橋梁動載試驗信號處理的基本概念ppt課件

1、信號處置的根本概念信號處置的根本概念北京東方振動和噪聲技術(shù)研討所COINVcoinv1主要內(nèi)容主要內(nèi)容n一、信號采樣n二、走漏n三、加窗n四、濾波n五、幅域分析n六、時域分析n七、頻譜分析n八、階次分析COINVcoinv2一、信號采樣n動態(tài)信號數(shù)字化動態(tài)信號數(shù)字化n采樣：也稱抽樣，是信號在時間上的采樣：也稱抽樣，是信號在時間上的離散化；即按照一定時間間隔離散化；即按照一定時間間隔t在在模擬信號模擬信號x(t)上逐點采取其瞬時值。上逐點采取其瞬時值。n量化：是對幅值進展離散化，即將實量化：是對幅值進展離散化，即將實踐延續(xù)的振動幅值歸到接近的二進制踐延續(xù)的振動幅值歸到接近的二進制量化電平表示。量

2、化電平表示。COINVcoinv3采樣和量化表示COINVcoinv4采樣頻率和信號混疊n采樣定理采樣定理n采樣頻率采樣頻率 SF SF 必需大于信號頻率必需大于信號頻率fsfs的的2 2倍，倍，即即SF2fsSF2fs通常取通常取2.562.56倍以上倍以上n不滿足采樣定理將呵斥信號混疊，信號不滿足采樣定理將呵斥信號混疊，信號混疊就是把本該是高頻的信號誤以為低混疊就是把本該是高頻的信號誤以為低頻信號頻信號COINVcoinv5采樣頻率的選取n首先必需滿足采樣定理，對于不感興趣的較高頻率，可以運用抗混濾波器濾除。n假設(shè)重點為時域波形，那么應(yīng)盡量提高采樣頻率SF，使時間間隔t較小，SF2050倍

3、fs之間n假設(shè)重點為頻譜分析，那么應(yīng)盡量降低采樣 頻 率 S F ， 使 頻 率 間 隔 f 較 小 ，SF2.5625.6倍fs之間COINVcoinv6抗混濾波n采樣定理只保證了信號不被歪曲為低頻信號，但不能保證不受高頻信號的干擾n在采樣前，應(yīng)把比所需信號fs更高的頻率成分濾掉，這就是抗混濾波COINVcoinv7采樣長度和頻率分辨率n采樣長度即采樣時間的長短n采樣時，首先要保證能反映信號的全貌n兼顧思索信號平均的要求，減少計算量等要素，采樣長度不宜過長n采樣點數(shù)N 普通選為2m 的倍數(shù)，運用較多的有512、1024、2048、4096n給定分析頻率時，采樣長度T越大，那么f 便越小，即分

4、辨率越高，可見頻率分辨率是與采樣長度呈反比COINVcoinv8信號截斷n計算機每次只能對有限長度如1024 點的離散數(shù)據(jù)進展分析n原先延續(xù)的時域信號，要截斷成假設(shè)干固定長度的信號，再由計算機對被截取的信號一段段進展分析n截斷會使頻譜分析精度遭到影響COINVcoinv9二、走漏n整周期截斷周期性信號無精度損失n非整周期截斷將使信號波形兩端產(chǎn)生突變，會產(chǎn)生原信號中不存在的頻率成分，稱為走漏；即原先集中的頻率信息走漏到旁邊頻段去了n截斷隨機信號使原來延續(xù)的頻譜出現(xiàn)皺紋，即皺紋效應(yīng)；也會頻譜影響精度n信號截斷呵斥信號失真，進而產(chǎn)生走漏COINVcoinv10信號截斷走漏表示COINVcoinv11

5、三、加窗n加窗的主要目的是減少走漏誤差n加窗的主導(dǎo)想法是用比較光滑的窗函數(shù)替代截取信號樣本的矩形窗函數(shù)，對截斷的時序信號進展特定的不等加權(quán)，使被截斷的波形兩端突變變得平滑n工程上常用的是矩形窗、漢寧窗、漢明窗、余弦窗COINVcoinv12常用窗函數(shù)波形和譜圖COINVcoinv13常用窗函數(shù)波形和譜圖窗的特性和加窗原那么n沖擊過程和瞬態(tài)過程的丈量，應(yīng)該運用矩形窗(也稱力窗)n隨機和周期激振信號，多用Hanning 窗n自在衰減信號，多用指數(shù)窗COINVcoinv15信號加窗表示COINVcoinv16四、濾波n濾波的主要目的：使噪聲與有用信號分別，并予以抑制和消除，以提高信噪比n根本類型：低

