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1、1山东大学模具工程技术研究中心二、基本环节及各部分作用二、基本环节及各部分作用二、基本环节及各部分作用二、基本环节及各部分作用2山东大学模具工程技术研究中心转换器测量电路放大器记录仪机械转换器电源（1）转换器：转换器：把非电量转换成电量把非电量转换成电量l有源：输出电量参量有源：输出电量参量VIQl无源：输出电路参量无源：输出电路参量RLC（2）机械变换器：）机械变换器：把待测量转换成转换器可以接受的非电量把待测量转换成转换器可以接受的非电量l转换器和机械变换器合称传感器转换器和机械变换器合称传感器（3）测量电路：）测量电路：把电路参数转换成电量参数把电路参数转换成电量参数（4）放大器：）放大
2、器：对不足以推动记录仪的输出信号进行放大对不足以推动记录仪的输出信号进行放大l测量电路和放大器称测量仪器测量电路和放大器称测量仪器（5）记录仪：）记录仪：记录数据记录数据,供分析和处理用。供分析和处理用。3山东大学模具工程技术研究中心压力机滑块上模下模测力传感器压力机工作台电阻应变片测力圆筒压力P惠斯通电桥放大电路记录仪器 测试系统和实例测试系统和实例测试系统和实例测试系统和实例4山东大学模具工程技术研究中心三、电测的实质三、电测的实质三、电测的实质三、电测的实质rr通通通通过过过过测测测测试试试试系系系系统统统统各各各各环环环环节节节节一一一一系系系系列列列列的的的的信信信信号号号号转转转转
3、换换换换和和和和传传传传递递递递，最最最最后将代表被测参量变化规律的电信号加以记录。后将代表被测参量变化规律的电信号加以记录。后将代表被测参量变化规律的电信号加以记录。后将代表被测参量变化规律的电信号加以记录。rr能否真实反映被测参量变化规律，取决于对测量信能否真实反映被测参量变化规律，取决于对测量信能否真实反映被测参量变化规律，取决于对测量信能否真实反映被测参量变化规律，取决于对测量信号的分析及测量系统的各个环节。号的分析及测量系统的各个环节。号的分析及测量系统的各个环节。号的分析及测量系统的各个环节。5山东大学模具工程技术研究中心1-2 1-2 被测参量的特征被测参量的特征被测参量（信号）
4、被测参量（信号） 是信息的载体，是工程测试是信息的载体，是工程测试的对象，它包含着反映被测物理系统的状态或特的对象，它包含着反映被测物理系统的状态或特性的某些信息。性的某些信息。 是发现规律及彼此间的联系是发现规律及彼此间的联系 工程测试中需考虑的问题：工程测试中需考虑的问题： 不失真的将不失真的将被测信号被测信号反映出来反映出来 测量系统测量系统要具有高的性价比要具有高的性价比6山东大学模具工程技术研究中心激励激励（excitation）：测量系统的输入量。）：测量系统的输入量。响应响应（response）：）：测量系统的输出量。测量系统的输出量。失真失真：测量系统的响应与激励的不一致性。：
5、测量系统的响应与激励的不一致性。理想的系统：理想的系统：测量系统的响应能测量系统的响应能真实地再现真实地再现输入的变化，或者是输入的变化，或者是测量系统的响应是测量系统的响应是激励的相似量激励的相似量。7山东大学模具工程技术研究中心测量系统不失真测量与下列因素有关：测量系统不失真测量与下列因素有关：与测量系统的特性有关；与测量系统的特性有关；与被测参量（信号）的频率有关与被测参量（信号）的频率有关. .8山东大学模具工程技术研究中心 信号分析：信号分析： 运用数学工具对信号加以分析研究，提取有用的信号，从运用数学工具对信号加以分析研究，提取有用的信号，从中得到一些对工程有益的结论和方法。中得到
6、一些对工程有益的结论和方法。信号分析的主要作用：信号分析的主要作用： 测前准备：测前准备： 为正确选用和设计测试系统提供依据。如对信号的有效带宽为正确选用和设计测试系统提供依据。如对信号的有效带宽进行分析，确定相应的放大器工作带宽等。进行分析，确定相应的放大器工作带宽等。 测后分析：测后分析： 分析被测信号的类别、构成及特征参数，使工程测试人分析被测信号的类别、构成及特征参数，使工程测试人员了解被测对象的特征参量，以便深入了解被测对象内在的员了解被测对象的特征参量，以便深入了解被测对象内在的物理本质。如对信号进行频谱分析以确定信号的频率组成等。物理本质。如对信号进行频谱分析以确定信号的频率组成
