機(jī)械故障診斷技術(shù) 第3版 課件 張鍵 3-振動信號測取技術(shù)；4-信號特征提取技術(shù)

第三章振動信號測取技術(shù)機(jī)械設(shè)備故障診斷與醫(yī)學(xué)診斷有許多相似之處，機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)故障（隱患）時，會反映出各種征兆，諸如振動、溫度、壓力等信號的變化。但不是所有信號對任何故障隱患都很敏感，如對齒輪箱來說，若是軸承出現(xiàn)破損，振動信號的變化要比溫度信號敏感；若是潤滑不足，則溫度信號就比振動信號敏感。這就是說設(shè)備在不同的運行狀態(tài)下（故障也是一類運行狀態(tài)），其特征信息的敏感程度是不同的。特征信息的獲取，不僅與所選擇的信號內(nèi)容有關(guān)，而且與傳感器的類型、傳感器的精度和測點位置有關(guān)。3．1加速度傳感器某些物質(zhì)如石英晶體，在受到?jīng)_擊性外力作用后，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且其內(nèi)部發(fā)生極化，相對的表面出現(xiàn)電荷，形成電場。外力消失后，又恢復(fù)原狀。這種現(xiàn)象叫做壓電效應(yīng)。將這種物質(zhì)置于電場中，其幾何尺寸也會發(fā)生變化，叫做電致伸縮效應(yīng)。多數(shù)人工壓電陶瓷的壓電常數(shù)比石英晶體大數(shù)百倍，也就是說靈敏度要高得多。利用壓電效應(yīng)，制成壓電式加速度傳感器，可用于檢測機(jī)械運轉(zhuǎn)中的加速度振動信號；利用電致伸縮效應(yīng)，制成超聲波探頭，可用于探測構(gòu)件內(nèi)部缺陷。圖3—1加速度計壓電式加速度傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3—2壓電式加速度計a)中心壓縮型b)環(huán)形剪切型c)三角剪切型壓電式加速度傳感器的測量電路由于電荷是非常微弱的量，且因為漏電阻的存在，使之不能傳輸較長的距離。通常廠家提供的專用低噪聲電纜只有3～5米，最長不過10米。因此需要在被測設(shè)備附近布置前置放大器，將電荷量放大數(shù)千倍后，再傳輸給顯示計量儀表。前置放大器電路有兩種形式：其一是電阻反饋的電壓放大器，另一種是電容反饋的電荷放大器。電荷放大器是工業(yè)測量現(xiàn)場使用最多的前置放大器。但電路復(fù)雜，數(shù)千倍的放大倍數(shù)，對各級放大器的性能穩(wěn)定性提出了極高的要求，因而價格較貴。目前，新型的壓電式加速度傳感器采用了內(nèi)置IC電路的方案，由于內(nèi)部空間極小，內(nèi)置IC電路實際完成阻抗變換的功能，需一個20mA的恒流源對其供電。測量電路如圖3—3所示。

可以將內(nèi)置IC電路看成一個隨加速度值變動的電阻，加速度值升高，電阻值也線性升高，由于恒電流供電，20mA電流不能通過儀表端的隔直電容，通過變電阻的電流是常數(shù)，因此在變電阻的兩端產(chǎn)生電壓變化，這個電壓因此也隨加速度變化。變化的電壓可以通過隔直電容輸入給放大器A，最后輸出測量電壓。需要注意的是，隔直電容與后面的電阻構(gòu)成一個高通濾波器，因此電容C與電阻R的值決定了該測量系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性曲線的最低信號頻率。圖3—3ICP型加速度計測量電路壓電式加速度傳感器的安裝要求

圖3—4的左邊是幅頻特性曲線，它反映信號的頻率在1Hz到3KHz這一段，加速度計能比較好的復(fù)現(xiàn)信號的波形。幅頻特性曲線告訴我們，測量裝置對信號中不同的頻率波形有不同的放大倍數(shù)。為了測得的電信號波形能真實地復(fù)現(xiàn)振動波形，就必需使所測信號中最高的頻率位于幅頻特性曲線上的水平段。為此，要使安裝后的加速度計特性具有足夠高的共振頻率。圖3—4加速度計的幅頻特性壓電式加速度傳感器的安裝

此外，低噪聲專用電纜的敷設(shè)也要注意。對于內(nèi)置IC的集成加速度傳感器，由于恒流供電阻抗變換方式，對電纜的敷設(shè)要求不高。但非集成式加速度傳感器，因電纜與機(jī)殼構(gòu)成耦合電容，是電壓干擾的進(jìn)入通道，所以要求該電容不隨機(jī)殼的振動而變化。因此電纜必需緊貼機(jī)殼固定，使耦合電容值最小且不變。3．2速度傳感器

速度傳感器又稱為磁電式變換器，有時也叫作“電動力式變換器”或“感應(yīng)式變換器”，它利用電磁感應(yīng)原理，將運動速度轉(zhuǎn)換成線圈中的感應(yīng)電勢輸出。它的工作不需要電源，而是直接從被測物體吸取機(jī)械能量并轉(zhuǎn)換成電信號輸出，是一種典型的發(fā)生器型變換器。由于它的輸出功率較大，因而大大簡化了后續(xù)電路，且性能穩(wěn)定，又具有一定的工作帶寬(一般為10～1000Hz)，所以獲得了較普遍的應(yīng)用。磁電式速度傳感器有絕對式和相對式兩種，前者測量被測對象的絕對振動速度，后者測量兩個運動部件之間的相對振動速度。圖3—6磁電式絕對速度傳感器1—彈簧片、2—殼體、3—阻尼環(huán)、4—永磁鐵、5—線圈、6—心軸、7—彈簧1．磁電式絕對速度傳感器

銅制的阻尼環(huán)一方面可增加慣性系統(tǒng)的質(zhì)量，降低固有頻率；另一方面又利用閉合銅環(huán)在磁場中運動時所產(chǎn)生的磁阻尼力，使振動系統(tǒng)具有合理的阻尼，從而減小共振對測量精度的影響。2．磁電式相對速度傳感器圖3—7磁電式絕對速度傳感器1—殼體、2—心軸殼體、3—彈簧片、4—永磁鐵、5—線圈、6—彈簧片、7—引出線磁電式速度傳感器的選用

在選擇速度傳感器時首先要注意傳感器的最低工作頻率，它告訴我們被測設(shè)備的頻譜圖中低于這個頻率的信號是失真的，可信度低。其次是傳感器的靈敏度，例如20mv/mm/s（美國本特利公司）、100mv/mm/s（德國申克公司），這個參數(shù)用于將測得的電壓值換算成速度值，也是估計傳感器最大輸出電壓的重要參數(shù)。由于要克服自重的影響，速度傳感器分為水平安裝（H型）與垂直安裝（V型）兩種。垂直安裝的速度傳感器與水平安裝的速度傳感器內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)是不同的，在使用時必須注意，不能混用。3．3位移傳感器電渦流傳感器能靜態(tài)和動態(tài)地非接觸、高線性度、高分辨力地測量被測金屬導(dǎo)體距探頭表面的距離。它是一種非接觸的線性化測量傳感器。用于高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械和往復(fù)式運動機(jī)械的狀態(tài)分析，電渦流傳感器以其長期工作可靠性好、測量范圍寬、靈敏度高、分辨率高、響應(yīng)速度快、抗干擾力強、不受油污等介質(zhì)的影響、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，在大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)的在線監(jiān)測與故障診斷中得到廣泛應(yīng)用。渦流傳感器工作原理

當(dāng)被測金屬與探頭之間的距離發(fā)生變化時，探頭中線圈的Q值也發(fā)生變化，Q值的變化引起振蕩電壓幅度的變化，而這個隨距離變化的振蕩電壓經(jīng)過檢波、濾波、線性補償、放大歸一等處理轉(zhuǎn)化成電壓（電流）變化，最終完成機(jī)械位移(間隙)轉(zhuǎn)換成電壓（電流）。由上所述，電渦流傳感器工作系統(tǒng)中被測體可看作傳感器系統(tǒng)的一半，即一個電渦流位移傳感器的性能與被測體有關(guān)。振蕩器檢波電路放大器渦電流探頭線圈前置放大器電纜圖3—9渦流傳感器工作原理圖

圖3—10是目前工業(yè)上常見的渦流傳感器與前置放大器。由于前置放大器與探頭線圈分離，連接兩者之間的電纜構(gòu)成振蕩電路的電容元件，電纜長度變化導(dǎo)致電氣參數(shù)的變化。因此，探頭電纜與前置放大器是配套的，沒有互換性。一旦電纜損壞，全套報廢，而電纜又是最易損壞的部件。圖3—11是新型的集成一體化渦流傳感器，它將前置放大電路集成到探頭內(nèi)部，這樣電纜的作用就僅僅是傳輸信號，損壞后可以重新接起來，繼續(xù)使用。所以這種新型的渦流傳感器是應(yīng)用的方向。圖3—10渦流傳感器與前置放大器圖3—11集成一體化渦流傳感器渦流傳感器的輸入（mm）輸出（V）特性曲線

圖3—12是某渦流傳感器的輸入（mm）輸出（V）特性曲線。因為供電電壓是－24V，所以輸出電壓也是負(fù)電壓。這樣做的目的是抗干擾。從圖上看，0.4～4.8mm是特性曲線的直線段，也是使用的測量區(qū)間。這個特性曲線通常是生產(chǎn)廠提供。也可在現(xiàn)場用特制的標(biāo)定器測出，特別是長期使用后的靈敏度——此曲線的斜率，線性度及測量范圍的重新標(biāo)定。圖3—12某渦流傳感器的輸入（mm）輸出（V）特性曲線電渦流傳感器探頭的正確安裝電渦流傳感器探頭的正確安裝是保證傳感器系統(tǒng)可靠工作的先決條件，安裝時應(yīng)該注意以下幾個環(huán)節(jié)?！筋^的安裝間隙（探頭端面到被測端面的距離）▲各探頭間的最小間距?！筋^頭部與安裝面的安全間距▲探頭安裝支架的選擇（牢固性）▲電纜轉(zhuǎn)接頭的密封與絕緣?！筋^所帶電纜、延伸電纜的安裝▲探頭抗腐蝕性▲探頭的高溫、高壓環(huán)境電渦流傳感器探頭安裝圖例1圖3—13電渦流傳感器探頭的安裝電渦流傳感器探頭安裝圖例2圖3—14軸的徑向振動測量

