《工程測試與信息處理》課件第7章

第7章測試信號的顯示記錄與分析主講：王妍瑋測試信號的顯示、記錄和分析是測試系統(tǒng)不可缺少的組成部分。測試人員通過顯示儀器觀察各路信號的大小或?qū)崟r波形，及時掌握測試系統(tǒng)的動態(tài)信息，必要時對測試系統(tǒng)的參數(shù)做相應(yīng)調(diào)整，對信號進(jìn)行有益分析。傳統(tǒng)的顯示和信號記錄裝置包括萬用表、陰極射線管示波器、XY記錄儀、模擬磁帶記錄儀等。近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，記錄與顯示儀器從根本上發(fā)生了變化，數(shù)字式設(shè)備已成為顯示與記錄裝置的主流，數(shù)字式設(shè)備的廣泛應(yīng)用給信號的顯示與記錄方式賦予了新的內(nèi)容。示波器是測試中最常用的顯示儀器，有模擬示波器、數(shù)字示波器和數(shù)字存儲示波器三種類型。7.1測試信號的顯示1.模擬示波器模擬示波器以傳統(tǒng)的陰極射線管示波器為代表，該示波器的核心部分為陰極射線管，從陰極發(fā)射的電子束經(jīng)水平和垂直兩套偏轉(zhuǎn)極板的作用，精確聚焦到熒光屏上。通常水平偏轉(zhuǎn)極板上施加鋸齒波掃描信號，以控制電子束自左向右的運動，被測信號施加在垂直偏轉(zhuǎn)極板上時，控制電子束在垂直方向上的運動，從而在熒光屏上顯示出信號的軌跡。2.數(shù)字示波器數(shù)字示波器是隨著數(shù)字電子與計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型示波器，它用--個核心器件—A/D轉(zhuǎn)換器將被測模擬信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并存儲，再以數(shù)字信號方式顯示。與模擬示波器相比，數(shù)字示波器具有許多突出的優(yōu)點(1)具有靈活的波形觸發(fā)功能，可以進(jìn)行負(fù)延遲(預(yù)觸發(fā))，便于觀測觸發(fā)前的信號狀況。(2)具有數(shù)據(jù)存儲與回放功能，便于觀測單次過程和緩慢變化的信號，也便于進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。(3)具有高分辨率的顯示系統(tǒng)，便于對各類性質(zhì)的信號進(jìn)行觀察，可看到更多的信號細(xì)節(jié)。(4)便于程控，可實現(xiàn)自動測量。(5)可進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。目前，數(shù)字示波器的帶寬已達(dá)到1GHz以上，為防止波形失真，采樣率可達(dá)到帶寬的5~10倍。3.數(shù)字存儲示波器數(shù)字存儲示波器有與數(shù)字示波器一樣的數(shù)據(jù)采集前端，即經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器將被測模擬信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并存儲，與數(shù)字示波器不同的是其顯示方式采用模擬方式:將已存儲的數(shù)字信號通過D/A轉(zhuǎn)換器恢復(fù)為模擬信號，再將信號波形重現(xiàn)在陰極射線管或液晶顯示屏上。7.2測試信號的記錄傳統(tǒng)的信號記錄儀器包括光線示波器、XY記錄儀、模擬磁帶記錄儀等。光線示波器和XY記錄儀將被測信號記錄在紙質(zhì)介質(zhì)上，頻率響應(yīng)差、分辨率低、記錄長度受物理載體限制、需要通過手工方式進(jìn)行后續(xù)處理，使用時有諸多不便之處，正被淘汰。模擬磁帶記錄儀可以將多路信號以模擬量的形式同步地存儲到磁帶上，但輸出只能是模擬量形式，與后續(xù)信號處理儀器的接口能力差，而且輸入輸出之間的電平轉(zhuǎn)換比較麻煩，所以目前已很少使用。1.用數(shù)據(jù)采集儀器進(jìn)行信號記錄如奧地利DEWETR0N公司生產(chǎn)的DEWE-2010多通道數(shù)據(jù)采集分析儀。系統(tǒng)提供有數(shù)據(jù)采集、記錄、分析、輸出及打印的專用軟件DEWEsoft，同時也能運行所有的windows軟件(Excel，labVIEW等)。7.2測試信號的記錄傳統(tǒng)的信號記錄儀器包括光線示波器、XY記錄儀、模擬磁帶記錄儀等。光線示波器和XY記錄儀將被測信號記錄在紙質(zhì)介質(zhì)上，頻率響應(yīng)差、分辨率低、記錄長度受物理載體限制、需要通過手工方式進(jìn)行后續(xù)處理，使用時有諸多不便之處，正被淘汰。模擬磁帶記錄儀可以將多路信號以模擬量的形式同步地存儲到磁帶上，但輸出只能是模擬量形式，與后續(xù)信號處理儀器的接口能力差，而且輸入輸出之間的電平轉(zhuǎn)換比較麻煩，所以目前已很少使用。1.用數(shù)據(jù)采集儀器進(jìn)行信號記錄如奧地利DEWETR0N公司生產(chǎn)的DEWE-2010多通道數(shù)據(jù)采集分析儀。系統(tǒng)提供有數(shù)據(jù)采集、記錄、分析、輸出及打印的專用軟件DEWEsoft，同時也能運行所有的windows軟件(Excel，labVIEW等)。7.2測試信號的記錄2.用計算機(jī)內(nèi)插A/D卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與記錄計算機(jī)內(nèi)插A/D卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與記錄是一種經(jīng)濟(jì)易行的方式，它充分利用通用計算機(jī)的硬件資源(總線、機(jī)箱、電源、存儲器及系統(tǒng)軟件)，借助于插入微機(jī)或工控機(jī)內(nèi)的A/D卡與數(shù)據(jù)采集軟件相結(jié)合，完成記錄任務(wù)。這種方式下，信號的采集速度與A/D卡轉(zhuǎn)換速率和計算機(jī)與外存的速度有關(guān)，信號記錄長度與計算機(jī)外存儲器容量有關(guān)。3.儀器前端直接實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與記錄近年來一些新型儀器(如美國dp公司的多通道分析儀，這些儀器的前端含有DSP模塊，可用以實現(xiàn)采集控制，可將通過采樣和A/D轉(zhuǎn)換的信號直接送人前端儀器中的海量存儲器(如100G便盤)，實現(xiàn)存儲。這些存取的信號可通過某些接口母線由計算機(jī)調(diào)出實現(xiàn)后續(xù)的信號處理和顯示。7.3測試信號的分析通過測試系統(tǒng)所得到的信號含有有用信息，同時也由于測試系統(tǒng)外部和內(nèi)部各種因素的影響，夾雜著許多不需要的成分。這就需要對所測得的信號作進(jìn)一步的加工變換和運算等一系列處理，以達(dá)到下列要求：①剔除混雜在信號中的噪聲和干擾，消除測試過程中信號所受到的“污染”，即實現(xiàn)信號和噪聲分離。②削弱信號中的多余內(nèi)容，將有用的部分強(qiáng)化，以利于從信號中提取有用的特征信息。③修正波形的畸變，以得到可靠的結(jié)果。動態(tài)測試在絕大多數(shù)情況下得不到真實的波形，所以直接用未經(jīng)分析處理和修正的波形去求測量結(jié)果，往往會產(chǎn)生很大誤差，甚至?xí)贸鲥e誤結(jié)論。7.3.1信號的時域分析1.周期信號幅值分析（1）均值周期信號均值為

