機(jī)械信號(hào)的預(yù)處理

第5章機(jī)械(jīxiè)信號(hào)的預(yù)處理5.1信號(hào)的放大5.2信號(hào)的濾波5.3信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)5.4信號(hào)的數(shù)字化方法(fāngfǎ)5.5Matlab編程實(shí)驗(yàn)?zāi)壳皺C(jī)械信號(hào)處理方法主要是基于數(shù)字分析方法，它要求處理的信號(hào)是離散時(shí)間序列，盡管已經(jīng)采用了一些數(shù)字式傳感器，但大多數(shù)機(jī)械系統(tǒng)測(cè)量信號(hào)仍是連續(xù)的模擬信號(hào)，所以總需要有一個(gè)離散化，即模數(shù)轉(zhuǎn)換或采樣的過程。本章將介紹機(jī)械信號(hào)的一些基本預(yù)處理方法，如信號(hào)放大、濾波、調(diào)制與解調(diào)、信號(hào)的數(shù)字化等。

精品資料5.1信號(hào)(xìnhào)的放大在機(jī)械信號(hào)測(cè)量中，傳感器或測(cè)量電路的輸出信號(hào)電壓是很微弱的，一般不能直接(zhíjiē)用于顯示、記錄或模數(shù)轉(zhuǎn)換，需要進(jìn)行放大。對(duì)機(jī)械信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)中使用放大器的要求有以下幾點(diǎn)：1）頻帶寬，且能放大直流信號(hào)；2）精度高，線性度好；3）高輸入阻抗，低輸出阻抗；4）低漂移，低噪聲；5）強(qiáng)的抗共模干擾的能力。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各種新型高精度的通用與專用放大器大量涌現(xiàn)，如測(cè)量放大器、可編程放大器及隔離放大器等。精品資料5.1.1運(yùn)算(yùnsuàn)放大器精品資料反相比例(bǐlì)放大器精品資料差動(dòng)放大器精品資料積分(jīfēn)放大器精品資料微分(wēifēn)放大器精品資料5.1.3電荷(diànhè)放大器電荷放大器是供壓電式傳感器專用的一種前置放大器。它實(shí)際上是一個(gè)(yīɡè)帶電容深度負(fù)反饋的高增益運(yùn)算放大器，能將壓電式傳感器的輸出電荷轉(zhuǎn)換成一定比例關(guān)系的低阻抗電壓，并進(jìn)行放大。其輸入阻抗高達(dá)～，而輸出阻抗小于100。精品資料>>精品資料5.2信號(hào)(xìnhào)的濾波在對(duì)測(cè)得的機(jī)械(jīxiè)信號(hào)進(jìn)行分析和處理時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到有用信號(hào)疊加上無(wú)用噪聲的問題，這些噪聲有些是與信號(hào)同時(shí)產(chǎn)生的，有些是在信號(hào)傳輸時(shí)混入的。

根據(jù)有用信號(hào)的不同特性，消除或減弱干擾噪聲，提取有用信號(hào)的過程稱為濾波，把實(shí)現(xiàn)濾波功能的系統(tǒng)稱之為濾波器。

