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1、第二章 故障诊断基础,本章内容：,信号与检测系统 信号预处理/信号调理信号放大信号滤波信号的调制与解调信号的数字化处理,机电设备故障诊断,设备诊断：即“设备医生”用一定的仪器、手段 定性、定量描述设备状态 分析故障发生原因 并根据运行状态的变化预测故障的发展 最终实现对故障的控制,信号与检测系统,被测设备被测量,故障诊断基础信号与检测系统,信号的定义：,物理角度，,数学角度，,工程角度。,信号就是承载某种或某些信息的物理量的变化历程。,信号就是函数，就是某一变量随时间或频率或其他变量而变化的函数。,信号表现为一组数据或波形，这组数据通常是由某一检测仪器，如传感器，从某一物理系统上检测得到的，以
2、数据的形式记录在纸上，或存储在某种磁性介质上，或以波形形式显示在仪器的显示屏上。,2.1故障诊断基础-信号定义,如心电图，就是利用仪器从人体上获得的心脏跳动的数据，通常显示在仪器上供医生诊断之用，或记录在纸上作为病人病例记录。,2.1故障诊断基础-信号定义,再比如飞机上的黑匣子，就是将各种传感器采集下来的有关飞机飞行状态、发动机工作状态等数据记录下来，以备将来分析事故之用。,2.1故障诊断基础-信号定义,信号的定义：,噪声的定义：噪声也是一种信号，任何干扰对信号的感知和解释的现象称为噪声。,信号 信息分析 处理,信号有哪些表现形式？,物理角度，,数学角度，,工程角度。,通常表现为随时间变化的物
3、理量，如：声、光、电、力等等。,2.1故障诊断基础-信号定义,2.2故障诊断基础-信号调理,物理量,电量,被测设备被测量,模拟,数字,问题1：为什么要进行信号的放大？目的？问题2：信号的放大有哪几种形式？问题3：为什么要进行信号的滤波？问题4：滤波分几种类型？问题5：除了放大和滤波，基本的信号调理还有什么内容？,2.2故障诊断基础-信号调理,信号放大的目的：(1)标准电压信号：1 5V(2)标准电流信号：420mA(3)其它标准电压电流信号(4)方便对被测信号的后续变换、处理、记录、分析,信号调理-问题1：放大目的,放大电路类型和主要用途,比例放大器：通用型，包括直流放大和交流放大电桥放大器：
4、阻抗式传感器差动放大器：电势式、电位式传感器高输入阻抗放大器：电位、电势、电荷式电荷放大器：电荷式传感器仪表放大器：电位差、电势差隔离放大电路：噪声隔离、光电、磁电、电感,信号调理-问题2：放大类型,滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。,信号调理-问题3：滤波目的,根据滤波器的选频作用分,低通,高通,信号调理-问题4：滤波分类,带通,带阻,信号调理-问题4：滤波分类,理想滤波器,1)截止频率：所对应的频率。2)纹波幅度：绕幅频特性均值 波动值3)带宽 和品质因数：上下两截止频率间的范围称为带宽。中心频率和带宽之比称为品质因数。,实际滤波器,信号调理-问
5、题4：滤波分类,4)倍频程选择性W,恒带宽、恒带宽比滤波器,实际滤波器频率通带通常是可调的，根据实际滤波器中心频率与带宽之问的数值关系，可以分为两种。,信号调理-问题4：滤波分类,1)恒带宽带通滤波器 中心频率为上下截止频率的算术平均值。,信号调理-问题4：滤波分类,2)恒带宽比带通滤波器 中心频率为上下截止频率的几何平均值。带宽与中心频率的比值称相对宽度。,信号调理-问题4：滤波分类,在测试系统中，常用RC滤波器。因为这一领域中信号频率相对来说不高。而RC滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且选用标准阻容元件。,1)一阶RC低通滤波器,信号调理-问题4：滤波实现,信号调理-问题4：