當(dāng)需要測量軸的徑向振動時，要求軸的直徑大于探頭直徑的三倍以上。每個測點應(yīng)同時安裝兩個傳感器探頭，兩個探頭應(yīng)分別安裝在軸承兩邊的同一平面上相隔90o±5o。由于軸承蓋一般是水平分割的，因此通常將兩個探頭分別安裝在垂直中心線每一側(cè)45o，從原動機(jī)端看，分別定義為X探頭（水平方向）和Y探頭（垂直方向），X方向在垂直中心線的右側(cè)，Y方向在垂直中心線的左側(cè)。圖3—15鑒相測量的安裝某些情況下，我們需要測量最大振幅在軸的哪個方向上。例如在現(xiàn)場動平衡測量時，這時就需要鑒相測量。鑒相測量就是通過在被測軸上設(shè)置一個凹槽或凸鍵，稱鑒相標(biāo)記。這就是軸的相對0度。凹槽或凸鍵要足夠大，以使產(chǎn)生的脈沖信號峰峰值不小于5V(AP1670標(biāo)準(zhǔn)要求不小于7V)。一般若采用φ5探頭，則這一凹槽或凸鍵寬度應(yīng)大于7.6mm、深度或高度應(yīng)大于1.5mm（推薦采用2.5mm以上）、凹槽或凸鍵應(yīng)平行于軸中心線，其長度盡量長，以防當(dāng)軸產(chǎn)生軸向竄動時，探頭還能對著凹槽或凸鍵。當(dāng)采用模/數(shù)轉(zhuǎn)換測量時，鑒相標(biāo)記的寬度決定了鑒相脈沖的最低采樣頻率。最低采樣頻率=INV（圓周長度÷鑒相標(biāo)記的寬度＋0.5）×軸的轉(zhuǎn)頻。3．4結(jié)構(gòu)的激振方法在機(jī)械工程中常用的激振方法有以下幾種：1．穩(wěn)態(tài)正弦激振

穩(wěn)態(tài)正弦激振又稱簡諧激振。它是借助激振器對被測對象施加一個頻率與幅值均可控制的正弦激振力。它的優(yōu)點是激振功率大，信噪比高，測試精度高；缺點是測試周期長，特別是對小阻尼的測試對象，每次激振頻率的改變均需要較長的穩(wěn)定時間。2．瞬態(tài)激振瞬態(tài)激振時，施加在被測對象上的力是瞬態(tài)變化力，它屬于寬帶激振方法。常用的瞬態(tài)激振方法有以下幾種。

1)快速正弦掃描激振

快速正弦掃描激振的激振信號由振蕩頻率變化可控韻信號發(fā)生器供給，激振力的大小仍按正弦規(guī)律變化。常采用線性正弦掃描——激振信號頻率在掃描周期內(nèi)線性增加，但最大幅值不變。掃描周期和激振的上、下限頻率可根據(jù)試驗要求選定，掃描周期僅為1s～2s，可快速測試被測對象的動態(tài)特性。

2)脈沖激振

脈沖激振又稱錘擊法。通常用一個帶有力傳感器的脈沖錘敲擊被激對象。同時測量激勵和響應(yīng)。這種方法具有試驗時間短，現(xiàn)場使用的設(shè)備簡單，在試驗對象上沒有附加質(zhì)量等優(yōu)點。其主要缺點是：力的大小不易控制，過小會降低信噪比，過大會引起非線性；試驗結(jié)果誤差較大，準(zhǔn)確度差。

3)階躍激振

階躍激振是指被測對象突然受到或消除一恒作用力而產(chǎn)生自由振動的激振方法。例如在被測對象選定點處，用一重量輕、受拉方向剛度大的鋼索對被測對象施加一恒張力，然后突然切斷或松脫鋼索，就相當(dāng)于對被測對象施加一負(fù)的階躍激振力，激起被測對象的寬帶自由振動。對于大型結(jié)構(gòu)件，如建筑物、橋梁等的激振，就可采用類似的辦法。3．隨機(jī)激振隨機(jī)激振也是一種寬帶激振方式，一般采用白噪聲或偽隨機(jī)信號發(fā)生器作為激振的信號源。市場上所售的白噪聲發(fā)生器能產(chǎn)生連續(xù)的隨機(jī)信號，它可激起被測對象在一定頻率范圍內(nèi)的隨機(jī)振動。利用頻譜分析儀可得到被測對象的頻率響應(yīng)。許多干擾力和動載荷(如切削力等)也具有隨機(jī)性質(zhì)，也可作為現(xiàn)場測試的隨機(jī)激振源。隨機(jī)激振方式的優(yōu)點是測試速度快、效率高，但所用儀器設(shè)備復(fù)雜而昂貴。圖3—17脈沖力激振器

激振器是對被測對象施加某種預(yù)定要求的激振力，使其產(chǎn)生預(yù)期振動的裝置。激振器應(yīng)能在所要求的頻率范圍內(nèi)，提供波形良好、足夠穩(wěn)定的激振力。激振器的形式有脈沖的、正弦的和隨機(jī)的三種。目前國內(nèi)普遍應(yīng)用的是脈沖力激振器和正弦力激振器。

1)．脈沖力激振器

脈沖力激振器為一個內(nèi)部裝有壓電式力傳感器的測力榔頭，又稱脈沖錘。圖3－17給出脈沖錘的結(jié)構(gòu)簡圖及裝在錘中的力傳感器測得的敲擊力的波形圖和頻譜圖。從波形圖和頻譜圖可以看出：錘帽材料越硬，其敲擊力波形圖的峰值越高，持續(xù)時間越短，越接近于理想的脈沖函數(shù)；而且，錘帽材料越硬，其敲擊力的譜特性圖中平坦段的頻率范圍越寬。

圖3—18電動式激振器2)．正弦力激振器正弦激振器按安裝方式不同，分為絕對式和相對式兩種。①電動式激振器——絕對式電動式激振器是利用電磁感應(yīng)原理將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能對被測對象提供激振力的裝置。磁場形成方式不同，電動式激振器分為永磁式和勵磁式兩類，前者多用于小型激振器，后者多用于大型激振器——振動臺。其結(jié)構(gòu)原理如圖3—18所示

②電磁式激振器——相對式電磁式激振器是直接利用電磁力作為激振力，它常用于非接觸式激振。其結(jié)構(gòu)如圖3—20所示。

電磁激振器的特點是：可以對旋轉(zhuǎn)著的被測對象進(jìn)行激振，它不受附加質(zhì)量和剛度的影響，其激振頻率上限約為500Hz～800Hz左右。圖3—20電磁式激振器的結(jié)構(gòu)鐵芯、2—激振線圈、3—勵磁線圈4—傳感器、5—檢測線圈3．5傳感器校準(zhǔn)與選擇1．振動傳感器的校準(zhǔn)振動傳感器靈敏度的校準(zhǔn)方法很多，常用的有以下幾種。

a．比較法(背靠背法)

利用精度等級較高的振動傳感器(如壓電式標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器)和被校傳感器盡可能靠近在一起裝到振動臺臺面上，選擇一定的振動頻率及幅值進(jìn)行振動，比較兩個傳感器的輸出信號，就可算出被校傳感器的靈敏度。這種校準(zhǔn)方法的精度，主要取決于標(biāo)準(zhǔn)傳感器的精度。b．互易法

互易法校準(zhǔn)是基于某些傳感器的輸入和輸出之間存在互易依存性的原理，即輸入與輸出之間是可逆的。這種方法需用兩個互易傳感器(如一個壓電式傳感器及一個速度型動圈式傳感器)及一個激振器。激振器用來對兩個傳感器進(jìn)行振動，從而求出兩個傳感器的靈敏度比R。利用對兩個傳感器中的一個傳感器(如動圈式傳感器)給以電能而推動另一傳感器振動，可以得到兩個傳感器的靈敏度乘積P。從R=S1／S2：及P=S1S2即能算出兩傳感器的S1及S2。這種校準(zhǔn)方法因不依據(jù)振動源的絕對幅值精度及測量儀器的絕對值讀數(shù)精度(但振動頻率讀數(shù)需準(zhǔn)確)，故可取得較高的校準(zhǔn)精度，一般精度為±0.5～1％。2．振動傳感器的選用a．傳感器裝到被測物上時，不能影響其振動狀態(tài)，以此來選定傳感器的尺寸和重量及考慮固定在被測對象上的方法。若必須采用非接觸式測量法時，應(yīng)考慮傳感器的安裝場所及其周圍的環(huán)境條件。b．根據(jù)振動測定的目的，明確被測量的量是位移、速度還是加速度，這些量的振幅有多大，以此來確定傳感器的測量范圍。對于小幅值(如0.1g左右)的振動，宜采用磁電式、伺服式等傳感器；一般振幅(如10g以下)的振動，各種傳感器均可適用；10g到1000g的振動可采甩壓電式及應(yīng)變式等加速度傳感器；對于更大的振動或沖擊宜采用壓電式。c．必須充分估計要測定的頻率范圍，以此來核對傳感器的固有頻率。從靜態(tài)到400Hz，可采用應(yīng)變式、伺服式等；0～3.5kHz范圍，可用應(yīng)變式、渦流式等，2～1000Hz，可采用磁電式等；0.03～20000Hz或更高頻率可采用壓電式。

d．掌握傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理方面的各種特點，熟悉測量電路的性能，如頻率、振幅范圍、濾波器特性、整流方式和指示方式等。3．6信號預(yù)處理傳感器信號調(diào)理電路是測試系統(tǒng)的重要組成部分，也是傳感器和A／D之間以及D／A和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的橋梁。之所以需要信號調(diào)理，主要原因在于：