對離散信號，均值為

7.3.1信號的時域分析（2）絕對均值連續(xù)信號：離散信號：

7.3.2信號頻域分析

時域中的相關(guān)分析為在噪聲背景下提取有用信息提供了途徑。功率譜分析則從頻域提供相關(guān)技術(shù)所能提供的信息，它是研究平穩(wěn)隨機(jī)過程的重要方法。信號分析中，很重要的一個方面是分析信號的頻率結(jié)構(gòu)組成。自功率譜密度函數(shù):7.3.2信號頻域分析2.自功率譜密度函數(shù)平均功率3.單邊自功率密度函數(shù)4.自相關(guān)函數(shù)定義自功率譜密度7.3.2信號頻域分析5.互相關(guān)譜密度函數(shù)6.系統(tǒng)的頻響函數(shù)7.相干函數(shù)7.3.2信號頻域分析8.能量譜例7-1橋梁固有頻率測量可用來判斷橋梁結(jié)構(gòu)安全狀況，對重要橋梁通常每年進(jìn)行一次測量。當(dāng)橋梁固有頻率發(fā)生變化時，說明橋梁結(jié)構(gòu)有變化，具有安全隱患。橋梁固有頻率測量可采用在橋梁中部的橋身上粘貼應(yīng)變片，形成半橋或全橋的測量電路，圖7-1為橋梁固有頻率測量示意圖。7.3.2信號頻域分析用載重20噸、30噸的卡車分別以每小時40公里、80公里的速度通過大橋。在橋梁中部的橋面上設(shè)置一個三角枕木障礙，當(dāng)前進(jìn)中的汽車遇到障礙時對橋梁形成一個沖擊力，激起橋梁的脈沖響應(yīng)振動。用應(yīng)變片測量振動引起的橋身應(yīng)變，從應(yīng)