6、滤波实现,1 目的,解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。,信号调理-问题5：调制解调,先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，然后利用交流放大器进行放大，最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号。,例：交流电桥,信号调理-问题5：调制解调,调制：利用某种信号来控制或改变另一信号(高频的正、余弦或方波)的某个参数(幅值、频率或相位)的过程。可分为：调幅、调频和调相。调制波：调制中的控制信号(低频信号)载波：载送低频信号的高频信号(正、余弦或方波)已调制波：经调制所得的高频信号(调幅波、调频波和调相波)解调：从调制波中恢复出原有低频调制信号的过程,基本概念：,信号调理-问题5：调制解
7、调,2 种类,调制信号,信号调理-问题5：调制解调,a)幅度调制(AM),b)频率调制(FM),c)相位调制(PM),信号调理-问题5：调制解调,3 幅值调制,调幅是将一个高频正弦信号(或称载波)与测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化。,信号调理-问题5：调制解调,幅度调制与解调过程(波形分析),乘法器,放大器,x(t),z(t),xm(t),乘法器,滤波器,z(t),x(t),信号调理-问题5：调制解调,幅度调制与解调过程(频谱分析),乘法器,放大器,x(t),z(t),xm(t),乘法器,滤波器,z(t),x(t),信号调理-问题5：调制解调,幅度调制与解调过程（数学分析）,
8、信号调理-问题5：调制解调,解调方法之一：同步解调,该调制方法，将信号x(t)直接与载波z(t)相乘。这种调幅波具有极性变化，解调时必须再乘与z(t)相位相同的z(t)方能复原出原信号，故称同步解调。,信号调理-问题5：调制解调,解调方法之二：整流检波,若对信号x(t)进行偏置，叠加一个直流分量D，使偏置后的信号都具有正电压。,调幅,信号调理-问题5：调制解调,解调,二极管检波,低通滤波,信号调理-问题5：调制解调,相敏检波用来鉴别调制信号的极性，利用交变信号在过零位时正、负极性发生突变，使调幅波相位与载波信号比较也相应地产生180相位跳变，从而既反映原信号的幅值又反映其相位。,解调方法之三：
9、相敏检波,信号调理-问题5：调制解调,解调：相敏检波,ex,R(t),e,e,e,e0,e01,e02=KR(t),信号调理-问题5：调制解调,解调：相敏检波,全波开关式相敏检波,为过零比较器,信号调理-问题5：调制解调,相敏检波应用：动态电阻应变仪方框图,动态电阻应变仪是电桥调幅与相敏检波的典型实例。电桥由振荡器提供等幅高频振荡电压（相当于载波）。被测量(力、应变等，相当于调制波)通过电阻应变片控制电桥输出。电桥输出为调幅波，经过放大，最后经半波相敏检波与低通滤波取出所需的被测信号。,信号调理-问题5：调制解调,调幅波的波形失真,a)过调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏置必须足够大，否则x
10、(t)的相位将发生180。,0,信号调理-问题5：调制解调,b)重叠失真：调幅波是由一对每边为f m 的双边带信号组成。当载波频率f z 较低时，正频端的下边带将与负频端的下边带相重叠要求:f zf m,调幅波的波形失真,信号调理-问题5：调制解调,4 频率调制,调频是利用信号x(t)的幅值调制载波的频率，或者说，调频波是一种随信号x(t)的电压幅值而变化的疏密度不同的等幅波。,信号调理-问题5：调制解调,锯齿波调频,正弦波调频,4 频率调制,信号调理-问题5：调制解调,4 频率调制,调频是利用信号x(t)的幅值调制载波的频率，或者说，调频波是一种随信号x(t)的电压幅值而变化的疏密度不同的等
11、幅波。,信号调理-问题5：调制解调,4、调频法（直接调频法）原理：将传感器电容作为振荡器谐振回路 的 一部分，把被测量的变化直接转换 为振荡器的振荡频率的变化。,信号调理-问题5：调制解调,鉴频：,变压器耦合的谐振回路鉴频,第一步：先将等幅的调频波转换为幅值随频率变化的调频调幅波;,调频波的解调称为鉴频或频率检波,第二步：检波、滤波。检测幅值的变化，得到原调制信号。,（插讲频率-电压变换原理）,信号调理-问题5：调制解调,鉴频：,信号调理-问题5：调制解调,采样利用采样脉冲序列，从信号中抽取一系列离散值，使之成为采样信号x(nTs)的过程。Ts称为采样间隔，或采样周期，1/Ts=fs 称为采样