(1)目前標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)儀表通常采用0～10mA，4～20mA信號，為了和A／D的輸入形式相適應(yīng)，必須經(jīng)I／V變換成0～5V或1～5V的電壓信號；同樣，D／A轉(zhuǎn)換器的輸出也應(yīng)經(jīng)V／I變換為電流信號。

(2)某些測量信號可能是非電量，如熱電阻等，這些非電壓量信號必須變換為電壓信號。還有些信號是弱電信號，如熱電偶信號，它必須經(jīng)放大、濾波。這些處理包括信號形式的變換、量程調(diào)整、環(huán)境補償、線性化等。（3）在某些惡劣條件下，共模電壓干擾很強，例如，共模電平高達(dá)220V，甚至500V以上，不采用隔離的辦法則無法完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)，因此必須根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境，考慮共模干擾的抑制，甚至采用隔離措施，包括地線隔離、路間隔離等。圖3—21測量放大器原理圖放大器電路運算放大器由于結(jié)構(gòu)上的不對稱，抵御共模干擾的能力很差。因此。在微電量，高放大，精密測量的要求下，測量放大器（又稱儀用放大器）應(yīng)運而生。測量放大器除了對低電平信號進(jìn)行線性放大外，還擔(dān)負(fù)著阻抗匹配和抗共模干擾的任務(wù)，它具有高共模抑制比、高速度、高精度、高頻帶、高穩(wěn)定性、高輸入阻抗、低輸出阻抗、低噪聲等特點。隔離放大器的符號如圖3—23所示。按原理它分為兩種類型，一種是變壓器耦合的方式，另一種是利用線性光耦合器再加相應(yīng)補償?shù)姆绞?。由于光電耦合線性度較差，現(xiàn)多采用變壓器耦合方式。圖3—23隔離放大器原理圖

在檢測系統(tǒng)中，人們往往需要將現(xiàn)場的傳感器電路與測量系統(tǒng)電路隔離開，既避免相互間的共模干擾，又防止了某些高電壓事件給儀表電路造成損壞。模擬信號的隔離問題要比解決數(shù)字信號的隔離問題困難得多。目前，對于模擬信號的隔離廣泛采用隔離放大器。信號變換電路各種各樣的傳感器都是把非電量轉(zhuǎn)換成電量，但電量的形式卻不盡統(tǒng)一，有電阻、電感、電容、電壓、頻率和相位等多種形式。而在數(shù)據(jù)采集裝置或成套儀器系統(tǒng)中，都要求傳感器和儀表之間以及儀表與儀表之間的信號傳送采用統(tǒng)—的標(biāo)準(zhǔn)信號。這樣不僅便于使用微機(jī)進(jìn)行檢測，同時可以使指示、記錄儀表通用化。

由于電流信號與電壓信號比較有以下優(yōu)點；在信號傳輸線中，電流不受交流感應(yīng)的影響，干擾問題易予解決電流信號不受傳輸線中的電感、電容等參數(shù)變化的影響，使傳輸接線簡單。直流信號便于A／D轉(zhuǎn)換。因而檢測系統(tǒng)大多數(shù)都是以直流信號作為輸入信號。國際電工委員會(IEC)將電流信號為4～20mA（DC）和電壓1～20V（DC）確定為過程控制系統(tǒng)電模擬信號的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。有了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，無論什么儀表或裝置，只要有同樣標(biāo)準(zhǔn)的輸入電路或接口，就可以從各種測量變送器中獲得被測變量的信號。這樣兼容性和互換性大為提高，儀表配套也很方便。電壓轉(zhuǎn)換為電流（V/I轉(zhuǎn)換）由于微電子技術(shù)的發(fā)展，在實現(xiàn)0～5V、0～10V、4～20mA、0～20mA轉(zhuǎn)換時，可采用集成電壓/電流轉(zhuǎn)換芯片來實現(xiàn)。如AD693、AD694、XTR110、ZF2B20等。圖3—25應(yīng)用AD693作電阻應(yīng)變電橋的信號變換電路電流轉(zhuǎn)換為電壓（I/V轉(zhuǎn)換）

當(dāng)需要將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號時，最簡單的I/V轉(zhuǎn)換可以利用一個精密電阻。圖3—26就是一個I/V轉(zhuǎn)換電路，其中RC構(gòu)成低通濾波網(wǎng)絡(luò)，可調(diào)電租Rw用于調(diào)整輸出電壓值。圖3—26電阻式I/V轉(zhuǎn)換電壓與頻率互換（V/F、F/V轉(zhuǎn)換）

有些傳感器敏感元件輸出的信號為頻率信號，如測量轉(zhuǎn)速的光電編碼器，每轉(zhuǎn)發(fā)出幾百或幾千個脈沖，為了與其他帶有標(biāo)準(zhǔn)信號輸入電路或接口的A/D卡或顯示儀表配套，需要把頻率信號轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號。另一方面，頻率信號抗干擾性好，便于遠(yuǎn)距離傳輸，可以調(diào)制在射頻信號上進(jìn)行無線傳輸，也可調(diào)制成光脈沖用光纖傳送，不受電磁場影響。由于這些優(yōu)點，在一些非快速而又遠(yuǎn)距離的測量中，如果傳感器輸出的是電壓或電流信號，愈來愈趨向于使用電壓，頻率轉(zhuǎn)換器(V／F)，把傳感器輸出的信號轉(zhuǎn)換成頻率信號。圖3—27LM331作V/F轉(zhuǎn)換圖3—28LM331作F/V轉(zhuǎn)換濾波器電路濾波器是一種選頻裝置，它可以允許信號中某種頻率成分通過而對其它頻率成分進(jìn)行極大地抑制或衰減，起到“篩選頻率”的作用。濾波器在抑制干擾噪聲、數(shù)字信號分析的預(yù)處理等場合具有重要的作用。一、濾波器的分類根據(jù)濾波器的選頻作用可將濾波器分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器，其幅頻特性如圖3—29所示。圖3—29四類濾波器的幅頻特性a)低通b)高通c)帶通d)帶阻1．截止頻率設(shè)幅頻特性的均值為A0。當(dāng)幅頻特性值下降為

時所對應(yīng)的頻率，稱為實際濾波器的截止頻率。帶通或帶阻濾波器的截止頻率有兩個(圖3—30)，一個是上截止頻率fc1，另一個是下截止頻率fc2。圖3—30帶通濾波器幅頻特性

實際濾波器的幅頻特性與理想濾波器有很大的差異，以圖3—29所示的帶通濾波器為例：理想濾波器的通帶和阻帶之間是直角轉(zhuǎn)折，沒有過渡帶；實際上通帶和阻帶之間不可避免地存在過渡帶，沒有明顯的轉(zhuǎn)折點；通帶中幅頻特性也不是常數(shù)：因此，對于實際濾波器需要用更多的參數(shù)來描述其特性。2．紋波幅度d實際濾波器的幅頻特性在截止頻率之間不是常數(shù)，在一定頻率范圍內(nèi)呈波紋變化。紋波幅度值d與幅頻特性的平均值A(chǔ)0相比，越小越好，即：d《

3．帶寬B上下兩截止頻率之間的頻率范圍稱為濾波器的帶寬B。4．中心頻率f0中心頻率為上下截止頻率的幾何平均值，即：5．品質(zhì)因素Q對于帶通濾波器，通常把中心頻率f0和帶寬B之比稱為品質(zhì)因素，即：6．倍頻程選擇性在上下截止頻率以外有一段過渡帶。在過渡帶頻段內(nèi)，幅頻曲線的傾斜程度，反映了濾波器對通帶頻段以外其它頻率成分的衰減快慢。所謂倍頻程選擇性是指：在兩截止頻率以外頻率變化一倍（從fc2到2fc2?；驈膄c1到fc1／2）時，幅頻特性的衰減量，以dB為單位。倍頻程選擇性越好的濾波器過渡帶越陡，對通帶以外的頻率成分衰減越快。

1．一階RC低通無源濾波器

當(dāng)待濾波信號的頻率

時，與f的關(guān)系近似為一條通過原點的直線，信號幾乎不受衰減通過濾波器。RC低通濾波器是一個不失真的信號傳輸系統(tǒng)。當(dāng)時，，即。調(diào)整電路參數(shù)RC，可以改變低通濾波器的截止頻率。當(dāng)時，濾波器起著積分器的作用，輸出ey為圖3—31RC低通濾波器幅頻特性2．一階RC高通無源濾波器

圖3—32為高通濾波器典型電路及其幅頻、相頻特性。當(dāng)信號頻率時，說明高頻成分幾乎可以不受衰減地通過，這時的RC高通濾波器可視為不失真信號傳輸系統(tǒng)。當(dāng)時，，即時，是高通濾波器的截止頻率。當(dāng)時，，RC高通濾波器將起到微分器的作用圖3—32RC高通濾波器幅頻特性3．有源低通濾波器

