機械信號的預處理

第5章機械(jīxiè)信號的預處理5.1信號的放大5.2信號的濾波5.3信號的調(diào)制與解調(diào)5.4信號的數(shù)字化方法(fāngfǎ)5.5Matlab編程實驗目前機械信號處理方法主要是基于數(shù)字分析方法，它要求處理的信號是離散時間序列，盡管已經(jīng)采用了一些數(shù)字式傳感器，但大多數(shù)機械系統(tǒng)測量信號仍是連續(xù)的模擬信號，所以總需要有一個離散化，即模數(shù)轉(zhuǎn)換或采樣的過程。本章將介紹機械信號的一些基本預處理方法，如信號放大、濾波、調(diào)制與解調(diào)、信號的數(shù)字化等。

精品資料5.1信號(xìnhào)的放大在機械信號測量中，傳感器或測量電路的輸出信號電壓是很微弱的，一般不能直接(zhíjiē)用于顯示、記錄或模數(shù)轉(zhuǎn)換，需要進行放大。對機械信號測量系統(tǒng)中使用放大器的要求有以下幾點：1）頻帶寬，且能放大直流信號；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運算(yùnsuàn)放大器精品資料反相比例(bǐlì)放大器精品資料差動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。它實際上是一個(yīɡè)帶電容深度負反饋的高增益運算放大器，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，并進行放大。其輸入阻抗高達～，而輸出阻抗小于100。精品資料>>精品資料5.2信號(xìnhào)的濾波在對測得的機械(jīxiè)信號進行分析和處理時，經(jīng)常會遇到有用信號疊加上無用噪聲的問題，這些噪聲有些是與信號同時產(chǎn)生的，有些是在信號傳輸時混入的。

根據(jù)有用信號的不同特性，消除或減弱干擾噪聲，提取有用信號的過程稱為濾波，把實現(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，當噪聲和有用信號處于不同的頻帶時，噪聲通過濾波器將被極大地衰減或消除，而有用信號得以保留。但是當噪聲和有用信號頻率混疊時，經(jīng)典濾波器就無法實現(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)標準分類可以分為巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器、貝塞爾濾波器等類型。根據(jù)濾波器處理信號的性質(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（連續(xù)時間信號），數(shù)字濾波器用于處理離散時間信號。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實際(shíjì)模擬濾波器及其基本參數(shù)實際的模擬濾波器，其特性曲線沒有明顯(míngxiǎn)的轉(zhuǎn)折點，帶通中不是常數(shù)，實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)濾波器的設計模擬(mónǐ)濾波器的設計包括確定濾波器傳遞函數(shù)和設計實現(xiàn)該傳遞函數(shù)的實際電網(wǎng)絡。實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)設計的關(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)以最高階泰勒級數(shù)(jíshù)形式來逼近，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）切比雪夫濾波器精品資料精品資料精品資料Matlab編程實驗(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用(yìngyòng)Simulink仿真給定一個角頻率為1的正弦信號,在該信號上疊加白噪聲信號,送入模擬(mónǐ)低通巴特沃思濾波器進行濾波,濾波器截至角頻率為1.5精品資料5.3信號的調(diào)制(tiáozhì)與解調(diào)1)目的(mùdì)解決微弱緩變信號的放大以及信號的傳輸問題。

先將微弱的緩變信號加載到高頻交流信號中去，然后利用交流放大器進行放大，最后再從放大器的輸出信號中取出放大了的緩變信號。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x(t)載波信號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)是將一個高頻正弦信號（或稱載波）與測試信號相乘，使載波信號幅值隨測試信號的變化而變化．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%采樣時間點m=0.4;%調(diào)制指數(shù)(原信號振幅)fh=10;%載波信號頻率(pínlǜ)10Hzfl=1;%調(diào)制信號頻率(pínlǜ)1Hzxh=sin(2*pi*fh*t);%構(gòu)建載波信號xl=sin(2*pi*fl*t);%構(gòu)建調(diào)制信號y=(1+m*xl).*xh;%調(diào)幅plot(t,1+m*xl);%顯示調(diào)制信號包絡holdon;plot(t,y);%顯示調(diào)制后信號幅度調(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)制信號振幅fc=30000;%載波頻率(pínlǜ)30kHzf=300;%調(diào)制信號頻率(pínlǜ)300Hzmes=A1*cos(2*pi*f*t);%調(diào)制信號uam=A0*(mes+10).*cos(2*pi*fc*t);%已調(diào)信號subplot(221);%顯示調(diào)制信號plot(t,mes)xlabel(‘t’),title(‘調(diào)制信號')axis([0,0.01,-20,20])subplot(222)%顯示已調(diào)信號plot(t,uam)gridontitle(‘AM已調(diào)信號')axis([0,0.01,-200,200])subplot(223)%顯示調(diào)制信號頻譜Y1=fft(mes);%求頻譜stem(abs(Y1))title(‘調(diào)制信號頻譜')axis([0,500,0,500000])subplot(224)%顯示AM信號頻譜Uam=fft(uam);stem(abs(Uam))title(‘AM信號頻譜')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)幅若對信號x(t)進行(jìnxíng)偏置，疊加一個直流分量D，使偏置后的信號都具有正電壓。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)幅波是由一對每邊為fm的雙邊帶信號組成．當載波頻率(pínlǜ)fz較低時，正頻端的下邊帶將與負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x(t)的幅值調(diào)制載波的頻率(pínlǜ)，或者說，調(diào)頻波是一種隨信號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：抗干擾能力強。因為調(diào)頻信號所攜帶(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：占頻帶寬度大，復雜調(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)復雜，因為頻率調(diào)制是一種非線性調(diào)制。精品資料編程練習(liànxí)：自行設計一個(yīɡè)調(diào)幅信號。精品資料作業(yè)(zuòyè)：8、產(chǎn)生一個由兩個頻率成分55Hz、79Hz組成的信號，然后設計濾波器濾去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(yīɡè)由兩個頻率成分5.5Hz、7.9Hz組成的信號.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%設計低通濾波器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