（机械制造及其自动化专业论文）过程装备与控制综合实验装置的信息采集及数据处理.pdf

长春理工大学硕士学位论文原刨性声睛 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，过程装备与控制综合实验装置的 信息采集及数据处理是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的 成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担； 储虢数眨其由a 年9 粤一 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留井向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅：本人授权长吾理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名 导师签名 验强达蟹三一卫一 盔i 趣绑鱼蛑三月卫日 e i v q 3 , v ! a im j i a q q 牛蚩凿群酶i ) d 善蒜珊近导暂0 $ 群与号蒜乱珥：毒器￥ 。甚婿身幂群鞯孺军耻f i v i z v i n 甘哇。署藓明刨z 1 | 丰珥土与疆鼍百# 群珊轴幂哺群 骤磁幕、皿哲碑y 啊揖覃* 辣晕掣嚣幕明董鐾蚓轻m a i a 叩1 出畦丁目露皤蕊崮孺幂 衅g y 墼翠。f i v l l v i 明华弹在辅斟壕￥鞋阜曾畦m m q 町封琏尊土鹫研穗翠删身 搿璐羽出当1 障珥丁。辫# 哇带酱明鲁粤耻砬章斗暂当馨骠i d d 岜岩僻珥二l 中茸牢 。醢妤、群琊、事拦明辨壕糯羊靶砸幂g 蜾￥耻1 | ； 珥丁吐衅珥土出畦攀矗# 首孺摹 而牟乱工障群与导蒜翟五f 鬻斟土箭蝉( 骑崔虹旱f 骤堆) 茬静静姊明甚蒋鎏士霉吾茸 章。甚蒜嚣毫号精0 皋裂与导蒜辞再明压蜷荤一上* 辣m 按召业朝蓦臻孺幂融工呜群 与母葬翟再王i 伯牲蜷攀咎删杀辚孺活而每乱工l 皋群与母辣翟衽百掣明揖互上 董噼 a b s t r a c t o u rc o l l e g ed e s i g n sas e to f n e w t y p e t h ec o m p r e h e n s i v ee x p e r i m e m a ld e v i c eo f p r o c e s s e q u i p m e n ta n dc o n t r o li no r d e rt os m i s f yt h ed e m a n df o rt h ep r o c e s se q u i p m e n ta n dc o n t r o l e n g i n e e r i n ge x p e r i m e n t a lt e a c h i n gt o m a k eu pt h e s h o r t a g e o ft h ec o m p r e h e n s i v e e x p e r i m e n t a ld e v i c eo ff o r m e rp r o c e s se q u i p m e n ta n dc o n t r o lt h i sp a p e rb a s e do np h y s i c a l m o d e lf w a t e rc i r c u l a t i o ns y s t e m ) o f t h i se q u i p m e n t ，t a k e sa d v a n t a g eo fl o w e rc o m p u t e ra n d u p p e rc o m p u t e r l oa c h i e v e t h ed a t aa c q u i s i t i o n ，m o n i t o r i n ga n dp r o c e s s i n g i nt h ea r t i c l et h el o w e rc o m p u t e ri _ i s e sp c id a t aa c q u i s i t i o nc a r d1 0a c h i e v et h es i g n a l c o l l e c t i o na n dc o n v e r s i o nt h eu p p e rc o m p u t e ru s e sl a b v i e w am o r ep o p u l a rv i r t u a l i n s t r u m e n td e v e l o ps o f t w a r e a n dm a t l a bw i t hp o w e r f u ld a t a h a n d l i n gc a p a c i t yb a s e do n a n a l y s i n gd e e p l ye x p e r i m e n tp r i n c i p l e t h ea r t i c l e u s e sl a b v