测试技术课件第3章.ppt
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1、第第2 2章章 信号的分析与处理信号的分析与处理SignalAnalysisandProcessing2.0序序(Introduction)2.1信号的时域分析信号的时域分析(SignalAnalysisinTimeDomain)2.2信号的相关分析信号的相关分析(SignalCorrelation)2.3信号的频域分析信号的频域分析(SignalAnalysisinFrequencyDomain)2.4数字信号处理基础数字信号处理基础(BasicofDigitalSignalProcessing)返回返回第第2 2章章 信号的分析与处理信号的分析与处理信号分析与处理的目的信号分析与处理的目的
2、:1)剔除信号中的噪声和干扰,即提高信噪比;)剔除信号中的噪声和干扰,即提高信噪比;2)消除测量系统的误差,修正畸变的波形;)消除测量系统的误差,修正畸变的波形;3)强化、突出有用信息,削弱无用部分;)强化、突出有用信息,削弱无用部分;4)将信号加工、处理、变换,以便更容易识别和分析)将信号加工、处理、变换,以便更容易识别和分析信号的特征,解释被测对象所表现的各种物理现象。信号的特征,解释被测对象所表现的各种物理现象。2.0 序序 (Introduction)信号分析和信号处理是密切相关的,二者并没有明确信号分析和信号处理是密切相关的,二者并没有明确的界限。的界限。本章重点讨论本章重点讨论频域
3、分析频域分析。信号分析和处理的方法主要有模拟分析方法和信号分析和处理的方法主要有模拟分析方法和数字处数字处理理分析方法。分析方法。数字信号处理可以在专用计算机上进行,也可以在通数字信号处理可以在专用计算机上进行,也可以在通用计算机上实现。用计算机上实现。序序2.1 2.1 信号的时域分析信号的时域分析 (SignalAnalysisinTimeDomain)离散时间序列统计参数离散时间序列统计参数2.1.1特征值分析特征值分析离散信号的离散信号的绝对平均值绝对平均值(absolutemean)离散信号的离散信号的均值均值(mean)N 为离散点数为离散点数离散信号的离散信号的均方值均方值(me
4、ansquare)信号的信号的均方根值均方根值(rootofmeansquare),即为有效值即为有效值离散信号的离散信号的方差方差(variance)信号的时域分析信号的时域分析特征值分析的应用特征值分析的应用信号的时域分析信号的时域分析旋转机械振动标准旋转机械振动标准2.1.2概率密度概率密度(probabilitydensity)函数分析函数分析正弦信号正弦信号正弦加随机噪声正弦加随机噪声窄带随机信号窄带随机信号宽带随机信号宽带随机信号概率密度函数概率密度函数常见信号的概率密度函数:常见信号的概率密度函数:信号的时域分析信号的时域分析正态分布随机信号的概率密度函数正态分布随机信号的概率密
5、度函数 正态分布又叫高斯分布,正态分布又叫高斯分布,是概率密度函数中最重要是概率密度函数中最重要的一种分布。的一种分布。因此,因此,信号的时域分析信号的时域分析2.2 2.2 信号的相关分析信号的相关分析(SignalCorrelationAnalysis)2.2.1相关系数相关系数x与与y变量的相关性变量的相关性xyxyxy不相关不相关相关相关000变量变量x和和y之间的相关程度常用相关系数表示:之间的相关程度常用相关系数表示:由柯西由柯西-许瓦兹不等式许瓦兹不等式所以,所以,信号的相关分析信号的相关分析2.2.2自相关自相关(self-correlation)分析分析相关系数相关系数信号的
