（测试计量技术及仪器专业论文）交流尾声特征及检测方法研究.pdf

南京理工大学硕士论文交流尾声特征及检侧方法研究 abs tract asthe d e t e n n i n 日 n t c 石 t e ri onofelig l b l e a cre lay， a c y a w p isani n l portan t q uali ty in d c x w h i c h n e e d s 化 s 6 n g . atpres e n l ， a n i 血iaisa m p l i ngte sti ngm e 1 h odisac t u a 1 1 y 叹d 恤 p ro d u c t i on， b ut而s m e 由 o d is h 叮 d and ti me- consumin g ， not s u bj e c 石 v e ， 助d the prod u c ， q ual ityc ann o t begi 邀a n t e ed. an o n . p r o d u c t i o n- h ne忱 s t i n g sy s te misb a d ly nee ded. how e v c r， it is usuallyv e rynoi syinm anu 丘 坦 t u ri ngw o r k s h o p s ， 曲d the y a w p isv e ryw e ak u ndersuch l ar geamo u nlp ro d 以t l o n ， it ish a r d to忆 stonline. thi s p a p erp ro pos eda re se 别 rc h i d ea t hr o u g h the a n a l y si s o f a cy a w p c h a r a c 玄 e ri st i c s ， fi n d i n g t hep arame t ers， 讹 s e a r c ll fo r a fast o n l i朗te stin g m e t h o d and the desi gningi dea fo r the o n 一 p ro d u c t i on一 l i n e te s ti n g s y s l e n l . wh e n t e st i 呢the y a w p s i g n a l ， c o n s i deri n g th e s pot noi s e a n d th e re s u h i n g l o w s i gnal 一 n o i s e rati o o f s o und 一 te st i ng， t h e p a per p ro p 0 s e d a new v 1 b r a t i o n te st i n g m etho d whi c h e xc1 u d e s o utthes e di s a d v a i ltage s ， suc h asp e rt t l r b at i o n . i n the ana l y s i s o f a cy a 认 ， ， ac c o rd i n g tothe d s p theo ri e s ， t akin g m a t l a basa to o l ， this p ape r ana l yze s the t i m e a n d freq uenc y s pe c t rum c h a r 即 t c ri s t i c s o f s i g n a l g a t h e red t h ro u ghbot h s o u n d a n d v i b r a t 1 o n m e t b o ds ， a ll d al sofi n d s the p a a n l ete招即d i dentifi c ationm e t h ods. a “ o rdin g tothe a n a l y s i s o f a c y a 认 p p a r a n l e t e rs ， the p a per p ro pos e d a h a r d warete st c ircu i t for fast o n l i n e te st i ng， i ncl udi ngabsol ute v al ue， b a n d . p as s fi l t e r in g ， deterrn in atio n o f a cy a w p ， etc w 七 al s o des i g n e d a s p e c i alpower s u p p 1 y fo r a cre l ayte st i n g ， and the exp e ri m e ntv erifi e d i t s p ract i c abi l i ty，th i s m a d e a g o