i e wt od e s i g naf r i e n d l y h u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c ef o rt h ee x p e r i m e n t a lc o n t e n tt h a tw en e e d t o a c h i e v ed a t at e a i t i m em o t h t o f i n ga n dt oa c c o m p l i s ht h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eu p p e rc o m p u t e ra n dt h e l o w e rc o m p u t e r d ta l s ou s e sm a t l a bt oh a n d l et h ee x p e r i m e n t a ld a t a k e 、w o r d s ：t h ec o m p r e h e n s i v ee x p e r i m e n t a ld e v i c eo fp r o c e s se q u i p m e n ta n dc o n t r o l p c id a t aa c q u i s i t i o nc a r dl a b v i e wm a t l a b 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论 目录 2 过程装备与控制综台实验装蹬的概况 3 虚拟仪器基础 4 国内外研究现状 5 5 课题柬源及研究的目的和意义 6 论文的主要研究内容 第二章信号采集和数据处理关键技术研究 21 信号的分类 22 信号采集 23 模拟信号处理 24 数字信号处理 25 信号显示技术 26 本章小结2 第三章数据采集 31 数据采集卡的功能参数及选用原则 32p c i 2 0 0 6 数据采集卡 33 高速大容量连续不问断数据采集技术的研究 3 0 34 数据采集卡的驱动3 l 35 本章小结3 2 第四章过程专业与控制工程专业实验规划及l a b v e w 实现 41 l a b v i e w 概述 42 实验原理分析及算法实现 43 本章小结 第五章算法仿真与数据处理 5 1 算法仿真 52 仿真结果分析 53m a 1 3 a b 曲线拟台 54 拟合结果分析 55 本章小结 第六章总结与展望 61 总结 5 3 62 研究展望5 3 致谢 参考文献 攻读硕士学位期间撰写和发表的学术论文 5 5 5 7 i，一o， 虻=罕娟糯鹌弛妮弱 引言 第一章绪论 程装备与控制综合实验装置是一套练台性很强的实验装置，可以满足过程装备j 程专业主要专业课程实验大纲所规定的全部实验教学要求。实验装置在软件j 芎面涉及到了数掘采集技术：化工过程p i d 控制技术：变频控制技术：微机通 以及流量、压力、温度、液位、转速及转矩的铡试技术等。实验装黄中，温度 流量、液位等实验参数均采用相应的传感器进行采集：每个实验参数都可咀i 拘人机交互界面上进行显示、远程调节和控制：并通过计算机强大的数据处理 尤越的性能，处理各种通信命令，完成数据存储、数据处理、图形显示等功能。 矗备与控制综合实验装置是一套比较典型的集设备、过程及控制于一体的综合3 蛩。 过程装备与控制综合实验装置的概况 过程装备与控制综台实验装置的总体结构 程装备与控制综台实验装罱的总体结构如图il 所示 闰过程装备与控制综台实验装置总体结构 l 一* m r m 帆2 - 转矩转速健感# 3 一多级离。象4 一离。采m u 女表5 离。采h 口n 表 6 - 太阀门7 - j 、阀 8 管竞式按热g9 电自口节问m 冷m * 电机l i - m 1 2 女* 自 122 过程装备与控制综合实验装置的技术指标 流量测量范围：o - l o l m i n ，流量控制精度：05 f s 压力测量范围：o - 9 0 m p a ，压力控制精度：05 f s 温度测量范围：o1 0 0 ，温度控制精度：05 f s 液位测量范围：o - 3 0 0 m m ，液位控制精度：_ - 4 - 0 5 f s 装置连续工作时间： 不小于8 小时。 123 装置配套及对环境要求 电源：3 8 0 v 3 0 v ，5 0 h z ，3 0 k w 温度： 0 4 0 相对湿度7 5 124 过程装备与控制综合实验装置的设计原则 由于整个实验装置是为了满足高校过程装备与控制专业的实验教学，同时也要考 虑为过程装备与控制专业的专业课教师从事多方面科研工作提供硬件及软件平台。所 以制定此方案时充分考虑满足投资少，占用面积少，操作方便、维护方便性能可靠， 故障率低等要求，总体构思如下： 参照国内其他院校过程装备与控制工程专业的培养方案和实验大纲，结台光电信 息学院的实际情况，制定过程装备与控制专业四门主要专业课程化工原理、过程设备 设计、过程流体机械、过程装备控制技术及应用的实验大纲，确定每门课程的实验项 目。