汽车试验技术 课件 项目2 试验数据采集与处理.pptx

;要获得准确的试验数据，离不开精确的传感器和测试系统。那么什么是传感器呢？

传感器是一种检测装置，能感受规定的被测量，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，它是实现自动检测和自动控制的首要环节，有时也可以称为换能器、检测器、探头等。例如，汽车上就布置了形形色色的传感器（见图2.1）。;一个完整的测量系统从物理设备角度上讲应包括：被测结构、传感器、导线、信号调理（这个设备也有可能集成在数据采集仪中）、数据采集仪和控制分析软件（见图2.2）。;模拟信号是指在时间和幅值上都是连续变化的信号。表征的物理量是连续变化的，如某个位置的振动加速度、背景噪声、温度等。许多传感器输出的信号都是连续的模拟信号，但是模拟信号不能用于计算机处理。

数字信号指时间和幅值的取值都是离散的，用有限个离散的数字来表征连续变化的信号，则称为数字化。通常这些离散的数字用有限位（bit）的二进制数（0和1）来表示，方便计算机处理。;如图2.3所示，随时间变化的连续信号为模拟信号，为了方便在计算上处理这个信号，需要将它转化为数字信号，也就是从时间轴上对它进行采样。用图中虚线对模拟信号进行离散，虚线与模拟信号的交点视为离散的采样数据点，这些采样点之间的信息是没有的，因此，采样时会丢失很多信息。;;;采集到的信号都是随时间变化的数字信号，如图2.4所示为加速度随时间变化曲线。这个信号横轴为时间（time），也就是说信号的幅值随时间变化，因而，可以说信号是时间的函数，因此，把这个信号称为时域信号。故，时域是指以时间为变量的函数所在的域。;对时域信号进行快速傅里叶变换（FFT），得到的结果是幅值随频（frequency）的变化曲线（见图2.5），也就是以频率为变量的函数，因此，频域是指以频率为变量的函数所在的域。;举个简单的例子，对于对常见的正弦波时域信号（见图2.6中上方曲线），假设它的周期是固定值T，由于周期的倒数是频率，因此它的频率也为固定值f。故，经过FFT变换后，将这个时域信号转变为频域信号，就是近似于在横坐标等于f时的一根垂直的直线，这称为线谱。;;;时间分辨率△t与采样频率;由上面分析可知，采样频率是避免信号失真的重要参数。那么怎么设置采样频率才算合理呢？

根据采样定理要求，采样频率至少是关心的最高频率的2倍，假设说关心的最高频率为500Hz，则采样频率至少为1000Hz。这样只是保证信号的频率不失真，但并没有保证信号的幅值不失真，如果按采样定理来设置采样频率，那么，高频信号的幅值肯定会失真，低频信号的幅值可能会也失真。如果关心幅值，采样频率应大于10倍的信号频率才不会引起明显的幅值失真。;谱线与频率分辨率△f;频率结果只能位于各条谱线上，谱线与谱线之间是没有结果的，频谱的这种离散效应，称为栅栏效应。就好像人们通过篱笆看外面的世界一样，只能通过相邻两块篱笆之间的缝隙看到外面的世界，而篱笆却挡住了人们的视线。那么，相邻两块篱笆之间的缝隙比拟为频谱图中的谱线，也只有谱线上才有数据，谱线之间的区域是没有结果的，如图2.9所示，只有谱线上才有频率结果，最后的频谱曲线是根据这些谱线上的点连成的实线。;信号截断;信号截断分为周期截断和非周期截断。周期截断是指截断后的信号为周期信号，而非周期截断是指截断后的信号不再是周期信号，哪怕原始信号本身是周期信号。;（2）非周期截断

倘若信号截断的长度不为原始正弦信号周期的整数倍，那么，截断后的信号则不为周期信号，哪怕原始信号是周期信号。并且现实世界中，我们进行FFT分析时，绝大多数情况都是非周期截断。

对之前的正弦信号进行非周期截断，如图2.13所示。截断后的信号起始时刻和结束时刻的幅值明显不等，将这个信号再进行重构，在连接处信号的幅值不连续，出现跳跃，如图中黑色圆圈区域所示。;（3）泄漏

分别将图2.12和图2.13中周期截断信号和非周期截断信号进行FFT变换，获得的频谱图见图2.14。对比一下周期截断信号的频谱与非周期截断信号的频谱可以看出，后者频谱的幅值更小，导致频谱在整个频带内发生了拖尾现象，这就称为泄漏。当截断后的信号不为周期信号时，就会发生泄漏。而现实世界中，在做FFT分析时，很难保证截断的信号为周期信号，因此，泄漏不可避免。;（4）加窗

为了将这个泄漏误差减小到最小程度（注意是减少，而不是消除），我们需要使用加权函数，也叫窗。

信号截断时，只能截取一定长度，哪怕原始信号是无限长的，因此，好像是