o d b a s e for th e re s earc h o f a cy a 铸 ， o nii n e t e sting r n a c hi ne. k 盯w o rds : a cre l ay，a cy a w p ， ma tla b ， f f t ， s i gna l e x t ra c ti n g 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知， 在本 学位论文中， 除了加以 标注和致谢的部分外， 不包含其他人已 经发表或 公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名: 卫石盔 叫年 神 犷 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容， 可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。 对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名几 毛 辗 升 冷 7 月 叉 日 南京理工大学硕士论文交流尾声特征及检洲方法研究 1引言 1 . 1课题来派及研究意义 本课题受交流继电 器生产企业的委托， 对交流继电 器的 交流尾声信号特征进行分 析研究，力图为解决交流尾声在线检测的难题找到快速方便的检测方法。 交流继电器是一种量大面广的控制元件，广泛用于工业控制、农业、交通运输、 国防、 军事及日 常生活的各个领域。 交流继电 器的主要特点是控制方式简单灵活， 触 点负载能力强， 体积小且价格低。 但是，由于交流继电器的触点是在电 磁吸力的作用 下完成开启、 关闭等控制动作的， 其工作过程实质上是一种机械运动过程。 与依靠晶 体内部载流子的运动而工作的半导体开关器件相比， 交流继电器触点寿命、 可靠性及 主要失效形式等方面有一定的特殊性。用户及生产厂商都非常关心交流继电器的质 量， 交流尾声是判定交流继电 器产品 是否合格的重要质量指标， 所谓交流尾声是指交 流继电 器因 吸合线圈中的 交 变电 流引 起衔铁颤动而发出 的声 音t 2 ， ， 一 般在产品线圈 额定电 压的80% 1 10 % 的范围内 如出 现交流尾声就判定为不合格产品.为严格要求产 品的质量管理， 在出厂前， 必须有一套完善的检测系统对其交流尾声进行高效、 客观、 严格的检测. 目 前在交流继电器生产中还没有交流尾声在线检测装置， 实际检验只能采用人耳 测听方式。 由于产品的数量巨大， 完全检验需要太多检验工人和耗费太多工时而无法 实现， 因而只能抽检部分产品， 这样产品的质量不能得到保证。 此外， 检验工人的身 体、 心理状况， 疲劳程度等都会对判断产生一定影响， 并且每个工人的判断的标准也 会不同， 因而检验标准不客观。 因此在实际生产中急需要能够实现在线快速检测交流 继电器交流尾声并能自 动将不合格产品剔除的检测系统。 由 于生产车间环境噪声较大， 而交流尾声相对较小， 所以 直接检测难以实现: 用 检测交流尾声后进行分析判断的方法， 则由于交流继电 器产量大， 生产速度快， 在时 间上不允许。因此，需要对交流尾声信号进行研究分析，找寻其代表性的特征参数， 并找到快速提取此特征参数的方法， 为实现交流尾声在线快速检测和进一步研制在线 检测系统提供理论依据。 1 . 2国内外在声音、振动测量领城的 研究历史、现状及发展趋势 本文研究的对象为声音和振动信号， 简称声振信号。 声振信号的分析和鉴别在许 多领域中都有重要的应用价值。 对生活环境中混叠的噪声进行分离， 可以评估噪声源 的种类， 从而达到分别治理的目的; 对大型仪器设备的噪声和振动信号进行分析， 可 l 南京理工大学硕士论文交流尾声特征及检侧方法研究 以在不停止生产、 不拆卸设备的情况下检测设备的运行状况， 提高检测效率， 节约生 产成本: 对城市道路的交通噪声进行监控， 可以鉴别是何种车辆发出噪声， 判断有没 有车辆违反禁止鸣号的规定， 为交通管理部门的决策和执法提供依据; 对战场上震耳 欲聋的枪炮声进行分布式测量， 可以鉴别枪炮的种类， 并对其精确定位， 为取胜提供 相应保障3 “ ， 。 利用声振信号的 检测和分析仪器对声音进行研究是推动声学发展的重要因素。 在 20世纪以 前人们只能 用耳朵来对声音进行测试， 20世纪随 着电子学的发展， 使用电 声 换能器和电子仪器设备可以产生、 接收各种频率和任何波形的声波， 这使声学研究的 得到迅猛发展。 最初人们对声振信号进行检测只是通过声级计来测量它的声压级， 以 表征声音的强度. 声级计是最基本、 使用最广泛的声学测量仪器， 基本上由 模拟元器 件构成， 通过内 部电 容两端电 压变化来描述声压变化， 从而将声音信号转化成电 信号 三 3 随着社会的发展， 声音和振动理论研究和实践己 不满足于仅仅对声振信号声压强 度的了解， 科学家和工程师们迫切需要知道声振信号的频谱分布以 及随机意义上的统 计结果。