然后根据所要完成的实验项目，来设计程装备与控制综台实验装置，以满足全部 实验项目的需要：同时借鉴其他高校实验设备的成熟经验本着高起点、综合性、实 用性强的原则提出了本设计方案。 ( 1 ) 综台性 过程装各与控制综合实验装置是目前国内过程装备与控制专业综合性最高的一套 实验装置，它可咀满足淳专业四门主要专业谋程的实驰敦学要式在一套装置上可u 开出3 2 学时的专业实验。 ( 2 ) 先进性 整个装置设计具有一定的前瞻性。温度、压力、流量、液位等过程参数全部采用 传感器进行数据采集，采用流行的软件进行实验流程的显示，采用计算机进行数据的 处理和控制。 ( 3 ) 开放性 整个装置将采用便于扩充的开放式体系结构，易于使相对独立的分系统进行整合。 符合国家标准或行业标准，尽量采用标准外购件。 ( 4 ) 可扩充性 装置结构应具有良好的可扩充与可延展性，在此基础上进行简单的改造，就可以 增加较多的实验项目满足其他课程的实验要求。 ( j ) 可靠性 在系统结构、技术措施和设备性能等方面要确保系统运行的可靠性和稳定性，同 时还耍兼顾技术先进性和开放性。 ( 6 ) 安全性 由于该装置中很多设备都属于压力容器，具有一定的危险性，因此严格按照国家 安全标准及压力容器相关标准规范的要求进行设计和制造。 ( 7 ) 经济性 过程装备与控制工程专业实验教学大纲中的2 4 个实验项目，每个实验项目都可以 用这套综合实验装置来完成。也就是说，过程装备与控制综合实验装置集所有实验项 目于一套装置中，大大降低了成本，减少了实验室面积，具有很好的经济性。 13 虚拟仪器基础 随着计算机技术、信号处理技术等的快速发展，仪器及其设计的概念正发生着非 常大的变化。从虽初的模拟仪器发展到现在的嵌入式系统仪器和智能仪器。虚拟仪器 ( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n ，v i ) 受到了越来越多的关注，它起源于2 0 世纪7 0 年代， 通过软件将计算机硬件瓷源与仪器硬件有机的结合在一起并利用软件实现对数据的 读取、存储、显示和分析处理。从而有效地减少了测试系统的开发成本和体积。因此 美国国家仪器公司( n a t i o n a i n s t r u m e n t sc o r p o r a t j o nm ) 认为，虚拟仪器是由 计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析，过程通信及图形用户界面的软件 组成的测控系统，是一种计算机操纵的模块化仪器系统。 131 虚拟仪器的工作原理 虚拟仪器主要由三大部分构成，即通用的计算机资源、仪器硬件和应用软件。大 体过程是用户利用相应软件将计算机和仪器硬件有机的结台起来通过设计相应的人 机交互界面来控制计算机，而完成对信号的采集、调理、判断、存储、曩示及数担 的处理等功能。常见虚拟仪器测试系统的构成斟l ! 簧 卜 信 八 数 卜、 数 卜叫虚拟仪器面扳 号 果 据 嚣 7 调 7 真 7 处 理 _ 理 圈i2 虚拟仪器测试系统的构成 传统仪器面板上的各种器件都可以通过虚拟仪器中对应的虚拟控件来表示。其中 可以通过各种开关图标来实现对电源的控制，出各种按钮图标来设置被测信号的各项 参数，由各种显示控件柬显示测量或分析结果，用计算机的鼠标和键盘操作来模拟传 统面板的实际操作，用图形化语言编程来实现对信号的测量和分析处理等。 132 虚拟仪器的硬件系统 虚拟仪器的硬件系统主要是由计算机、传感嚣、信号调理电路以及数据采集设备 组成。其中计算机是虚拟仪器硬件系统的核心，传感器是虚拟仪器系统的前置部件 主要作用是将被测的非电量转化为电量。信号调理电路的主要作用是对传感器采集到 的模拟信号进行预处理( 放大，滤波等) 。数据采集设备( 常用数据采集卡) 主要用来 对被攫4 信号进行a i ) 转换，采样，放大等。 常用的硬件系统有以下几种： ( 1 ) p c d a q 系统此系统利用计算机本身的p c i 总线和i s 总线槽口将数据采集 设备( d a q 卡) 直接插入计算机主板上的空槽上，再利用编程语言编制或调用相应功能 的驱动程序就可以实现对采集设备的控制，进而开发出具有数据采集，频谱分析等多 种功能的仪器。该系统是目前最常用的虚拟仪器硬件系统。 ( 2 ) g p i b 系统该系统是基于g p i b 标准总线下，由一台p c 机，一块g p i b 接口卡 和若干台含g p i b 接口的仪器通过电缆连接而成”】。它具有广泛的软硬件支持，测量 系统的结构简单，但是该系统无法实现多台仪器的同步和触发功能。 ( 3 ) v x i p x i l x i 系统这类系统与工控机类似。每种仪器都是一个计算机插件， 每种仪器都没有硬件构成的仪器面板，而由计算机显示屏幕代替，其中l x i 系统由于 传输速度及多项指标比其它的总线技术优越，可能成为虚拟仪器系统发展的主流方向。 ( 4 ) 串口系统 通常包括r s 2 3 2 串1 3 总线、i ；s b 通用串行总线和i e e e l 3 9 4 总线”l 。 其中r s 2 3 2 串1 3 总线是最早的、技术= 最成熟的串口总线方式，但是它的测量精度不高。 u s b 通用串行总线和i e e e l 3 9 4 总线的传输速率较高方便联机使用等优点是今后发 展的重点。 ( 5 ) 现用总线系统现场总线i k 【_ 1 吣是指觜二现场、：f ：j ，! # 毛i ：萎m 耋 之白j 的一种权分散、全数字化的智能双向、多变量、多点、多站喇通瘩系统。它以 其抗干扰能力强、通信速度快、稳定性好和维护成本低等优点具有广阔的发展前景。 133 虚拟仪器的软件系统 虚拟仪器的软件由应用程序和i 0 接口设备驱动程序两部分组成。其中应用程序 包含两部分内容即：用于实现虚拟仪器前面板功能( 人机交互界面) 的软件程序和定义 测试功能流程图( 算法原理实现) 的软件程序。i o 接口设备驱动程序的主要作用则是 用来实现对外部硬件设备的控制，实现上位机与下位机之间的通信；目前虚拟仪器软 件开发工具有两种方式：利用通用编程语言进行编写，常用的有c ，c h ，v b ，d e ld h l 等。用这些编程语言开发虚拟仪器有一定难度，它要对编程人员的要求比较高。利 用图形化的编程语言进行编写。比如l a b v i e w ，h pv e e 其中l a b v i e w 是目前应用最广， 发展最快的虚拟仪器开发软件。 134 虚拟仪器的发展过程 虚拟仪器的发展过程大体可分以下三个阶段： 第一阶段，由于g p i b 总线标准的确立实现了计算机与外界进行通信，这样用户 可以利用计算机来控制仪器，增强了传统仪器的功能。因此随着计算机的飞速发展 计算机控制测控仪器技术也在迅速发展。 第二阶段，随着v x l 仪器总线标准的确立以及计算机插入式数据处理卡( d a q 卡) 的出现，弥补了第一阶段由用户和供应商内部定义仪器功能的缺陷，使得仪器的构成 得以开放。 第三阶段随着面向对象技术的发展，在业内已经产生几个虚拟仪器平台，它可 以把用户构建虚拟仪器所有需要知道的东西封装起来，使得非专业编程人员开发虚拟 仪器成为可能。其中n i 公司的l a b v i e w 就是一款优秀的虚拟仪器开发软件。 135 虚拟仪器的设计方法 从虚拟仪器测试系统的构成上讲，设计虚拟仪器时大体有以下几个步骤： ( 1 ) 明确待测任务，包括信号类型，信号特点，信号产生机理等。 ( 2 ) 根据测量任务选择适合类型的传感器。 ( 3 ) 根据信号产生机理配置信号调理设备。 ( 4 ) 选择信号采集设备( 常用数据采集卡) 。 ( 5 ) 编制硬件设备驱动程序，实现对硬件的控制。 ( 6 ) 开发人机交互界面，完成对信号数据的存储，显示，处理等操作。 ( 7 ) 系统调试在调试方法上可先用仿真方式或利用模拟现场信号的方式进行，然 后再利用真实信号进行调试。 14 国内外研究现状 在国外的欧差发选国家由于对化工机掀技术的研究起步较旱田此一? 教学设备 研制与开发上远远超过了其他国家目前己经形成了 定的产业和规模。芒一吲内山 于综合国力的不断增强目动化技术取得了长足的进步，已经皿用到国民经济的诸多 行业，现在它的研究开发和应用水平已经成为衡量工业生产现代化的标志之一。这样 就给高校自动化类教学设备的开发与研制带来了新的机遇和挑战。因此一些高校和企 业都在试图开发和研制先进的综合性的过程装备与控制实验装置，其中研究成果比较 突出的如：清华大学自动化系过程控制研究所早在1 9 8 2 年成功研制的“水力模型控制实 验台”、北京化工大学研制的过程装各与控制工程专业多功能实验装置、浙江天煌科 技实业有限公司开发的“t k g k 一1 ”型过程控制实验装簧等。这些实验装置都已经陆续 的应用到教学和科研工作之中。 15 课题来源及研究的目的和意义 出于社会发展的需要，1 9 9 8 年教育部实施专业调整方案，从9 9 级开始，全国高校 “化工设备与机械”专业更名为“过程装备与控制工程”，并在教育部、北京市及学校 教改项目的支持下，对专业课程体系和教学内容进行了全面改革。调整后的专业要求学 生掌握的知识更全面更系统，包括过程装备设计、控制系统设计、控制工程基础、信 号测试技术以及计算机应用等多方面的知识。使得专业实验改革更为必要和紧迫，原因 有以下几方面：( 1 ) 原“化工设备与机械”能做的实验项目有限，有临界转速实验、压 力容器内压和外压实验、离心泵性能测定实验和高压爆破实验等，不能很好的满足“过 程装备与控制工程”专业的实验需求：( 2 ) 一台专业实验装置和其他台专业实验装置之 间，功能重复，其结果每台装置价格高，利用率低，占地面积大、浪费资源( 3 ) 原专业的 专业实验装置往往不能直接作为科研实验装置，结果是教学和科研互动性差，学生难以 接触学科前沿。为了缓解高校自动化类教学和科研的迫切需要提高实验教学水平， 改善学校的办学条件，需要开发研制一个综合性更强互动性更好的过程装备综合实验 装置。要求该综合实验装置能够尽量完成该专业的全部专业宴验可模拟实现对过程 装备中的压力、温度、流量和液位等工艺参数的自动控制。并且能够使所设计的被控 对象实现变化多样的实验组态流程，这样利用新组建的集综合性、先进性、灵活性和 稳定性于一体的综合实验装鼍，不但可以服务于教学，最大限度的满足过程装备与控 制工程专业实验教学的需求：还可以服务于科研，为相关科研工作者提供强有力的技 术支持。