機(jī)械工程測試信息信號分析1ppt

1、*1MEASUREMENTINFORMATION SIGNAL ANALYSIS IN MECHANICAL ENGINEERING 機(jī)械工程測試機(jī)械工程測試信息信息信號分析信號分析 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院 機(jī)械電子信息工程系機(jī)械電子信息工程系李錫文李錫文 軒建平軒建平 *2課件資料下載：郵箱地址： “機(jī)械工程測試機(jī)械工程測試”每個字拼音的第一個字母每個字拼音的第一個字母 密碼：111111注意下載時不要刪除原始文件 *3一、課程簡介q名稱：名稱：機(jī)械工程測試機(jī)械工程測試 信息信息 信號分析信號分析 測試測試 具有試驗性質(zhì)的測量具有試驗性質(zhì)的測量 工程測試工程測試 工程中物理量為

2、研究對象的測試工程中物理量為研究對象的測試 機(jī)械工程測試機(jī)械工程測試 應(yīng)用背景廣泛的機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用背景廣泛的機(jī)械領(lǐng)域 信息信息 事物運(yùn)動的狀態(tài)和方式事物運(yùn)動的狀態(tài)和方式 信號信號 信息的載體信息的載體 信號分析信號分析 研究信號的構(gòu)成和特征研究信號的構(gòu)成和特征q以以信息信息為核心，研究工程中信息的獲取。為核心，研究工程中信息的獲取。q課程的課程的理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)：信息理論信息理論。q主要研究內(nèi)容：工程信息的主要研究內(nèi)容：工程信息的獲取、傳輸、轉(zhuǎn)換、分獲取、傳輸、轉(zhuǎn)換、分析、變換、處理、顯示及應(yīng)用析、變換、處理、顯示及應(yīng)用。*4教材q教材教材 1 盧文祥，杜潤生盧文祥，杜潤生 .機(jī)械工程機(jī)械工程測

3、試測試 信息信息 信號分析（第二信號分析（第二版）版）.武漢：華中科技大學(xué)出版武漢：華中科技大學(xué)出版社，社，1999.8。 2 盧文祥，杜潤生盧文祥，杜潤生 .機(jī)械工程機(jī)械工程測試測試 信息信息 信號分析習(xí)題例信號分析習(xí)題例解解.華中科技大學(xué)教材科，華中科技大學(xué)教材科，2003。*5參考資料及相關(guān)數(shù)學(xué)知識q 參考資料參考資料TP 14 信息、信號類信息、信號類TN 911 信號系統(tǒng)類信號系統(tǒng)類q 相關(guān)的數(shù)學(xué)知識相關(guān)的數(shù)學(xué)知識1. 積分變換積分變換2. 概率論與數(shù)理統(tǒng)計概率論與數(shù)理統(tǒng)計3. 隨機(jī)過程隨機(jī)過程q 聯(lián)系地址電話：聯(lián)系地址電話：軒建平軒建平 新大樓新大樓B303 87557415 13

4、886035139李錫文李錫文 新大樓新大樓C306 875590046內(nèi)容安排（一）信息論基礎(chǔ)（一）信息論基礎(chǔ) 第三章第三章 第四章第四章 51 61（二）信號分析（二）信號分析 第二章第二章 52 53 62 65 第七章第七章 第八章第八章 第九章第九章 第十章第十章（三）信號分析設(shè)備（三）信號分析設(shè)備 第十一章第十一章（四）機(jī)械工程中的信號分析技術(shù)（四）機(jī)械工程中的信號分析技術(shù) 第十二章第十二章（五）實驗（五）實驗 Matlab MiniDRVI 何嶺松教授何嶺松教授q 專題：高階統(tǒng)計分析；非線性、非平穩(wěn)信號處理（時頻、小專題：高階統(tǒng)計分析；非線性、非平穩(wěn)信號

5、處理（時頻、小波分析、波分析、Hilbert-Huang變換）變換）q 測量控制實踐：抗干擾、接地、傳感器、調(diào)理、信號處理測量控制實踐：抗干擾、接地、傳感器、調(diào)理、信號處理*7考核評分標(biāo)準(zhǔn)q考核評分標(biāo)準(zhǔn)考核評分標(biāo)準(zhǔn) 平時成績平時成績 20% 作業(yè)作業(yè) 20% 實驗實驗 ？ 期末考試期末考試 60% 考試方式待定考試方式待定*8二、工程測試方法q測試對象的特征測試對象的特征 動態(tài)動態(tài) 被測量是時間被測量是時間 t 的函數(shù)的函數(shù) f (t )q測試方法測試方法 非電量電測法非電量電測法信源信源被測對象被測對象力力聲音聲音溫度溫度位移位移速度速度加速度加速度應(yīng)用應(yīng)用被控對象被控對象控制控制控制算法控

