變換，以獲得所需信息的過程（有可能改變信號本身結(jié)構(gòu)）。二者密切相關(guān)，沒明確的界限，有時作同義語。信號處理類型模擬信號處理系統(tǒng)： 由模擬濾波器、乘法器、微分放大器等實現(xiàn)模擬運算功能的電路組成。作為數(shù)字信號處理的前奏。數(shù)字信號處理系統(tǒng)： 用數(shù)學方法處理信號，通常在計算機上實現(xiàn)，也可用專用信號處理機完成。優(yōu)點：穩(wěn)定，靈活，快速，高效，應(yīng)用廣，設(shè)備輕。51）電壓幅值調(diào)理，以適宜采樣。2）濾

3、波，以提高信噪比。 3）隔離信號中的直流分量。 4）調(diào)制信號的解調(diào)。模擬信號經(jīng)采樣、量化并轉(zhuǎn)化為二進制。數(shù)字信號處理器或計算機預處理預處理A/D轉(zhuǎn)換x(t)y(t)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果顯示第一節(jié) 數(shù)字信號處理的基本步驟 圖5-1 數(shù)字信號處理系統(tǒng)的簡圖對采集到的數(shù)字信號進行分析、計算。27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)6x(t)xq(nTS)量化計算機x(n)編碼x(n)n001011100010010011tx(t)xq(nTS)tq2q3q4qTS2TS3TS測試信號的數(shù)字化過程xS(nTS)采樣/保持txS(nTS)TS2TS3TSTsHow Lo

4、ng時間離散化幅值離散化27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)7模數(shù)轉(zhuǎn)換（AD） 指模擬信號經(jīng)采樣、量化并轉(zhuǎn)換為二進制的過程。（1）采樣：是將連續(xù)信號變?yōu)殡x散時間序列信號的過程。（2）截斷：將采樣得到的離散時間序列乘以窗函數(shù)，使之成為有限時間序列的過程。（3）量化：是把采樣信號經(jīng)過舍入變?yōu)橛邢迋€有效數(shù)字的數(shù)的過程。（4）編碼：將經(jīng)過量化的值變?yōu)槎M制數(shù)字的過程。27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)8第二節(jié) 信號數(shù)字化出現(xiàn)的問題 一 概述（以計算一個模擬信號的頻譜為例）采樣圖5-2 原模擬信號及其幅頻譜圖5-3 采樣函數(shù)及其幅頻譜Ts采樣間隔1/Ts=fs采樣頻率圖5-4 采樣后信號及其幅

5、頻譜若fm1/2Tsfm-fm 采樣：就是用一個等時距的周期脈沖序列s(t)去乘x(t)，Ts 采樣間隔；1/Ts=fs 采樣頻率；27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)9圖5-5 時窗函數(shù)及其幅頻譜T：窗寬圖5-6 有限長離散信號及其幅頻譜N=T/Ts ：序列長度截斷截斷：就是再乘一個窗口函數(shù)（矩形），T 為窗寬；N=T/Ts 所截取的時間序列數(shù)據(jù)點數(shù)（序列長度）；27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)10離散頻率序列f=fs/N=1/(TsN)=1/Ts(T/Ts)=1/T圖5-8 DFT后的頻譜及其時域函數(shù)圖5-7 頻域采樣函數(shù)及其時域函數(shù)N點的離散頻率序列離散頻率序列：就是離散傅立

6、葉變換；27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)11計算機按照一定算法離散傅立葉變換(Discrete Fourie Transform)將N點長的離散時間序列x(t)s(t)w(t)變換為N點的離散頻率序列，并輸出。輸出離散頻率序列的頻率間距 f = 1/T。頻域采樣函數(shù)是計算機實際輸出是： (5-1) 頻域采樣形成的頻域函數(shù)離散化，把其時域函數(shù)周期化了。上述處理過程的每一個步驟：采樣、截斷、DFT計算都會引起失真或誤差。27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)12二 時域采樣、混疊和采樣定理長度為 T 的連續(xù)信號x(t)，采樣得到的離散時間序列為 x(n)=x(nTs)=x(n/fs) n

7、=0,1,2,N-1 (5-2)Ts采樣間隔；N序列長度，N=T/Ts；fs采樣頻率采樣間隔太小，其數(shù)字序列就長，效率低；采樣間隔太大，可能丟掉有用的數(shù)據(jù)，出現(xiàn)混疊現(xiàn)象。圖5-9混疊現(xiàn)象27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)13圖5-4 采樣后信號及其幅頻譜f1f2f1混疊必定出現(xiàn)在 f=fs/2 左右兩側(cè)的頻率處，稱為折疊頻率，高于折疊頻率的高頻成分 f1 和低于折疊頻率的低頻成分 f2，它們之間的關(guān)系是 (f1+f2)/2=fs/2。27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)14抗混疊濾波預處理后，若采樣頻率fs 大于帶限信號最高頻率 fh 的 2 倍，即 (5-5) 就不會發(fā)生混疊。實際