7、等。9山东大学模具工程技术研究中心信号的分类：信号的分类：（1）根据信号的物理性质分为非电信号和电信号。）根据信号的物理性质分为非电信号和电信号。非电信号：随时间变化的力、位移、速度等信号电信号：随时间变化的电流、电压、磁通等信号。 非电信号和电信号可以借助于一定的装置互相转换。在实际中，对被测的非电信号通常都是通过传感器转换成电信号，再对此电信号进行测量。10山东大学模具工程技术研究中心（2）按信号在时域上变化的特性分：静态信号和动态信号。）按信号在时域上变化的特性分：静态信号和动态信号。静态信号：静态信号：在测量期间内其值可认为是恒定的信号；在测量期间内其值可认为是恒定的信号；动态信号：动
8、态信号：指瞬时值随时间变化的信号。指瞬时值随时间变化的信号。 一般信号都是随时间变化的时间函数，即为动态信号。一般信号都是随时间变化的时间函数，即为动态信号。动态信号又可根据信号值随时间变化的规律细分为确定性信号和随机信动态信号又可根据信号值随时间变化的规律细分为确定性信号和随机信号。号。确定性信号又分为确定性信号又分为周期信号周期信号和和非周期信号非周期信号。非确定性信号非确定性信号( (随机信号随机信号) )又分为又分为平稳随机信号平稳随机信号和和非平稳随机非平稳随机信号信号。11山东大学模具工程技术研究中心信号的描述信号的描述: :（1）时域描述：）时域描述：人们直接观测或记录的信号一般
9、是随时间变化的物理量，人们直接观测或记录的信号一般是随时间变化的物理量，以时间作为独立变量的描述方法。它的特点是：只能反映信号的幅值随时间以时间作为独立变量的描述方法。它的特点是：只能反映信号的幅值随时间变化的规律。从时域图形中可以知道信号的周期、峰值和平均值等，可以反变化的规律。从时域图形中可以知道信号的周期、峰值和平均值等，可以反映信号变化的快慢和波动情况，比较直观、形象，便于观察和记录。映信号变化的快慢和波动情况，比较直观、形象，便于观察和记录。 （2）频域描述：）频域描述：是以频率作为独立变量而建立的信号与频率的函数关系。是以频率作为独立变量而建立的信号与频率的函数关系。它的特点是：研
10、究信号的频率结构，即组成信号的各频率分量的幅值及相位它的特点是：研究信号的频率结构，即组成信号的各频率分量的幅值及相位的信息。的信息。 二者的关系：它们是从不同的侧面观察，二者之间有着密切的关系且互为补二者的关系：它们是从不同的侧面观察，二者之间有着密切的关系且互为补充。我们之所以要对信号做不同域中的分析和描述，是因为我们分析一个信充。我们之所以要对信号做不同域中的分析和描述，是因为我们分析一个信号所要解决的问题不同，所需要掌握信号的不同方面的特征。号所要解决的问题不同，所需要掌握信号的不同方面的特征。12山东大学模具工程技术研究中心1-2 1-2 被测参量的特征被测参量的特征被测信号分类关系
11、图被测信号分类关系图被测信号分类关系图被测信号分类关系图13山东大学模具工程技术研究中心1-2 1-2 被测参量的特征被测参量的特征简单周期信号简单周期信号复杂周期信号复杂周期信号14山东大学模具工程技术研究中心噪声信号噪声信号(平稳平稳)统计特性变异统计特性变异噪声信号噪声信号(非平稳非平稳)15山东大学模具工程技术研究中心周期信号：按一定的时间间隔周而复始重复出现，无始无终的信号。周期信号：按一定的时间间隔周而复始重复出现，无始无终的信号。单自由度振动系统作无阻尼自由振动时单自由度振动系统作无阻尼自由振动时 , , 其位移其位移 x(t) x(t) 瞬时位置瞬时位置 16山东大学模具工程技