因此，一些声振信号分析仪器， 如频谱分析仪、 统计分析仪也随之诞生。 这 些频谱分析、 统计分析仪器在当时的技术条件下也是模拟设备。 例如频谱分析就是由 频率计等与声级计配合起来完成的， 而频率计的核心部分是模拟滤波器， 它由一组电 阻、电容、运算放大器组成。 上述的声振信号频谱分析仪器存在许多不足。 前面提到， 传统的模拟滤波器采用 电阻 、电 容、 运算放大器组成， 不同的中心频率和带宽就用不同的阻容参数。 滤波器 的电子线路复杂， 不可能将所有中心频率的滤波器都做在一个仪器中， 因此在进行频 谱分析时也只能一个中心频率点一个中心频率点扫描出来。 显然， 这种基于模拟滤波 器网络的频谱分析速度是相当慢的， 1/3 倍频程模式扫频一周需要5 到10分钟， 这远远 不能满足声振信号实时研究分析的需要。 另外， 这种声振分析仪器对非稳态声振信号 进行分析存在困难。 所谓非稳态信号在声学中指的是信号的统计特性及频谱特性会随 时间变化， 而自 然界中大多数声源发出的声音在频率和强度上是变化的。 在声振信号 频谱分析中，这种由 不连续档级滤波器组成的频谱分析仪器对稳态信号是完全适用 的， 但对于非稳态信号的分析， 则只能借助于磁带记录器把瞬态信号记录下来， 做成 磁带环进行反复重放，使瞬态信号变成 “ 稳态信号”，然后再进行分析11d， 在声振检测和分析领域中， 最新被广泛采用的技术是数字信号处理。 基于数字信 号处理技术， 如f ft等研制的实时分析仪可以 进行声振信号的频谱分析，且处理速度 达到实时要求。频谱分析所进行的f ft计算实际上大多是通过pc机完成的。将采集的 声振信号输入电脑， 通过电脑的 f ft程序完成频谱分析。因 此这种实时分析仪虽然在 南京理工大学硕士论文 交流尾声特征及检洲方法研究 速度上满足了一定的要求， 但却过于笨重、 庞大， 不便于现场测量和分析。 如果将现 场采集的声振信号数据带回实验室计算机上进行处理， 实际上就无法满足现场检测的 实时性要求了。 目 前， 在国内 还没有发现对交流尾声进行分析和检测的 研究， 本课题将在利用现 代声振检测技术对交流尾声的特征进行分析的基础上， 针对其特征参数提出一个交流 尾声的在线检测方法。 1 . 3本论文的主要研究内容 工厂车间的环境噪声非常复杂， 而大部分不合格的交流继电 器产生的交流尾声都 很弱， 通常在3050分贝的范围内， 有时甚至会被环境噪声所淹没， 这就决定了 直接 通过测量交流尾声声强的方式来识别它是行不通的。 另外， 在实际的生产过程中， 产 品的数量非常巨大且生产的速度非常快，大约在1000只/ 小时.要实现产品的在线检 测，这就需要研究一个高效快速的在线检测方法。 本课题主要研究内容是: 运用声振信号测量设备和数据采集系统采集交流尾声信 号; 用数字信号处理技术在计算机上对交流尾声信号进行分析处理， 确定出能正确反 映继电器交流尾声特性的特征参数; 为满足在线检测的高效快速的要求， 研究出快速 提取交流尾声特征参数的硬件电路方案，并验证方案的可行性。 南京理工大学硕士论文 交流尾声特征及检侧方法研究 2交流继电器尾声产生机理分析 在交流继电 器中， 其磁通随交流电流的交变而变化， 但电 磁吸力并不会改变方向， 总是将衔铁吸向 铁心。 与直流继电器不同的是这个吸力的大小在零和最大值之间周期 变化， 使衔铁产生振动噪声， 这就是交流尾声。 这种振动对继电器的触点接触是非常 有害的， 为了消除交流尾声， 一般采用的方法是在铁心的部分极面上加一短路环， 将 工 作 气隙 中 的 磁 通儿分为 被 短 路 环 包围 铁心 极面 上的 磁 通汽 . 和未 被短 路 环包围 极 面 上的 磁通再 ， 两 部 分。 由 于 短 路 环 产生 磁 抗的 作 用， 使 磁通再 1 落 后于汽 : 一 个相 位角。 由于这两部分磁通在时间上不同相， 因而在两部分磁通的共同作用下， 任何一个瞬间 作用在衔铁上的吸力都不会等于零， 但合成的衔铁吸力仍是脉动的。 交流继电器在工 作时，由于接触反力和脉动吸力的相互作用， 还会使衔铁抖动而产生交流噪声。 下面 就对交流继电器的交流吸力特性及交流尾声产生机理进行分析介绍。 2 . 1交流继电 器结构 j qx型交流继电 器具有典型的交流继电 器的结构， 下面就以j qx继电 器为例来介 绍交流继电器的结构。 电磁系统由u 型磁体、 线圈和平面衔铁组成; 接触动簧片排与衔铁铆装组成可动 部分并通过模塑件相互绝缘; 反力机构为拉簧; 接触静簧片、 插脚与绝缘材料制成的 底座以 劈铆方式紧固; 电磁系统用螺钉固定在底座上: 整个继电器结构被封闭在塑料 罩壳内 112。 如图2 . 1 。 南京理工大学硕士论文 交流尾声特征及检翻方法研究 图2 . i j qx型继电 器结构 1 一 底座; 2 一 罩子:3 一 接触静簧片: 4 一 接触动簧片: 5 一 衔铁; 6 一 铁心;7 一 短路环; 8 一 模塑件; 9 一 绝缘片;1 0 一 拉簧;11 一 线圈架;1 2 一 线圈;1 3 一 引线:1 4 一 扼铁;1 5 一 螺钉:1 6 一 引出 端。 