12、频率。由于后续的量化过程需要一定的时间，对于随时间变化的模拟输入信号，要求瞬时采样值在时间内保持不变，这样才能保证转换的正确性和转换精度，这个过程就是采样保持。正是有了采样保持，实际上采样后的信号是阶梯形的连续函数。,1、A/D转换,2.4 信号的数字化处理,编码将离散幅值经 过量化以后变为二进制数的过程,4位A/D:XXXX,X(1)0101,X(2)0011,X(3)0000,量化把采样信号经过舍入或截尾的方法变为只有有限个有效数字的数，称为量化。,x(1)=5x(2)=4x(3)=0 x(4)=0,x(5)=4x(6)=5x(7)=1x(8)=0,信号的六等份量化过程,2.4 信号的数字
13、化处理,2)A/D转换器的技术指标,(1)分辨率 用输出二进制数码的位数表示。位数越多，量化误差越小，分辨力越高。常用有8位、10位、12位、16位等。(2)转换速度 指完成一次转换所用的时间，如:1ms(1kHz)；10us(100kHz)(3)模拟信号的输入范围 如，5V，+/-5V，10V，+/-10V等。,2.4 信号的数字化处理,2)A/D转换器的技术指标,(4)转换精度 A/D转换器中采用分辨率和转换误差来描述转换精度。a)分辨率用来说明A/D转换器对输入信号的分辨能力，有n位输出的A/D转换器能区分2n个不同等级，因此分辨率=VImax/2n，式中，VImax是输入模拟信号的最大
14、值。b)A/D转换器的转换误差通常以输出误差的最大值形式给出，它表示实际输出数字量和理论上应得到的数字量之间的差别，通常规定应小于1/2LSB。,2.4 信号的数字化处理,一、信号采样,采样是将采样脉冲序列p(t)与信号x(t)相乘，取离散点x(nt)值的过程。,2.4 信号的数字化处理,一个连续信号经过理想采样以后，它的频谱将沿着频率轴每隔一个采样频率s,重复出现一次，即其频谱产生了周期延拓，其幅值被采样脉冲序列的傅立叶系数（Cn=1/Ts)所加权，其频谱形状不变。,一、信号采样,2.4 信号的数字化处理,1 频混现象,（a）采样频率等于信号频率，正弦信号离散后得到直流信号,（b）采样频率等
15、于信号频率的2倍，正弦信号离散后得到三角波信号,（c）采样频率小于信号频率的2倍，正弦信号离散后得到更低频率的正弦信号,2.4 信号的数字化处理,当采样信号的频率低于被采样信号的最高频率时，采样所得的信号中混入了虚假的低频分量，这种现象叫做频率混叠。,采样频率合适的情况下复原信号；采样频率过低的情况下，复原的是一个虚假的低频信号。,1 频混现象,2.4 信号的数字化处理,频混现象又称频谱混叠效应，它是由于采样信号频谱发生变化，而出现高、低频成分发生混淆的一种现象。,1 频混现象,2.4 信号的数字化处理,1 频混现象,信号x(t)的傅里叶变换为X()，其频带范围为-mm；当采样周期Ts较小时，
16、s2m，周期谱图相互分离如图中(b)所示；当Ts较大时，s2m，周期谱图相互重叠，即谱图中高频与低频部分发生重叠，如图中(c)所示，此即频混现象，这将使信号复原时丢失原始信号中的高频信息。,2.4 信号的数字化处理,2 采样定理,为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信号信息，信号采样频率必须至少为原信号中最高频率成分的2倍。这是采样的基本法则，称为采样定理，亦称仙农定理。,fs 2 fmax,2.4 信号的数字化处理,注意：满足采样定理，只保证不发生频率混叠，而不能保证采样信号能真实地反映原信号x(t)。工程实际中采样频率通常大于信号中最高频率成分的35倍。,2 采样定理,2.4 信号的数字化
17、处理,A/D采样前的抗混迭滤波：,2 采样定理,2.4 信号的数字化处理,对于任意信号：1.信号采样,2.4 信号的数字化处理,为便于数学处理，对截断信号做周期延拓，得到虚拟的无限长信号。,用计算机进行测试信号处理时，不可能对无限长的信号进行测量和运算，而是取其有限的时间片段进行分析，这个过程称信号截断。,2.4 信号数字化处理-截断、能量泄露,周期延拓后的信号与真实信号是不同的，下面从数学的角度来看这种处理带来的误差情况。,设有余弦信号x(t)，用矩形窗函数w(t)与其相乘，得到截断信号：y(t)=x(t)w(t),将截断信号谱 XT()与原始信号谱X()相比较可知，它已不是原来的两条谱线，