圖3—33一階有源低通濾波器圖3—33（a）將一階低通濾波網(wǎng)絡(luò)直接接到運算放大器的輸入端，運算放大器的主要作用是放大低頻信號，使其帶負(fù)載的能力提高。圖3—33(b)中，將高通網(wǎng)絡(luò)作為運算放大器的負(fù)反饋，起到低通濾波器的作用。該濾波器的頻率響應(yīng)特性主要由與Cf并聯(lián)的負(fù)反饋電阻Rf決定，其時間常數(shù)τ=RfCf，截止頻率4．開關(guān)電容濾波器開關(guān)電容濾波器是20世紀(jì)70年代末期出現(xiàn)的新型單片濾波器，具有體積小，濾波階次高，濾波通帶可調(diào)等優(yōu)點，得到廣泛的應(yīng)用。這種濾波器是由MOS開關(guān)、MOS電容和運算放大器構(gòu)成的集成電路，以開關(guān)電容替代RC濾波器中的電阻R，這樣濾波器的特性取決于開關(guān)頻率和電路中有關(guān)電容的比值。例如MAX29X系列開關(guān)電容低通濾波器的截止頻率是開關(guān)頻率的1/100，通過程控改變開關(guān)頻率就可以獲得需要的濾波器特性。3．7傳輸中的抗干擾技術(shù)3.7.1噪聲干擾的形成形成噪聲干擾必須具備三個要素：噪聲源、對噪聲敏感的接收電路及噪聲源接收電路間的耦合通道。因此，抑制噪聲干擾的方法也相應(yīng)有三個：降低噪聲源的強度、使接收電路對噪聲不敏感、抑制或切斷噪聲源與接收電路間的耦合通道。多數(shù)情況下，需在這三個方面同時采取措施。3.7.2噪聲源1．內(nèi)部噪聲源

內(nèi)部噪聲源是由檢測系統(tǒng)內(nèi)部和各種元器件引起的，主要有：(1)電路元器件產(chǎn)生的固有噪聲。電路或系統(tǒng)內(nèi)部一般都含有電阻、晶體管、運算放大器等元器件，這些元器件都會產(chǎn)生噪聲，例如電阻的熱噪聲、晶體管的閃爍噪聲和電子管內(nèi)載流子隨機(jī)運動引起的散粒噪聲等。(2)感性負(fù)載切換時產(chǎn)生的噪聲干擾。在檢測和控制系統(tǒng)中常常包含有許多感性負(fù)載，如交、直流繼電器、接觸器、電磁鐵和電機(jī)等，它們都具有較大的自感。當(dāng)切換這些設(shè)備時，由于電磁感應(yīng)的作用，線圈兩端會出現(xiàn)很高的瞬態(tài)電壓，由此會帶來一系列的干擾問題。感性負(fù)載切換時產(chǎn)生的噪聲干擾十分強烈，單從接收電路的耦合介質(zhì)方面采取被動的(3)接觸噪聲。接觸噪聲是由于兩種材料之間的不完全接觸而引起導(dǎo)電率起伏所產(chǎn)生的噪聲。例如：晶體管焊接處接觸不良(如虛焊或漏焊)，繼電器觸點之間、插頭與插座之間、電位器滑臂與電阻絲之間的不良接觸等都會產(chǎn)生接觸噪聲。這三種噪聲引起的干擾通常叫做固定干擾。另外內(nèi)部噪聲干擾中還有一種過渡干擾，它是電路在動態(tài)工作時引起的干擾。固定干擾是引起測量隨機(jī)誤差的主要原因，一般很難消除，主要靠改進(jìn)工藝和元器件質(zhì)量來抑制。2．外部噪聲源外部噪聲源主要來自自然界以及檢測系統(tǒng)周圍的電氣設(shè)備，是由使用條件和外界環(huán)境決定的，與系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)無關(guān)，主要有：

(1)天體和天電干擾。天體干擾是由太陽或其他恒星輻射電磁波產(chǎn)生的干擾。天電干擾是由雷電、大氣的電離作用、火山爆發(fā)及地震等自然現(xiàn)象所產(chǎn)生的電磁波和空間電位變化所引起的干擾。(2)放電干擾。放電干擾是指電動機(jī)的電刷和整流子間的周期性瞬間放電，。電焊、電火花加工機(jī)床、電氣開關(guān)設(shè)備中的開關(guān)通斷，電氣機(jī)車和電車導(dǎo)電線與電刷間的放電等對鄰近檢測系統(tǒng)的干擾。(3)射頻干擾。電視廣播、雷達(dá)及無線電收發(fā)機(jī)等對鄰近檢測系統(tǒng)的干擾，稱為射頻干擾。

(4)工頻干擾。大功率輸、配電線與鄰近測試系統(tǒng)的傳輸通過耦合產(chǎn)生的干擾，稱為工頻干擾。3.7.3噪聲的耦合方式1．靜電耦合(電容性耦合)圖3—38靜電耦合靜電耦合產(chǎn)生的干擾主要是指由于兩個電路之間存在寄生電容，產(chǎn)生靜電效應(yīng)而引起的干擾，如圖3—38所示。圖中，導(dǎo)線1是干擾源，導(dǎo)線2為檢測系統(tǒng)傳輸出線，Cl、C2為導(dǎo)線1、2的寄生電容，C12是導(dǎo)線1和2之間的寄生電容，R為導(dǎo)線2被干擾電路的等效輸入阻抗。2．電磁耦合(電感性耦合)

電磁耦合又稱互感耦合，是由于兩個電路間存在互感，如圖3—39所示。圖中導(dǎo)線l為干擾源，導(dǎo)線2為檢測系統(tǒng)的一段電路，設(shè)導(dǎo)線1、2間的互感為M。當(dāng)導(dǎo)線l中有電流，1變化時，根據(jù)電路理論，則通過電磁耦合產(chǎn)生一個互感干擾電壓，干擾耦合方式主要為這種電感性耦合。圖3—39電磁耦合3．阻抗耦合InZcZLUnc圖3—40阻抗耦合

共阻抗耦合干擾是由于兩個或兩個以上電路有公共阻抗，當(dāng)一個電路中的電流流經(jīng)公共阻抗產(chǎn)生壓降時，就形成對其他電路的干擾電壓，如圖3—40所示，共阻抗耦合干擾主要有電源內(nèi)阻抗的耦合干擾、公共地線耦合干擾和輸出阻抗耦合干擾三種方式。其在測量裝置的放大器中是很常見的干擾，由于它的影響，使放大器工作不穩(wěn)定，很容易產(chǎn)生自激振蕩，破壞正常工作。4．漏電流耦合EnZcRn圖3—41漏電流耦合Unc

由于絕緣不良，流經(jīng)絕緣電阻R的漏電流對檢測裝置引起的干擾叫做漏電流耦合。圖3—41表示了漏電流引起干擾的等效電路。漏電流耦合經(jīng)常發(fā)生在用儀表測量較高的直流電壓的場合，或在檢測裝置附近有較高的直流電壓源時，或在高輸入阻抗的直流放大器中。3.7.4噪聲的干擾模式1．差模干擾差模干擾是指干擾電壓與有效信號串聯(lián)疊加后作用到檢測裝置的輸入端，又稱串模干擾、正態(tài)干擾、常態(tài)干擾或橫向干擾等，如圖圖3—42所示。差模干擾通常來自高壓輸電線、與信號線平行鋪設(shè)的電源線及大電流控制線所產(chǎn)生的空向電磁場。Un圖3—42差模干擾Um2．共模干擾圖3—43共模干擾

共模干擾是指檢測裝置兩個輸入端對地共有的干擾電壓，又稱縱向干擾、對地干擾、同相干擾、共態(tài)干擾等。造成共模干擾的主要原因是被測信號的參考接地點和檢測裝置輸入信號的參考接地點不同，因此就會產(chǎn)生一定的電壓差值。3.7.5硬件抗干擾技術(shù)根據(jù)噪聲干擾必須具備的三個要素，檢測裝置的干擾控制方式主要是消除或抑制干擾源；阻斷或減弱干擾的耦合通道或傳輸途徑；削弱接收電路對干擾的靈敏度。檢測裝置的干擾噪聲控制方法常采用的有屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)、隔離技術(shù)、濾波器等硬件抗干擾措施，以及冗余技術(shù)、陷阱技術(shù)等微機(jī)軟件抗干擾措施。一．接地技術(shù)

“地”是電路或系統(tǒng)中為各個信號提供參考電位的一個等電位點或等電位面，所謂“接地”就是將某點與一個等電位點或等電位面之間用低電阻導(dǎo)體連接起來，構(gòu)成一個基準(zhǔn)電位。

檢測系統(tǒng)中的地線有以下幾種：

(1)信號地。在測試系統(tǒng)中。原始信號是用傳感器從被測對象獲取的，信號(源)地是指傳感器本身的零電位基準(zhǔn)線。

(2)模擬地，模擬地是模擬信號的參考點，所有組件或電路的模擬地最終都?xì)w結(jié)到供給模擬電路電流的直流電源的參考點上。

(3)數(shù)字地。數(shù)字地是數(shù)字信號的參考點，所有組件或電路的數(shù)字地最終都與供給數(shù)字電路電流的直流電源的參考總相連。

(4)負(fù)載地。負(fù)載地是指大功率負(fù)載或感生負(fù)載的地線。當(dāng)這類負(fù)載被切換時，它的地電流中會出現(xiàn)很大的瞬態(tài)分量，對電平的模擬電路乃至數(shù)字電路都會產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，通常把這類負(fù)載的地線稱為噪聲地。

(5)系統(tǒng)地。為避免地線公共阻抗的有害耦合，模擬地、數(shù)字地、負(fù)載地應(yīng)嚴(yán)格分開，并且要最后匯合在一點，以建立整個系統(tǒng)的統(tǒng)一參考電位，該點稱為系統(tǒng)地。

以上5種類型的地線，其接地方式有兩種：單點接地與多點接地。單點接地又有串聯(lián)接地和并聯(lián)接地兩種，主要用于低頻系統(tǒng)。串聯(lián)單點接地在串聯(lián)接地方式中，任一電路的地電位都受到別的電路對地電流變化的調(diào)制，使電路的輸出信號受到干擾，這種干擾是由地線公共阻抗耦合作用產(chǎn)生的。離接地點越遠(yuǎn)，電路中出現(xiàn)的噪聲干擾越大，但與其他接地方式相比較，它布線最簡單，費用最省。正確地做法是：測量系統(tǒng)電路（信號地）距公共地（系統(tǒng)地）最近，其次是控制系統(tǒng)電路（模擬地、數(shù)字地），然后是負(fù)載電路的地。電路1電路2電路3R1R2R3I1I2I3圖3—44串聯(lián)單點接地方式并聯(lián)單點接地