2 . 2交流继电器的电 流与磁通、磁阻、匝数的关系 交流继电器的线圈相当于一个电感，并有一定的电阻，因此，当加上交流电压 u = 呱co s 妞( 其中u 。 为电 压幅 值;。 = 2 丫，f 为电 源 频 率; t 为时 间 ) 时， 线路的 电压平衡方程为: 赵 = u ， + u :( 2 . 2 . 1 ) 式中封 * 为线圈的电 阻 压降，= ir，1 为线圈电 流:u : 为线圈的电 感压降， u * = 洲/di， 甲 为 线 圈 磁 链 。 一般u ， u * ， 因 此， 在忽略电 阻 压降时， u=动p/ dt 因 此 ， 二 孙一 拟“ 一 呱 ， 51 “ “ ， ( 2 . 2 . 2 ) 若假设甲= 砰 中，式中珍为线圈匝数; 小为磁路中的磁通( 假设该磁通和全部线圈匝数相匝链) 。则可得: 南京理工大学硕士论文交流尾声特征及检侧方法研究 巾= 功二 s i n “ ( 2 23 ) 式中 ， 。 ， 二 呱/ 山 甲 一般电 压用有效值表示，即u= 叭 /l4 14则可得: 中 。 “ u/ 4 .44.尸 ( 环 汤 ) ( 2 . 2 . 4 ) 式中，u为电 源电 压有效值;砰为线圈匝 数;f 为电 源频率。 分析以上结果可得以下结论: (1)磁路中 磁通的 大小取决于电源电 压， 当电 压为正弦变化时， 磁通也是正弦交变 磁通， 而磁通的 最大值中 . 与电 压u成正比 。 (2)线圈中总的 磁链甲与磁路磁阻并无关系，因此，工作气隙中的磁通在不同衔 铁位置时也基本上保持不变。 在任一瞬间，线圈电流( 或电势) 与磁通的关系仍由 磁路欧姆定律确定，即 i w= 中 r，式中r为磁路磁阻。也就是说，线圈电流和磁路磁阻成正比，因此，虽然 磁通保持不变，但电 流却随着工作气隙的增大而增大，并且当衔铁处于打开位置时， 电流为最大。所以交流电磁铁的起动电流( 即当线圈刚加上电压，而衔铁尚未吸合时 的电 澎 往往很大:而衔铁吸合后的工作电流却很小。一般这两个电流的比值能达到 6 10。如果线圈 通电 后， 衔铁由 于某种故障被卡住而不能吸合，则线圈由 于长时间 通过很大的电流而有被烧坏的危险1131。 2 . 3交流继电 器的吸力 若假设磁路磁阻为线性( 即 b-h曲线为线性) ， 则当电 压( 或磁通) 为正弦变化时， 线圈电流也是正弦交流电 流。若电流用有效值1 表示，则 1 = 。 m r / 1 4 1 4 甲 ( a )( 2 . 3 . 1 ) 式中， 汽 为 磁 通幅 值( w b): r 为 磁路 磁阻( a / w b); 牙为 线圈 匝数。 此时， 工作 气隙 中 的 磁 通再为: 中 j = 。 翻s i n 洲( 23 . 2 ) 若用简化的麦克斯韦吸力公式计算吸力，则得: 南京理工大学硕士论文 交流尾声特征及检侧方法研究 凡= ( 。 ， ) 2 / 2 两 5 1 / 2 两 5 ( 。 ， ) ， ( si n “ ) 2 蠕( s in 砚 ) ， ( 2 . 3 . 3 ) 式中 ， 凡 = ( 。 ， ) ， / 2 场 5 ; 5 为 极 面 面 积; 两为 磁导 率. 吸 力凡与 时间 t 的 变 化关 系凡(t)如图 2 . 2 所 示。 若将(sin “) 2项展开，则可将吸力分解成两个分量，即 凡= 练 / 2 ( 1 一 c o s z “) = 凡 + 凡 ( 2 . 3 . 4 ) 式中 ， 凡为 平 均 吸 力， 凡= 练/2;凡为 吸 力 的 交 变 分 量，凡= 一 瓜/2 co s z 哪。 图22 不加短路环时的磁通和吸力的变化 可 见 ， 吸 力 由 两 部 分 组 成 : 一 个 是 不 变 的 平 均 吸 力 凡; 另 一 个 是 以 两 倍 于 磁 通 变 化 频 率 而 变 化 的 交 变 分 量 凡。 决 定 电 磁 铁 能 否 带 动 负 载 的 是 平 均 吸 力凡。 通 常 说 某一交流电磁铁的吸力时就是指它的平均吸力。由式( 1)可见，这个平均吸力只有最 大吸力的1/2 ， 这就说明， 对于相同的最大磁通值( 它决定了铁心的截面积， 因而也决 定了电 磁铁的重量) ，直流电 磁铁的吸力要比交流电磁铁大一倍。 另外，由图2 . 2 可见，交流电磁铁的吸力在每一周期t内 有两次降到零值，所以 在5 0hz 的电路中，每秒钟有1 00次降为零值。当吸力下降到小于反作用力时，衔铁开 始返回， 但是只经过极短的时间， 甚至衔铁还没有来得及离开时， 吸力已过零点而又 逐渐增大，使衔铁再次吸合，因此，衔铁形成振动，产生噪声。 南京理工大学硕士论文 交流尾声特征及检侧方法研究 2 . 4交流继电 器尾声产生机理分析 为了消除振动， 通常在部分极面上套上一个短路环。 虽然通过设计可提高继电器 的最小吸力使之大于反力，但交流电 磁继电 器吸力的周期性脉动变化是无法消除的， 要求其动作部件衔铁在工作时与铁心完全平面接触， 在实际生产中是不可能的。由于 零件和加工的因素， 衔铁与铁心极面的间隙会有较大的波动，影响了继电器的吸力。 