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机械与电气工程学院 长江师范学院 机械工程测试技术 第3章 信号分析与处理 机械与电气工程学院 长江师范学院 机械工程测试技术 第3章 信号分析与处理 郑州轻工业学院机电工程学院 Wuhan University of Technology 机械工程测试技术 第3章 信号分析与处理 机械与电气工程学院 长江师范学院 机械工程测试技术 第3章 信号分析与处理 郑州轻工业学院机电工程学院 Wuhan University of Technology 机械工程测试技术 第3章 信号分析与处理 第一节 相关分析及其应用 第二节 功率谱分析及其应用 第三节 模拟信号数字化处理 第四节 频谱分析的应用 第3章 测试信号分析与处理 第一节 相关分析及其应用 一、相关与相关系数 当两个随机变量之间具有某种关系时，随着某一个变量数值的确定，另一变量却可能取许多不同值，但取值有一定的概率统计规律，这时称两个随机变量存在着相关关系。 a)变量x和变量y之间是无关的 b)变量x和变量y之间有相关关系 所以 相关系数 的绝对值愈接近1，变量x和y的线性相关程度愈高。相关系数 接近于零，则可认为变量x、y之间完全无关。 自相关函数：同一过程不同时刻的相互依赖关系，描述随机信号x(t)在任意两个不同时刻t1和t2的取值之间的相关程度。 互相关函数：不同过程在某一时刻的相互依赖关系，描述随机信号x(t)，y(t)在任意两个不同时刻t1和t2的取值之间的相关程度。 ▲自相关函数的工程应用 1）区别信号类型 2）检测混杂在随机信号中的周期成分。 例 某一机械加工表面粗糙度波形的自相关分析。 a）表面粗糙度 b）自相关函数 自相关图呈现出周期性，表明造成表面粗糙度的原因中包含有某种周期因素。 ▲互相关函数的应用 1）互相关函数的计算要用到时间延时信息，因而可用来测量有时间延时信息的物理量(如速度、距离、流量等)，而构成相关流量计，这是一种先进的流速、流量测量方法。 2）对信号中的随机干扰噪声有极强的抑制能力。基于相关原理可以将混叠在噪声中的微弱有用信号提取出来，或者说将噪声从信号中分离出去（相关滤波器）。 ▲测定热轧钢带运动速度 钢带表面的反射光经透镜聚焦在相距为d的两个光电池上。反射光强度的波动，经过光电池转换为电信号，再进行相关处理。当可调延时τ等于钢带上某点在两个测试点之间经过所需的时间τd时，互相关函数为最大值。则钢带的运动速度为 ▲确定埋在地下输油管裂损位置 漏损处K视为向两侧传播声响的声源，在两侧管道上分别放置传感器1和2，因为放传感器的两点距漏损处不等远，则漏油的音响传至两传感器就有时差，在互相关图上τ=τm处互相关函数有最大值，这个τm就是时差。由τm就可确定漏损处的位置： s—两传感器的中点至漏损处的距离 v—音响通过管道的传播速度 第三节 模拟信号数字化处理 信号处理的目的： 1）分离信、噪，提高信噪比； 2）从信号中提取有用的特征信号； 3）修正测试系统的某些误差。 信号处理系统 模拟信号处理系统 数字信号处理系统 { 模拟信号处理系统由一系列能实现模拟运算的电路，如模拟滤波器、乘法器、微分放大器等环节组成。 数字信号处理系统可以在通用计算机上借助程序来实现，也可以用专用信号处理机来完成。数字信号处理机具有稳定、灵活、快速、高效、应用范围广、设备体积小、重量轻等优点，在各行业中得到广泛的应用。 一、数字信号处理的基本步骤 ▲信号的预处理是把信号变成适于数字处理的形式，以减轻数字处理的困难。预处理包括： 1）电压幅值调理，将模拟信号的幅值进行衰减或者放大，一符合采集系统输入信号量程的要求，以便充分利用A／D转换器的精确度。 2）抗混滤波，按照被测有用信号的最高频率进行低通滤波，以提高信噪比，并滤去信号中的高频噪声。 3）隔离信号中的直流分量。 4）如原信号经过调制，则应先行解调。 ▲模-数(A／D)转换是模拟信号经采样、量化并转化为二进制的过程。 ▲数字信号处理器或计算机对离散的时间序列进行运算处理。 数字序列→截断（加窗函数）→剔除奇异点→数字滤波→进行各种分析 ▲运算结果可以直接显示或打印。若后接D／A，还可得到模拟信号。如有需要可将数字信号处理结果送入后接计算机或通过专门程序再做后续处理。 二、时域采样及采样定理 采样函数 模拟信号 采样 ▲量化 采样所得的离散信号的电压幅值，若用二进制数码组来表示，就使离散信号变成数字信号，这一过程称为量化。量化一般是由A/D转换器来实现的。 量化过程的量化误差与采集过程中寄存器的位数和采集卡的最大输入幅值有关系。 ▲量化误差