8、上考慮高于截止頻率fc有過渡帶，采樣頻率fs常選用(34)fc。hfsTsf21=圖5-10 不產(chǎn)生混疊的條件采樣定理，也稱香農(nóng)（Shannon）定理27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)15三 量化和量化誤差(Quantization error) 若采樣點的電平落在兩相鄰量化之間，就必須含入到相近的一個量化電平上。一般認為，量化誤差(n) 為()()()量化電平實際nxnxn-=ex/2-x/2-x/2(n) x/227 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)16可認為(n)在x/2之間等概率分布。 則=-=x.xx方差標準差x均方值均值x概率密度29032012212201設(shè)A/D轉(zhuǎn)換器位

9、數(shù)為b，允許的動態(tài)工作范圍D (5V，010V)，相鄰量化電平之間差為 (5-6)-x/2(n)=27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)30第三節(jié) 隨機信號 一 概述隨機信號不能用確定數(shù)學公式描述，不能預測其未來瞬時值，任何一次觀察結(jié)果不能代表全部，其值變動服從統(tǒng)計規(guī)律。樣本函數(shù)對隨機信號按時間歷程所作的各次長時間觀測記錄稱為樣本函數(shù)，記為xi(t)。樣本記錄樣本函數(shù)在有限時間區(qū)間上的部分稱為樣本記錄。（1-61） 隨機過程全部樣本函數(shù)的集合（總體）就是隨機過程，記為 x(t)，即 將集合中所有樣本函數(shù)對同一時刻ti的觀測值取平均稱為（ti時刻的）集合平均。（隨機過程的平均）按單個樣本的時間

10、歷程進行平均的計算稱為（該樣本的）時間平均。27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)31x(t)=x1(t), x2(t), x3(t), ,xn(t), 圖5-1 隨機過程與樣本函數(shù)任意時刻ti的統(tǒng)計特征參數(shù)都相同的隨機過程。在平穩(wěn)隨機過程中，若任一單個樣本函數(shù)的時間平均統(tǒng)計特征等于該過程集合平均統(tǒng)計特征27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)32隨機過程分類: （1）平穩(wěn)隨機過程其統(tǒng)計特征參數(shù)不隨時間而變化的隨機過程。 （2）非平穩(wěn)隨機過程與上述相反則為非平穩(wěn)隨機過程。 （3）各態(tài)歷經(jīng)隨機過程在平穩(wěn)隨機過程中，若任一單個樣本函數(shù)的時間平均統(tǒng)計特征等于該過程集合平均統(tǒng)計特征，這樣的平穩(wěn)隨機過

11、程叫各態(tài)歷經(jīng)隨機過程。 27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)33 工程中很多隨機信號具有各態(tài)歷經(jīng)性，即使不嚴格遵守各態(tài)歷經(jīng)性，也按各態(tài)歷經(jīng)隨機過程處理。也就是說在測試工作中常以一個或幾個有限長度的樣本記錄來推斷整個隨機過程。以時間平均來估計集合平均。 在測試中確定性信號一般是在一定條件下出現(xiàn)的特殊情況，或者是忽略了信號的隨機性部分，實際中測試信號總是受到環(huán)境噪聲污染的，故研究隨機信號具有普遍意義。 27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)34二隨機信號的主要特征參數(shù)各態(tài)歷經(jīng)隨機信號主要特征參數(shù)： （1）均值、方差和均方值 （2）概率密度函數(shù) （3）自相關(guān)函數(shù) （4）功率譜密度函數(shù)（一）均值

12、x、方差2x和均方值2x 1均值x （1-62）T觀測時間; x (t)樣本函數(shù);均值x表示信號的常值分量2方差2x （1-63）描述隨機信號的波動分量，它是 x(t) 偏離均值 x 的平方的均值，方差的正平方根叫標準偏差 x。 27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)353均方值2x 描述隨機信號的強度，它是 x (t) 平方的均值，即 （1-64）均方值的正平方根稱為均方根值rms4均值x、方差2x和均方值2x的關(guān)系 （1-65）（當x= 0 時， ）5集合平均， t1 時刻的均值x , t1和均方值2x , t1為 （1-66） （1-67）M樣本記錄總數(shù); i樣本記錄序號; t1觀察時

