汽車試驗(yàn)技術(shù) 課件 項(xiàng)目2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與處理

項(xiàng)目二試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與處理

要獲得準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，離不開精確的傳感器和測(cè)試系統(tǒng)。那么什么是傳感器呢？傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受規(guī)定的被測(cè)量，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求，它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)，有時(shí)也可以稱為換能器、檢測(cè)器、探頭等。例如，汽車上就布置了形形色色的傳感器（見圖2.1）。圖2.1汽車傳感器分布2.3.1模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)一個(gè)完整的測(cè)量系統(tǒng)從物理設(shè)備角度上講應(yīng)包括：被測(cè)結(jié)構(gòu)、傳感器、導(dǎo)線、信號(hào)調(diào)理（這個(gè)設(shè)備也有可能集成在數(shù)據(jù)采集儀中）、數(shù)據(jù)采集儀和控制分析軟件（見圖2.2）。圖2.2完整的測(cè)試系統(tǒng)

被測(cè)結(jié)構(gòu)上因受到激勵(lì)產(chǎn)生的物理量被傳感器感知到，從而以模擬量的形式輸出給信號(hào)調(diào)理儀，然后進(jìn)行抗混疊濾波，濾掉不感興趣的高頻成分，再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化，最后輸出時(shí)域數(shù)據(jù)文件。在模數(shù)轉(zhuǎn)化前，數(shù)據(jù)為模擬信號(hào)，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)化后，模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成了計(jì)算機(jī)能處理的數(shù)字信號(hào)。2.3.1模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)

模擬信號(hào)是指在時(shí)間和幅值上都是連續(xù)變化的信號(hào)。表征的物理量是連續(xù)變化的，如某個(gè)位置的振動(dòng)加速度、背景噪聲、溫度等。許多傳感器輸出的信號(hào)都是連續(xù)的模擬信號(hào)，但是模擬信號(hào)不能用于計(jì)算機(jī)處理。

數(shù)字信號(hào)指時(shí)間和幅值的取值都是離散的，用有限個(gè)離散的數(shù)字來表征連續(xù)變化的信號(hào)，則稱為數(shù)字化。通常這些離散的數(shù)字用有限位（bit）的二進(jìn)制數(shù)（0和1）來表示，方便計(jì)算機(jī)處理。2.3.1模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)

如圖2.3所示，隨時(shí)間變化的連續(xù)信號(hào)為模擬信號(hào)，為了方便在計(jì)算上處理這個(gè)信號(hào)，需要將它轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，也就是從時(shí)間軸上對(duì)它進(jìn)行采樣。用圖中虛線對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行離散，虛線與模擬信號(hào)的交點(diǎn)視為離散的采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)，這些采樣點(diǎn)之間的信息是沒有的，因此，采樣時(shí)會(huì)丟失很多信息。圖2.3模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)2.3.1模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)感謝聆聽項(xiàng)目二試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與處理

采集到的信號(hào)都是隨時(shí)間變化的數(shù)字信號(hào)，如圖2.4所示為加速度隨時(shí)間變化曲線。這個(gè)信號(hào)橫軸為時(shí)間（time），也就是說信號(hào)的幅值隨時(shí)間變化，因而，可以說信號(hào)是時(shí)間的函數(shù)，因此，把這個(gè)信號(hào)稱為時(shí)域信號(hào)。故，時(shí)域是指以時(shí)間為變量的函數(shù)所在的域。圖2.4時(shí)域信號(hào)2.3.2頻域信號(hào)與時(shí)域信號(hào)

對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT），得到的結(jié)果是幅值隨頻（frequency）的變化曲線（見圖2.5），也就是以頻率為變量的函數(shù)，因此，頻域是指以頻率為變量的函數(shù)所在的域。圖2.5頻域信號(hào)2.3.2頻域信號(hào)與時(shí)域信號(hào)

舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，對(duì)于對(duì)常見的正弦波時(shí)域信號(hào)（見圖2.6中上方曲線），假設(shè)它的周期是固定值T，由于周期的倒數(shù)是頻率，因此它的頻率也為固定值f。故，經(jīng)過FFT變換后，將這個(gè)時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域信號(hào)，就是近似于在橫坐標(biāo)等于f時(shí)的一根垂直的直線，這稱為線譜。圖2.6正弦波時(shí)域信號(hào)和頻域信號(hào)對(duì)照2.3.2頻域信號(hào)與時(shí)域信號(hào)感謝聆聽項(xiàng)目二試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與處理時(shí)間分辨率△t與采樣頻率