因此，研制先进的、综合的过程装备综合实验装置，对教学和科研具有重要 的实际意义1 6 论文的主要研究内容 奉论文是基于过程装备与控制综台j ：驰装置物理睽型! ：】蔓础。吱班讨信号的秉 集和数据的处理。本文共分为六章，按照信号采集的哦序编排嚣节具体矸窆i 薯毛 下： ( 1 ) 文中对数据采集和处理的基础理论进行了深入研究，包括信号的采集理论、信 号的处理理论以及信号的显示理论等。 ( 2 ) 文中提出采集卡的选型方法，阐述阿尔泰p c i 2 0 0 6 数据采集卡的功能设置和工 作原理等，并深入的研究高速不间断数据采集技术。 ( 3 ) 文中利用l a b v i e w 软件对过程装备与控制综合实验装置的实验进行算法实现， 提供了每个实验的程序框图和前面板设计图。 ( 4 ) 文中利用l a b v i e w 提供的仿真信号，对设计的算法进行仿真，从而验证算法的 正确性，并利用m a t l a b 对仿真数据进行曲线拟合。 第二章信号采集和数据处理关键技术研究 随着科学技术的不断进步，社会经济、军事等各个领域的飞速发展以及现代工业 生产和科学研究的需要，检测技术扮演着越柬越重要的角色，测试数据的准确与否， 直接影响着人们对事物本质规律的认识，然而检测的实质就是测量。就是把人类社会 和自然界中的各娄抽象信息，用人们所熟悉的数据，数字传达给人们，方便人们更好 地利用和开发自然资源。 21 信号的分类 信号是能够运载信息的物理量。也是时间或空间的函数。要获取信息，首先要获 取信号，然后对信号进行适当处理与分析取得所需信息。 ( 1 ) 根据信号在时域的描述方式可把信号分为确定性信号和非确定信号。 能用确定的时间函数表示的信号称之为确定信号，换句话说，确定信号是在其定 义域内的任意时刻都有确定函数值的信号。非确定信号也叫随机信号，与确定信号相 反，它不能用明确的数学函数关系来描述，即在定义域内的任意时刻没有确定的函数 值。不确定信号不能预测其未来任一时刻的瞬时值。因此，这种信号只能用概率统计 的方法找出其统计特征。例如，环境的噪声属于此类信号。具体分类如下： 信号 确定性信号 周期信号 ：i ：；号 非周期信号 ；! ：；号 非确定性信号平稳随机信号 i i ：；经 非平稳随机信号 ( 2 ) 根据信号的取值情况信号可分为连续信号和离散信号。 连续信号的函数定义域是连续的，但并不要求函数幅值也是连续的，当连续信号 的幅值也为连续值时，称其为模拟信号。在工程技术应用中，直接由传感器采集到的 绝太多数的信号都是模拟信号。 离散信号是指自变量在某些不连续数值时才具有对应数值的信号。例如，人口的 年平均出生率。时甸离散而幅值连续时，又叫作采样信号。时间离散而幅值量化时， 称其为数字信号。数字信号是可e 上被计算机直接读取和处理的信号。通常基于p c 机的 测试系统中常常把模拟信号转换成数字信号，以便利用计算机对信号进行分析处理。 ( 3 ) 按信号取值区间内能量的有限与否可还把信号分为能量信号和功率信号。 能量信号是在所分析区间( 一啦+ ) 内，能量为有限值的信号即满足 一般的非周期信号都属于此娄信号。 功率信号是信号的能量是无限的，而其功率为有限僮，信号的平均功率定义为 p = 古f 2 j 2 0 ) a t 即信号在区间( t l , ，! ) 内的平均功率。而功率信号满足的条件 o i 为： o 舰古 ，3 ( 伽c m ( 22 ) 常见的周期信号，符号函数及随机信号属于此类信号。 ( 4 ) 按信号幅度的分布范围可把信号分为单极信号和双极信号。 相对于模拟地电位来说，输入信号的幅度只偏向一侧的信号称之为单极信号，如 输入屯匪为05 v ，幅度只偏向正的一侧，此时即为单极信号。而双极信号则是输入信 号的幅度相对于模拟地电位而言两侧均有分布。如输入电压为一l o v 一1 0 v ，幅度分布在 两侧。 22 信号采集 信号采集的过程主要是把来自传感器的模拟量转换为数字量的过程。由于模拟量 大都是连续量，就需要我们把它进行离散化。假设现在对一个模拟信号x ( t ) 每隔血 时间采样一次，时间间隔出被称为采样间隔或采样周期。则i ，被称为采样频率，单 位是采样数每秒。其中当：= 0 、，、：血、3 时x ( t ) 对应的数值就被称为采样 值：所有的x ( 0 ) 、x ( a t ) 、x ( 2 血) 都是采样值。通过采样就把一个连续的信号 耻tj 进行了离散化即单组分散且j 采样筐把x 、：，表示出l 、j 。 采样定理是这佯说的只有当数据采集的采样频率f 大于等于被测信号所包含的 最高频率，拊的两倍时，采样数据才能包含原始信号的所有频率分量的信息c 如果采样 频率不满足上述的条件，那么信号将友生畸变。当采样率过低时，采样的数据所还原 的信号频率与原始信号之间就会产生一定的差异，这种信号的差异叫做混叠”i 。通常 在信号被采集之前，往往需要经过一个低通滤波器( 抗混叠滤波器) 将信号中过高的 频率成分滤掉，这样可以有效的防止混叠产生。 理想的滤波器能滤除信号中高于f 2 的频率成分，但是实际的滤波器不可能达到 这个标准。通常它们会有一个过渡带不能完全的去除高频部分，这时需要我们在采 2 砷 p l 0 样频率和滤波器类型的选择之间进行折中考虑。在一般工程测试中，用一阶或二阶滤 波器就可以达到较好的滤波效果。 