13、刻27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)36（二）概率密度函數(shù)概率密度函數(shù)表示信號幅值落在指定區(qū)間內(nèi)的概率。見圖1-22所示，圖1-22 概率密度函數(shù)的計算 27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)37x(t) 值落在 (x, x+x) 區(qū)間內(nèi)的時間為 Tx （1-68）當樣本函數(shù)的記錄時間T時，Tx / T的比值就是x(t)的幅值落在(x, x +x) 區(qū)間內(nèi)的概率，即 （1-69）幅值概率密度函數(shù)p(x)為 （1-70）概率密度函數(shù)提供了隨機信號幅值分布的信息，不同的隨機信號有不同的概率密度圖形。圖1-23是四種常見的隨機信號（假設(shè)x =0）的概率密度函數(shù)圖形。當不知道所處理的隨機數(shù)據(jù)服

14、從何種分布時，可用統(tǒng)計概率分布圖來估計概率密度函數(shù)。27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)38圖1-23 四種隨機信號a)正弦函數(shù)（初始相角為隨機量） b)正弦函數(shù)加隨機信號c)窄帶隨機信號 d)寬帶隨機信號通過概率密度函數(shù)的圖形特征可以定性的判斷原信號中是否含有周期成分，若原信號中周期成分越多，則p(x)-x曲線的“馬鞍形”現(xiàn)象就越明顯。27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)39第四節(jié) 相關(guān)分析及應(yīng)用 通常兩個變量之間若存在一一對應(yīng)的確定關(guān)系，則稱兩者之間存在著函數(shù)關(guān)系。而當兩個隨機變量之間具有某種關(guān)系，隨著一個變量數(shù)值的確定 ，另一變量卻可能取許多不同值，但取值有一定的概率統(tǒng)計規(guī)律，這

15、時稱兩個隨機變量存在著相關(guān)關(guān)系。 一兩個隨機變量的相關(guān)系數(shù)圖5-14表示由兩個隨機變量 x 和 y 組成的數(shù)據(jù)點分布情況。0 xy0 xya) x與y 無關(guān)b) 線性關(guān)系圖5-14 兩隨機變量的相關(guān)性27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)40變量 x 和 y 之間的相關(guān)程度常用相關(guān)系數(shù) xy 表示：（5-16） 離散:連續(xù): 式中E數(shù)學期望x隨機變量 x 的均值 x = E x y隨機變量 y 的均值 y = E y x隨機變量 x 的標準差 2x=E (x x )2 y隨機變量y 的標準差 2y=E (y y )2 T=0)(1limdttxTxET各態(tài)歷經(jīng)隨機過程用柯西許瓦茲不等式 E

16、(x-x)(y-y) 2 E (x-x) 2 E (y-y) 2 （5-17）故知:xy 127 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)41xyxyxyxy當數(shù)據(jù)點分布越接近于一條直線時，xy 的絕對值越接近1，x 和 y 的線性相關(guān)性程度越好，將這樣的數(shù)據(jù)回歸成直線才越有意義。xy 的正付號表示一變量隨另一變量增加而增加或減少。當xy 接近零時，則認為 x 和 y 之間完全無關(guān)。但仍可能存在某種非線性的相關(guān)關(guān)系甚至函數(shù)關(guān)系。 27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)42在任何t =ti 時刻，從兩個樣本上分別得到兩個量值x(ti) 和x(ti+)，而且x(t)和x(t+)具有相同的均值和標準差。

17、假如把 簡寫成 ，那么有 假如 x(t) 是某各態(tài)歷經(jīng)隨機過程的一個樣本記錄。x(t+) 是x(t) 時移后的樣本記錄，見圖5-15。二信號的自相關(guān)函數(shù)0tx(t)0tx(t+)titi圖5-15 自相關(guān)27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)43將分子展開并注意到 從而 （5-18） 定義各態(tài)歷經(jīng)隨機信號自相關(guān)函數(shù) 為 （5-19） 則 （5-20） 27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)44顯然， 和 均隨而變化，且兩者成線性關(guān)系。 如果隨機過程均值 ，則 自相關(guān)函數(shù)性質(zhì)：（1）由式（5-20）有 （5-21） 因為 ，所以 （5-22） （2）自相關(guān)函數(shù)在= 0時為最大值，并等于該隨機

18、信號的均方值 2x （5-23） 27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)45（3）當足夠大或時，x(t) 和x(t+)不存在內(nèi)在聯(lián)系，彼此無關(guān)。 （4）自相關(guān)函數(shù)為偶函數(shù)，即（5-24） （5）周期函數(shù)的自相關(guān)函數(shù)仍為同頻率的周期函數(shù)，其幅值與原周期信號幅值有關(guān)，而丟失了原信號的相位信息。 2)(xxmtRt27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)46Rx()02x2x+2x2x -2x圖5-16 自相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)47例5-1求正弦函數(shù) x (t) = x0 sin (t+)的自相關(guān)函數(shù)。初相角為一隨機變量。式中 為正弦函數(shù)周期令 則 ，于是 解：此正