經(jīng)典濾波器是一種具有選頻特性的電路，當(dāng)噪聲和有用信號(hào)處于不同的頻帶時(shí)，噪聲通過濾波器將被極大地衰減或消除，而有用信號(hào)得以保留。但是當(dāng)噪聲和有用信號(hào)頻率混疊時(shí)，經(jīng)典濾波器就無(wú)法實(shí)現(xiàn)上述功能。精品資料根據(jù)(gēnjù)濾波器幅頻特性的通帶和阻帶的范圍，可以將其劃分為低通、高通、帶通、帶阻和全通等類型。根據(jù)最佳逼近特性(tèxìng)標(biāo)準(zhǔn)分類可以分為巴特沃斯濾波器、切比雪夫?yàn)V波器、貝塞爾濾波器等類型。根據(jù)濾波器處理信號(hào)的性質(zhì)，又可以分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器。模擬濾波器用于處理模擬信號(hào)（連續(xù)時(shí)間信號(hào)），數(shù)字濾波器用于處理離散時(shí)間信號(hào)。精品資料5.2.1理想(lǐxiǎng)模擬濾波器精品資料精品資料5.2.2實(shí)際(shíjì)模擬濾波器及其基本參數(shù)實(shí)際的模擬濾波器，其特性曲線沒有明顯(míngxiǎn)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，帶通中不是常數(shù)，實(shí)際帶通模擬濾波器的基本參數(shù)如圖。需要用更多的特性參數(shù)描述和選擇實(shí)際的濾波器，比如：截止頻率、波紋幅度、帶寬、品質(zhì)因數(shù)和倍頻程選擇性等。精品資料5.2.3模擬(mónǐ)濾波器的設(shè)計(jì)模擬(mónǐ)濾波器的設(shè)計(jì)包括確定濾波器傳遞函數(shù)和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)該傳遞函數(shù)的實(shí)際電網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際濾波器的幅頻特性只能是理想特性的逼近，因此解決濾波器傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要找到這種逼近的函數(shù)，目前已有了多種逼近函數(shù)，根據(jù)所用的逼近函數(shù)的不同，就有相應(yīng)的濾波器名稱。精品資料（1）巴特沃斯濾波器巴特沃斯濾波器是以Butterworth逼近函數(shù)作為濾波器的傳遞函數(shù)，該函數(shù)以最高階泰勒級(jí)數(shù)(jíshù)形式來(lái)逼近，它從幅頻特性提出要求，而不考慮相頻特性。巴特沃斯濾波器具有最大平坦的幅度(fúdù)特性，其低通濾波器頻響函數(shù)表達(dá)式為精品資料精品資料精品資料精品資料精品資料精品資料（2）切比雪夫?yàn)V波器精品資料精品資料精品資料Matlab編程實(shí)驗(yàn)(shíyàn)n=0:0.01:2;fori=1:4switchicase1N=2;case2N=5;case3N=10;case4N=20;end[z,p,k]=buttap(N)[b,a]=zp2tf(z,p,k[H,w]=freqs(b,a,nmagH2=(abs(H)).^2holdonplot(w,magH2)end精品資料精品資料精品資料模擬濾波器應(yīng)用(yìngyòng)Simulink仿真給定一個(gè)角頻率為1的正弦信號(hào),在該信號(hào)上疊加白噪聲信號(hào),送入模擬(mónǐ)低通巴特沃思濾波器進(jìn)行濾波,濾波器截至角頻率為1.5精品資料5.3信號(hào)的調(diào)制(tiáozhì)與解調(diào)1)目的(mùdì)解決微弱緩變信號(hào)的放大以及信號(hào)的傳輸問題。

