工程测试技术.ppt

《工程测试技术.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程测试技术.ppt（41页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、工程测试技术 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望本章目录本章目录2.1信号的分类与描述2.2信号的时域波形分析2.3信号的时差域相关分析2.4信号的频域分析2.5卷积分2工程测试技术 华中科技大学材料学院2.1 信号的分类与描述 信号的分类主要是依据信号的分类主要是依据信号波形信号波形特征来特征来划分的，也就是根据被测信号信号幅度随划分的，也就是根据被测信号信号幅度随时间的变化历程来划分。时间的变化历程来划分。波形波形3工程测试技术 华中科技大学材料学

2、院2.1 信号的分类信号的分类1.从信号描述上从信号描述上-确定性信号与非确定性信号确定性信号与非确定性信号2.从信号的幅值和能量上从信号的幅值和能量上-能量信号与功率信能量信号与功率信号号3.从分析域上从分析域上-时域信号与频域信号时域信号与频域信号4.从连续性上从连续性上-连续时间信号（模拟信号）与连续时间信号（模拟信号）与离散时间信号（数字信号）离散时间信号（数字信号）5.从可实现性上从可实现性上-物理可实现信号与物理不可物理可实现信号与物理不可实现信号实现信号4工程测试技术 华中科技大学材料学院2.2 信号的时域分析信号的时域分析1.1周期周期-T，频率，频率-f=1/T2.峰值峰值-

3、P3.双峰值双峰值-Pp-pAtT PPp-p5工程测试技术 华中科技大学材料学院统计变量统计变量6工程测试技术 华中科技大学材料学院2.3 信号的时差域相关分析信号的时差域相关分析1.变量相关的概念变量相关的概念 统计学中用相关系数来描述变量统计学中用相关系数来描述变量x，y之间的相关性。是两随机变量之积的数学之间的相关性。是两随机变量之积的数学期望，称为相关性，表征了期望，称为相关性，表征了x、y之间的关之间的关联程度。联程度。7工程测试技术 华中科技大学材料学院2.波形变量相关的概念（相关函数波形变量相关的概念（相关函数）x(t)y(t)如果所研究的变量如果所研究的变量x,y是与时间有关

4、的函数，即是与时间有关的函数，即x(t)与与y(t)，二者之间是否存有关联？信号的相关描，二者之间是否存有关联？信号的相关描述又称信号的时差描述。它的特点是在广义积分平述又称信号的时差描述。它的特点是在广义积分平均时，将信号作了恰当时延，从而反映信号取值的均时，将信号作了恰当时延，从而反映信号取值的大小及先后的影响。大小及先后的影响。8工程测试技术 华中科技大学材料学院相关函数反映了二个信号在时移中的相关性。相关函数反映了二个信号在时移中的相关性。信号的互相关函数定义为：信号的互相关函数定义为：Rxy()与与Ryx()是两个不同函数是两个不同函数,Rxy()=Ryx(-)。均值为零的两个统计独

5、立的随机信号其均值为零的两个统计独立的随机信号其Rxy()=0。1).信号的相关函数信号的相关函数9工程测试技术 华中科技大学材料学院2).相关函数系数相关函数系数 由于信号由于信号x(t)和和y(t)本身的取值大小直接影响了本身的取值大小直接影响了相关函数的大小，因而在比较不同的成对信号相关相关函数的大小，因而在比较不同的成对信号相关程度时，仅视其相关函数值大小是不确切的。程度时，仅视其相关函数值大小是不确切的。一对一对弱信号虽然相关程度很高，但相关函数值很小：反弱信号虽然相关程度很高，但相关函数值很小：反之，一对强信号虽然相关程度很低，但相关函数值之，一对强信号虽然相关程度很低，但相关函数

6、值却很大却很大为了避免信号本身幅值对其相关程度度量为了避免信号本身幅值对其相关程度度量的影响。引入一个无量纲的相关系数，其定义的影响。引入一个无量纲的相关系数，其定义xy()=1说明说明x(t)和和y(t)完全相关；完全相关；xy()=0说明说明x(t)和和y(t)完全不相关完全不相关;0 xy()1说明说明x(t)和和y(t)部分相关部分相关10工程测试技术 华中科技大学材料学院 令令x(t)、y(t)二个信号之间产生时差二个信号之间产生时差，再相乘和，再相乘和积分，就可以得到积分，就可以得到时刻二个信号的相关性。时刻二个信号的相关性。x(t)y(t)时时延延器器乘乘法法器器y(t+)x(t

