测试信号分析与处理案例

测试信号分析与处理案例

【案例4.1】在采用非抑制调幅技术设计测试系统时，如果调制波信号幅值有正有负，在调制前把调制波和一个足够大直流偏置信号相加。解调后的信号再与同样的直流偏置信号相减。否则解调波中的部分波形相位将发生180°滞后。

【案例4.2】数字式电能表检测电能的工作原理大多是通过实时检测入户电压和电流，并将电压信号和电流信号进行乘法运算得到各时刻的瞬时电功率，并按时间积分电功率后得到电能值。

【案例4.3】在汽车进行平稳性试验时，测得汽车在某处的加速度的时域波形如图4.7（a ）所示。将此信号送入信号处理机处理，获得图4.7（b ）所示的相关函数。由相关图看出车身振动含有某一周期振动信号，从两个峰值的时间间隔为s 11.0，可算出周期振动信号的频率为

()Hz T f 911

.01

1===

（a ）汽车加速度的时域波形 （b ）汽车加速度的自相关函数

图4.7 加速度时域波形及其自相关函数

【案例4.4】在一般正常情况下，悬臂梁的振动波形为正弦波，然而由于背景噪声或瞬间干扰等因素的影响，在一些时域区间信号的周期性难以呈现，为此利用自相关分析来识别采集信号的周期性，以判断测得信号是否含有较大的干扰信号。如图4.8（引自参考文献20）所示，其中（a ）为采集到的波形。对原采集的振动波形进行自相关处理，得到的波形如图4.8（b ）所示，自相关函数在时移1ms 时趋于零，毫无疑问悬臂梁振动波形无周期性，证明测得信号具有较大干扰信号。

【案例4.5】在对某齿轮箱进行故障检测与诊断时，由于测取的振动信号信噪比很低，特征信号频率较高，信号消噪难度大，故障特征信号难以提取。图4.9（引自参考文献21）为振动信号及其功率谱。

对原振动信号进行自相关计算，能有效消噪，提高信噪比。图4.10（引自参考文献21）为振动信号的自相关时域波形及其功率谱图。可见信号经自相关计算后，时域图呈明显周期性，功率谱图中80Hz 频率十分明显。经分析，该频率信号是模拟不平衡、未校准、机械松动引起的低频干扰。

100

200300400500

1000

1000

-时间（ms ）

幅值（m V ）

（a ）悬臂梁振动信号

.1-5.0-0

5.00

.10

300

300

-时间（ms ）

幅值（m V ）

（b ）振动信号的自相关函数波形

图4.8 悬臂梁振动信号分析

)

s (t )

s m (2-⋅a

（

a ）齿轮箱振动信号的时域波形

)

kHz (f )

s m (2-⋅a

（b ）齿轮箱振动信号的功率谱

图4.9 齿轮箱振动信号的时域波形及其功率谱

)

s m (2

-⋅a )

s (t

（a ）齿轮箱振动信号的自相关函数的时域波形图

)

kHz (f )

s m (2-⋅

a

（b ）齿轮箱振动信号的自相关函数的功率谱

图4.10 齿轮箱振动信号的自相关函数的时域波形及其功率谱

【案例4.6】测量运动速度。互相关函数可用来测定汽车、炮弹、轧制钢带的速度，以及导管内和风洞内气流的速度等。例如要测定炮弹的速度、可在相距l 米的两处设置两个光电式传感器如图4.12，炮弹通过时拾取反射光的信号做出互相关函数图，根据峰值出现的时间0τ如图4.12，即可求得速度

τl

v =

v

（a ）炮弹飞行速度检测系统示意图 （b ）互相关函数

图4.12 炮弹飞行速度的测量

【案例4.7】确定深埋在地下的输油管裂损的位置。如图4.13所示，漏损处K 视为传播声源，两侧管道分别放置传感器，因为放传感器的两点距漏损处的距离不相等，放漏油

的音响传至两传感器就有时差。在互相关图上0ττ=处()τxy R 有最大值，这个0τ就是时差。根据0τ便可确定漏损处的位置。

02

1τv S =

式中：S ——两传感器的中点至漏油处的距离；

v ——音响通过管道的传播速度。

（a ）输油管破损位置检测系统示意图 （b ）互相关函数

图4.13 输油管裂损位置的检测

【案例4.8】传递通道的确定。利用互相关函数分析法可以检查引起汽车司机座振动的振源。测试时在发动机、司机座和后轮轴上布置加速度计，并分别计算发动机和后轮轴上测得的信号与司机座测得信号的互相关函数，根据处理结果，发现发动机与司机座之间的相关性较差，而司机座与后轮之间的互相关函数出现明显的相关。因此可以认为，司机座的振动主要是由于后轮的振动引起的。

【案例4.9】检测混淆在噪声中的信号。由转子动不平衡引起的振动，是和转子同频率的周期信号，设其为()()x t x t x ϕω+=00sin 。但用传感器测量该信号时，拾取的信号不可能是单纯的()t x ，而是混有各种随机干扰噪声，例如噪声()()∑=+=n

n n n t n A t n 1sin ϕω。为了提取

出感兴趣的信号()t x ，可以利用自相关处理的办法，但自相关函数中只能反映信号()t x 的幅值(对应于动不平衡量的大小)，而失去了相位信息(对应于动不平衡的方位)。如果我们设法建立一个无噪声参考信号()()

y t y t y ϕω+=00sin ，并用它去和拾取到的信号()()[]t n t x +作互相

关处理，则由于()t n 与()t y 的频率无关，因而两者的互相关函数恒为零，只有()t x 与()t y 的互相关函数()τxy R 存在。()τxy R 的幅值反应了动不平衡量的大小，峰值的偏移量0τ反映了相位差()x y ϕϕ-，若参考信号()t y 的y ϕ已知，就测出了不平衡的方位。 【案例4.10】 在MATLAB 中用多个谐波合成近似的周期方波。 在MA TLAB 命令界面下（Command Windows Font ）键入如下程序： A=4; w0=pi/0.1; t=-0.5:.001:0.5;

cosine=sin(w0*t)+(1/3)*sin(3*w0*t)+(1/5)*sin(5*w0*t)+(1/7)*sin(7*w0*t)+(1/9)*sin(9*w0*t)+(1/11)*sin(11*w0*t)+(1/13)*sin(13*w0*t)+(1/15)*sin(15*w0*t)+(1/17)*sin(17*w0*t)+(1/19)*sin(19*w0*t); plot(t,cosine)

则可显示出图4.18所示的周期方波。