各個電路的地線只在一點(系統(tǒng)地)匯合的接地方式為并聯(lián)單點接地，如圖3—45所示。各電路的對地電位只與本電路的地電流和地線阻抗有關(guān)，因而沒有公共阻抗耦合噪聲。但是因為這種接地系統(tǒng)中地線一般都比較長，在高頻情況下，地線的等效電感和各個地線之間雜散電容耦合的影響是不容忽視的。電路1R1I1電路2R2I2電路3R3I3圖3—45并聯(lián)單點接地方式多點接地方式多點接地方式在高頻系統(tǒng)中，通常采用多點接地方式，各個電路或元件的地線以最短的距離就近連到地線匯流排(GroundPlane通常是金屬底板)上，如圖3—46所示。多點接地不能用在低頻系統(tǒng)中，因為各個電路的地電流流過地線匯流排的電阻會產(chǎn)生阻抗耦合噪聲。電路1R1I1電路2R2I2電路3R3I3圖3—46多點接地方式一般的選擇標(biāo)準(zhǔn)是，在信號頻率低于lMHz時，應(yīng)采用單點接地方式，而當(dāng)頻率高于10MHz時，選用多點接地系統(tǒng)。對于頻率處于1～10MHz之間的系統(tǒng)，可采用單點接地方式，對于機(jī)械故障診斷系統(tǒng)信號頻率與機(jī)械轉(zhuǎn)速相關(guān)，都再lMHz以下，因此采用單點接地方式。具體在進(jìn)行系統(tǒng)接地設(shè)計時還應(yīng)注意兩個基本要求，一是消除各電路電流流經(jīng)一個公共地線阻抗時所產(chǎn)生的噪聲電壓，另一是避免形成接地環(huán)路，引起共模干擾。二．屏蔽技術(shù)屏蔽技術(shù)主要是抑制電磁感應(yīng)對檢測裝置的干擾，這是利用銅或鋁等低阻材料或磁性材料把元件、電路、組合件或傳輸出線等包圍起來以隔離內(nèi)外電磁的相互干擾，屏蔽包括靜電屏蔽、電磁屏蔽、低頻屏蔽和驅(qū)動屏蔽等。1．靜電屏蔽

在靜電場作用下，導(dǎo)體內(nèi)部無電力線，即各點等電位，因此采用導(dǎo)電性能良好的金屬做屏蔽盒，并將它接地，可使其內(nèi)部的電力線不傳，同時也使外部的電力線不影響其內(nèi)部。靜電屏蔽能防止靜電場的影響，用它可以消除或削弱兩電路之間由于寄生分布電容耦合而產(chǎn)生的干擾。常見于信號電纜中的銅網(wǎng)屏蔽層。2．電磁屏蔽

電磁屏蔽是采用導(dǎo)電性能良好的金屬材料做成屏蔽層，利用高頻干擾電磁場在屏蔽體內(nèi)產(chǎn)生渦流，再利用渦流消耗高頻干擾磁場的能量，從而削弱高頻電磁場的影響。若將電磁屏蔽層接地，同時兼有靜電屏蔽的作用。也就是說，用導(dǎo)電良好的金屬材料做成的接地電磁屏蔽層，可同時起到電磁屏蔽和靜電屏蔽兩種作用。如工業(yè)現(xiàn)場的金屬電纜管、金屬軟管就起了這樣的作用。3．低頻磁屏蔽

電磁屏蔽的措施對低頻磁場干擾的屏蔽效果是很差的，因此對低頻磁場的屏蔽，要用導(dǎo)磁材料做屏蔽層，以便將干擾磁通限制在磁阻很小的磁屏蔽體的內(nèi)部，防止其干擾。通常采用坡莫合金等對低頻磁通有高磁導(dǎo)率的材料做成磁環(huán)使用。三．濾波技術(shù)有時盡管采用了良好的電、磁屏蔽和接地技術(shù)，但在傳感器輸出到下一環(huán)節(jié)的過程中仍不可避免地含有各種噪聲，這時就必須用濾波器有效地抑制無用信號的影響。3．8模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量為了便于計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)常需要將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；另一方面，為了推動執(zhí)行元件調(diào)整被控對象，或輸入儀表進(jìn)行模擬顯示和記錄，往往也需要將數(shù)字處理系統(tǒng)輸出的離散數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的模擬信號。能實現(xiàn)這種功能的裝置稱為模／數(shù)(A／D)和數(shù)／模(D／A)轉(zhuǎn)換器。一、數(shù)／模(D／A)轉(zhuǎn)換器

D／A轉(zhuǎn)換器是將離散的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的轉(zhuǎn)換器。D／A轉(zhuǎn)換電路主要有電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)、運算放大器和電源組成。實質(zhì)上是一種譯碼電路。圖3—50是一種常用的D／A轉(zhuǎn)換電路。模擬開關(guān)決定支路中是否有電流通過：bi=1，有電流流過該支路；bi=0，無電流通過。運算放大器的作用是對各支路的電流求和，并為后續(xù)電路提供低的輸出阻抗和較高的帶負(fù)載能力。圖3—50梯形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器二、模／數(shù)(A／D)轉(zhuǎn)換器A／D轉(zhuǎn)換器是將時域內(nèi)連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量的裝置。測試過程中的模擬量大多是電壓量，所以模擬轉(zhuǎn)換，主要是模擬電壓與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。1．雙積分式A／D轉(zhuǎn)換這種轉(zhuǎn)換器利用的是電壓一時間轉(zhuǎn)換原理，它是一種轉(zhuǎn)換精度高，但轉(zhuǎn)換速度較低的一種A／D轉(zhuǎn)換器。這種A／D轉(zhuǎn)換電路由于轉(zhuǎn)換速度低，常用于數(shù)字式萬用表、工藝參數(shù)（壓力、流量、溫度等）的數(shù)字式采集模塊中。2．逐次比較逼近式A／D轉(zhuǎn)換器這種A／D轉(zhuǎn)換器的工作過程為：轉(zhuǎn)換開始，第一個時鐘脈沖使逐次逼近寄存器的最高位b7置“1”，此狀態(tài)送給D／A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓e。后與瞬時模擬信號電壓er進(jìn)行比較。如果e0小于er那么比較器輸出高電平，使逐次逼近寄存器的最高位b7保持置“1”狀態(tài)；如果e。大于er,則最高位置“0”。圖3—52逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換原理圖

第二個時鐘到達(dá)逐次逼近寄存器，使其第二位又置“1”，即b6=1，同理，又經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換器、比較器來決定b6位是保持“1”態(tài)還是變?yōu)椤?”態(tài)。照此循環(huán)下去，逐次比較，直到最后一位然后由逐次逼近寄存器發(fā)出溢位信號，這一瞬時的模擬信號電壓值的轉(zhuǎn)換結(jié)束，又轉(zhuǎn)入下一個循環(huán)。所得的二進(jìn)制數(shù)送入鎖存寄存器。這種A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度主要取決于D／A轉(zhuǎn)換器和電壓比較器的精度。三、模／數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)1．轉(zhuǎn)換時間

轉(zhuǎn)換時間是指完成一次完整的A／D或D／A轉(zhuǎn)換工作所需要的時間。對A／D轉(zhuǎn)換器而言轉(zhuǎn)換時間越短意味著可以用更高的采樣頻率采樣。還要注意，轉(zhuǎn)換時間不等于采樣時間。在大多數(shù)生產(chǎn)廠家提供的采樣頻率參數(shù)都是按轉(zhuǎn)換時間來計算的，它指的是單通道連續(xù)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，每秒種可以完成的最高次數(shù)。實際信號分析系統(tǒng)的采樣時間=通道切換時間+信號穩(wěn)定時間+轉(zhuǎn)換時間+數(shù)據(jù)傳送時間。由于數(shù)據(jù)傳送時間則與驅(qū)動A/D轉(zhuǎn)換軟件的控制策略相關(guān)。因此實際系統(tǒng)的采樣頻率是達(dá)不到廠家所提供的采樣頻率的。2．轉(zhuǎn)換位數(shù)和分辨率

對D／A轉(zhuǎn)換器，分辨率反映了輸出模擬電壓的最小變化量；對A／D轉(zhuǎn)換器，分辨率表示輸出量變化一個相鄰數(shù)碼所需要輸入模擬電壓的變化量。例如：具有12位分辨率為A／D轉(zhuǎn)換器能夠分辨出滿刻度的

(12位二進(jìn)制數(shù)的最低有效位值)。一個10V滿刻度的12位A／D轉(zhuǎn)換器能夠分辨出輸入電壓變化的最小值為

=2.4mV。實際上，不論A／D或D／A，當(dāng)轉(zhuǎn)換位數(shù)確定以后，它的分辨率就已經(jīng)確定。轉(zhuǎn)換器的位數(shù)增多，分辨率提高，但另一方面又會使電路復(fù)雜，轉(zhuǎn)換時間拖長，轉(zhuǎn)換器的價格也相應(yīng)提高。3．通道數(shù)

能同時輸入或者輸出模擬信號的路數(shù)稱為通道數(shù)。在考察一個A／D或D／A轉(zhuǎn)換器的通道數(shù)時，還需要注意一個情況，通道是并行的輸入(出)、還是順序輸入(出)的。并行輸入(出)每個通道都有一個轉(zhuǎn)換器工作，而順序輸入(出)是用一個轉(zhuǎn)換器交替切換工作。在多通道工作時的容許采樣頻率就比單通道工作時要低，若單通道工作時容許最高采樣頻率為20MHz，則雙通道工作時容許最高采樣頻率將為10MHz。4．同步采樣與偽同步采樣