12、术研究中心衰减振动信号衰减振动信号如图是一种瞬变非周期信号，随时间无限增加而衰减致零。如图是一种瞬变非周期信号，随时间无限增加而衰减致零。非周期信号：非周期信号：17山东大学模具工程技术研究中心几种典型的非周期信号几种典型的非周期信号几种典型的非周期信号几种典型的非周期信号18山东大学模具工程技术研究中心一、特征介绍及描述方法一、特征介绍及描述方法一、特征介绍及描述方法一、特征介绍及描述方法1 1、 特征的类型特征的类型特征的类型特征的类型物理特征：物理性质决定使用仪器的类型物理特征：物理性质决定使用仪器的类型量值特征：量程大小决定使用仪器的量程量值特征：量程大小决定使用仪器的量程时变特征：随
13、时间变化的情况决定仪器的频率时变特征：随时间变化的情况决定仪器的频率2 2、 时变特征时变特征时变特征时变特征静态过程：静态过程：F F（t t）= =常量常量动态过程：动态过程：F F（t t）= =非常量非常量1-2 1-2 被测参量的特征被测参量的特征周期过程：周期过程：F F（t t）= F= F（T+tT+t）非周期过程：非周期过程：F F（t t）F F（T+tT+t）频谱分析（谐波分析）：用数学方法把时变函数变成一系列正弦函数的和或积分19山东大学模具工程技术研究中心二、周期过程的频谱分析二、周期过程的频谱分析二、周期过程的频谱分析二、周期过程的频谱分析满足狄氏条件的周期性函数都
14、可以展成傅里叶级数满足狄氏条件的周期性函数都可以展成傅里叶级数F(t)F(t)满足狄氏条件的周期性函数满足狄氏条件的周期性函数n =1,2,3, 。20山东大学模具工程技术研究中心 物理意义：任何周期性过程物理意义：任何周期性过程物理意义：任何周期性过程物理意义：任何周期性过程( ( ( (非正弦曲线非正弦曲线非正弦曲线非正弦曲线) ) ) )都可以看都可以看都可以看都可以看作是成谐波关系的许多谐波分量作是成谐波关系的许多谐波分量作是成谐波关系的许多谐波分量作是成谐波关系的许多谐波分量( ( ( (正弦曲线正弦曲线正弦曲线正弦曲线) ) ) )的叠加。的叠加。的叠加。的叠加。21山东大学模具工
15、程技术研究中心时域描述时域描述时域描述时域描述: :横坐标表示各次谐波的时间横坐标表示各次谐波的时间, ,纵坐标表示各次谐纵坐标表示各次谐波的幅值波的幅值, ,得到时间谱图得到时间谱图. .频域描述频域描述频域描述频域描述: :横坐标表示各次谐波的频率横坐标表示各次谐波的频率, ,纵坐标表示各次谐纵坐标表示各次谐波的幅值波的幅值, ,得到频率谱图得到频率谱图.(.(幅频图幅频图););以上两图成为频谱图以上两图成为频谱图横坐标表示各次谐波的时间横坐标表示各次谐波的时间, ,纵坐标表示各次谐波的初相角纵坐标表示各次谐波的初相角, ,得到相位谱图得到相位谱图. .周期函数的频谱是离散频谱。周期函数
16、的频谱是离散频谱。周期函数的频谱是离散频谱。周期函数的频谱是离散频谱。22山东大学模具工程技术研究中心时间域描述时间域描述频率域描述幅频图频率域描述幅频图 用频率域表示，横坐标表示各谐波的频率，纵坐标表示各谐波的幅值(Fn)或相位，此图清晰地描述了各谐波分量的频率、幅值、相位间的关系，称频谱图。 某内燃机活塞的加速度与时间的关系曲线(点划线所示)，此曲线可看成是成谐波关系的正弦曲线(如图中实线的一次谐波和二次谐波)的叠加。23山东大学模具工程技术研究中心周期过程的频谱特点周期过程的频谱特点周期过程的频谱特点周期过程的频谱特点（1）离散性：各正弦分量的频率是不连续的，是离散频谱。离散性：各正弦分
17、量的频率是不连续的，是离散频谱。（2）谐波性：各正弦分量的频率是基波的整数倍。谐波性：各正弦分量的频率是基波的整数倍。（3）收敛性：各分量的幅值随谐波次数的增加而减小（衰减）。收敛性：各分量的幅值随谐波次数的增加而减小（衰减）。周期性方波周期性方波周期性方波周期性方波24山东大学模具工程技术研究中心因为谐波的幅度总趋势是随谐波次数的增高而减小的，信号因为谐波的幅度总趋势是随谐波次数的增高而减小的，信号的能量主要集中在低频分量，所以谐波次数过高的那些分量，的能量主要集中在低频分量，所以谐波次数过高的那些分量，所占能量很少，高频分量可忽略不计。所占能量很少，高频分量可忽略不计。取不同的谐波分量时取