6、制算法傳感器傳感器一次儀表一次儀表壓力傳感器壓力傳感器話筒話筒熱電阻熱電阻渦流傳感器渦流傳感器磁電傳感器磁電傳感器壓電傳感器壓電傳感器傳輸變換傳輸變換二次儀表二次儀表傳遞信號傳遞信號電壓電壓電阻電阻電流電流電感電感電荷電荷信號分析信號分析預(yù)處理及處理預(yù)處理及處理 提取信息提取信息 時域時域 頻域頻域幅值域幅值域高階統(tǒng)計分析高階統(tǒng)計分析非線性、非平穩(wěn)非線性、非平穩(wěn)*9例：電機(jī)振動測量及頻譜分析*10圖圖 電動機(jī)在線識別電動機(jī)在線識別在某電動機(jī)生產(chǎn)線上，利用頻譜診斷技術(shù)實現(xiàn)電動在某電動機(jī)生產(chǎn)線上，利用頻譜診斷技術(shù)實現(xiàn)電動機(jī)在線自動識別、分類的過程。機(jī)在線自動識別、分類的過程。例：電機(jī)故障診斷*11

7、例：電機(jī)故障診斷實驗步驟q具體檢測步驟如下：具體檢測步驟如下： （1）將裝有微型加速度計的測頭接觸傳送帶上運(yùn)）將裝有微型加速度計的測頭接觸傳送帶上運(yùn)送的電動機(jī)；送的電動機(jī)； （2）檢測電動機(jī)的振動信號，經(jīng)放大器后輸入）檢測電動機(jī)的振動信號，經(jīng)放大器后輸入FFT分析儀；分析儀； （3）將檢測得的振動頻譜與預(yù)先在分析儀中設(shè)定）將檢測得的振動頻譜與預(yù)先在分析儀中設(shè)定的判別譜進(jìn)行比較；的判別譜進(jìn)行比較； （4） 進(jìn)行合格與否判斷，輸出判斷信號。進(jìn)行合格與否判斷，輸出判斷信號。*12例：電機(jī)故障診斷實驗結(jié)果q上圖分別為典型合格品與廢品的振動頻譜。上圖分別為典型合格品與廢品的振動頻譜。q圖中可看出，廢品的

8、頻譜圖中往往在某一頻圖中可看出，廢品的頻譜圖中往往在某一頻率有較大的幅值。率有較大的幅值。*13第二章 信號分析基礎(chǔ)q主要內(nèi)容主要內(nèi)容 一、信號的概念一、信號的概念 二、信號的描述二、信號的描述 三、信號的分類三、信號的分類 四、信號處理的目的、步驟四、信號處理的目的、步驟 五、典型信號介紹五、典型信號介紹 六、信號的基本運(yùn)算六、信號的基本運(yùn)算 七、信號的分解七、信號的分解*14一、信號的概念 信號是反映（或載有）信息的各種物理量，信號是反映（或載有）信息的各種物理量，是系統(tǒng)直接進(jìn)行加工、變換以實現(xiàn)通信的對是系統(tǒng)直接進(jìn)行加工、變換以實現(xiàn)通信的對象。象。 信號是信息的表現(xiàn)形式，信息則是信號的具信

9、號是信息的表現(xiàn)形式，信息則是信號的具體體內(nèi)容。傳輸信息的載體稱為信號傳輸信息的載體稱為信號q自然和物理信號自然和物理信號 例如：語音、圖象、地震信號、生理信號等例如：語音、圖象、地震信號、生理信號等 實例：實例：雨聲、地震信號雨聲、地震信號*15一、信號的概念q自然和物理信號自然和物理信號 例如：語音、圖象、地震信號、例如：語音、圖象、地震信號、生理信號生理信號等等 實例：人的心音實例：人的心音圖圖 正常心音時域波形圖正常心音時域波形圖圖圖 房室隔缺損病人心音時域波形圖房室隔缺損病人心音時域波形圖 *16一、信號的概念q人工產(chǎn)生的信號人工產(chǎn)生的信號 例如：雷達(dá)信號、通訊信號、醫(yī)用超聲信號、機(jī)械

10、探傷信例如：雷達(dá)信號、通訊信號、醫(yī)用超聲信號、機(jī)械探傷信號等號等 實例：實例：雷達(dá)信號、機(jī)械聲音雷達(dá)信號、機(jī)械聲音*17二、信號描述方法-數(shù)學(xué)q數(shù)學(xué)描述數(shù)學(xué)描述 使用具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式，把信號描述為一個或若使用具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式，把信號描述為一個或若干個自變量的函數(shù)或序列的形式。干個自變量的函數(shù)或序列的形式。)sin()(ttftttf)sin()()()(nuanxn*18信號描述方法-時域波形q波形描述波形描述 函數(shù)的圖象稱為波形函數(shù)的圖象稱為波形 用被測物理量的強(qiáng)度作為縱坐標(biāo)作為縱坐標(biāo)，用時間做橫坐時間做橫坐標(biāo)標(biāo)，記錄被測物理量隨時間的變化情況。橫坐標(biāo)橫坐標(biāo)為時間或整數(shù)。為時間或整數(shù)。0At