6、相关分析信号的相关分析自相关函数定义自相关函数定义 周期信号:周期信号:非周期信号:非周期信号:进一步,对于周期信号和非周期信号有:进一步,对于周期信号和非周期信号有:信号的相关分析信号的相关分析自相关函数的性质自相关函数的性质自相关函数为实偶函数自相关函数为实偶函数证明:证明:信号的相关分析信号的相关分析自相关函数的性质自相关函数的性质 信号的相关分析信号的相关分析0周期函数的自相关函数仍为同频率的周期函数周期函数的自相关函数仍为同频率的周期函数例例2.1求正弦函数求正弦函数的自相关函数。的自相关函数。把把解:解:代入代入信号的相关分析信号的相关分析,2.2.3互相关互相关(cross-co
7、rrelation)分析分析互相关函数的概念互相关函数的概念互相关系数互相关系数互相关函数互相关函数信号的相关分析信号的相关分析互相关函数的性质互相关函数的性质1)互相关函数是可正)互相关函数是可正、可负的实函数。、可负的实函数。2)互相关函数非偶函数、亦非奇函数,具有关系)互相关函数非偶函数、亦非奇函数,具有关系因为:因为:信号的相关分析信号的相关分析3)的峰值不在的峰值不在处,其峰值偏离原点的位置反处,其峰值偏离原点的位置反映了两信号时移的大小,相关程度最高。映了两信号时移的大小,相关程度最高。互相关函数的性质互相关函数的性质信号的相关分析信号的相关分析05)两个统计独立的随机信号,当均值
8、为零时,则)两个统计独立的随机信号,当均值为零时,则信号的相关分析信号的相关分析4)互相关函数的限制范围为)互相关函数的限制范围为证明证明有有上述结论。上述结论。6)两个不同频率的周期信号,其互相关为零。两个不同频率的周期信号,其互相关为零。07)周期信号与随机信号的互相关函数为零。)周期信号与随机信号的互相关函数为零。信号的相关分析信号的相关分析例例2.2求两个同频率的正弦函数求两个同频率的正弦函数和和的互相关函数。的互相关函数。解:因为信号是周期函数,可以用一个共同周期内解:因为信号是周期函数,可以用一个共同周期内的平均值代替其整个历程的平均值,故的平均值代替其整个历程的平均值,故信号的相
9、关分析信号的相关分析d速度v透镜光电池可调延迟相关器钢带0信号的相关分析信号的相关分析钢带运动速度的非接触测量钢带运动速度的非接触测量相关分析在故障诊断中的应用相关分析在故障诊断中的应用 信号的相关分析信号的相关分析x1(t)x2(t)ts2.3 2.3 信号的频域分析信号的频域分析 (SignalAnalysisinFrequencyDomain)信号的信号的时域描述时域描述反映了信号幅值随时间变化的特征;反映了信号幅值随时间变化的特征;相关分析相关分析从时域为在噪声背景下提取有用信息提供了从时域为在噪声背景下提取有用信息提供了手段;手段;信号的信号的频域描述频域描述反映了信号的频率结构和各
10、频率成分反映了信号的频率结构和各频率成分的幅值大小;的幅值大小;功率谱密度函数、相干函数、倒谱分析则从频域为研功率谱密度函数、相干函数、倒谱分析则从频域为研究平稳随机过程提供了重要方法。究平稳随机过程提供了重要方法。2.3.1巴塞伐尔(巴塞伐尔(Paseval)定理定理信号在时域中的总能量与信号在频域中的总能量相等信号在时域中的总能量与信号在频域中的总能量相等由由卷积定理卷积定理即即令令令令信号的频域分析信号的频域分析,则则2.3.2功率谱功率谱(powerspectrum)分析及其应用分析及其应用定义随机信号的自功率谱密度函数(自谱)为定义随机信号的自功率谱密度函数(自谱)为其逆变换为其逆变
11、换为定义两随机信号的互功率谱密度函数(互谱)为定义两随机信号的互功率谱密度函数(互谱)为其逆变换为其逆变换为信号的频域分析信号的频域分析功率谱密度函数的物理意义功率谱密度函数的物理意义 表示信号的功率密度沿频率轴的分布,故又称表示信号的功率密度沿频率轴的分布,故又称为功率谱密度函数。为功率谱密度函数。信号的频域分析信号的频域分析自功率谱密度函数自功率谱密度函数和幅值谱和幅值谱及能谱及能谱之间的关系之间的关系由巴塞伐尔定理:由巴塞伐尔定理:由由功率谱定义:功率谱定义:因此,有因此,有信号的频域分析信号的频域分析自功率谱密度函数是偶函数自功率谱密度函数是偶函数,它的频率范围它的频率范围,又称双边自