同时衔铁与铁心的接触点在图2 . 3 所示的大面上是随机的。 这样其接触中心线与吸力 中心线就不一定能重合，继电 器吸合后会在吸力中心和接触点之间有一个力矩存在。 当交流吸力变化时， 会引起继电器衔铁部分随着吸力周期性大小变化而微翻转， 从而 周期性撞击铁心大面发出声音，这就是交流尾声。 力中心线 一 幼掩 子 一 理想接触图 不良 接触图1 不良接触图2 不良接触图3 吸力中心线 不良 接触图4不良 接触图5不良 接触图石 接触中心线 图2 . 3 衔铁和铁心接触图 南京理工大学硕士论文 交流尾声特征及检侧方法研究 3交流尾声信号的 特征分析 由 于交流尾声通常情况下很弱， 生产车间的噪声则通常会高于这种不合格的交流 继电器产生的交流尾声， 所以用直接测量这种交流尾声的声强的方法是行不通的。 只 能首先找到这种交流尾声的特征， 然后根据其特征找到一种能在强随机噪声环境下提 取它的方法。 本章主要讲述了 本课题中 所采取的对交流尾声信号的 采集和特征分析技术。 主要 包括:信号的采集，信号的时域分析，信号的频域分析三方面的内 容。 3 . 1交流尾声信号的 采集 信号的采集是信号分析处理的前提， 无论是以计算机还是以信号处理芯片为平台 的信号处理系统都必须首先进行信号的采集， 信号的采集必须遵循一定的规则， 否则， 将给信号的分析带来困难甚至造成错误。 3 . 1 . 1采样间隔的选择 时间变量与幅度变量均为连续变量的信号称为连续信号或模拟信号， 通常所遇到 的信号大多是这种模拟信号。 但模拟信号不能直接用数字系统处理， 必须将它首先加 以离散化， 得到离散信号序列后才能进行数字处理。 离散时间信号是在时间上不连续 的序列，用xlk或flk 表示，k 表示他们在序列中前后位置的序号，是一个招数。 3 . 1 . 1 . 1采样定理 在对连续信号进行数字化处理时， 首先要进行采样。 采样就是使连续的模拟信号 x( t)转换为离散时间序列的过程。 采样一般按等时间间隔vt取值， 常用模一数( ( a / d) 转换器来实现。如图3 . 1 所示，当 连续时间信号x(t)输入模一数转换器，其输出 就 是 采样 所得的离 散时间 序列x( n vt) 。 vt成为 采 样时间间隔.关= 1 / vt为单 位时间内 的 采 样 数， 称 为 采 样 频 率叫。 采样的时间间隔功决定着采样的质量和数据处理的总时间。vt太小，会使 x( n vt) 的数目 剧增， 增加了 数据处理的工作量， 并要求计算机的内 存要大; 但vt太大， 会在原是数据中引起低频及高频分量的混淆， 不能真实反映原信号x(t)的全部情况， 南京理工大学硕士论文交流尾声特征及检洲方法研究 影 响分析精度。 因 此， 必须 有一个选择采样时间间隔的 准则， 以 确定x 扭 功) 能不失 真 地表示原信号x(t)的最大允许时间间隔vt。这个准则就是采样定理。 城n 人 t) 图3 . 1 采样过程 为了避免混叠以 使采样处理后仍又可能准确的恢复其原信号， 采样频率必须大于 有效 信号 最高 频 率人的2 倍， 人 2 几， 这就 是 采样 定理。 在实 际 工 作中 ， 考虑设 计 滤 波器 不可能 有理 想的 截止 特性， 在其截 止频 率关。 后 总 有一 定 的 过 渡带， 故 采 样频 率常选为( 3 一 4)关。 3 1 . 1 . 2姗栏效应 用 f ft 技术进行频谱分析的 过程中需要对信号的频谱作采样， 但是经过采样之 后，所能显示出来的频谱仅在各采样点上，而不在此类点上的频谱一律显示不出来， 即使在其他点上有重要的峰值也会被忽略” 5 1 。这一效应对于周期信号尤为严重，因 为周期信号的频谱是离散的， 如处理不当这些离散谱线更有可能不被显示。 如图3 . 2 所示， 图中的谱线如栅栏一 样， 挡住了 应有的频率成分， 此时如果通过它附近频率点 处的值进行估计， 其误差是很大的，尤其是相角误差更为严重洲。 2 ( 的 少l 乃 剐 1汁 ， 图3 . 2 栅栏效应示意图 南京理工大学硕士论文交流尾声特征及检侧方法研究 3 . 1 . 2数据采集系统 数据采集系统是计算机与外部世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径。本课 题的数字信号采集系统主要由 信号测量仪器、数据采集卡、工控机及 vb程序组成， 将采集到的数字信号以工作表格的形式保存至硬盘中。 ( 尾声声音信号) 图33 交流尾声声音信号采集系统框图 3 . 1 . 2 . 1声级计 本课题的尾声信号的测量采用的是h s 5 6 6 0a型精密脉冲声级计， h s 5 6 6 0a型精密 脉冲声级计是一种便携式声学测量仪器，由电表及液晶显示器同时读出测量结果。 可 用来测量和分析环境噪声、 机器、 车辆、电机等噪声， 也可用来建筑声学、电声等的 测量。 特别是它的脉冲特性可以 精确地测量冲击声和短持续时间的噪声，如枪炮声、 冲压机声、 爆炸声、 打字机与电 传打字机等噪声。 