6、通、高通、帶通和帶阻n濾波方式：模擬濾波和數(shù)字濾波兩種COINVcoinv17四、濾波五、幅域分析n振動幅值是振動強弱的一種度量，是信號分析最根底的數(shù)據(jù)n幅域統(tǒng)計目的：最大值、最小值、峰峰值、均值、方差、有效值等；對隨機信號，均值、方差、概率密度和概率分布函數(shù)等n峰值反映動態(tài)信號瞬時絕對值得最大值n均值反映信號中心位置和變化的平均程度n方差反映信號在中心位置上的動搖程度n均方值(有效值平方)反映信號動態(tài)與靜態(tài)總的平均能量程度COINVcoinv19五、幅域分析概率分析概率分析n描畫數(shù)據(jù)在幅值域的分布n1 概率密度函數(shù)：描畫信號的幅值在某一個范圍內(nèi)的概率n2 概率分布函數(shù)：描畫信號的幅值小于某個

7、值的概率COINVcoinv21典型信號的概率密度函數(shù)COINVcoinv22六、時域分析：相關(guān)函數(shù)分析n相關(guān)：是指變量之間的線性關(guān)系n相關(guān)分析：反映信號之間的相關(guān)性 n兩種相關(guān)函數(shù)：n自相關(guān)函數(shù)：是描畫信號x(t)一個時辰的取值與另一個時辰的取值之間的依賴關(guān)系n相互關(guān)函數(shù)：是對兩個信號x(t)和y(t)進展分析的，描畫x(t)一個時辰的取值與y(t)另一個時辰的取值之間的依賴關(guān)系n自相關(guān)系數(shù)和相互關(guān)系數(shù)的值總是在-1,1的區(qū)間上COINVcoinv23四種信號的自相關(guān)圖COINVcoinv24相關(guān)函數(shù)的運用n自相關(guān)函數(shù)：n判別原信號的性質(zhì)n檢測混于隨機噪聲中確實定性信號n其傅立葉變換可以求得

8、信號的功率譜密度n相互關(guān)函數(shù)：n相互關(guān)函數(shù)在時間位移等于信號通道系統(tǒng)所需時間時，將出現(xiàn)峰值；即系統(tǒng)的時間滯后直接可用輸出輸入相互關(guān)函數(shù)中峰值的時間位移來確定n利用相互時延和能量信息可對傳輸通道進展識別n其傅立葉變換可以求得信號的互功率譜密度COINVcoinv25七、頻譜分析n頻譜分析：就是將在時間域變化的信號變換為在頻(率)域中有效值或均方值隨頻率的分布n根本方法：(快速)傅立葉變換(FFT：Fast Fourier Transform)n分類：n(自)功率譜密度函數(shù)，n互功率譜密度函數(shù)(多通道)，n頻響函數(shù)/傳送函數(shù)COINVcoinv26主要誤差n走漏(偏度誤差)：n緣由是有限長截斷呵斥

9、n在頻譜主峰的兩端出現(xiàn)旁瓣n減小的方法 加窗函數(shù) n隨機誤差:n降低信噪比n減小的方法 多次平均COINVcoinv27FFT自譜的幾種方式 n幅值譜Peak：n此方式反映信號各諧波分量的單峰幅值。n幅值譜Rms：n此方式反映信號各諧波分量的有效值幅值。n功率譜：n此方式反映信號各諧波分量的能量，(Rms)2n功率譜密度：n此方式反映信號各諧波分量的能量分布情況，(Rms) 2/fCOINVcoinv28典型信號的功率譜密度COINVcoinv29互功率譜分析 n互譜：表示了兩個時域信號序列在頻域中所得兩種譜的共同成分，及其相位差關(guān)系n運用舉例：尋覓機器噪聲源，用機器整體噪聲信號與各部件的振動