對(duì)時(shí)域信號(hào)（見圖2.7中曲線）進(jìn)行采樣時(shí)，兩個(gè)采樣點(diǎn)（見圖2.7中黑點(diǎn)）之間的時(shí)間差稱為時(shí)間間隔或者時(shí)間分辨率（△t），用來表征采樣快慢的參數(shù)稱為采樣頻率，單位為Hz，它表示每秒鐘采集多少個(gè)樣本點(diǎn)（或數(shù)據(jù)點(diǎn)）。時(shí)間分辨率大小等于采樣頻率的倒數(shù)。例如，采樣頻率為1000Hz，則表示每秒鐘采集1000個(gè)樣本點(diǎn)，采兩個(gè)樣本點(diǎn)的時(shí)間間隔為1ms。因此，采樣頻率越高，時(shí)間分辨率越小，采集到的信號(hào)越接近真實(shí)信號(hào)。圖2.7時(shí)域信號(hào)采樣的時(shí)間分辨率2.3.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理常用術(shù)語

由上面分析可知，采樣頻率是避免信號(hào)失真的重要參數(shù)。那么怎么設(shè)置采樣頻率才算合理呢？

根據(jù)采樣定理要求，采樣頻率至少是關(guān)心的最高頻率的2倍，假設(shè)說關(guān)心的最高頻率為500Hz，則采樣頻率至少為1000Hz。這樣只是保證信號(hào)的頻率不失真，但并沒有保證信號(hào)的幅值不失真，如果按采樣定理來設(shè)置采樣頻率，那么，高頻信號(hào)的幅值肯定會(huì)失真，低頻信號(hào)的幅值可能會(huì)也失真。如果關(guān)心幅值，采樣頻率應(yīng)大于10倍的信號(hào)頻率才不會(huì)引起明顯的幅值失真。2.3.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理常用術(shù)語譜線與頻率分辨率△f

我們已經(jīng)明白采集到的時(shí)域信號(hào)是離散的，兩個(gè)時(shí)域數(shù)據(jù)點(diǎn)的時(shí)間差稱為時(shí)間分辨率。同理，時(shí)域信號(hào)經(jīng)過FFT變換后得到的頻域信號(hào)（頻譜）也是離散的，相鄰兩條譜線的頻率差或頻率間隔稱為頻率分辨率（△f）。FFT計(jì)算得到的結(jié)果只位于頻率分辨率的整數(shù)倍處，也就是譜線處，其他地方無結(jié)果，如圖2.8所示。假設(shè)圖中的虛線為譜線，各條譜線對(duì)應(yīng)的頻率為頻率分辨率的整數(shù)倍。計(jì)算得到的頻譜結(jié)果只位于這樣的譜線處。圖2.8頻譜圖2.3.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理常用術(shù)語

頻率結(jié)果只能位于各條譜線上，譜線與譜線之間是沒有結(jié)果的，頻譜的這種離散效應(yīng)，稱為柵欄效應(yīng)。就好像人們通過籬笆看外面的世界一樣，只能通過相鄰兩塊籬笆之間的縫隙看到外面的世界，而籬笆卻擋住了人們的視線。那么，相鄰兩塊籬笆之間的縫隙比擬為頻譜圖中的譜線，也只有譜線上才有數(shù)據(jù)，譜線之間的區(qū)域是沒有結(jié)果的，如圖2.9所示，只有譜線上才有頻率結(jié)果，最后的頻譜曲線是根據(jù)這些譜線上的點(diǎn)連成的實(shí)線。

頻率分辨率越大，相鄰譜線間隔越遠(yuǎn)，因此，求得的頻率誤差越大。FFT分析時(shí)，頻率誤差最大不會(huì)大于半個(gè)頻率分辨率。因?yàn)轭l率也是按四舍五入的原則歸到最近的譜線上。頻率分辨率的倒數(shù)為做一次FFT所截?cái)嗟臅r(shí)域信號(hào)的長(zhǎng)度T，也就是一幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。當(dāng)頻率分辨率越小時(shí)，必然一幀數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度很大。因此，在做FFT計(jì)算時(shí)，不能設(shè)置過小的頻率分辨率，也不能設(shè)置過大的頻率分辨率，頻率分辨率過大可能導(dǎo)致頻率誤差加大。2.3.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理常用術(shù)語信號(hào)截?cái)?/p>

一次FFT分析截取1幀長(zhǎng)度的時(shí)域信號(hào)，這1幀的長(zhǎng)度總是有限的，因?yàn)镕FT分析一次只能分析有限長(zhǎng)度的時(shí)域信號(hào)。而實(shí)際采集的時(shí)域信號(hào)總時(shí)間很長(zhǎng)，因此，需要將采樣時(shí)間很長(zhǎng)的時(shí)域信號(hào)截?cái)喑梢粠粠L(zhǎng)度的數(shù)據(jù)塊。這個(gè)截取過程叫做信號(hào)截?cái)唷?/p>

假設(shè)有一段10s的時(shí)域信號(hào)，取1幀的長(zhǎng)度T=1s，無重疊，則該信號(hào)將被截?cái)酁?0幀，如圖2.10所示。圖2.10信號(hào)截取2.3.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理常用術(shù)語