仪器由 传声器、 前置放大器、 频率 计权网络、 放大器、 衰减器、 以5 电路、 峰值检波电 路、 校正信号发生器、 表头电路、 a/d 转换器、电源、电 表及液晶显示器等组成。 主要技术参数及功能 : (1)传声器:1/ 2 英寸测试电 容传声器 极化电压:6 0v 灵敏度:一 3 2 士3 d b / p a( 以 i v / p a为参考) (2) 声 级 测 量 范 围 : ( 均 以 2 10 一 ， pa为 基 准) 3 2 一 1 3 8 d b( a ) 4 0 一 1 3 8 d b( c ) 4 5 一1 3 8 d b( 线性 ) ( 3 ) 频率范围:1 0h z一2 0k h z (4)频率计权: “ a ” 、“ c ”及 “ p ”( 线性) (5 ) 检波特性: 真实有效值及峰值 ( 6 ) 时间计权: “ f ”( 快) 、“ 5 ”( 慢) 、“ 1 ”( 脉冲) 南京理工大学硕士论文 交流尾声特征及检洲方法研究 ( 7 ) 过载指示:满度+ 1 0 士 0 . s d b ( 8 ) 电源:4 节1 . s v l r 2 0 高能电池，耗电蕊7 0 ma 利用ac 附件，可直接用 2 2 0v市电进行测量 (9 ) 内 藏ro 0 0hz 正弦校正信号，可用来校准本机和配合使用的电平记录仪灵敏度 俩具有交、直流输出端，可配合滤波器及记录仪使用。 3 . 1 . 2 . 2数据采集卡 在本课题的交流尾声信号采集系统中， a /d转换采用的是二路并行12位高速a /d 板a c18 52。 a c18 52是一种高性能二路并行高速存储a /d板，可广泛应用于各种中、 高速模拟信号的测量分析，多路信号采集。 主要特点与性能指标: ( 1)二路并行 12位a /d (2 ) 单路最大转换速率 i m hz (3 ) 板上ram 容量i m 字节，支持最大采样长度slz k/路 (4)支持外部触发 ( 模拟量输入，触发电平可以外部调整) 、外部时钟 ( 5 ) 1 6 位a t 总线 (6 ) 板上16位定时器， 采样速度程控 (7 ) 板上32位采样长度计数器， 程控采样长度 ( 5 ) 支持查询、中断，中断1 0 、1 1 、1 2 可以选择 ( 9 ) 输入电压范围:0 s v 或0 士 s v 输入阻抗:i m o 。输入带宽:i m hz oda /d测量直流精度:士0 . 2% 曲模拟输入最大耐压: 士1 2v 的峰值噪音: sv输入: 4 l sb 士sv 输入: 3 l sb 根据a c 1 8 52的特点和主要性能，在本系统中使用a c 1 8 52可以满足要求。 3 . 1 . 2 . 3数据采集程序的设计 交流继电器产生的交流尾声主要是由触点在交流电的作用下抖动引起的，同时 也和交流继电器的结构有关， 人耳可以听到且不十分尖锐. 根据采样定理， 在本课题 中 把采样频率定为33k ，采样长度定为3 0 0 00个点 。 下面是采集程序流程图: 南京理工大学硕士论文交流尾声特征及检侧方法研究 图34 数据采集程序流程图 其中 用到的 i npo rt w()和o utp0 rt wo函数是对端口 操作的函数， 在vis ual b as ic 语言中没有这些对端口 操作的函数，但可以用 c语言的端口 操作函数 i n 即rto 和 o utport () 生成动态链接库在这里调 用。 3 . 1 . 3数据采集过程中的隔噪 在用声级计采集交流尾声信号的过程中， 难免要将外界的噪声信号混入其中， 尤 南京理工大学硕士论文交流尾声特征及检侧方法研究 其是较弱的噪声信号甚至会被环境噪声信号所淹没。为了得到纯净的交流尾声信号， 这就需要在对交流尾声采集的过程中对环境噪声进行控制。 任何一个声学系统主要由声源、 传播途径和接受者三个环节组成。 因此， 噪声控 制途径就相应有声源控制、 传播途径控制和接受者控制三个方面， 任何噪声抑制技术 和措施也都是从这三方面考虑进行的， 至于具体主要采取哪方面的控制， 则应从控制 要求、 技术、 经济等因素综合考虑决定， 有时则是几方面控制的综合1161。 (l)声源控制 声源控制是噪声抑制中最根本、 最有效的途径， 是治本的途径， 对机械设备的噪 声控制而言， 它包括机器设计阶段的低噪声设计、 噪声预估，以及机器制造出来后经 测试分析，对机器自 身在降噪方面的改进，如减小振动、改善动平衡、结构改进等。 为进行声源控制，就必须研究并弄清声源发声的机理，据此抑制噪声的发生。 (2 ) 传播途径控制 在声源控制受到局限或限制时， 声传播途径控制则是最常用的控制手段， 特别对 己有机器设备的噪声控制来说， 声源控制常常受到某些限制， 有时甚至不可能， 而采 取传播途径控制则余地甚大，如隔声、隔振、加消声器等均属传播途径的控制措施。 (3 ) 接受者的 控制 这是在声源和传播途径控制不现实或不经济的情况下而采取的控制手段，如对 人， 可采用隔声间或佩带护耳器等， 对仪器设备， 则可采用隔声或隔振设计等tl，l。 在采集交流尾声信号时要隔离的主要是环境噪声， 声源多且分布广泛， 显然在测 量设备周围采取隔噪处理是最合适的。 