18、不同的谐波分量时, ,近似波形与实际波形的差别近似波形与实际波形的差别: :25山东大学模具工程技术研究中心1 1）随着阶数）随着阶数n n的增加，谐波系数的增加，谐波系数A An n逐渐减小，当逐渐减小，当n n很大时，很大时，A An n所起的作用很小。所起的作用很小。2 2）低频谐波幅值较大，是构成信号的主体，而高频谐波只起）低频谐波幅值较大，是构成信号的主体，而高频谐波只起美化细节的作用。美化细节的作用。在一定的误差范围内，只考虑有限的频率分量：从在一定的误差范围内，只考虑有限的频率分量：从0频率频率到所必须考虑的最高次谐波分量之间的频段称为信号的频到所必须考虑的最高次谐波分量之间的频
19、段称为信号的频带宽度带宽度(有效带宽有效带宽)。信号的频带宽度是一个重要的概念，这。信号的频带宽度是一个重要的概念，这在信号处理中，在设计和选用测试装置时要充分注意。在信号处理中，在设计和选用测试装置时要充分注意。信号的频带指信号包含频率成份的范围。信号的频带指信号包含频率成份的范围。26山东大学模具工程技术研究中心l三三.非周期过程的频谱分析非周期过程的频谱分析三、非周期过程的频谱分析三、非周期过程的频谱分析三、非周期过程的频谱分析三、非周期过程的频谱分析 若非周期函数为若非周期函数为F(t)F(t)，则它的频谱，则它的频谱F(j)F(j)由傅里叶由傅里叶变换求得：变换求得：27山东大学模具
20、工程技术研究中心三、非周期过程的频谱分析三、非周期过程的频谱分析三、非周期过程的频谱分析三、非周期过程的频谱分析各谐波分量的幅值、相角与频率各谐波分量的幅值、相角与频率各谐波分量的幅值、相角与频率各谐波分量的幅值、相角与频率间的关系：间的关系：间的关系：间的关系：冲击脉冲冲击脉冲28山东大学模具工程技术研究中心非周期信号的特点非周期信号的特点非周期信号的特点非周期信号的特点: :（1 1） 连续性：连续性：连续频谱连续频谱 （2 2） 双边频谱：双边频谱：各正弦分量的频率有正负之分，对称于纵轴各正弦分量的频率有正负之分，对称于纵轴（3 3） 收敛性：收敛性：幅值随谐波的增加而减小幅值随谐波的增
21、加而减小幅频图幅频图相频图相频图29山东大学模具工程技术研究中心五、主要频率范围的估计五、主要频率范围的估计五、主要频率范围的估计五、主要频率范围的估计周期过程的周期周期过程的周期T、非周期过程的持续时间、非周期过程的持续时间是已知的是已知的,那么：那么：周期过程的基波频率为周期过程的基波频率为1/T,非周期过程的主要频率为非周期过程的主要频率为1/周期过程：周期过程：0n/Tn=710非周期过程：非周期过程：0n/n=45 无论是周期性或非周期性动态过程都可以利用频语分析的方法分解成一系列无论是周期性或非周期性动态过程都可以利用频语分析的方法分解成一系列的谐波分量，即任一函数的谐波分量，即任
22、一函数F(t)F(t)都可看成是一系列谐波分量的和或积分。都可看成是一系列谐波分量的和或积分。 测试前利用这一概念，可初步估算被测参量的频率范因，以作为选择与设计测试前利用这一概念，可初步估算被测参量的频率范因，以作为选择与设计电测装置的依据。处理试验数据时也可利用这一概念。根据实验结果利用图电测装置的依据。处理试验数据时也可利用这一概念。根据实验结果利用图解法或频谱分析仪可直接求出各谐波分量或频谱图。解法或频谱分析仪可直接求出各谐波分量或频谱图。在选择测量仪器时，测量仪器的工作频率范围必须大于被测信号的频宽。在选择测量仪器时，测量仪器的工作频率范围必须大于被测信号的频宽。信号的频宽可根据信号
23、的时域波形粗略地确定。信号的频宽可根据信号的时域波形粗略地确定。30山东大学模具工程技术研究中心频谱分析的其它应用频谱分析的其它应用： 频频谱谱分分析析主主要要用用于于识识别别信信号号中中的的周周期期分分量量，是是信号分析中最常用的一种手段。信号分析中最常用的一种手段。案例：案例：在齿轮箱故障诊断在齿轮箱故障诊断通过齿轮箱振动信号频谱分析，通过齿轮箱振动信号频谱分析，确定最大频率分量，然后根据确定最大频率分量，然后根据机床转速和传动链，找出故障机床转速和传动链，找出故障齿轮。齿轮。案例：案例：螺旋浆设计螺旋浆设计可以通过频谱分析确定螺旋浆可以通过频谱分析确定螺旋浆的固有频率和临界转速，确定的固有频率和临界转速，确定螺旋浆转速工作范围。螺旋浆转速工作范围。