11、*19信號描述方法-波形繪制波形波形( )cosx tt( )cos(2/12)x nn*20信號描述方法-頻譜圖橫坐標(biāo)為頻率：橫坐標(biāo)為頻率：( (),),f f tF0cos tjF0sin () () () -0 -0 0 0 0 0 (-)*21信號描述方法-時頻分析00.8102004006008001000050100150t / sf / HzPower Spectrum時間時間頻率頻率能量能量STFTSTFTT The instantaneous frequency increases linearly with time*22信號描述方法-時頻分析1信號由三個

12、不同頻率的正弦波組成，但頻率在不同的時候存在時間時間頻率頻率*23信號描述方法-時頻分析弓頭鯨發(fā)出聲音的聯(lián)合時頻分布曲線時間時間頻率頻率能量能量/brp/listen-to-project-sounds/soundfiles/BowSong2000.au*24三、信號的分類1. 按能否用明確的數(shù)學(xué)關(guān)系式描述分類按能否用明確的數(shù)學(xué)關(guān)系式描述分類 確定性信號確定性信號 非確定性信號非確定性信號 2. 按信號的功率和能量是否有限分類按信號的功率和能量是否有限分類 功率信號功率信號 能量信號能量信號3. 按函數(shù)的自變量存在范圍分類按函數(shù)的自變量存在

13、范圍分類 時限信號時限信號 頻限信號頻限信號 物理可實現(xiàn)信號物理可實現(xiàn)信號4. 按自變量是否連續(xù)分類按自變量是否連續(xù)分類 連續(xù)信號連續(xù)信號 離散信號離散信號*25三、信號的分類FSFT功率譜信號信號確定性信號確定性信號非確定性信號非確定性信號周期信號周期信號非周期信號非周期信號簡單周期信號簡單周期信號復(fù)雜周期信號復(fù)雜周期信號準(zhǔn)周期信號準(zhǔn)周期信號瞬態(tài)信號瞬態(tài)信號平穩(wěn)隨機(jī)信號平穩(wěn)隨機(jī)信號非平穩(wěn)隨機(jī)信號非平穩(wěn)隨機(jī)信號各態(tài)歷經(jīng)信號各態(tài)歷經(jīng)信號非各態(tài)歷經(jīng)信號非各態(tài)歷經(jīng)信號一般非平穩(wěn)信號一般非平穩(wěn)信號瞬態(tài)隨機(jī)信號瞬態(tài)隨機(jī)信號按能否用明確的數(shù)學(xué)關(guān)系式描述分類*26三、信號的分類q確定信號與非確定性信號確定信

14、號與非確定性信號 要點：要點：給定的自變量的值，是否可以唯一確定信號的取值。 區(qū)分方法：區(qū)分方法：任意給定一個自變量的值，如果可以唯一確定其信號和取值，則該信號是確定信號，否則，如果取值是確定的隨機(jī)值，則是隨機(jī)信號。 非平穩(wěn)隨機(jī)信號是非確定性信號。*27三、信號的分類q周期信號與非周期信號周期信號與非周期信號 經(jīng)過一定時間可以重復(fù)出現(xiàn)的信號，滿足條件經(jīng)過一定時間可以重復(fù)出現(xiàn)的信號，滿足條件 T周期，周期，T2 / 0, 0基頻基頻; n0，土，土l，. 周期周期T(正值正值)，最小，最小T值。值。 非周期信號可以視為是周期非周期信號可以視為是周期T無窮大。無窮大。 例，機(jī)械系統(tǒng)回轉(zhuǎn)體不平衡引起

15、的振動信號是周期性的。例，機(jī)械系統(tǒng)回轉(zhuǎn)體不平衡引起的振動信號是周期性的。( )(),f tf tnTtR 簡單周期信號簡單周期信號:正余弦信號正余弦信號復(fù)雜周期信號復(fù)雜周期信號*28三、信號的分類q非周期信號非周期信號 瞬變非周期信號瞬變非周期信號 非周期信號往往具有瞬變性。非周期信號往往具有瞬變性。( )sinsin 2 ,x ttttR 準(zhǔn)周期信號準(zhǔn)周期信號 組成信號的各頻率相互間不是公倍關(guān)系，組成信號的各頻率相互間不是公倍關(guān)系，合成信號不滿足周期條件合成信號不滿足周期條件*29三、信號的分類瞬態(tài)信號瞬態(tài)信號:持續(xù)時間有限的信號，如持續(xù)時間有限的信號，如( ). sin(2)Btx teA