7、)y(t+)积积分分器器 Rxy()图例图例自相关函数：自相关函数：x(t)=y(t)x(t)=y(t)3).算法11工程测试技术 华中科技大学材料学院4).相关函数的性质相关函数的性质 相关函数描述了两个信号间或信号自身不同时刻的相似程度，通过相关分析可以发现信号中许多有规律的东西。1).自相关函数是自相关函数是 的偶函数，的偶函数，RX()=Rx(-);2).当当 =0 时，时，自相关函数具有最大值。自相关函数具有最大值。3).周期信号的自相关函数仍然是同频率的周期信号，但不保留原信周期信号的自相关函数仍然是同频率的周期信号，但不保留原信号的相位信息。号的相位信息。4).随机噪声信号的自相

8、关函数将随随机噪声信号的自相关函数将随 的增大快速衰减。的增大快速衰减。一般认为，当一般认为，当 时时，X(t)与与X(t+)相互独立，相互独立，RX()05).两同频率周期信号的互相关函数仍然是同频率的周期信号，且保两同频率周期信号的互相关函数仍然是同频率的周期信号，且保留了原信号的相位信息。留了原信号的相位信息。6).两个非同频率的周期信号互不相关。两个非同频率的周期信号互不相关。12工程测试技术 华中科技大学材料学院5).相关分析的工程应用相关分析的工程应用案例一：案例一：机械加工表面粗糙度自相关分析机械加工表面粗糙度自相关分析 性质性质3,性质性质4:提取出回转误差等周期性的故障源。提

9、取出回转误差等周期性的故障源。被测工件被测工件相关分析相关分析13工程测试技术 华中科技大学材料学院案例二：案例二：自相关测转速自相关测转速性质性质3，性质，性质4：提取周期性转速成分。提取周期性转速成分。14工程测试技术 华中科技大学材料学院案例二：案例二：地下输油管道漏损位置的探测地下输油管道漏损位置的探测X1X215工程测试技术 华中科技大学材料学院案例四：案例四：地震位置测量地震位置测量16工程测试技术 华中科技大学材料学院2.4 信号的频域分析李娜李娜-“青藏高原青藏高原”庞龙庞龙-“两只蝴蝶两只蝴蝶”对初次接触频域这一概念的人来说，频域一词即陌生又奇怪。实际上，它是我们生活中一个非

10、常重要的组成部分。人的耳-脑组合就是一台极出色的频域分析仪。通过耳-脑人们可将声音频谱细分为小的频段并区分出不同频段的强弱，也可以从嘈杂的噪音听到小的声音。17工程测试技术 华中科技大学材料学院 时域分析只能反映信号的幅值随时间的变化情况，时域分析只能反映信号的幅值随时间的变化情况，除单频率分量的简谐波外，很难明确揭示信号的频率组成除单频率分量的简谐波外，很难明确揭示信号的频率组成和各频率分量大小。和各频率分量大小。图例：受噪声干扰的多频率成分信号图例：受噪声干扰的多频率成分信号 18工程测试技术 华中科技大学材料学院小信号湮灭19工程测试技术 华中科技大学材料学院The Frequency

11、Domain:A Natural DomainAt first the frequency domain may seem strange and unfamiliar,yet it is an important part of everyday life.Your ear-brain combination is an excellent frequency domain analyzer.The ear-brain splits the audio spectrum into many narrow bands and determines the power present in ea

12、ch band.It can easily pick small sounds out of loud background noise thanks in part to its frequency domain capability.A doctor listens to your heart and breathing for any unusual sounds.He is listening for frequencies which will tell him something is wrong.An experienced mechanic can do the same th

13、ing with a machine.Using a screwdriver as a stethoscope,he can hear when a bearing is failing because of the frequencies it produces.So we see that the frequency domain is not at all uncommon.We are just not used to seeing it in graphical form.But this graphical presentation is really not any strang

14、er than saying that the temperature changed with time like the displacement of a line on a graph.20工程测试技术 华中科技大学材料学院常见信号时域和频域图谱一21工程测试技术 华中科技大学材料学院常见信号时域和频域图谱二22工程测试技术 华中科技大学材料学院2.4.1 时域分析与频域分析的关系时域分析与频域分析的关系 信号频谱信号频谱X(f)代表了信号在不同频率分量成分的代表了信号在不同频率分量成分的大小，能够提供比时域信号波形更直观，丰富的信大小，能够提供比时域信号波形更直观，丰富的信息。息。时