設(shè)備故障診斷系統(tǒng)是一種多通道信號分析系統(tǒng)，它與工業(yè)控制系統(tǒng)在信號采集方面的要求是不一樣的。工業(yè)控制系統(tǒng)中工藝參數(shù)往往是緩變量，但數(shù)據(jù)采集點多，在數(shù)據(jù)采集策略上基本都是對一個數(shù)據(jù)采集點取多個樣，取平均值作為該采樣的采集值，然后切換到下一個數(shù)據(jù)采集點。也就是說：各個采集點的數(shù)據(jù)實際上都是在不同時間采集的。多通道信號分析系統(tǒng)則要求各通道的采樣值都是同一時刻的（A1、B1、C1、…F1是同一時間的信號樣本，Ai、Bi、Ci、…Fi也是同一時間的信號樣本），即要求同步采樣。因此多通道信號分析系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換裝置有兩種硬件策略，一是每通道一個A/D轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)同步采樣，這種方案的同步性最好，也是成本最高的，通常用于少通道（如2通道、4通道）采樣；另一種是帶有多通道同步保持器的單A/D轉(zhuǎn)換電路，同步保持器類似照相機(jī)的快門，將各通道的信號電壓拍攝進(jìn)來并保持，再等待A/D電路依次進(jìn)行轉(zhuǎn)換采樣。另外還有一種偽同步采樣，它使用普通的高速A/D卡，從控制軟件上實現(xiàn)偽同步采樣。其基本思路是這樣的：由于設(shè)備診斷所需的采樣頻率在10KHz以下，采用100KHz～300KHz檔次的A/D卡（通道數(shù)愈多，采頻檔次愈高），在控制軟件的采樣策略方面采取以最高速度依次對各通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換傳輸，然后空循環(huán)等待下一次采樣指令?？刂瓶昭h(huán)等待時間以實現(xiàn)所需要的采樣頻率。A1…F1多通道轉(zhuǎn)換傳輸時間A2…F2多通道轉(zhuǎn)換傳輸時間由采樣頻率規(guī)定的采樣周期時間空循環(huán)等待時間圖3—54偽同步采樣原理示意圖

作為信號測取技術(shù)的最后一個環(huán)節(jié)——A/D變換，在實際應(yīng)用時要確定的以下參數(shù)：①采樣通道數(shù)——由所需要的信號路數(shù)，即傳感器數(shù)決定。②采樣頻率——對于振動類信號，按采樣定律的概念，每通道的采樣頻率是最高感興趣信號頻率的3～4倍。在A/D變換前應(yīng)使用低通濾波器將最高感興趣信號頻率以上的成份濾除。

③樣本長度——按快速富里葉變換FFT的需要，每路信號所取的采樣點數(shù)是2N。通常樣本長度取1024點或2048點。樣本長度與采樣頻率決定頻譜分析的頻率分辨率Δf

在樣本長度不變的條件下，采樣頻率提高，則頻率分辨率下降，Δf變大。所以采樣頻率不可太高。在采樣頻率不變的條件下，樣本長度增加，則頻率分辨率提高，Δf變小。但樣本長度只能按2N的規(guī)律增加，即按2048、4096、8192數(shù)字序列增加。樣本長度的增加，造成FFT計算量的增加，轉(zhuǎn)換時間成倍數(shù)的增長。所以通常樣本長度取1024點或2048點。3．9監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的組成與工作程序機(jī)械設(shè)備故障診斷系統(tǒng)從技術(shù)上講，可分為兩部分。第一部分由硬件組成，它們的任務(wù)是獲取包含設(shè)備各種信息的物理信號。這一任務(wù)的工作程序為：根據(jù)具體情況分析應(yīng)測量的物理信號，選用合適的傳感器，將物理信號轉(zhuǎn)換成電信號。選擇合理的后續(xù)儀器或預(yù)處理電路，將電信號去偽存真，并調(diào)節(jié)整理轉(zhuǎn)換成符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的電信號。把符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，為后面的信號分析做好準(zhǔn)備。機(jī)械設(shè)備故障診斷系統(tǒng)的第二部分由軟件組成，它們的任務(wù)是對數(shù)字量表現(xiàn)的信號進(jìn)行提取特征的分析和數(shù)據(jù)解釋。其工作程序為：采用正確的信號分析技術(shù)，將信號中反映設(shè)備狀況的特征信息提取出來，與過去值進(jìn)行比較，找出其中的差別，以此判定設(shè)備是否有故障，故障的類型以及故障的部位。一．監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的任務(wù)1）能反映被監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)并對異常狀況發(fā)出警告。通過監(jiān)測與診斷系統(tǒng)對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測，可以在任何時刻了解設(shè)備的當(dāng)前狀況，并通過與正常狀態(tài)的特征值的比較，判定現(xiàn)狀是否正常。若發(fā)現(xiàn)或判定異常，及時發(fā)出故障警告。2）能提供設(shè)備狀態(tài)的準(zhǔn)確描述。在正常運行狀態(tài)時，能反映設(shè)備主要零部件的劣化程度，為設(shè)備的檢修提供針對性的依據(jù)。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時，能反映故障的位置——造成故障的零部件，及故障的程度。為是堅持運行還是停機(jī)檢修提供決策依據(jù)。3）能預(yù)測設(shè)備狀態(tài)的發(fā)展趨勢。通過對狀態(tài)特征數(shù)據(jù)的時間歷程的統(tǒng)計分析，描繪出狀態(tài)特征數(shù)據(jù)的時間歷程曲線及趨勢擬合方程的曲線，對后續(xù)的設(shè)備狀態(tài)發(fā)展進(jìn)行預(yù)測。以提供制定大修工作計劃內(nèi)容的依據(jù)，避免欠維修或過維修發(fā)生。二．監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的組成

監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的組成與任務(wù)目標(biāo)是配合協(xié)調(diào)的。它們分為簡易診斷系統(tǒng)和精密診斷系統(tǒng)兩種。大多數(shù)點巡檢系統(tǒng)屬于簡易診斷系統(tǒng)，在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)屬于精密診斷系統(tǒng)。簡易診斷系統(tǒng)由便攜式測量儀表（如振動參數(shù)測試儀、軸承故障測試儀等）和一些統(tǒng)計圖表所組成。圖3—55是一個點檢數(shù)據(jù)記錄統(tǒng)計表的例子，統(tǒng)計表由示意圖、設(shè)備名稱、結(jié)構(gòu)參數(shù)、測量部位、測量參數(shù)、判別標(biāo)準(zhǔn)、點檢數(shù)據(jù)及測點趨勢圖等所組成。是簡易診斷系統(tǒng)的重要組成部分。名稱：初軋7架減速機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速：1450RPM齒數(shù)：Z1=31；Z2=56；Z3=43；Z4=72測點號測量參數(shù)正常判定條件標(biāo)準(zhǔn)值a1

mm/s2

<

a2mm/s2<

a3mm/s2<

a4mm/s2<Z1Z2Z3Z4a1a2a3a4測點號123

45678910111213141516171819202122232425262728293031精密診斷系統(tǒng)屬于精密診斷系統(tǒng)的在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)由三部分組成：數(shù)據(jù)采集部分；狀態(tài)識別部分和數(shù)據(jù)庫部分。數(shù)據(jù)采集部分包含：傳感器、信號調(diào)理器（放大、濾波等）、A/D轉(zhuǎn)換器及計算機(jī)，還可以有其他輔助儀器。狀態(tài)識別部分是計算機(jī)中的數(shù)字信號處理軟件。它包含：信號分析模塊（時域統(tǒng)計分析、頻域分析…）、狀態(tài)識別模塊、趨勢分析模塊、圖形顯示模塊、數(shù)據(jù)解釋模塊、故障診斷模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、系統(tǒng)管理模塊。數(shù)據(jù)管理部分主要依托數(shù)據(jù)庫，最常見的是Access數(shù)據(jù)庫和SQLServer網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫。分別將設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)、測點基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)及周、日數(shù)據(jù)等劃分為多個既獨立存在又相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)表。

圖3—57監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的信號處理部分圖3—57中，左邊是數(shù)據(jù)管理窗口，右上是頻譜分析窗口，右下是數(shù)據(jù)解釋窗口。三．實施故障監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的工作程序（1）了解診斷對象了解設(shè)備的主要手段是開展設(shè)備調(diào)查。在調(diào)查前應(yīng)作出一張調(diào)查表，它由設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)子表、設(shè)備運行參數(shù)子表、設(shè)備狀況子表組成。