10、信號進展互譜分析n頻譜與相關(guān)的關(guān)系自譜自譜自相關(guān)自相關(guān)FFTFFT互譜互譜相互關(guān)相互關(guān)FFTFFTCOINVcoinv30傳送函數(shù)分析 n傳送函數(shù)：是對一個系統(tǒng)，經(jīng)過其輸入信號和輸出信號，進展系統(tǒng)的頻率呼應(yīng)分析，它反映了系統(tǒng)對信號的傳送特性幅頻特性和相頻特性，取決于系統(tǒng)的本身特性，與輸入無關(guān)n表現(xiàn)方式： n幅頻曲線和相頻曲線(同時顯示，也稱為伯德圖) n實頻曲線和虛頻曲線 n奈奎斯特(Nykuist)圓 n相關(guān)曲線及相關(guān)傳函，可以斷定丈量的有效性 )()()(jFjXjHCOINVcoinv31傳送函數(shù)n 稱為傳送函數(shù),或稱為頻響函數(shù),有時也稱為導(dǎo)納;頻響函數(shù)是從頻域角度描畫系統(tǒng)的動力學(xué)特性,

11、并且與鼓勵方式無關(guān)。n頻響函數(shù)有兩種算法,即 n從頻響函數(shù)可以提取系統(tǒng)特征信息, 例如模態(tài)固有頻率、阻尼比等。n頻響函數(shù)的倒數(shù)稱為機械阻抗或稱動剛度。 )(jHCOINVcoinv32相關(guān)函數(shù)n為了評價頻響函數(shù)估計的精度, 定義相關(guān)函數(shù)n相關(guān)函數(shù)總是小于1，闡明系統(tǒng)中總存在外來的噪聲，或有其他不相關(guān)的輸入，或系統(tǒng)存在非線性特性。n相關(guān)傳函那么是傳送函數(shù)的幅值與相關(guān)函數(shù)相乘得到的結(jié)果。COINVcoinv33八、階次分析n振動信號的頻譜分析通常是將振動的時域采樣信號變換到頻域，進而提取形狀監(jiān)測所需的特征參數(shù)，經(jīng)過信號x(t)的傅立葉分析，得到以頻率赫茲(Hz)表示的頻率成分。n對旋轉(zhuǎn)振動而言，其

12、特征是各振動分量的振動頻率為轉(zhuǎn)速的倍數(shù)或分?jǐn)?shù)；通常希望對該頻率的整數(shù)倍頻率處進展察看，該整數(shù)倍就是階次(或各階諧波)；階次分量為1表示其頻率與轉(zhuǎn)速頻率一致，通常階次份量與轉(zhuǎn)速的關(guān)系可表示為：n 表示頻率， 表示階比，R表示轉(zhuǎn)速rpm 60/RlfflCOINVcoinv34為什么要運用階次？n傳統(tǒng)的FFT是階次分析的根本工具，但要將它運用到時變特征的振動的階次追蹤那么較為困難，由于FFT的結(jié)果不包含時間信息。為了堅持和轉(zhuǎn)速的恒定關(guān)系，設(shè)階次為1總是表示轉(zhuǎn)速，同理，階次為2也總是表示轉(zhuǎn)速的兩倍，其他階次分量的意義可依次類推?？梢婋A次與轉(zhuǎn)速(或頻率)有直接的對應(yīng)關(guān)系，階次也是一種頻率尺度，是頻率的

13、另一種表示，即轉(zhuǎn)頻的倍數(shù)。COINVcoinv35階次分析的方法n實現(xiàn)階次分析方法：最常見的是重采樣階次分析和Gabor階次分析；前者是實現(xiàn)從等時間采樣到等角度采樣的一種轉(zhuǎn)換，后者那么是典型的時頻結(jié)合分析COINVcoinv36階次分析的方法n在旋轉(zhuǎn)機械的振動和噪聲信號測試中，勻速情況下普通采用等時間間隔采樣并進展常規(guī)譜分析。但在轉(zhuǎn)速變化過程中,用這種采樣方式將使得頻譜圖上隨轉(zhuǎn)速變化的頻率分量變得模糊。n等時間隔采樣個頻率隨轉(zhuǎn)速線性添加的掃頻信號(線性調(diào)頻信號)，每個回轉(zhuǎn)周期內(nèi)，由于采樣點數(shù)的變化，用常規(guī)譜分析，其頻譜分布在一個寬頻帶上 n采用等回轉(zhuǎn)角采樣使采樣頻率相對轉(zhuǎn)速同步變化，那么每個回轉(zhuǎn)周期的采樣點將堅持不變，信號與轉(zhuǎn)速間的關(guān)系便得到了明確表達(dá) COINVcoinv37階次分析的內(nèi)容n階次譜分析(Order Spectrum):用于分析某一時間范圍內(nèi)或者某一轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的一切階次的幅值/能量強度n階次跟蹤(