16、ft*30三、信號的分類q非確定性信號非確定性信號噪聲信號噪聲信號(平穩(wěn)平穩(wěn))統(tǒng)計特性變異統(tǒng)計特性變異噪聲信號噪聲信號(非平穩(wěn)非平穩(wěn))*31三、信號的分類q非確定性信號非確定性信號-平穩(wěn)隨機(jī)信號平穩(wěn)隨機(jī)信號 統(tǒng)計特征參數(shù)不隨時間變化的隨機(jī)信號，概率密度函數(shù)為統(tǒng)計特征參數(shù)不隨時間變化的隨機(jī)信號，概率密度函數(shù)為正態(tài)分布正態(tài)分布 集平均與子集平均集平均與子集平均111 lim( )NiNiE xx tN11 lim( )1,2,NijNiE xx tNj*32三、信號的分類q 平穩(wěn)隨機(jī)信號平穩(wěn)隨機(jī)信號-各態(tài)歷經(jīng)信號各態(tài)歷經(jīng)信號 若一個平穩(wěn)隨機(jī)信號的若一個平穩(wěn)隨機(jī)信號的集平均集平均等于任一子集的時等于

17、任一子集的時間平均值，則稱為各態(tài)歷經(jīng)信號。間平均值，則稱為各態(tài)歷經(jīng)信號。121 ( )lim ( )( )()iNNE x tx tx tx tN1111lim( )lim( )NNiiNNiix tx tNN集平均集平均*33三、信號的分類q時間連續(xù)信號與時間離散信號時間連續(xù)信號與時間離散信號 信號的自變量是否在整個連續(xù)區(qū)間內(nèi)都有定義信號的自變量是否在整個連續(xù)區(qū)間內(nèi)都有定義?定義域連續(xù)？定義域連續(xù)？時間離散信號時間連續(xù)信號時間離散信號時間離散信號: :在若干時間點上有定義在若干時間點上有定義采樣采樣信號信號時間連續(xù)信號時間連續(xù)信號: :在所有時間點上有定義在所有時間點上有定義*34三、信號的

18、分類q模擬信號與數(shù)字信號模擬信號與數(shù)字信號 模擬信號模擬信號的定義域和值域都有是連續(xù)的；的定義域和值域都有是連續(xù)的； 數(shù)字信號數(shù)字信號在定義域和值域都是離散的。在定義域和值域都是離散的。適合于計算機(jī)處理適合于計算機(jī)處理*35三、信號的分類q因果信號因果信號與非因果信號與非因果信號 如果信號在時間零點之前，取值為零，則稱為如果信號在時間零點之前，取值為零，則稱為因果信號因果信號，為物理可實現(xiàn)信號，又稱為單邊信號，滿足條件：為物理可實現(xiàn)信號，又稱為單邊信號，滿足條件：t0時，時，x(t) = 0，即在時刻小于零的一側(cè)全為零。，即在時刻小于零的一側(cè)全為零。 表示信號不能在過去存在(有值)！也表示信號

19、的產(chǎn)生是符合邏輯的！*36三、信號的分類q因果信號與因果信號與非因果信號非因果信號 不是因果信號，就是不是因果信號，就是非因果信號非因果信號。在時間零點之前信號有。在時間零點之前信號有值（或存在），則稱為值（或存在），則稱為反因果信號反因果信號，是，是物理不可實現(xiàn)信號物理不可實現(xiàn)信號：在事件發(fā)生前在事件發(fā)生前(t0：右移b1：壓縮0：不需反褶0：需要反褶-4 0 6 tf (t)8f (2t)8-2 0 3 tf (-0.5t)8-12 0 8 t倍數(shù)為1/|a|*69信號運(yùn)算-微積分?jǐn)?shù)學(xué)運(yùn)算：微分運(yùn)算積分運(yùn)算)(tf)(tfdtdttf)(連續(xù)n次微分ndtdntdt連續(xù)n次積分連續(xù)進(jìn)行*7

20、0相關(guān)運(yùn)算與卷積相關(guān)運(yùn)算：dtfftftfRtRff)()()(),()(*212121dftf)()(*21dtfftftfRtRff)()()(),()(*121212dftf)()(*12)()()(2*112tftftRff)()(*1221tRtRffff*71相關(guān)運(yùn)算自相關(guān)函數(shù)常用來檢測準(zhǔn)周期信號的準(zhǔn)周期t-T 0 t T8f()f(-t)(tRf(a)(b)t*72信號分解信號直流分量+交流分量偶分量+奇分量實部分量+虛部分量脈沖分量正交分量*73信號分解2)()()()(tftftfEvtfe2)()()()(tftftfOdtfo)()(21)(Re)(*tftftftfr)()(21)(Im)(*tftfjtftfi信號的奇分量信號的偶