15、间时间幅值幅值频率频率时域分析时域分析频域分析频域分析23工程测试技术 华中科技大学材料学院 信号时域描述直观地反映出信号瞬时值随时间变化的情况；频域描述则反映信号的频率组成及其幅值、相角之大小。为了解决不同问题，往往需要掌握信号不同方面的特征，因而可采用不同的描述方式。例如，评定机器振动烈度，需用振动速度的均方根值来作为判据。若速度信号采用时域描述，就能很快求得均方根值。而在寻找振源时，需要掌握振动信号的频率分量，这就需采用频域描述。实际上，两种描述方法能相互转换，而且包含同样的信息量。24工程测试技术 华中科技大学材料学院Fourier理论 Jean Baptiste Joseph Fou

16、rier：法国数学家，1768.3.21-1830.5.16。傅里叶第一个证明：真实世界中的任何波形均能通过一些正弦波的叠加来构成。反之，我们也可将现实世界中的信号分解成一组正弦波。而这种变换是唯一的，也就是说，任何一个信号只能用一个正弦波的组合来表示。25工程测试技术 华中科技大学材料学院0 t8563A8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz-26.5 GHzSPECTRUM ANALYZER 9 kHz-26.5 GHz傅里叶傅里叶变换变换0 f26工程测试技术 华中科技大学材料学院大型空气压缩机传动装置故障诊断大型空气压缩机传动装置故障诊断27工程测试技术 华中科技大学

17、材料学院2.4.2 周期信号的频谱分析周期信号的频谱分析-FS 周期信号是经过一定时间可以重复出现周期信号是经过一定时间可以重复出现的信号，满足条件：的信号，满足条件：x(t)=x(t+nT)任何周期函数，都可以展开成正交函任何周期函数，都可以展开成正交函数线性组合的无穷级数，如三角函数集的数线性组合的无穷级数，如三角函数集的傅里叶级数傅里叶级数:28工程测试技术 华中科技大学材料学院1.傅里叶级数的表达形式傅里叶级数的表达形式式中式中:29工程测试技术 华中科技大学材料学院合并同频率项变形为：合并同频率项变形为：式中式中:例，例，求求周期周期方方波的频谱波的频谱:30工程测试技术 华中科技大

18、学材料学院2.傅里叶级数的复数表达形式傅里叶级数的复数表达形式式中式中:利用欧拉公式：利用欧拉公式：三角形式的三角形式的FS可变为可变为复指数形式复指数形式的的FS：（模）31工程测试技术 华中科技大学材料学院3.频谱图的概念频谱图的概念 工程上习惯将计算结果用图形方式表工程上习惯将计算结果用图形方式表示，以示，以fn(0)为横坐标，为横坐标，an、bn为纵坐标为纵坐标画图，称为实频虚频谱图。画图，称为实频虚频谱图。32工程测试技术 华中科技大学材料学院幅值相位谱幅值相位谱 以以fn为横坐标，分别以为横坐标，分别以|An|、n为纵坐为纵坐标画图，则称为幅值（频）谱和相位（频）标画图，则称为幅值

19、（频）谱和相位（频）谱。谱。33工程测试技术 华中科技大学材料学院功率谱功率谱 以以fn为横坐标，以为横坐标，以An2为纵坐标画为纵坐标画图，则称为功率谱。图，则称为功率谱。34工程测试技术 华中科技大学材料学院4.周期信号频谱的三个特点周期信号频谱的三个特点a.离散性，即谱线是离散的，每一条谱线表示一个谐波分量，；b.谐波性，即谱线只出现在基波频率的整数倍上；c.收敛性，即谐波的幅度随谐波次数的增高而减小。35工程测试技术 华中科技大学材料学院李娜李娜-“青藏高原青藏高原”波形图波形图36工程测试技术 华中科技大学材料学院庞龙庞龙-“两只蝴蝶两只蝴蝶”波形图波形图37工程测试技术 华中科技大学材料学院频谱图频谱图李娜李娜-“青藏高原青藏高原”频谱频谱图图庞龙庞龙-“两只蝴蝶两只蝴蝶”频谱频谱图图38工程测试技术 华中科技大学材料学院例例1：周期方波频谱的计算：周期方波频谱的计算周期方波在一个周期（T=2）内的表达式为根据傅里叶级数计算a0，an和bn 39工程测试技术 华中科技大学材料学院幅值：相位：40工程测试技术 华中科技大学材料学院周期方波合成示意图周期方波合成示意图41工程测试技术 华中科技大学材料学院