考虑到使用的方便， 在本课题实验中制作了专 用的隔声箱，此隔声箱采用了双层密闭结构，在两密闭层中间填充颗粒状泡沫塑料。 实验证明此隔声箱隔声量高于 3 o d b ( a)， 此措施能有效地提高采集到的交流尾声信号 的信噪比，在环境噪声不高于8 0 db 的情况下保证了交流尾声信号不被环境噪声所淹 没。 3 . 1 . 4交流尾声信号的 振动法采集 在交流尾声信号采集的过程中再测试点附近进行隔噪处理， 虽然提高了采集到的 信号的信噪比， 但仍然会有少量的噪声存在。 大家都知道声音是由 物体的振动而引起 的， 根据本文第二章的分析， 当交流继电器的吸力变化时， 会引起继电器衔铁部分随 着吸力周期性大小变化而微翻转， 从而周期性撞击铁心引起振动， 发出交流尾声。 如 果通过直接测量不合格的交流继电器的振动的方式来测量其交流尾声就不会受到工 厂中嘈杂的环境噪声的干扰。 基于以上想法， 本课题用振动仪采集了发出交流尾声的 南京理工大学硕士论文交流尾声特征及检侧方法研究 交流继电器的振动信号， 事实证明此方法采集到的交流尾声信号的信噪比要比通过声 音信号采集的高得多，在本课题对交流尾声信号的特征分析中收到了很好的效果。 ( 尾声振动信 图3 . 5 交流尾声振动信号采集系统框图 本课题尾声信号的振动信号采集采用的是d z 一 2 型振动测量仪，该仪器设有测量 值的选择开关， 根据用户测量的需要， 可测量振动加速度、 速度和位移， 可分别用有 效值， 单峰值和峰峰值来表示. 表头显示的数值还可进行保持。 主要适用于电机、 风 机、水泵、家用电器及汽车上的微型电机等制造单位的产品质量检验和质量控制。 主要技术指标: (l)压电传感器灵敏度:1 . s p c/m . 5 刁 ( 2 ) 频率响应范围:7 h z 1 0 k h z 卜 3 d b ) 1 0 h z i k h z 平坦度士5 % (3)传感器灵敏度拨盘归一误差:土1 % (4)测量范围: 加速度: 0 . 0 3 一 10 0 腼/s， 速 度: 0 . 0 3 一 l o o o mm/ 5 位移:00 0 1 一 3 0 咖 ( 1 0 h z i k h z 频响范围内) ( 5) 最大内部噪声: 加速度: 0 . o l m/ s z ( rms) 速 度:0 . 0 3 m / 5 ( r m s ) 位移:0 . 0 0 0 5 咖( r m s ) (6 ) 峰值因数 ( 真有效值检波) :)5 (7)工作误差:士5 % 3 . 2交流尾声信号的时域分析 在声振信号侧试中， 人们直接感受和记录得到的往往是被测物体某些位置上的振 动大小随时间变化的过程， 它是被研究对象的综合振动反应。 这个过程通常被称为振 动时程信号， 它在图形中所描述振动大小随时间变化的曲线称为振动波形。 振动信号 时域处理是对振动波型的分析， 从记录的时程信号中提取各种有用的信息或记录的时 程信号转换成所需要的形式。 通过不同的时程处理方法， 可以 确定实测波形的最大幅 南京理工大学硕士论文交流尾声特征及检洲方法研究 值和时间历程， 求出相位滞后和波形的时间滞后， 有选择地滤除或保留实测波形的某 些频率成分， 消除实测波形的畸变状况， 再现真实波形面貌， 通过自由振动的波形求 波形衰减系数进而求的振动系统的阻尼比， 确定波形与各物理现象的联系情况， 建立 正常作用状态和破坏状态与波形特征的有机联系， 对实测波形进行相关分析卿 1 。 3 . 2 . 1采样数据的标定变换 对于电压数字量的数据， 直接乘以传感器的标定值， 即传感器的物理量与输出电 压的比 值， 标定变换即可完成。 对于整形数字量的数据， 首先需要乘以采集器的分辨 率即量化单位， 将数据转换成电压数据， 然后再进行物理单位的标定变换。 例如， 对 于输出电压范围士10v 的16位数据采集器，它的满量程电压为20v ，用20 除以2 的 16次方可以 求出 分辨率为0 . 0 0 0 3 0 5 1 了 sv。 用这个分辨率之值分别乘以 采集到的振动 信号的每一个整形数据可得到以电压为单位的信号数据， 再用传感器的标定值乘以电 压信号，便可得到实际 物理单位下的信号数据111 。 例如，本课题所用的采集卡为 12位的，输入电 压为0 一sv，振动仪传感器标定 值为1 . s p c/，尸， 用y 表示实际物理单位下的信号数据， x 表示采集卡输出的整形 数据，标定转换公式就为: 夕 = 5 + 2 ， ， x l . s x( 3 . 2 . 1 ) 3 . 2 . 2消除多项式趋势项 在声振测试中采集到的声振信号数据，由于放大器随温度变化产生的零点漂移、 传感器频率范围外低频性能的不稳定以及传感器周围的环境干扰，往往会偏离基线， 甚至偏离基线的大小还会随时间变化。 偏离基线随时间变化的整个过程被称为信号的 趋势项。 趋势项直接影响信号的正确性， 应该将其去除。 常用的消除趋势项的方法是 多项式最小二乘法1231。下面介绍其原理。 