在实际确定采样频率时，理论上讲，采样频率越大所采到的信号的原始波形越好， 但需要注意的是，过高的采样率可能导致计算机内存相对不足以及硬盘存储数据量变 大，导致计算机处理速度过慢。根据采样定理，f 设置为被采信号最高频率成分厂m 的 2 倍就可以了。然而在一般的实际检测中，f 通常取为( 5 - 1 0 ) 。 23 模拟信号处理 实际工程检测中，测量信号的前：酲部件是传感器，因此传感器被称作是系统获取 外部信息的“窗口”。传感器的作用是把外界的非电量信号转换为电量信号，这种电量 信号一般都是模拟信号，但往往传感器直接获得的信号比较微弱，一般最大为毫伏级， 这样不便于对信号进行处理，因此我们必须对传感器直接采到的信号进行处理。常用 的模拟信号处理方法有：放大、滤波等。 23 1 放大 信号的放大就是把传感器输出的比较微弱的电信号通过放大装置对其进行放大。 常见的放大电路有：同相输入、反相输入及差动输入三种结构。其原理结构分别如图 2 1 、图22 、图23 所示 月r 2r ， 幽23 莘动输入放人器 幽2 2 反相输入坡大器 232 模拟滤波 信号的滤波是指在所测试的信号中筛选出人们所感兴趣的那一部分信号，同时把 干扰信号滤除的过程。实际测试系统中由于受环境、系统本身的影响，会产生一定的 噪声或虚假信号，这些信号也会随着测试系统的各个环节传递，影响人们对信号的分 析处理。因此我们必须对那些干扰信号进行抑制或衰减。 r 1 ) 滤波器的结构 模拟滤波器通常由电感、电容所组成的硬件电路来实现。常见的一阶无源低通滤 波器和一阶无源高通滤波器的频率特性和电路结构分别如图2 4 、图25 所示 t ，) 脏 o ， i 尹= _ 一如【、 ( ，) 蚯 o 嗤2 4 一阶低通溏波器的频率特性和电路结构 图2 5 一阶高通滤波器的频率特性和屯路结构 ( 2 ) 常用的模拟滤波器 模拟低通滤波器的基本设计指标有：通带截止频率。，阻带截止频率c o ，通带容限点 阻带容限以。 假定模拟滤波器的传递函数为 e = 等等糍等等 眩。， 由于i g ( n ) 1 3 的分子和分母都是。：的有理多项式。因此我们根据| g ( 皿) 2 的分母多 项式的不同把模拟滤波器分为以下几种类型： 0 巴特沃兹( b u t t e r w o r t h ) 滤波器 1 6 ( j n ) 1 12 志 24 ) 式中n 为待定的滤波器阶次，c 为待定常数。c 和n 可通过给定的滤波器的技术指 标。，q 4 和岛来确定。 巴特沃兹滤波器在其通带和阻带内幅频响应随着频率的增加而下降，并且在阻带 下降较快，在过渡带下降比较缓慢。该类型滤波器的最显著特点是幅频响应在通带内 具有晟大平坦的特性。n 值越大分母多项式越趋近于0 衰减越快，因此幅频特性曲线 越接近理想特性曲线。 切比雪夫i 型( c h e b y s h e v i ) 滤波器 i c u n ) l 2 2 鬲寿酉 汜 式中，c ：( q ) = c o s2 n a m c o s _ 1 ( n h ：n 为待定的滤波器阶次，s 为待定常数。s 和 n 可通过给定的滤波器的技术指标来确定。该型滤波器的幅频特性在阻带内为单调下降 而在通带内呈现等波纹波动。# 值越小，通带起伏越小，截止频率点衰减的分呱值也 越小， 切比雪夫i i 型c h e b y s h e 、r1 1 1 + 。：f ! i h 。c j ( n ，q ) 。 式中，n ，与阻带截止频率q 是对应的。该型滤波器特点是在阻带内是等纹波波动 的，而在其通带内则是单调下降的。 0 椭圆( e 1 1 i p s e ) 滤渡器 + 。! u n 2 f q l ( 27 ) 式中，u i ( n ) 是雅可比椭圆函数。椭圆滤波器在通带和阻带内部有等波纹特性 并且具有最窄的过渡带”1 。 24 数字信号处理 由于计算机只能识别数字量，所以要想利用计算机来处理信息，必须把传感器输 出的模拟信号转换成数字信号。一般利用a d 转换器实现这一功能。数字信号处理则 是利用计算机通过数值计算的的方法对数字信号进行变换，估值等，从而获得被测信 号中的有用信息。 241 信号的时域分析方法 信号的时域分析是直接在时域内对信号的波形幅值以及与幅值有关的统计特性等 进行的分析。时域分析方法主要包括：相关分析、数据拟合等。 ( 1 ) 相关分析 相关分析是研究两个或两个以上波形之间相关程度大小的方法。波形相关分析来 源于概率统计中数据的相关性问题。按波形的相似程度可分为完全相关、不完全相关 和不相关：在数字信号分析和处理中，相关分析是信号检测和测量的一种重要手段， 已在电气、雷达、地震和生物医学等诸多领域广泛应用。 确定性信号之间的相关性 假设两个能量有限的确定性信号x ( n ) x ( ) y ( 月)， 以2 蚕森。赢 x ：( ) y ! ( ) r 6 ，。 由上式显然可知 j 以1 y ( n ) ，则它们的相关系数定义为式( 2 8 ) ( 28 ) 且当x ( n ) = y ( n ) 时。取得最。直即，。，= 、e ，e ，此时，。= 】，这表1 1 两个信号 是完全相关的。当= 0 ，则此时p 。= 0 这时说明两个信号完全无关。