先將微弱的緩變信號(hào)加載到高頻交流信號(hào)中去，然后利用交流放大器進(jìn)行放大，最后再?gòu)姆糯笃鞯妮敵鲂盘?hào)中取出放大了的緩變信號(hào)。精品資料例：交流電橋VinVoR1R3R2R4調(diào)幅(diàofú)電路精品資料2)種類(zhǒnglèi)調(diào)制(tiáozhì)信號(hào)x(t)載波信號(hào)a)幅度凋制(AM)b)頻率調(diào)制(FM)c)相位調(diào)制(PM)精品資料3)幅度(fúdù)調(diào)制調(diào)幅(diàofú)是將一個(gè)高頻正弦信號(hào)（或稱載波）與測(cè)試信號(hào)相乘，使載波信號(hào)幅值隨測(cè)試信號(hào)的變化而變化．精品資料幅度調(diào)制與解調(diào)(jiědiào)過程（波形分析）乘法器放大器x(t)z(t)xm(t)乘法器濾波器z(t)x(t)精品資料fs=1000;%采樣頻率(pínlǜ)(要有足夠的采樣頻率(pínlǜ))t=0:1/fs:1%采樣時(shí)間點(diǎn)m=0.4;%調(diào)制指數(shù)(原信號(hào)振幅)fh=10;%載波信號(hào)頻率(pínlǜ)10Hzfl=1;%調(diào)制信號(hào)頻率(pínlǜ)1Hzxh=sin(2*pi*fh*t);%構(gòu)建載波信號(hào)xl=sin(2*pi*fl*t);%構(gòu)建調(diào)制信號(hào)y=(1+m*xl).*xh;%調(diào)幅plot(t,1+m*xl);%顯示調(diào)制信號(hào)包絡(luò)holdon;plot(t,y);%顯示調(diào)制后信號(hào)幅度調(diào)制(tiáozhì)MATLAB程序精品資料t=0:0.00001:1;A0=10;%載波振幅A1=8;%調(diào)制信號(hào)振幅fc=30000;%載波頻率(pínlǜ)30kHzf=300;%調(diào)制信號(hào)頻率(pínlǜ)300Hzmes=A1*cos(2*pi*f*t);%調(diào)制信號(hào)uam=A0*(mes+10).*cos(2*pi*fc*t);%已調(diào)信號(hào)subplot(221);%顯示調(diào)制信號(hào)plot(t,mes)xlabel(‘t’),title(‘調(diào)制信號(hào)')axis([0,0.01,-20,20])subplot(222)%顯示已調(diào)信號(hào)plot(t,uam)gridontitle(‘AM已調(diào)信號(hào)')axis([0,0.01,-200,200])subplot(223)%顯示調(diào)制信號(hào)頻譜Y1=fft(mes);%求頻譜stem(abs(Y1))title(‘調(diào)制信號(hào)頻譜')axis([0,500,0,500000])subplot(224)%顯示AM信號(hào)頻譜Uam=fft(uam);stem(abs(Uam))title(‘AM信號(hào)頻譜')axis([29000,31000,0,5000000])加10的目的(mùdì)是防止過調(diào)失真精品資料幅度調(diào)制(tiáozhì)過程（波形與頻譜分析）乘法器放大器x(t)z(t)xm(t)精品資料解調(diào)過程（波形(bōxínɡ)與頻譜分析）乘法器濾波器z(t)x(t)精品資料幅度調(diào)制過程(guòchéng)（波形與頻譜分析）精品資料幅度解調(diào)(jiědiào)過程（波形與頻譜分析）精品資料幅度調(diào)制與解調(diào)(jiědiào)過程（數(shù)學(xué)描述）乘法器放大器x(t)z(t)xm(t)乘法器濾波器z(t)x(t)精品資料非抑制(yìzhì)調(diào)幅若對(duì)信號(hào)x(t)進(jìn)行(jìnxíng)偏置，疊加一個(gè)直流分量D，使偏置后的信號(hào)都具有正電壓。精品資料調(diào)幅(diàofú)精品資料解調(diào)(jiědiào)二極管檢波(jiǎnbō)低通濾波精品資料調(diào)幅(diàofú)波的波形失真a）過調(diào)失真：對(duì)于(duìyú)非抑制調(diào)幅，要求其直流偏置必須足夠大，否則x(t)的相位將發(fā)生180。精品資料uam=A0*(mes+2).*cos(2*pi*fc*t);非抑制調(diào)幅(diàofú)的過調(diào)失真精品資料b)重疊失真：調(diào)幅波是由一對(duì)每邊為fm的雙邊帶信號(hào)組成．當(dāng)載波頻率(pínlǜ)fz較低時(shí)，正頻端的下邊帶將與負(fù)頻端的下邊帶相重疊．要求:fz＞fm精品資料4)頻率(pínlǜ)調(diào)制調(diào)頻是利用信號(hào)x(t)的幅值調(diào)制載波的頻率(pínlǜ)，或者說(shuō)，調(diào)頻波是一種隨信號(hào)x(t)的電壓幅值而變化的疏密度不同的等幅波.精品資料精品資料鑒頻（調(diào)頻(diàopín)波的解調(diào)）：T1T2T3T4F精品資料優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)。因?yàn)檎{(diào)頻信號(hào)所攜帶(xiédài)的信息包含在頻率變化之中，并非振幅之中，而干擾波的干擾作用則主要表現(xiàn)在振幅之中．缺點(diǎn)：占頻帶寬度大，復(fù)雜調(diào)頻(diàopín)波通常要求很寬的頻帶，甚至為調(diào)幅所要求帶寬的20倍；調(diào)頻(diàopín)系統(tǒng)較之調(diào)幅系統(tǒng)復(fù)雜，因?yàn)轭l率調(diào)制是一種非線性調(diào)制。精品資料編程練習(xí)(liànxí)：自行設(shè)計(jì)一個(gè)(yīɡè)調(diào)幅信號(hào)。精品資料作業(yè)(zuòyè)：8、產(chǎn)生一個(gè)由兩個(gè)頻率成分55Hz、79Hz組成的信號(hào)，然后設(shè)計(jì)濾波器濾去7.9Hz的頻率成分。寫出程序，并用圖形(túxíng)解釋處理結(jié)果。精品資料%產(chǎn)生一個(gè)(yīɡè)由兩個(gè)頻率成分5.5Hz、7.9Hz組成的信號(hào).t=0:0.0001:1f1=55;f2=79;y2=sin(2*pi*f2*t);y1=sin(2*pi*f1*t);y=y1+y2Y=fft(y)subplot(221)plot(t,y1)xlabel('t'),title('sin(2*pi*f1*t)')axis([0,0.1,-3,3])subplot(222)plot(t,y2)axis([0,0.1,-3,3])xlabel('t'),title('sin(2*pi*f2*t)')subplot(223)plot(t,y)axis([0,0.1,-3,3])xlabel('t'),title('sin(2*pi*f2*t)+sin(2*pi*f1*t)')subplot(224)stem(abs(Y))axis([40,100,0,10000])xlabel('f'),title('|Y(jw)|')精品資料%濾波器通帶截止頻率60Hz，阻帶(zǔdài)起始頻率75Hz%設(shè)計(jì)低通濾波器wp=60*2*pi;ws=75*2*pi;rp=3;as=20;[N,wc]=buttord(wp,ws,rp,as,'s');[b,a]=butter(N,wc,'s');fk=0:1:length(Y)-1wk=2*pi*fk;H=freqs(b,a,wk)figure(2)p