18、而是两段振荡的连续谱.原来集中在f0处的能量被分散到两个较宽的频带中去了，这种现象称之为频谱能量泄漏。,2.4 信号数字化处理-截断、能量泄露,对于任意信号：2.信号截断（加窗）,2.4 信号数字化处理-截断、能量泄露,其中采样时间长度,对于任意信号：3.频谱的离散化,2.4 信号数字化处理-截断、能量泄露,周期延拓信号与真实信号是不同的：,能量泄漏误差,2.4 信号数字化处理-截断、能量泄露,克服方法之一：信号整周期截断,2.4 信号数字化处理-截断、能量泄露,为了减少频谱能量泄漏，可采用不同的截取函数对信号进行截断，截断函数称为窗函数，简称为窗。泄漏与窗函数频谱的两侧旁瓣有关，如果两侧瓣的
19、高度趋于零，而使能量相对集中在主瓣，就可以较为接近于真实的频谱。,克服方法之二：窗函数,2.4 信号数字化处理-截断、能量泄露,常用窗函数：(1)幂窗采用时间变量某种幂次的函数，如矩形、三角形、梯形或其它时间(t)的高次幂；(2)三角函数窗应用三角函数，即正弦或余弦函数等组合成复合函数，例如汉宁窗、海明窗等；(3)指数窗采用指数时间函数，如e-st形式，例如高斯窗等,克服方法之二：窗函数,2.4 信号数字化处理-截断、能量泄露,1.矩形窗,矩形窗属于时间变量的零次幂窗，函数形式为,相应的窗谱为：,矩形窗使用最多，习惯上不加窗就是使信号通过了矩形窗,优点：主瓣比较集中缺点：旁瓣较高，并有负旁瓣，
20、导致变换中带进了高频干扰和泄漏，甚至出现负谱现象。,2.4 信号数字化处理-截断、能量泄露,2.三角窗,三角窗亦称费杰(Fejer)窗，是幂窗的一次方形式：,相应的窗谱为：,三角窗与矩形窗比较，主瓣宽约等于矩形窗的两倍，但旁瓣小，而且无负旁瓣。,2.4 信号数字化处理-截断、能量泄露,3.汉宁(Hanning)窗,汉宁窗又称升余弦窗，其时域表达式为：,相应的窗谱为：,与矩形窗对比，汉宁窗主瓣加宽并降低，旁瓣则显著减小。汉宁窗的旁瓣衰减速度也较快。比较可知，从减小泄漏观点出发，汉宁窗优于矩形窗。但汉宁窗主瓣加宽，相当于分析带宽加宽，频率分辨力下降。,2.4 信号数字化处理-截断、能量泄露,对于任
21、意信号：1.信号采样,2.4 信号的数字化处理,对于任意信号：2.信号截断（加窗）,2.4 信号的数字化处理,其中采样时间长度,对于任意信号：3.频谱的离散化,2.4 信号的数字化处理,例题：,设有某测振仪器，所用传感器为压电加速度传感器，传感器灵敏度为500mV/g，后接信号调理装置进行信号放大，放大倍数为8倍，放大后的信号送入12位A/D采集卡进行模数转换，采集卡输入范围为5V，问：（1）该测振仪器所能测取的最小振动量为多少？（2）若采集卡转换后的数为1024，对应的振动量为多少？,机电设备故障诊断,Matlab 作业,1、画出下面两组信号的时域波形及频谱图。,(1),(2),下节课只交电
22、子版（包括程序和截屏图）！,2、调制信号的时域及频谱图。3、指数衰减函数的时域及频谱图。4、周期出现的指数衰减函数的时域及频谱图。,机电设备故障诊断,机电设备故障诊断,t=1:2048;fs=2000;x=3*cos(2*pi*32*t/fs);y=5*sin(2*pi*105*t/fs);figure(1);subplot(211);plot(t/fs,x);subplot(212);plot(t/fs,y);,机电设备故障诊断,机电设备故障诊断,t=1:2048;fs=2000;x=3*cos(2*pi*32*t/fs);y=5*sin(2*pi*105*t/fs);figure(1);subplot(211);plot(t/fs,x);axis(0,2048/2000,-4.5,4.5);subplot(212);plot(t/fs,y);axis(0,2048/2000,-6.5,6.5);,机电设备故障诊断,机电设备故障诊断,