当r ，0 说明x ( n ) 和y ( n ) 两个信号在某种程度上有一定的相关性。也就是说l 以i 的值越大，表示两信号 相关程度越高。反之表示两信号相关程度越低。 k 反映的是两个固定波形x ( n ) ，7 ( n ) 的相关程度。但是为了研究两个波形在经历 了一段时移以后的相关程度，需要引入互相关函数的概念。两个信号x ( n ) 和y ( i 1 ) 的互 相关函数定义为式( 2 9 ) ( 卅) = 至x ( ”) y ( ”+ ) ( 29 ) 此式表示x ( 1 1 ) 保持不动而y ( n ) 在移m 个抽样周期后两信号的相关程度。另外当 有y ( n ) 保持不动x ( n ) 在移m 个抽样周期后两信号的相关程度如式( 21 0 ) 即 ( ) = ，( ”) x ( + m ) ( 2 】0 ) 这里的m ) r 。( m ) 。当x ( n ) 2 y ( n ) 时，o ( 卅) 就称之为自相关函数如式( 21 1 ) r d m ) = 。( m ) = 宝m ) 砌+ 。) 并且当m = 0 时，此时( o ) = 主z ：加) ：t 即( o ) 等于，( n ) 的能量 ( 21 1 ) 在实际测量中，若x ( n ) ，y ( n ) 是功率信号，此时互相关函数为式( 21 2 ) ： r ”( ”) 。l i m 上2 _ v + l 与 x ( ”) y ( ”+ ”) 或 “( 咖牌赤至p 珈”) ( 21 2 ) 自相关函数定义为式( 2 1 3 ) 蹦咖蹦咖烛面南蚤( 州”圳 ( 21 3 ) 若x ( n ) 为周期为n 的正弦或余弦信号，那么其自相关函数定义为式( 21 4 ) 蹦嘲2 专萎珈m m ) ( 21 ” 随机性信号二可的相关性 对于两个平稳随机信号x ( n ) ，y ( n ) ，它们的互相关函数定义为式t21o 、 r w ( m ) = 料( n ) 】咖+ ) ( 21 5j 平稳随机信号x ( n ) 的自相关函数表示为式( 21 6 ) ( m ) = e x ( n ) x 咖+ m ) l( 2 1 6 ) 在很多情况下- 由于有用信号与噪声之间的相似程度非常小，这时可以利用互相 关函数得到夹杂在外界噪声中的有用信号。而自相关函数可用来估计信号的功率谱。 ( 2 ) 曲线拟台 所谓曲线拟合就是利用有限对测量数据( j ，只) ( 1 = 1 ，n ) 来获取y = f ( x ) 的 近似函数y4 。，( ，) 。其中，x 为测量系统的输出量，y 为被捌物理量。曲线拟台不要求 y = ，( x ) 的曲线通过所有的离散点( 一，只) ，只要求y ；，( r ) 尽可能的反映出这些离 散点的一般趋势。堆常用的曲线拟舍方法是基于最小二乘法原理的曲线拟台方法。 由曲线拟合理论可知，某些自变量x 与因变量y 之间的单值非线性关系可以利用自 变量x 的高次多项式束逼近，即 y 2 0 。+ o l x + 日，z 4 ( 21 7 ) 阶次日及系数吼，o 一，口。由y 与x 之间的非线性特性决定，但阶次一般不能超 过六阶。对于n 对测量数据( t ，y ，) ( i = 1 ， ，n ) 通过近似函数关系式，可以得到 1 3 个方程即 y ，- z o ，x ? = p ( ii ，2 ，n )21 8 ) 式中巳为在x 处得到的计算值与测量结果之间的误差。p 的值不一定为零，因为 拟合曲线可以不通过测量点( x y ) 出最小二乘法原理可知t 使误差e 的平方和最小时所求取的系数口，即为口，的最佳 估计值，即 妒( 吼，4 口。，) 斗m i n 其中伊( 口o ，口一，) = b - ，一口，一 ! ( 21 9 ) 由此可得到如下的正则方程缨 尝一：秘喜叩嘲。= 。m - m 幢。 于是，计算口。，。”，d 。的线性方程组为 ” 一 一，? x ? y x ：“ 22 1 ) 吼 。酣。 方程组的解即为以( 讣0，卅) 的最佳估计值。一般来说，拟合多项式的次数越高 拟合结果的精度也越高，但阶次过高会使拟合结果反而更差”1 。 242 加窗处理 由于信号数字处理设备处理的数字信号总是有限长的，因而利用d f t 对信号做频 谱分析时将出现频谱泄漏现象。这种现象会影响分析结果，使得分析结果出现误差。 该误差只能采取适当的方法进行抑制，并不能予以消除。预先通过加窗处理，然后再 进行频谱分析，可有效地抑制频谱泄漏。另外，在数字滤波器的设计方面窗函数也起 着非常重要的作用。 设( ) 为一个无限长离散序列，w ( n ) 是长度为k 的窗函数，用w ( n ) 截断r ( h ) ， 可得到n 点离散序列x ( n ) 如式( 22 2 ) 所示 x ( n ) = r ( 月) w ( ”) ( 22 2 ) 根据眷积定理可知 x ( e 删) = x ( p ) 0 w ( e ) 22 3 ) 式中，x ( p 州) 为一( n ) 的傅里叶变换，x ( e 一。) 为x ( n ) 的傅里叶变换，w ( e ，4 ) 为w ( n ) 的傅里叶变换。 由式( 22 3 ) 可以看出，窗函数w ( n ) 会影响原信号z ( ) 在时域上的波形和其在频 域内的形状。 