19、弦函數(shù)是一個零均值的各態(tài)歷經(jīng)隨機過程，其平均值可用一個周期內(nèi)平均值表示。該函數(shù)的自相關(guān)函數(shù)為: 27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)48由 可見正弦函數(shù)的自相關(guān)函數(shù)是一個余弦函數(shù)，在=0 時具有最大值，它不隨的增加而衰減至零。保留了原正弦信號的幅值和頻率信息，而丟失了相位信息。 上式為27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)49（1）由于x= 0； （2） （4） （5） 丟失相位信息。 性質(zhì)討論：27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)500tRx()0tx(t)0tRx()0tx(t)0tx(t)0tRx()0tx(t)0tRx()圖5-17 四種典型信號的自相關(guān)函數(shù)正弦波正弦波加隨機

20、噪聲窄帶隨機噪聲寬帶隨機噪聲信號中含有周期成分，其自相關(guān)函數(shù)在很大時都不會衰減，并具有明顯周期性。不包含周期成分，當稍大時Rx()0。窄帶隨機噪聲的 Rx ()有較慢衰減特性。寬帶隨機噪聲的 Rx()很快衰減為零。自相關(guān)函數(shù)是區(qū)別信號類型的一個非常有效的手段27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)51例：自相關(guān)分析測量轉(zhuǎn)速理想信號干擾信號實測信號自相關(guān)系數(shù)提取周期性轉(zhuǎn)速成分自相關(guān)分析的主要應(yīng)用：用來檢測混淆在干擾信號中的確定性周期信號成分。27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)52三信號的互相關(guān)函數(shù) 兩個各態(tài)歷經(jīng)隨機過程的隨機信號 x(t)和 y(t)的互相關(guān)函數(shù)Rxy()定義為 （5-25

21、） 由式（5-16） 27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)53當時移足夠大或時，x(t)和 y(t)互不相關(guān)， Rxy()最大變動量范圍在 之間，即（5-26） 如果 x(t) 和 y(t) 兩信號是同頻率的周期信號或者包含有同頻率的周期成分，那么，即使，互相關(guān)函數(shù)也不收斂并出現(xiàn)該頻率的周期成分。如果兩信號含有頻率不等的周期成分，則兩者不相關(guān)。結(jié)論： 同頻相關(guān)，異頻無關(guān)。27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)54例 5-2 設(shè)有兩個周期信號 式中：- x(t) 相對 t = 0 的相位角 j - x(t)與 y(t)的相位差試求其互相關(guān)函數(shù) Rxy() 解：因為信號是周期信號,可用一個周

22、期T0 代替整個歷程 T27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)55令 由此可見，兩個均值為零，且具有相同頻率的周期信號，其互相關(guān)函數(shù)中保留了這兩個信號的圓頻率，對應(yīng)的幅值 x0和y0以及相位差j 的信息。 27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)56例5-3 若兩個周期 信號圓頻率不等, 試求其互相關(guān)函數(shù) 根據(jù)正（余）弦函數(shù)的正交性，可知 可見，兩個非同頻周期信號是不相關(guān)的。 解：27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)57第五章作業(yè)教科書175頁，思考題與習題5-15-25-3下次課交作業(yè)27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)58互相關(guān)函數(shù)性質(zhì)：（1）互相關(guān)函數(shù)不是偶函數(shù) 證明： 令令

23、可見 27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)59Rxy()0 xyxy +xyxy -xy圖5-19 互相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)0 （2）圖中表明=0 時呈現(xiàn)最大值，時移0 反映 x(t) 和 y(t) 之間的滯后時間。互相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)，使它在工程應(yīng)用中有重要價值。它是在噪聲背景下提取有用信息的一個非常有效的手段。27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)60相關(guān)濾波：例如在線性系統(tǒng)中測振。根據(jù)頻率保持性，只有和激振頻率相同的成分才能是由激振而引起的響應(yīng)，而其它成分是干擾。因此將激振信號與所測得的響應(yīng)信號進行互相關(guān)（=0不用時移），就可得到由激振引起的響應(yīng)的幅值和相位差，消除了噪聲干擾的影響 。這種處理方法叫相關(guān)濾波?；ハ嚓P(guān)技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種測試中。27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)61可調(diào)延遲相 關(guān) 器Rxy()y(t)x(t)鋼帶速度vd透鏡光電池0Rxy()d圖5-20 鋼帶運動速度的非接觸測量例子：圖5-20是測定熱軋鋼帶運動速度的示意圖。鋼帶表面反射光經(jīng)透射鏡聚焦在相距 d 的兩個光電池上。反射光強度的波動，通過光電池轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，再進行相關(guān)處理。27 七月 2022機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)62圖5-21是確定深埋地下的油管裂損位置的例子。相關(guān)分析x1(t)x2(t)傳感器1傳感器2sK漏損處中心處0Rx1x2()m石油0圖5-21 確定輸油管