[动态信号2.docVIP

第二章 信号检测和传感器技术 不论是进行设备状态监视和故障诊断，还是进行各种信号分析和处理，所涉及的第一个问题就是信号检测，将各种机械量或其它物理量(例如振动加速度、速度、位移、 压力和温度等)通过传感器转化为电量，经放大、 滤波等前处理变成可以进行分析的模拟或数字电信号，供各种仪器分析，找出信号的特征，特别是故障对应的特征，这就是信号检测的主要目的。测试系统就是用来进行信号检测的，测试系统的含义很广，即可以理解为单有一个装置组成的简单系统，也可以理解为有多个装置组成的复杂系统。如由传感器、二次仪表和记录仪组成的测试系统。 2.1 测量装置的组成 典型的测试装置常由试验装置、测量装置和数据处理装置三部分组成。图2.1.1是具有这三个部分的稳态激振模态实验分析测试装置框图。 随机信号发生器产生有限带宽的随机信号，经功率放大器放大，输入电动激振器，转化为激振力作用于汽车的车身和车架。激振力信号由力传感器拾取，车身和车架上各点的振动响应信号由压电式加速度传感器拾取，经电荷放大器转换放大为电压信号记录在磁带机上，然后送入到DASC动态信号分析与故障诊断系统进行模态分析，分析结果由绘图仪或打印机输出。 1.试验装置：使被测对象处于人们予期状态的装置，其目的在于充分暴露测试对象的内在联系以便进行有效的测量。例如各种试验台和图2.1.1中由随机信号发生器、功率放大器和激振器组成的整套激振装置均属于试验装置。 2.测量装置：是用以将被测的各种机械量或其它物理量变换成观察者直接感觉到的测量信号的各种测量仪器和辅助装置的总称。一般是将各种机械量和物理量转化为电量，并经放大，滤波等处理后转化为数字量进行处理。如图2.1.1所示的从传感器到记录仪所示的部分就是测量装置。 测量装置各部分的主要用途： 传感器：将被测物理量转变成电信号，如电压、电流、电荷或磁通量等。 二次仪表：必要的变换、放大、传输、运算、分析等。 指示器或记录仪：指示或记录信号。 图2.1.1的测试部分的力传感器和压电式加速度传感器就是将振动力和加速度转换为电荷量，电荷放大器将电荷量转换放大为电压信号，磁带机将电压信号以模拟信号的方式记录。 3.数据处理装置：测试装置的延续部分，对测试装置的输出信号进行进一步的处理，以提供所需的更加明确的数据和资料。如图2.1.1所示从接口到DASC动态信号分析与故障诊断系统或HP5423A结构动态分析仪都属于数据处理装置。 2.2 测试装置的静态特性 测试装置的静态特性主要以灵敏度、非线性度和回程误差为表征，即可以是传感器本身的，也可是测试装置作为一个系统来考虑，这样的系统误差较小。 1.灵敏度：特性曲线的斜率(见图2.2.1) (2.2.1) 例如：位移变化0.01mm，电压变化2v， 灵敏度S=2/0.01=200v/mm。 选用测试装置的灵敏度越高，测量范围越窄，稳定性越差。反之，测试装置的灵敏度越低，测量范围越宽，稳定性越好。例如，选用株州航空航天部第六０八研究所生产的型号为CWY-D0-004-05、量程为2mm的电涡流相对位移传感器(双向限幅特性，±5V输出)，其灵敏度为5V/mm，选用型号为CWYD0-004-05、量程为8mm的电涡流相对位移传感器(双向限幅特性，±5V输出)，其灵敏度为1.25V/mm。 2.非线性度：装置的输出、输入间是否能象理想装置那样保持常值比例关系的一种度量。 定标曲线与拟合直线的最大偏差B与A的比值称为非线性度(见图2.2.2) (2.2.2) 3.回程误差：也叫滞后或变差。 输入量由小变大 同一个输入对应两 个输出，其差值最 输入量由大变小 大者为回程误差。 (2.2.3) 理想的测试装置应具有合适的灵敏度和测量范围，较小的非线性度和回程误差。 2.3 测试装置的动态特性 数字信号处理一般需要对测试的信号进行动态分析，测试装置除了静态特性之外，还要考虑动态特性，动态特性主要包含有传递函数和瞬态响应特性两种。 1.传递函数(稳态)：指各种频率成分下的输出与输入的幅值比和相位差，理想的传递特性是感兴趣的频率范围内幅值比为1，无相位差或相位差线性变化。 2.瞬态响应：如果要测量爆炸等过程非常短暂的瞬态冲击响应过程，由于测量时间很短，就要非常注意测量系统的瞬态特性。瞬态特性一般以反应时间()、 峰值时间()、稳定时间() 和超调量来度量(见图2.3.2)。 反应时间 峰值时间 稳定时间 超调量 或 理想的测试装置应具有很短的反应时间、峰值时间和稳定时间，较小的超调量。而实际上，一般测试装置的反应时间越短，