窗函数的主瓣、边瓣的特性决定了窗函数对信号频谱的影响。对于w ( e j 。1 ，从m = 0 两侧第一次过零的部分称为窗函数的主瓣：主瓣以外的部分称为边瓣。胃16 给出 了时域矩形宙的时域和频域特性。 叭m l 10 0 一主瓣 o ”。7 弋一于一l厂、 一善9 k 屋 v o 圈26 矩形宙的时域和频域特性 衡量窗函数的性能一般用3 个频域指标：最大的边瓣峰值a ：主瓣归一化幅值 立 ( 2 0 1 9 i 鲁斟1 ) 下降到一3 d b 时的带宽b 和边瓣谱峰渐进衰减速度d 。对于一个理想的窗 函数，其b 值和a 值应最小，d 值应最大。实际选择窗函数的原则是使其边瓣尽量小， 主瓣尽量窄。常见的余弦窗如下： 常用的一类余弦窗可表示为 0 ( h ) = ( 一i ) c o s ( 孚) ( 22 4 ) ，0 其中系数d 满足如下条件，即 q = 余弦窗项数和系数如表21 表2 - 1 余弦窗的系数 ( 12 5 ) 窗类型频域形式 b o i = 2 f nj ad d b( d b o c t 矩形窗：2 s i n ( i o n 2 ) s i n ( c o 2 ) 汉宁窗 矿( m ) ：05 u ( ) + 02 5 u ( m 一睾) + u ( c 9 + 睾) 哈明宙 ( ) ：o5 4 u ( ) + o2 3 u ( 一警) + u ( c o + 警) 1 14 4- 3 218 1 3436 ：| 絮暨w ( r o ) = 0 4 2 u ( ：0 ) 一02 5 【u ( m 一警) 1 - 6 8_ 5 8_ 1 8 曼窗 + u 旧+ 警) 】+ oo 嘶u ( 一导) + u 徊十警) 每种窗函数都有自身的特性，不同的场合需要选用不同的窗函数。为了选择合适 的窗函数，首先要对信号的频谱成分进行估计。若信号中含有的干扰或噪声的频率与 被测信号频率相差较大，则应选用旁瓣衰减速度较快的窗函数；若被测信号的频率与 干扰或噪声的频率比较接近时则应选用旁瓣峰值较小的宙函数：若被测信号含有多 个频率成分，则应选用主瓣较窄的窗函数。 243 数字信号时频分析 在实际测量中，人们遇到的大多数信号都不能通过一个确定的数学公式来描述， 这样就无法准确的对信号进行预测。傅里叶变换方法是处理传统信号的主要方法。傅 里叶变换是一种全局变换，只适合完全在时域或完全在频域的场合，因而对于信号的 时频局部性质便无法表达。为了解决这一问题人们对傅里叶变换进行了推广，提出数 字信号时频分析理论。 ( 1 ) 短时傅里叶变换 短时傅里叶变换就是选用一个具有适当宽度的窗函数从信号中提取一段作傅里叶 分析，这样就会得到信号在这段时间内的局部的频谱。如果让窗函数沿时蚓轴不断移 动，便能够实现对信号逐段进行频谱分析n 8 】。 设被分析的信号为时域连续信号x ( t ) ，以t 为中心设计一个窗函数w ( t ) ，井以适 当的宽度在r 时刻前后截取信号x ( t ) 。即 t ，( ，) = x ( ，) 州卜r ) f2 2 6 ) 当窗函数w ( tj 的窗口宽度足够窄时，可以认为r 【n 是平穗的，是短啤傅星叶变 换定义为 州”( f - ，) = t ( o e 4 。d t = x q ) w ( i r ) p ”9 d t ( 22 7 ) 式中，f 为窗口函数的时域位置，f 为局部频率，i s 阡f 。1 ( r 州2 称为谱图。时域 窗越窄，时域分辨率就越高：频域窗越窄，对频域分辨率越高。s t f t 中常采用的窗函 数有高斯窗，海明窗和指数窗等。 利用s t p t 也可以重构原信号，即 x ( f ) _ e s 州”( r ，1 w ( h ) “ d r d f ( 2 ) w i g n e r v i l l e 分布 22 8 ) 对于某些非平稳随机信号，为了能够准确地反映出信号能量随时间和频率的分布 特征，国外学者提出了w i g n e r v i l l e 分布( w v d ) ，其能将一维的时间函数或频率函数 映射为时间一频率的二维函数。 假设信号x ( t ) ，y ( t ) 对应的傅里叶变换分别为( 田) y ( 肿) ，那么x ( t ) ，y ( t ) 的联 合w v d 定义为 m 舢q ) = e x ( 2 ) y ( 2 ) e 4 d r 或 盱，( q ，) = e ( ，+ f ，2 ) r ( ，一f ，2 ) e - 4 q ；蟛 ( 22 9 ) 式中，上标t 表示取信号的共轭。 利用w v d 还可以重构信号，即 x ( f ) = 士e ”，( f 2 n ) p 4 m y ( o ) ( 23 0 ) ( 3 ) 小波变换 小波分析方法是一种窗口大小固定但形状可改变的时频局部化分析方法i ”。由于 其时间窗和频率窗都可以改变故能实现在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的 频率分辨率，在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率。理论上讲，小 波分析能够取代傅里叶分析即能够用傅里叶分析的场合都可以用小波分析来代替。小 波分析突出的优点是它在时域和频