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机械工程测试与信号处理 主讲:范良志 武汉科技学院机电学院 课程内容 本课程主要介绍工业自动化领域中常见物理量（压力、应变、位移、加速度、温度等）的传感器测量原理、测量电路原理和信号分析方法。 基于项目的学习 基本概念 存在的问题：1.测试技术应用、发展部分空洞；2.传感器部分没有实物对象、枯燥无味；3.信号分析理论部分深奥、难懂。 测试技术的工程应用 第一章 信号描述及其分析基础 第一章 信号描述及其分析基础 第一章 信号描述及其分析基础 第一章 信号描述及其分析基础 第一章 信号描述及其分析基础 信号的数字特征 峰值 峰峰值 均值 均方值 均方根值 相关性分析 周期信号及其频谱 统计学中用相关系数来描述变量x，y之间的相关性。是两随机变量之积的数学期望，称为相关性，表征了x、y之间的关联程度。 x y x y x y x y x(t) y(t) 这时可以引入一个与时间τ有关的量，称为函数的相关系数，简称相关函数，并有： 相关函数反映了二个信号在时移中的相关性。 相关函数描述了两个信号间或信号自身不同时刻的相似程度，通过相关分析可以发现信号中许多有规律的东西。 （1）自相关函数是 ? 的偶函数，RX(?)=Rx(- ?)； （2）当 ?=0 时，自相关函数具有最大值。 （3）周期信号的自相关函数仍然是同频率的周期信号，但不保留原信号的相位信息。 （4）随机噪声信号的自相关函数将随 ? 的增大快速衰减。 （5）两周期信号的互相关函数仍然是同频率的周期信号，且保留原了信号的相位信息。 （6）两个非同频率的周期信号互不相关。 相关分析的工程应用 案例：机械加工表面粗糙度自相关分析 被测工件 相关分析 性质3,性质4:?提取出回转误差等周期性的故障源。 信号频域分析是采用傅立叶变换将时域信号x(t)变换为频域信号X(f)，从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。 8563A SPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz 傅里叶变换 X(t)= sin(2πnft) 0 t 0 f 时间 幅值 频率 时域分析 频域分析 信号频谱X(f)代表了信号在不同频率分量成分的大小，能够提供比时域信号波形更直观，丰富的信息。 时域分析与频域分析的关系 时域分析只能反映信号的幅值随时间的变化情况，除单频率分量的简谐波外，很难明确揭示信号的频率组成和各频率分量大小。 图例：受噪声干扰的多频率成分信号 时域和频域的对应关系 131Hz 147Hz 165Hz 175Hz 频域参数对应于设备转速、固有频率等参数，物理意义更明确。 周期信号傅里叶级数的表达形式： 变形为： 式中: 傅里叶级数的复数表达形式： T――周期， T=2π/ω0； ω0――基波圆频率； f0= ω 0 /2π 频谱图 工程上习惯将计算结果用图形方式表示，以fn (ω 0)为横坐标，bn 、an为纵坐标画图，称为实频－虚频谱图。 图例 * * ? 轨迹跟踪 培养学生在实践中对知识融会贯通，独立学习和解决问题的能力 。 打算： 开设一门独立于课程之外的测控实验课。 仓储模型 机械手 AGV小车 测试技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数测量必不可少的手段，起着人的感官的作用。 简单的测试系统可以只有一个模块，如玻璃管温度计。它直接将被温度变化转化液面示值。没有电量转换和分析电路，很简单，但精度底，无法实现测量自动化。 为提高测量精度和自动化程度，以便于和其它环节一起构成自动化装置，通常先将被测物理量转换为电量，再对电信号进行处理和输出。如图所示的声级计。 煤气包高度测量 桥梁固频测量 机翼模态分析 索道检测 1、工业自动化中的应用 a)机械手、机器人中的传感器 转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。 在各种自动控制系统中，测试环节起着系统感官的作用，是其重要组成部分。 机械手装配模型 机器狗 b) AGV自动送货车 超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器运动轨迹和AGV小车位置识别；条形码传感器，货品识别。 香港理工AGV模型 c) 生产加工过程监测 切削力传感器，加工噪声传感器，超声波测距传感器、红外接近开关传感器等。 数字化工厂 2、流程工业设备运行状态监控 在电力、