信号采集分析和数字成像基础.pptx

第三章 信号采集、分析和数字成像基础 信号采集基础 信号分析基础 数字成像技术基础 3.1 信号采集基础 传感器 数据通信 降噪技术 01 02 03 3.1.1 传感器 信号采集设备 主要由传感器、信号调理模块、A/D转换模块构成。 能感受规定的被测量元件并按照一定规律（数学函数法则）转换成可用信号 的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。 传感器 3.1.1 传感器 物理量 l加速度、位移、温（湿）度、压力、流 量、液位、转矩、力等传感器 工作原理 l振动、湿（磁、气）敏、电（光）学 式、电荷、半导体、谐振式等传感器 传感器的分类 3.1.1 传感器 p传感器的静态特性p传感器的动态特性 对静态的输入信号，传感器输出量 与输入量之间的相互关系 传感器在输入变化时，它的输出特性 p 标准输入信号：阶跃信号 阶跃响应 p 标准输入信号：正弦信号 频率响应 传感器的性能 线性度灵敏度 分辨率重复性 阈值飘移 迟滞 3.1.1 传感器 信号调理 对输入信号放大、滤波等将输入信号转换成 处理模块能够识别的信号 滤波是抑制、消除噪声的主要手段：尽可能 使有用信号通过，衰减无用信号 低通 LPF 高通 HPF 带通带阻 基本形式 主 要 分 类 高通滤波器（ HPF） 3.1.1 传感器 A/D转换（模数转换） 把模拟信号转换成数字信号 把连续信号转换成离散信号（采样） 转换速率 完成一次从模拟量转 换到数字量所需时间 的倒数。 单位：Ksps 、Msps 采样频率（采样间隔 ） 即在时间轴上对信号 进行量化的频率； 采样频率越高（采样 间隔越短），对模拟 信号的再现性越好。 采样精度（分辨率） 数字量变化一个最小 量时模拟信号的变 化。 用输出二进制数码的 位数表示，位数越多 ，分辨力越高。 线性度 实际转换器的转移函 数与理想直线的最大 偏移。 A/D转换过程 3.1.2 数据通信 总线 是采集模块和处理模块的纽带，是系统的重 要组成。 根据并行通信和串行通信，分为并行总线和 串行总线。 定义：数据通信是一种数据传输过程。 USB总线：传播快速，可达12Mbps；支持多 媒体 CAN总线：一种多主总线，各节点之间自由 通信，数据通信实时性强 信号经采集、调理模块、A/D转换后 ，经总线传输到计算机或仪器仪表中进 行处理，形成一个简单的信号采集系 统。 虚拟信号采集示意图 3.1.2 数据通信 无线传输 利用无线数据传输模块将采集设备输出的数 据或物理量进行远程传输，进行无线数据采集 ，无线开关量控制（远程设备遥测遥控）。 CDMA GPRS：基于GSM系统的无线分组交换，永远在 线和按流量计费 3G 4G 公众移动网络 数传电台 宽带WIFI 无线数据传输示意图 3.1.3 降噪技术 元器件噪声 干扰噪声 电路设计噪声 空气辐射干扰 线路串扰噪声 传输噪声 噪声隐藏有用信号，或者 使得有用信号失真，影响 测试精度，制约采集系 统、检测设备的性能。 在实际应用中，采集到的 信号，夹杂着许多噪声。 3.1.3 降噪技术 硬件降噪 对信号进行前端增幅 改良配线方式和输入方式 增加地线 n 设置滤波装置 将信号看作模拟信号，通过选 择不同的频率成分实现信号滤 波。 带通滤波：高低频段之间的信号 通过 带阻滤波：高低频段之外的信号 通过 n 带通滤波“尖角”信号处理：设置缓冲区Df 3.1.3 降噪技术 软件降噪 移动平滑法：相邻数据取加权平均 对测试信号高频噪声予以削减 移动平滑法的去噪效果取决于： l噪声的特性，如果噪声相互间没有相关性， 去噪效果最好； l具有信号耦合的效果，相邻信号影响信号的 锐度。 3.1.3 降噪技术 软件降噪 经验模态分解法（EMD）： N.E.Huang等人于1998年提出的适合于 非线性、非平稳信号的频谱分析方法 原理：从分解的IMF（本态模征函数）分量中 去除噪声引起的IMF分量后，将剩余IMF和趋势 分量重构信号。 l去掉低阶IMF 低通滤波 l去掉高阶IMF 高通滤波 EMD去噪效果图 3.2 信号分析基础 信号的频谱分析 信号的相关分析 01 02 3.2.1 信号的频谱分析 FFT（高速傅里叶变换） 将波分解为正弦波或余弦波，分解出的各种波的 频率、振幅和相位即为波的频谱。 波的频谱分析，即将合成波分解为具有单 独频率和初始相位的单纯波。 Ak,Bk，称为有限傅里叶系数。 频谱分辨率： 由采样间隔和采样数决定。采样间 隔越小，分辨率越高。但采样个数 越多，分辨率反而降低。 3.2.1 信号的频谱分析 MEM（最大熵法） 在不增加熵的条件下推定信号的自相关系数，继 而推算频谱。熵，表示无序的程度。 频谱分辨率非常高。 适用于非正弦/余弦类信号，后者更适用于正 弦信号。 分辨率与序列长度N2成反比，序列长度越长， 分辨率越高。后者分辨率与观测试间（序列长 度N）成反比。 解决了旁瓣泄露问题。 MEM与FFT相比的特征 FFT分析结果 MEM分析结果 3.2.2 信号的相关分析 相关系数 互相关函数 线性相关 非线性相关。 自相关函数 信号的相关分析用于回波测距、通信、测 速、信号识别、故障诊断等工程应用中。 3.3 数字成像技术 扫描技术 CT成像技术 01 02 3.3.1 扫描技术 时域分析 对接收的信号进行适当滤波、增幅处理后，根 据信号的强弱、相位，用彩色或浓淡（灰度）进 行表示。 微波、弹性波、超声波均适用。 原理：沿测试对象表面连续激发信号，信 号遇到空洞等疏松介质时产生反射。抽取 该反射信号并进行相应图像处理，即可识 别结构物内部缺陷。 弹性波雷达（EWR） 三维图像切片技术3DS：EWR的延伸 3.3.1 扫描技术 弹性波雷达 3.3.1 扫描技术 三维切片技术 3DS 是弹性波雷达（EWR）的一个延伸，即在反射信号中，通过对各时间断面信号的提取和合成，从而 可获取某一区域内各深度的缺陷信息。 3.3.1 扫描技术 频域分析 将接收到的信号利用FFT或MEM等频谱分析工具 进行频谱分析后，以时间轴为横坐标，幅值或功 率为纵坐标再进行描画。 适用于信号衰减小、结构较薄的情形。 适用于冲击弹性波，微波、超声波检测应用较 少。 某桥梁腹板EWR成像图（ 频域，MEM分析） 3.3.2 弹性波CT CT 利用X射线旋转照射，用三维技术反演