1）清楚設(shè)備的基本組成部分及其聯(lián)接關(guān)系。

2）必須查明各主要零部件（特別是運動零件）的型號、規(guī)格、結(jié)構(gòu)參數(shù)及數(shù)量等。

設(shè)備運行參數(shù)子表包括以下內(nèi)容：①各主要零部件的運動方式：旋轉(zhuǎn)運動還是往復(fù)運動；②機(jī)器的運動特性：平穩(wěn)運動還是沖擊性運動；③轉(zhuǎn)子運行速度：低速(<600r／min)，中速(600—6000r／min)還是高速(>60000r／min)；勻速還是變速；④機(jī)器平時正常運行時及振動測量時的工況參數(shù)值，如：排出壓力、流量、轉(zhuǎn)速、溫度、電流、電壓等。⑤載荷性質(zhì)：均載、變載還是沖擊負(fù)荷；⑥工作介質(zhì)：有無塵埃、顆粒性雜質(zhì)或腐蝕性氣(液)體。⑦周圍環(huán)境：有無嚴(yán)重的干擾(或污染)源存在，如強電磁場、振源、熱源、粉塵等。設(shè)備狀況子表包括以下內(nèi)容：①設(shè)備基礎(chǔ)型式及狀況，搞清楚是剛性基礎(chǔ)還是彈性基礎(chǔ)。②有關(guān)設(shè)備的主要設(shè)計參數(shù)，質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)和性能指標(biāo)，出廠檢驗記錄，廠家③有關(guān)設(shè)備常見故障分析處理的資料(一般以表格形式列出)，以及投產(chǎn)日期，運行記錄，事故分析記錄，大修記錄等。（2）確定診斷方案①選擇測點②預(yù)估頻率和振幅③確定測量參數(shù)④選擇診斷儀器⑤選擇與安裝傳感器⑥做好其他相關(guān)事項的準(zhǔn)備圖3—58測點選擇示意圖（3）進(jìn)行振動測量與信號分析對于初次測量的信號，要進(jìn)行信號重放和直觀分析，檢查測得的信號是否真實。若對所測的信號了解得比較清楚，對信號的特性心中有數(shù)，那么在現(xiàn)場可以大致判斷所測得信號的幅值及時域波形的真實性。如果缺少資料和經(jīng)驗，應(yīng)進(jìn)行多次復(fù)測和試分析，確認(rèn)測試無誤后再作記錄。如果所使用的儀器具有信號分析功能，那么，在測量參數(shù)之后，即可對該點進(jìn)一步作波形觀察、頻率分析等有關(guān)項目，特別對那些振動超常的測點作這種分析很有必要。測量后要把信號儲存起來，若要長期存儲，則必須存儲到合適的數(shù)據(jù)庫中。（4）實施狀態(tài)判別根據(jù)測量數(shù)據(jù)和信號分析所得到的信息，對設(shè)備狀態(tài)作出判別。首先判斷它是否正常，然后對存在異常的設(shè)備作進(jìn)一步分析，指出故障的原因、部位和程度。對那些不能用簡易診斷解決的疑難故障，必須動用精密診斷手段去加以確診。（5）作出診斷決策通過測量分析、狀態(tài)識別等幾個程序，弄清了設(shè)備的實際狀態(tài)，為處理決策創(chuàng)造了條件。這時應(yīng)當(dāng)提出處理意見：或是繼續(xù)運行，或是停機(jī)修理。對需要修理的設(shè)備，應(yīng)當(dāng)指出修理的具體內(nèi)容，如待處理的故障部位、所需要更換的零部件等。

（6）檢查驗證設(shè)備診斷的全過程并不是到作出結(jié)論就算結(jié)束了，最后還有重要的一步，必須檢查驗證診斷結(jié)論及處理決策的結(jié)果。診斷人員應(yīng)當(dāng)向用戶了解設(shè)備拆機(jī)檢修的詳細(xì)隋況及處理后的效果，如果有條件的話，最好親臨現(xiàn)場察看，檢查診斷結(jié)論與實際情況是否符合，這是對整個診斷過程最權(quán)威的總結(jié)，也是增長經(jīng)驗的重要步驟。第四章信號特征提取——信號分析技術(shù)通過信號測取技術(shù)將機(jī)械設(shè)備的運行狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗械牟ㄐ吻€——A（t）、B（t）等，通過A/D變換轉(zhuǎn)化成離散的數(shù)字曲線序列——A（i）、B（i）等。由于運轉(zhuǎn)的機(jī)械設(shè)備中存在多個振動源，這些振動信號在傳輸路上又受到傳輸通道特性的影響，當(dāng)它們混雜在一起被傳感器轉(zhuǎn)換成波形曲線時，呈顯出混亂無規(guī)律的形態(tài)。因此需要從中進(jìn)行識別——信號特征的提取。平穩(wěn)定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)的機(jī)械設(shè)備，無論有多少個振動源，其產(chǎn)生的振動信號都是與轉(zhuǎn)速相關(guān)的強迫振動信號，也是周期性信號。站在這個基礎(chǔ)上，可以認(rèn)定：凡是與轉(zhuǎn)速相關(guān)的信號屬于設(shè)備運轉(zhuǎn)狀態(tài)信號，與轉(zhuǎn)速無關(guān)的信號屬于工藝參數(shù)信號、結(jié)構(gòu)參數(shù)信號、電氣參數(shù)信號。結(jié)構(gòu)參數(shù)信號、電氣參數(shù)信號仍屬于故障診斷范圍，但不在機(jī)械故障診斷范圍內(nèi)。信號分析技術(shù)包含了許多種信號分析方法，各種分析方法都有其適應(yīng)的范圍。評定某個分析方法是否適用于機(jī)械故障診斷，只有一個標(biāo)準(zhǔn)——簡潔實用。簡潔指該分析方法所依據(jù)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)清晰易懂，實用指用該分析方法所獲取的信號特征能作出明確、合理、有效的解釋。4．1信號特征的時域提取方法4．1．1平均值

平均值描述信號的穩(wěn)定分量，又稱直流分量。

在平均值用于使用渦流傳感器的故障診斷系統(tǒng)中。當(dāng)把一個渦流傳感器安裝于軸瓦的底部（或頂部），其初始安裝間隙構(gòu)成了初始信號平均值——初始直流電壓分量，在機(jī)械運轉(zhuǎn)過程中，由于軸心位置的變動，產(chǎn)生軸心位置的振動信號。這個振動信號的平均值即軸心位置的平均值。經(jīng)過一段時間后，軸心位置平均值與初始信號平均值的差值，說明了軸瓦的磨損量。4．1．2均方值、有效值均方值與有效值用于描述振動信號的能量。

均方值

有效值Xrms又稱均方根值，是機(jī)械故障診斷系統(tǒng)中用于判別運轉(zhuǎn)狀態(tài)是否正常的重要指標(biāo)。因為有效值Xrms描述振動信號的能量，穩(wěn)定性、重復(fù)性好，因而當(dāng)這項指標(biāo)超出正常值（故障判定限）較多時，可以肯定機(jī)械存在故障隱患或故障。若有效值Xrms的物理參數(shù)是速度（mm/s），就成為用于判定機(jī)械狀態(tài)等級的振動烈度指標(biāo)。4．1．3峰值、峰值指標(biāo)

通常峰值Xp是指振動波形的單峰最大值。由于它是一個時不穩(wěn)參數(shù)，不同的時刻變動很大。因此，在機(jī)械故障診斷系統(tǒng)中采取如下方式以提高峰值指標(biāo)的穩(wěn)定性：在一個信號樣本的總長中，找出絕對值最大的10個數(shù)，用這10個數(shù)的算術(shù)平均值作為峰值Xp。

峰值指標(biāo)Ip

峰值指標(biāo)Ip和脈沖指標(biāo)Cf都是用來檢測信號中是否存在沖擊的統(tǒng)計指標(biāo)。4．1．4脈沖指標(biāo)

脈沖指標(biāo)Cf

脈沖指標(biāo)Cf和峰值指標(biāo)Ip都是用來檢測信號中是否存在沖擊的統(tǒng)計指標(biāo)。由于峰值Xp的穩(wěn)定性不好，對沖擊的敏感度也較差，因此在故障診斷系統(tǒng)中逐步應(yīng)用減少，被峭度指標(biāo)所取代。4．1．5裕度指標(biāo)裕度指標(biāo)Ce用于檢測機(jī)械設(shè)備的磨損情況。

裕度指標(biāo)Ce

在不存在摩擦碰撞的情況下，即歪度指標(biāo)變化不大的條件下。以加速度、速度為測量傳感器的系統(tǒng)，其平均值反映了測量系統(tǒng)的溫飄、時飄等參數(shù)變化。使用渦流傳感器的故障診斷系統(tǒng)的平均值則與磨損量有關(guān)。若歪度指標(biāo)變化不大，有效值Xrms與平均值的比值增大，說明由于磨損導(dǎo)致間隙增大，因而振動的能量指標(biāo)——有效值Xrm比平均值增加快，其裕度指標(biāo)Ce也增大了。4．1．6歪度指標(biāo)歪度指標(biāo)Cw反映振動信號的非對稱性。

歪度指標(biāo)Cw

除有急回特性的機(jī)械設(shè)備外，由于存在著某一方向的摩擦或碰撞，造成振動波性的不對稱，使歪度指標(biāo)Cw增大。4．1．7峭度指標(biāo)

峭度指標(biāo)Cq反映振動信號中的沖擊特征。

峭度指標(biāo)Cq

峭度指標(biāo)Cq對信號中的沖擊特征很敏感，正常情況下應(yīng)該其值在3左右，如果這個值接近4或超過4，則說明機(jī)械的運動狀況中存在沖擊性振動。一般情況下是間隙過大、滑動副表面存在破碎等原因。統(tǒng)計指標(biāo)的運用注意以上的各種統(tǒng)計指標(biāo)，在故障診斷中不能孤立的看，需要相互映證。同時還要注意和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，根據(jù)趨勢曲線作出判別。在流程生產(chǎn)工業(yè)中，往往有這樣的情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的情況不好，某項或多項特征指標(biāo)上升，但設(shè)備不能停產(chǎn)檢修，只能讓設(shè)備帶病運行。當(dāng)這些指標(biāo)從峰值跌落時，往往預(yù)示某個零件已經(jīng)損壞，若這些指標(biāo)（含其它指標(biāo)）再次上升，則預(yù)示大的設(shè)備故障將要發(fā)生。4．2信號特征的頻域提取方法上一節(jié)的時域統(tǒng)計特征指標(biāo)只能反映機(jī)械設(shè)備的總體運轉(zhuǎn)狀態(tài)是否正常，因而在設(shè)備故障診斷系統(tǒng)中用于故障監(jiān)測，趨勢預(yù)報。要知道故障的部位、故障的類型就需要進(jìn)一步的做精密分析。在這方面頻譜分析是一個重要的、最常用的分析方法。圖4—1信號的時頻關(guān)系4．2．1頻域分析與時域信號的關(guān)系

