現(xiàn)代測試技術(shù)課件

現(xiàn)代測試技術(shù)課件第一頁，共27頁。第一節(jié)相關(guān)分析及其應(yīng)用第二節(jié)功率譜分析及其應(yīng)用第三節(jié)模擬信號數(shù)字化處理第四節(jié)頻譜分析的應(yīng)用第3章測試信號分析與處理第二頁，共27頁。第一節(jié)相關(guān)分析及其應(yīng)用

一、相關(guān)與相關(guān)系數(shù)

當兩個隨機變量之間具有某種關(guān)系時，隨著某一個變量數(shù)值的確定，另一變量卻可能取許多不同值，但取值有一定的概率統(tǒng)計規(guī)律，這時稱兩個隨機變量存在著相關(guān)關(guān)系。a)變量x和變量y之間是無關(guān)的b)變量x和變量y之間有相關(guān)關(guān)系第三頁，共27頁。所以

相關(guān)系數(shù)的絕對值愈接近1，變量x和y的線性相關(guān)程度愈高。相關(guān)系數(shù)接近于零，則可認為變量x、y之間完全無關(guān)。第四頁，共27頁。自相關(guān)函數(shù)：同一過程不同時刻的相互依賴關(guān)系，描述隨機信號x(t)在任意兩個不同時刻t1和t2的取值之間的相關(guān)程度。互相關(guān)函數(shù)：不同過程在某一時刻的相互依賴關(guān)系，描述隨機信號x(t)，y(t)在任意兩個不同時刻t1和t2的取值之間的相關(guān)程度。第五頁，共27頁。▲自相關(guān)函數(shù)的工程應(yīng)用

1）區(qū)別信號類型2）檢測混雜在隨機信號中的周期成分。例某一機械加工表面粗糙度波形的自相關(guān)分析。a）表面粗糙度b）自相關(guān)函數(shù)自相關(guān)圖呈現(xiàn)出周期性，表明造成表面粗糙度的原因中包含有某種周期因素。第六頁，共27頁。▲互相關(guān)函數(shù)的應(yīng)用1）互相關(guān)函數(shù)的計算要用到時間延時信息，因而可用來測量有時間延時信息的物理量(如速度、距離、流量等)，而構(gòu)成相關(guān)流量計，這是一種先進的流速、流量測量方法。2）對信號中的隨機干擾噪聲有極強的抑制能力。基于相關(guān)原理可以將混疊在噪聲中的微弱有用信號提取出來，或者說將噪聲從信號中分離出去（相關(guān)濾波器）?！鴾y定熱軋鋼帶運動速度鋼帶表面的反射光經(jīng)透鏡聚焦在相距為d的兩個光電池上。反射光強度的波動，經(jīng)過光電池轉(zhuǎn)換為電信號，再進行相關(guān)處理。當可調(diào)延時τ等于鋼帶上某點在兩個測試點之間經(jīng)過所需的時間τd時，互相關(guān)函數(shù)為最大值。則鋼帶的運動速度為第七頁，共27頁。第八頁，共27頁?！_定埋在地下輸油管裂損位置漏損處K視為向兩側(cè)傳播聲響的聲源，在兩側(cè)管道上分別放置傳感器1和2，因為放傳感器的兩點距漏損處不等遠，則漏油的音響傳至兩傳感器就有時差，在互相關(guān)圖上τ=τm處互相關(guān)函數(shù)有最大值，這個τm就是時差。由τm就可確定漏損處的位置：s—兩傳感器的中點至漏損處的距離v—音響通過管道的傳播速度第九頁，共27頁。第三節(jié)模擬信號數(shù)字化處理信號處理的目的：1）分離信、噪，提高信噪比；2）從信號中提取有用的特征信號；3）修正測試系統(tǒng)的某些誤差。信號處理系統(tǒng)

模擬信號處理系統(tǒng)數(shù)字信號處理系統(tǒng){模擬信號處理系統(tǒng)由一系列能實現(xiàn)模擬運算的電路，如模擬濾波器、乘法器、微分放大器等環(huán)節(jié)組成。數(shù)字信號處理系統(tǒng)可以在通用計算機上借助程序來實現(xiàn)，也可以用專用信號處理機來完成。數(shù)字信號處理機具有穩(wěn)定、靈活、快速、高效、應(yīng)用范圍廣、設(shè)備體積小、重量輕等優(yōu)點，在各行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。第十頁，共27頁。一、數(shù)字信號處理的基本步驟▲信號的預處理是把信號變成適于數(shù)字處理的形式，以減輕數(shù)字處理的困難。預處理包括：1）電壓幅值調(diào)理，將模擬信號的幅值進行衰減或者放大，一符合采集系統(tǒng)輸入信號量程的要求，以便充分利用A／D轉(zhuǎn)換器的精確度。2）抗混濾波，按照被測有用信號的最高頻率進行低通濾波，以提高信噪比，并濾去信號中的高頻噪聲。第十一頁，共27頁。3）隔離信號中的直流分量。4）如原信號經(jīng)過調(diào)制，則應(yīng)先行解調(diào)?！?數(shù)(A／D)轉(zhuǎn)換是模擬信號經(jīng)采樣、量化并轉(zhuǎn)化為二進制的過程。▲數(shù)字信號處理器或計算機對離散的時間序列進行運算處理。數(shù)字序列→截斷（加窗函數(shù)）→剔除奇異點→數(shù)字濾波→進行各種分析▲運算結(jié)果可以直接顯示或打印。若后接D／A，還可得到模擬信號。如有需要可將數(shù)字信號處理結(jié)果送入后接計算機或通過專門程序再做后續(xù)處理。第十二頁，共27頁。二、時域采樣及采樣定理