12、功率谱密度函数。它在频率范围又称双边自功率谱密度函数。它在频率范围的函数值是其在的函数值是其在频率范围函数值的频率范围函数值的对称映射对称映射,因,因此此。单边谱和双边谱单边谱和双边谱 信号的频域分析信号的频域分析0f 功率谱的应用功率谱的应用 1 1)自)自功率谱密度功率谱密度 与幅值谱与幅值谱 及系统频率响应函数及系统频率响应函数 的关系的关系信号的频域分析信号的频域分析若信号的频域分析信号的频域分析输入输入/输出自功率谱密度函数与系统频率响应函数关系输出自功率谱密度函数与系统频率响应函数关系通过输入、输出自谱的分析,就能得出系统的幅频特性。通过输入、输出自谱的分析,就能得出系统的幅频特性
13、。但这样的谱分析丢失了相位信息,不能得出系统的相频但这样的谱分析丢失了相位信息,不能得出系统的相频特性。特性。单输入、单输出的理想线性系统单输入、单输出的理想线性系统信号的频域分析信号的频域分析2)互谱排除噪声影响)互谱排除噪声影响由于输入和噪声是独立无关的,由于输入和噪声是独立无关的,信号的频域分析信号的频域分析+3)功率谱在设备诊)功率谱在设备诊断中的应用断中的应用汽车变速箱上加速汽车变速箱上加速度信号的功率谱图度信号的功率谱图 正常正常异常异常故障频率故障频率信号的频域分析信号的频域分析(a)(b)压缩机振动瀑布图压缩机振动瀑布图频率 f/Hz转速 r/min振幅 A/um0100200
14、3004)瀑布)瀑布(waterfall)图图 信号的频域分析信号的频域分析5)坎贝尔()坎贝尔(Canbel)图图信号的频域分析信号的频域分析2.3.3相干函数相干函数(coherencefunction)相干函数为零相干函数为零-输出信号与输入信号输出信号与输入信号不相干不相干。相干函数为相干函数为1-输出与输入信号完全输出与输入信号完全相干相干。相干函数在相干函数在01之间之间-有如下三种可能:有如下三种可能:测试中有外测试中有外界噪声干扰;界噪声干扰;输出是输入和其他输入的综合输出;输出是输入和其他输入的综合输出;系统是非线性的。系统是非线性的。对于线性系统对于线性系统信号的频域分析信
15、号的频域分析油压脉动与油管振动的相干分析油压脉动与油管振动的相干分析压油管压力脉动的基频压油管压力脉动的基频 润滑油泵转速为润滑油泵转速为n=781r/min,油泵齿轮的齿数为油泵齿轮的齿数为z=14信号的频域分析信号的频域分析(a)信号)信号x(t)的自谱的自谱(b)信号)信号y(t)的自谱的自谱(c)相干函数)相干函数2.3.4倒谱倒谱(cepstrum)分析分析倒频谱分析亦称为二次频谱分析倒频谱分析亦称为二次频谱分析检测复杂信号频谱上的周期结构,分离和提取在密集泛检测复杂信号频谱上的周期结构,分离和提取在密集泛频谱信号中周期成分频谱信号中周期成分功率倒频谱函数功率倒频谱函数与自相关函数比
16、较与自相关函数比较信号的频域分析信号的频域分析幅值倒频谱函数幅值倒频谱函数也可以定义为也可以定义为倒频谱的应用倒频谱的应用(1)分离信息通道对信号的影响)分离信息通道对信号的影响在机械状态监测和故障诊断中所测得的信号往往是由故在机械状态监测和故障诊断中所测得的信号往往是由故障源经系统路径的传输而得到的响应,如欲得到该源信障源经系统路径的传输而得到的响应,如欲得到该源信号,必须消除传递通道的影响。号,必须消除传递通道的影响。信号的频域分析信号的频域分析信号的频域分析信号的频域分析(2)用倒频谱诊断齿轮故障)用倒频谱诊断齿轮故障齿轮的振动齿轮的振动转轴频率转轴频率啮合频率啮合频率功率谱功率谱倒谱倒
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