信號的時域分析.doc

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1、信號的時域分析一、課程內(nèi)容：以時間為自變量描述物理量的變化是信號最基木、最育觀的表達形式。在時域內(nèi)對信號進行濾波、放大、統(tǒng)計特征計算、相關(guān)性分析等處理，統(tǒng)稱為信號的時域分析。通過時域分析方法，可以有效提高信噪比，求収信號波形在不同時刻的相似性和關(guān)聯(lián)性,獲得反映機械設(shè)備運行狀態(tài)的特征參數(shù)，為機械系統(tǒng)動態(tài)分析和故障診斷提供冇效的信息。2.1信號的預(yù)處理傳感器獲取的信號往往比較微弱，并伴隨著備種噪聲。不同類型的傳感器，其輸出信號的形式也不盡相同。為了抑制信號屮的噪聲，提高檢測信號的信噪比，便于信息提取，須對傳感器檢測到的信號進行預(yù)處理。所謂信號預(yù)處理，是

2、指在對信號進行變換、提取、識別或評佔Z前，對檢測信號進行的轉(zhuǎn)換、濾波、放大等處理。常用的信號預(yù)處理方法（1）信號類型轉(zhuǎn)換應(yīng)變測力傳感器、熱電阻傳感器輸出的信號均為電阻信號，為了便于后續(xù)處理常用電橋?qū)㈦娮栊盘栟D(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺?）信號放大常用的信號放大器包括：測量放大器、隔離放大器、可編程增益放大器等信號濾波（本節(jié)重點介紹）（3）去除均值在計算信號的標(biāo)準(zhǔn)羌等統(tǒng)計量時，需要去除信號均值（4）去除趨勢項常用的趨勢項消除方法有濾波法、多項式擬合法2.1.1信號的濾波處理信號濾波處理是消除或減弱干擾噪聲，保胡有用信號的過程。把實現(xiàn)濾波功能的系統(tǒng)稱Z為濾波器。濾

3、波器可分為兩大類，即經(jīng)典濾波器和現(xiàn)代濾波器1.經(jīng)典濾波器定義：當(dāng)噪聲和有用信號處于不同的頻帶時，噪聲通過濾波器將被衰減或消除，而有用信號得以保留分類：根據(jù)幅頻特性的不同，濾波器分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器等類型。根據(jù)處理信號類型的不同，濾波器可分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器。對于數(shù)字濾波器來說，根據(jù)濾波器的單位脈沖響應(yīng)序列長度的無限和有限，數(shù)字濾波器可進一步分為無限沖擊響應(yīng)濾波器（IIR）和有限沖擊響應(yīng)濾波器（FIR）兩類。2.現(xiàn)代濾波器當(dāng)噪聲頻帶和有用信號頻帶相互重疊時,經(jīng)典濾波器就無法實現(xiàn)濾波功能現(xiàn)代濾波器也稱統(tǒng)計濾波器,從統(tǒng)

4、計的概念出發(fā)對信號在時域進行估計，在統(tǒng)計指標(biāo)最優(yōu)的意義下，用估計值去逼近有用信號，相應(yīng)的噪聲也在統(tǒng)計最優(yōu)的意義下得以減弱或消除常用的統(tǒng)計濾波器有維納濾波器和卡爾曼濾波器兩類。1）維納濾波器2）卡爾曼濾波器2.2信號的采樣2.1.1采樣定理采樣定理：為避免混疊，采樣頻率s必須不小于信號屮最高頻率max的兩倍實際屮采樣頻率的選取往往留有余地，一般選取采樣頻率s為處理信號屮最高頻率的2.5?4倍。另外，由于測量信號中的高頻部分往往是由干擾引起的噪聲或我們不感興趣的頻譜，因此采樣前須先對信號進行低通濾波（又稱抗混濾波）。然后再根據(jù)濾波后信號的最高頻率max

5、設(shè)定采樣間隔。2.2.2量化與誤差量化是對信號采樣點取值進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換的過程。量化結(jié)果以一定位數(shù)的數(shù)字近似表示信號在采樣點的取值。由于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有限，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出只能表達一系列具有一定間隔的電平。當(dāng)模擬信號在采樣點上的取值落在兩個相鄰電平Z間時，就要舍入到相近的一個電平上，我們把這一過程稱Z為量化。2.2.3窗函數(shù)與泄漏理論上信號的長度是無限的，但任何觀測信號都是在有限時間段內(nèi)進行觀測的。因此，信號采樣過程須使用窗函數(shù)，將無限長信號截斷成為有限長度的信號。從理論上看，截斷過程就是在時域?qū)o限長信號乘以有限時間寬度的窗函數(shù)泄漏與截斷長度

6、、所使用的窗函數(shù)等有關(guān)。不進行信號截斷就沒有泄漏誤差。另外，使用不同的窗函數(shù)泄漏大小也不同。汕漏取決于窗函數(shù)頻譜的旁瓣。如果窗函數(shù)的旁瓣小，相應(yīng)的泄漏也小。2.2.4采樣長度與分辯率數(shù)字信號的分辨率包括時間分辨率和頻率分辨率。數(shù)字信號的時間分辨率即采樣間隔t,它反映了數(shù)字信號在時域中取值點Z間的細(xì)密程度。數(shù)字信號的頻率分辨率為2/T,其屮T=Nt為數(shù)字信號的時間跨度，N為數(shù)字信號的長度。頻率分辨率表示了數(shù)字信號的頻譜在頻域屮取值點之間的細(xì)密稈度。因此，當(dāng)采樣頻率或采樣間隔確定后,增大采樣點數(shù)就可增加信號的時間長度和頻率分辨率02.3時域統(tǒng)計分析信號

7、的時域統(tǒng)計分析是指對信號的備種時域參數(shù)、指標(biāo)的估計或計算。常用的時域參數(shù)和指標(biāo)包括：1）均值；2）均方值;3）均方根值;4）方差;5）標(biāo)準(zhǔn)差;6）概率密度函數(shù);7）概率分布函數(shù);8）聯(lián)合概率密度函數(shù)等。木節(jié)先介紹常見參數(shù)的概念，然后給出它們的應(yīng)用2.3.1時域指標(biāo)參數(shù)均值、均方值、方差、概率密度函數(shù)、有量綱參數(shù)指標(biāo)（有量綱參數(shù)指標(biāo)包括方根幅值、平均幅值、均方幅值和峰值四種）2.3.2參數(shù)指標(biāo)的應(yīng)用利用概率密度函數(shù)和概率分布函數(shù)進行產(chǎn)品質(zhì)量控制，研究材料的強度和控制設(shè)備的穩(wěn)定性概率密度函數(shù)用于機器狀態(tài)判斷、機器狀態(tài)的時域參數(shù)指標(biāo)判斷方法。2.4相關(guān)分

8、析及應(yīng)用2.4.1相關(guān)的概念所謂相關(guān)，就是指變量Z間的線性聯(lián)系或相互依賴關(guān)系。根據(jù)前血的討論，變量之間的聯(lián)系可通過反映變量