采樣函數(shù)模擬信號第十三頁，共27頁。采樣第十四頁，共27頁?！炕?/p>

采樣所得的離散信號的電壓幅值，若用二進制數(shù)碼組來表示，就使離散信號變成數(shù)字信號，這一過程稱為量化。量化一般是由A/D轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)的。量化過程的量化誤差與采集過程中寄存器的位數(shù)和采集卡的最大輸入幅值有關(guān)系?！炕`差三、量化和量化誤差

第十五頁，共27頁?！档土炕`差的措施1）提高A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)即可降低量化誤差。但A／D轉(zhuǎn)換器位數(shù)選擇應(yīng)視信號的具體情況和量化的精度要求而定，要考慮位數(shù)增多后，成本顯著增加，轉(zhuǎn)換速率下降的影響。2）實際上，和信號獲取、處理的其他誤差相比，量化誤差通常不大，所以一般可忽略其影響。第十六頁，共27頁。四、截斷、泄漏和窗函數(shù)

1.信號的截斷、能量泄漏及窗函數(shù)截斷就是將信號乘以時域的有限寬矩形窗函數(shù)。

由于W(f)是一個無限帶寬的sinc函數(shù)，所以即使x(t)是帶限信號，在截斷后也必然成為無限帶寬的信號，這種信號的能量在頻率軸分布擴展的現(xiàn)象稱為泄漏。截斷后信號帶寬變?yōu)闊o限帶寬，因此無論采樣頻率多高，信號總是不可避免地出現(xiàn)混疊，故信號截斷必然導致一些誤差。降低泄漏的的方法為增大窗的寬度和選擇較好的窗函數(shù)。選擇合適的窗函數(shù)來對時域信號進行加權(quán)處理。幾種常見的窗函數(shù)：矩形窗、三角窗、漢寧窗第十七頁，共27頁。第十八頁，共27頁。2.4頻譜分析的應(yīng)用——設(shè)備故障診斷

在機械設(shè)備故障診斷技術(shù)中，針對不同的情況，存在不同的信號分析方法，而頻域分析更是發(fā)揮至關(guān)重要的作用。一般說來，頻譜分析是故障診斷的關(guān)鍵。頻域分析法主要是對信號的頻率結(jié)構(gòu)進行分析，確定信號是由那些頻率成分所組成，以及這些頻率成分幅值的大小。通過對“故障特征頻率”及“故障特征頻率幅值”的分析，就可以準確地對設(shè)備的故障情況進行診斷。在分析頻譜圖時應(yīng)抓住重點，忽略次要因素，以確定故障類型，找出設(shè)備存在的問題。在分析振動譜圖時，有兩條原則：（1）頻率形態(tài)（大小及其變化等）代表故障類型；（2）幅值代表故障劣化程度。第十九頁，共27頁。

頻譜分析主要用于識別信號中的周期分量，是信號分析中最常用的一種手段。案例：在齒輪箱故障診斷通過齒輪箱振動信號頻譜分析，確定最大頻率分量，然后根據(jù)機床齒輪轉(zhuǎn)速和傳動鏈，找出故障案例：螺旋漿設(shè)計可以通過頻譜分析確定螺旋漿的固有頻率和臨界轉(zhuǎn)速，確定螺旋漿轉(zhuǎn)速工作范圍。第二十頁，共27頁。轉(zhuǎn)動機械常見故障的頻率特征強迫振動類故障自激振動類故障R:

轉(zhuǎn)動頻率第二十一頁，共27頁。例1不平衡故障泵、風機、電動機使用一段時間后，由于磨擦、積灰等原因，使轉(zhuǎn)子質(zhì)心改變，出現(xiàn)不平衡（電動機由于潤滑脂過量也會引起不平衡）。不平衡的特點是：1、振動頻率單一，振動方向以徑向為主。在工頻（亦稱轉(zhuǎn)頻）（1X）處有一最大峰值，（轉(zhuǎn)子若為懸臂支承，將有軸相分量）；2、在一階臨界轉(zhuǎn)速內(nèi)振幅隨轉(zhuǎn)速的升高而增大；3、譜圖中一般不含工頻（1X）的高次諧波（2X、3X……）。第二十二頁，共27頁。

一臺射流泵正常運轉(zhuǎn)時在工頻（1800r／min）處幅值最大，達1.5μm（圖5-1）。3個月后再測量，同一處的最大峰值已是2.83μm（圖5-2），達到泵安全運行的報警值。拆機修理發(fā)現(xiàn)一異物纏繞在葉輪上，改變了質(zhì)心。除異物，工頻處幅值僅為0.97μm（圖5-3），振幅明顯減小，泵運行正常。第二十三頁，共27頁。例2不對中及軸彎曲

就旋轉(zhuǎn)機械而言，70％-75％的振動是不對中引起的。不對中有兩種：平行不對中和角度不對中。平行不對中徑向振動比較突出，角度不對中軸向振動更突出、兩者在機器端部或聯(lián)軸器兩邊都有180°的相位差。不對中振動的特點：1．在2X處有大的能量分布；2．隨著不對中程度的增加，產(chǎn)生很大的軸向振動分量；3．在聯(lián)軸器的兩邊振動的相位關(guān)系是180°＋30°；4．在2X處的幅值大于1X處的50％時意味不對中程度已加劇。第二十四頁，共27頁。

圖5-5是一臺水泵的譜圖，圖中2X處也有峰值，該處幅值已明顯增大并超過1X調(diào)處的幅值（圖5-5），說明不對中已比較嚴重。檢查發(fā)現(xiàn)不對中量達0.254mm。找正后譜圖（圖5-6）2x處的幅值已明顯變小，機組運行