信號(hào)截?cái)喾譃橹芷诮財(cái)嗪头侵芷诮財(cái)唷Ｖ芷诮財(cái)嗍侵附財(cái)嗪蟮男盘?hào)為周期信號(hào)，而非周期截?cái)嗍侵附財(cái)嗪蟮男盘?hào)不再是周期信號(hào)，哪怕原始信號(hào)本身是周期信號(hào)。（1）周期截?cái)?/p>

周期信號(hào)最明顯的特征是信號(hào)的起始和結(jié)束時(shí)刻的幅值相等，哪怕是一個(gè)周期。在這假設(shè)采樣時(shí)間很長(zhǎng)的信號(hào)為單頻正弦波（周期信號(hào)），若1幀的時(shí)間長(zhǎng)度等于這個(gè)正弦波周期的整數(shù)倍，那么，截?cái)嗪蟮男盘?hào)仍為周期信號(hào)。取1幀的時(shí)間長(zhǎng)度T等于原始信號(hào)的1個(gè)周期長(zhǎng)度，那么截?cái)嗪蟮男盘?hào)仍為周期信號(hào)，如圖2.11所示。將這個(gè)截?cái)嗪蟮男盘?hào)再重構(gòu)，可以得到原始的正弦波，如圖2.12所示。圖2.11周期信號(hào)的截?cái)鄨D2.12周期信號(hào)的重構(gòu)2.3.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理常用術(shù)語（2）非周期截?cái)?/p>

倘若信號(hào)截?cái)嗟拈L(zhǎng)度不為原始正弦信號(hào)周期的整數(shù)倍，那么，截?cái)嗪蟮男盘?hào)則不為周期信號(hào)，哪怕原始信號(hào)是周期信號(hào)。并且現(xiàn)實(shí)世界中，我們進(jìn)行FFT分析時(shí)，絕大多數(shù)情況都是非周期截?cái)唷?/p>

對(duì)之前的正弦信號(hào)進(jìn)行非周期截?cái)?，如圖2.13所示。截?cái)嗪蟮男盘?hào)起始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻的幅值明顯不等，將這個(gè)信號(hào)再進(jìn)行重構(gòu)，在連接處信號(hào)的幅值不連續(xù)，出現(xiàn)跳躍，如圖中黑色圓圈區(qū)域所示。圖2.13非周期信號(hào)的截?cái)嗯c重構(gòu)2.3.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理常用術(shù)語（3）泄漏

分別將圖2.12和圖2.13中周期截?cái)嘈盘?hào)和非周期截?cái)嘈盘?hào)進(jìn)行FFT變換，獲得的頻譜圖見圖2.14。對(duì)比一下周期截?cái)嘈盘?hào)的頻譜與非周期截?cái)嘈盘?hào)的頻譜可以看出，后者頻譜的幅值更小，導(dǎo)致頻譜在整個(gè)頻帶內(nèi)發(fā)生了拖尾現(xiàn)象，這就稱為泄漏。當(dāng)截?cái)嗪蟮男盘?hào)不為周期信號(hào)時(shí)，就會(huì)發(fā)生泄漏。而現(xiàn)實(shí)世界中，在做FFT分析時(shí)，很難保證截?cái)嗟男盘?hào)為周期信號(hào)，因此，泄漏不可避免。圖2.14重構(gòu)時(shí)域信號(hào)的頻譜圖2.3.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理常用術(shù)語（4）加窗

為了將這個(gè)泄漏誤差減小到最小程度（注意是減少，而不是消除），我們需要使用加權(quán)函數(shù)，也叫窗。

信號(hào)截?cái)鄷r(shí)，只能截取一定長(zhǎng)度，哪怕原始信號(hào)是無限長(zhǎng)的，因此，好像是用一個(gè)“窗”（確切地說更像個(gè)“框”）去作這樣的截取了。如圖2.15所示，原始信號(hào)是周期信號(hào)，時(shí)間很長(zhǎng)，截取時(shí)用一個(gè)長(zhǎng)度不為原始正弦信號(hào)周期的整數(shù)倍“窗”去截取這個(gè)周期信號(hào)，截取得到的信號(hào)如圖中下部所示。圖2.15原始信號(hào)和時(shí)間窗截?cái)嗪蟮男盘?hào)2.3.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理常用術(shù)語

當(dāng)然這個(gè)“窗”是一個(gè)單位權(quán)重的加權(quán)函數(shù)，稱為“矩形窗”。這個(gè)“窗”外的信號(hào)是看不到的，只能看到窗內(nèi)的信號(hào)，這就好比通過窗戶看外面的世界，世界很大也很精彩，您能看到的只是位于窗內(nèi)的世界，而窗外的世界，您是看不到的。因此，這就是為什么這樣的加權(quán)函數(shù)被稱為窗函數(shù)的真正原因。這樣稱呼，更為直觀形象。

上圖中用于截取信號(hào)的時(shí)域截取函數(shù)（就是上圖中的那個(gè)“窗”）就稱為窗函數(shù)，它是一種