实 测声振信号的 采样数 据为 x ， ( k =1， 2 ， 3 ， ，n ) ， 由 于 采样数据是等时间 间 隔的，为简化起见， 令采样时间间隔功= 1 ，设一个多项式函 数: 人= ao+ a ok + 几 k ， + + a . k 侧 ( k = 1 ， 2 ， 3 ， ，n )( 3 . 2 . 2 ) 确 定 函 数爪的 各 待 定 系 数a ， (j = 0，1 ，2 ， ， m )，使 得 函 数凡 与 离 散 数 据xk的 误 差 南京理工大学硕士论文交流尾声特征及检洲方法研究 平方和为最小，即 一 乓 ) ， = 2 ( 艺a ， k ， 一 xk ) ， ( 3 . 2 . 3 ) k 一1 0 .凡 二艺润 - e 满足e有极值的条件为 韶_ 么 =2) 飒汀 k ( 艺马 k 一 xk ) = 0 ( 1 = 0 ， 1 ， 2 ， ， m ) ( 3 . 2 . 4 ) 依次取e 对a， 求偏导，可以 产生一个m + 1 元线性方程组: 艺艺a ， k ， + ， 一 艺凡 k ， = 0( 1 = 0 ，1 ，2 ， ， m ) ( 3 . 2 . 5 ) 士 司了 盈 ok 习 解 方 程 组， 求出 m +l个 待 定 系 数马 (j= 0，1 ，2 ， ， 拼 ) 上 面 各 式 中 ， m 为 设 定 的 多 项式的阶次，其值范围为。 j 脚。 当m= 0 是求得的趋势项为常数，有 za o k 。 一 艺x * k ， = 0 k = .左 . 1 ( 3 . 2 . 6 ) 解方程，得 、 = 去 争 可以 看出，当m 司 时求得的 趋势项为信号 采样数据的 算术平均值。 势项的计算公式为 ( 3 . 2 . 7 ) 消除常数趋 儿 =凡 一凡 =xk 一ao( k =1 ， 2 ， 3 ， ， n ) ( 3 . 2 . 8 ) 当m= 1 为线性趋势项， 有 n几 艺 a o k 。 + 艺a :k 一 艺x * k 。 = 0 ( 3 . 2 . 9 ) - k x 州艺洞 一 a 尸艺k-l 十 k a 气zk-i 解方程组，得 南京理工大学硕士论文 交流尾声特征及检侧方法研究 2( 2 。 +l 亿乓 一 崛、 k n ( 刀 一 1 ) 1 2 艺xk k 一 。 一 1) 艺、 a 。 = - 上l 二 一 ，=尸 刀 气 刀一1 八片十1 ) ( 3 . 2 中 1 0 ) 消除趋势项的计算公式为 yk= 凡一 人= 凡一 ( ao一 al k) (k= 1， 2， 3 ， ， n) m之 2 时为曲 线趋势项。 在实际振动信号数据处理中， 数据进行多项式趋势项消除的处理。 ( 3 . 21 1 ) 通常取m= 1 3 来对采样 在m a t l a b 中 用于 消除多 项 式趋势项的函 数主要有p o l y f i t ( ) 和p o l y v a l ( ) 1， 4 。 例如，对数组x 进行消除2 阶趋势项的处理，将结果保存至数组y ， 其程序如下: a = p o l y f i t ( t ， x ， 2 ) y = p o l y v a l ( a ， t ) 其中a 为趋势项的多 项式待定系数向 量，t 为离散时间 列向 量11 8 。 本课题由采集卡输出的原始整形数据为 0 6 5 5 3 5 ，首先要对其进行消除多项式 趋势项的处理， 选择m=2 ， 下面是原始数据的波形图和消除多项式趋势项后的波形图。 1 口二 幻 ! 卜 咖. 一了 蘸 。 、击赢 瓤 蕊 毅 ，寡，- 从 ，。 *!热 ，瓜 孤 巍撬 。 ， 、毅 1。 、 ， 陋 峰 叭 一 i t ” 胃 犷 ” _1 1“ 2! ，犷 肥!t 户 于 l丫 一 !l fl!l !， !一 ” ” 不 ” 一 ;-一 一 皿 一 一: r钾1 ; 一” 一育 一. 绷潮潮 州悠 00 习1 0 _02 ( a ) 。 . 030040肠。弱00 70旧0叨ql 时间怡 ) 消除趋势项前的波形图 南京理工大学硕士论文交流尾声特征及检洲方法研究 o 划鉴 一 1 田 0 友任1 击 象 。，.“ 咏 ， * 柯蛔陋晒 脑触陋 诚 ， ， 、 、 职 卿烤犷 一干i ! - - - 一: _t一 ” _ 一 一 1 _ _ _十 _一 _ _ _ 1 - - 一 1_ _ : - - 一 丁 一 一 ， _ _ _ j _ _ _ _ 。 j_ _一 _; 才 - - - 一 l_ _ _ _ 舀 o00 t。的。 刀40叱。 一 汤0 _ 0 7。田。 的01 时间(s) 图 3 . 6 消除趋势项后的波形图 消除趋势项前后波形图比较 如图可见 消除趋势项后 消除趋势项前的数据平均值在2 0 48左右， 数据主要含有一阶趋势项， 数据平均值在0 左右。 3 . 2 . 3交流尾声信号的时域图 交流继电 器有24v 、1 10v 、 2 20v多种型号，据人耳测听不同 个体间其交流尾声 信号也不尽相同， 但与其型号却没有关系， 在以后的分析中也证明了此点。 在本课题 中 分别用声级计和振动仪采集了大量的声音信号和振动信号， 基于篇幅限制， 在下文 中以3