圖4—1描述了信號的時域與頻域關(guān)系。信號是由多個正弦波組成，頻率比為：1∶3∶5∶7…，幅值比為：1∶

∶

∶…，信號之間無相位差。我們在時間域觀察這些信號——橫坐標(biāo)軸是時間t，就如這些信號疊加起來，其合成結(jié)果投影到時域平面上，于是我們看到了方波信號。需要注意的是如果在頻率比、幅值比、相位差這三個方面有任一個不滿足以上條件，其疊加的波形便不是方波。即使所有信號都是周期信號，只有當(dāng)各信號的頻率比是整數(shù)，其疊加合成信號才表現(xiàn)出周期性特征。否則看不到周期性特征。這就是我們明知設(shè)備的狀態(tài)信號都是強迫周期信號，卻很少在波形上看到周期性特征的原因。關(guān)于頻譜圖的說明富里葉變換提供了從另一個角度觀察信號的數(shù)學(xué)工具——把信號投影到橫坐標(biāo)軸是頻率f的頻域。在這個觀察面上，我們可以看到信號由哪些正余弦波組成：圖像以兩部分組成：幅—頻圖；相—頻圖。幅—頻圖中，棒線在頻率軸上的位置表示該信號分量的頻率，棒線的長度表示該信號分量的振幅。在相—頻圖中，棒線的長度表示該信號分量的初相位。這兩個頻域的圖像在專業(yè)的領(lǐng)域稱為——頻譜圖。圖4—1清楚地反映通過富里葉變換使人們觀察信號的角度從時間域轉(zhuǎn)換到頻率域，從而更清楚地觀察到信號中所包含的多種頻率成分，及各項波形特征參數(shù)。在頻譜圖中，我們可以看到哪些是機(jī)械運行狀態(tài)的振動成份（與基準(zhǔn)頻率——1軸轉(zhuǎn)頻有固定的數(shù)學(xué)關(guān)系的頻率成份），它們之中，誰對振動占主導(dǎo)作用，誰與過去相比，有較大幅值變化，等等，這些狀態(tài)信息是機(jī)械故障診斷的基礎(chǔ)。4．2．2周期信號與非周期信號的頻譜最簡單的周期信號是正弦信號

如果正弦信號的周期為T，則它們之間的關(guān)系為：

富里葉級數(shù)說明滿足狄利克雷條件的周期信號，可以用正弦函數(shù)表達(dá)成富里葉級數(shù)的形式：

（n=1，2，3，……）此公式具有明確的物理意義。它表明任何滿足狄利克雷條件的周期信號，均可以表述為一個常數(shù)分量a0和一系列正弦分量之和的形式。其中n=1的那個正弦分量稱為基波，對應(yīng)的頻率ω0稱為該周期信號的基頻。其它正弦分量按n的數(shù)值，分別稱為n次諧波。在機(jī)械故障診斷領(lǐng)域，常數(shù)分量a0是直流分量，代表某個變動緩慢的物理因素，如某個間隙。通常從電動機(jī)到工作機(jī)械的傳動是一系列的減速增力過程，因此通常將電動機(jī)輸入的轉(zhuǎn)動頻率稱為基頻?；l和它的n次諧波在機(jī)械故障診斷領(lǐng)域都有明確的故障缺陷意義。周期性方波信號的頻譜1周期性方波信號x(t)從原本意義上是既無開始又無結(jié)束的信號，但可以在一個周期內(nèi)表述為：

對該方波信號x(t)作富里葉變換可得該方波的富里葉級數(shù)描述：X(t)=－AA圖4—2周期性方波信號周期性方波信號的頻譜2圖4—3是該方波的幅頻譜圖，橫坐標(biāo)是頻率ω，縱坐標(biāo)是幅值，圖中對應(yīng)于某個頻率的直線稱為譜線。從圖中可知周期信號的頻譜具有下列特征：1）離散性

即周期信號的頻譜圖中的譜線是離散的。2）諧波性

即周期信號的譜線只發(fā)生在基頻ω0的整數(shù)倍頻率上。3）收斂性

周期信號的高次諧波的幅值具有隨諧波次數(shù)n增加而衰減的趨勢。ω03ω05ω07ω0圖4—3方波的幅頻譜圖非周期信號的頻譜1

非周期信號分為準(zhǔn)周期信號和瞬變信號。準(zhǔn)周期信號是由一系列正弦信號疊加組成的，但各正弦信號的頻率比不是有理數(shù)，因而疊加結(jié)果的周期性不明顯。脈沖函數(shù)、階躍函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、矩形窗函數(shù)這些工程中常用的工具都是典型的瞬變信號。矩形窗函數(shù)的時域表達(dá)式為：

1w(t)=0t圖4—4矩形窗函數(shù)幅—頻譜相—頻譜圖4—5矩形窗的頻譜圖非周期信號的頻譜2

對矩形窗函數(shù)作富里葉變換，得到的頻譜圖如圖4—5所示。從圖4—5的矩形窗頻譜圖中可以看到，第一，譜線是連續(xù)的，這是瞬變信號與周期信號在譜圖上的顯著區(qū)別。第二，矩形窗的時間長度T愈長，幅頻圖中主瓣愈高而窄。意味著能量愈集中于主瓣，這在信號分析中是有重要意義的。4．2．3截斷、泄露與窗函數(shù)在故障診斷的信號分析中需要對信號采樣。而真實的振動信號的時間歷程是無限長的，采樣就是對無限長的信號進(jìn)行截取。也就是對x(t)信號乘以w(t)函數(shù)，當(dāng)w(t)=0時，乘積的結(jié)果y(t)=0；當(dāng)w(t)=1時，乘積的結(jié)果y(t)=x(t)。根據(jù)富里葉變換的特性，在時域內(nèi)，2個信號的乘積，對應(yīng)于這2個信號在頻域的卷積。

由于w(t)在頻譜中是連續(xù)無限的函數(shù)，它與x(t)信號在頻域的卷積，必然造成x(t)信號的能量分散到w(t)的譜線上，這就是所謂的譜泄漏。換句話說，就是頻域卷積的結(jié)果，將使得在頻譜圖中出現(xiàn)不屬于x(t)信號的譜線，它們是w(t)的譜線。這些w(t)的譜線中以w(t)的第一旁瓣影響最大。為了減少譜泄漏，工程上采用兩種措施。減少譜泄漏的措施為了減少譜泄漏，工程上采用兩種措施。第一種措施，加大矩形窗的時間長度，即增大采樣的樣本點數(shù)。也就是使w（f）的主瓣盡量地高而窄，能量最大限度地集中于主瓣，將旁瓣盡量壓縮。同時主瓣愈窄愈好。第二種措施，采用旁瓣較低的函數(shù)作為采樣窗函數(shù)，如漢寧窗、海明窗等等。這類窗函數(shù)與矩形窗的顯著區(qū)別在于：矩形窗在開始與終止處是突變的，從0一下跳到1。而這類窗函數(shù)是漸變的，按函數(shù)式從0緩慢地上升，直到中間點才上升到最大（有的是1，有的修正到大于1），然后再緩慢下降到終點0。除矩形窗之外的窗函數(shù)所存在的不足有：第一，初相位信息消失。所以采用它們的頻譜分析軟件沒有相頻譜圖。第二，譜圖中的幅值相對實際信號該頻率成份的幅值存在著失真。失真度的大小與所取的修正值相關(guān)。常用窗函數(shù)的時域圖和頻譜圖

圖4—6矩形窗的時域、頻域曲線圖圖4—7漢寧窗的時域、頻域曲線圖圖4—9采樣過程4．2．4頻混和采樣定理

如果以xc（t）代表采樣獲得的數(shù)據(jù)信號，x（t）代表原始的連續(xù)時間信號，則xc（t）可以看成是x（t）與脈沖序列δ0（t）的乘積。脈沖序列δ0（t）是一系列的脈沖函數(shù)，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

圖4—9表現(xiàn)了這一過程。（a）圖左邊是x（t）的時域曲線，右邊是x（t）的頻譜；（b）圖是采樣函數(shù)δ0（t），左邊為時域圖像，右邊是δ0（t）的頻譜。（c）圖的左邊是x（t）與δ0（t）的乘積，右邊是X（f）與Δ（f）卷積的結(jié)果。頻混現(xiàn)象1

采樣后得到間隔為T的等距脈沖序列，這個序列的包絡(luò)線應(yīng)與原始信號x(t)一致。即采樣后的信號應(yīng)能恢復(fù)原信號，不發(fā)生失真。這主要取決采樣間隔T。圖4—10中上面兩個的原信號x(t)的頻率較高，采樣間隔T過小，因此采樣序列不能復(fù)原原信號。這個圖例說明，當(dāng)采樣頻率過低時，高頻信號被采成了低頻信號。圖4—10采樣序列及還原曲線圖4—11采樣信號的頻混現(xiàn)象頻混現(xiàn)象2

這一現(xiàn)象表現(xiàn)在頻譜圖上，就是發(fā)生了頻混。如圖4—11，左邊為時域波形，右邊為頻譜圖。a圖的左邊是實際信號的波形，右邊是所包含的頻率成份。當(dāng)采樣間隔合適(如b圖)，其頻譜圖中原信號的譜圖與左右鏡像不產(chǎn)生交錯，因此在頻譜圖顯示時，很容易將鏡像譜線排除。而采樣間隔過大（采樣頻率過低）的c圖，其頻譜圖中原信號的譜圖與左右鏡像發(fā)生交錯，在頻譜圖中無法將折疊過來的鏡像譜線排除。鏡像譜線的高頻部分混淆到主頻譜圖的低頻區(qū)間。采樣定律對信號x(t)采樣時，一定要有合適的采樣頻率。設(shè)x(t)所包含的各成份中最高頻率為fx，這要靠抗混低通濾波器來實現(xiàn)（截止頻率稍高于fx）?？焖俑焕锶~變換（FFT）的最高分析頻率fc=(1.5～2)fx，采樣頻率fs=2fc=(3～4)fx。4．2．5量化誤差和柵欄效應(yīng)1.量化誤差模擬信號的幅值是連續(xù)的，而數(shù)字信號受到位數(shù)的限制，其值是跳躍的。模擬信號在數(shù)字化過程中采樣點的幅值若落在兩相鄰的量化值之間，就要舍入到鄰近的一個量化值上，造成了量化誤差。量化誤差必然給原信號的頻譜造成誤差，也使得對數(shù)字序列的積分存在較大的失真。減小量化誤差只能選用位數(shù)高的A/D轉(zhuǎn)換裝置，從