华科 机械工程测试信息信号分析 课件 ch1 导论

*1MEASUREMENTINFORMATIONSIGNALANALYSISINMECHANICALENGINEERING机械工程测试•信息•信号分析

机械科学与工程学院机械电子信息工程系*2前言1、研究生阶段学习目标、职业规划：导师、研究课题的选择：学习习惯：3个半小时/天，恒为人，心态：诚，平和、淡定……2、国际化？3、参考教材奥本海默信号与系统吴湘淇信号、系统与信号处理杜润生本科生教材专题研究参考书*3前言4、学习工具软件MatlabMiniDRV5、讲课内容4个专题讲座:专题1时频分析专题2小波分析专题3高阶谱分析专题4Hilbert-Huang变换6次工程测试实践Tips6、实验*4教材教材[1]卢文祥，杜润生。《机械工程测试·信息·信号分析》（第三版），武汉：华中科技大学出版社，2014.5。[2]卢文祥，杜润生。《机械工程测试·信息·信号分析习题例解》，华中科技大学教材科，2003。*5参考资料及相关数学知识参考资料TP14信息、信号类TN911信号系统类相关的数学知识1.

积分变换2.概率论与数理统计3.随机过程*6一、课程简介名称：机械工程测试·信息·信号分析测试具有试验性质的测量工程测试工程中物理量为研究对象的测试机械工程测试应用背景广泛的机械领域信息事物运动的状态和方式(工程测试及其信号分析的根本目的，一言以蔽之，信息也，即工程物理量的运动状态和方式，进而再挖掘工程机械的运动状态和方式)信号信息的载体（工程中物理量的定量表达，表达方式可以有许多种）信号分析研究信号的构成和特征（从数学的角度对定量表达分析构成和特征，说得有玄了。）以信息为核心，研究工程中信息的获取。课程的理论基础：信息理论。主要研究内容：工程信息的获取、传输、转换、分析、变换、处理、显示及应用。*7内容安排（一）信息论基础第三章第四章§5—1§6—1（二）信号分析第二章§5—2§5—3§6—2~§6—5第七章第八章第九章第十章（三）信号分析设备第十一章（四）机械工程中的信号分析技术第十二章（五）实验MatlabMiniDRVI何岭松教授专题：高阶统计分析；非线性、非平稳信号处理（时频、小波分析、Hilbert-Huang变换）；二选一？每次课后：测量、控制实践-抗干扰、接地、传感器、调理、信号处理*8考核评分标准考核评分标准平时成绩20%？作业20%

？实验？期末考试60%考试方式待定*9二、工程测试方法测试对象的特征动态被测量是时间

t

的函数f(t)（f(t)就是动态？能如此定量表达的都可以用这种方法分析？谁得出的结论？）测试方法非电量电测法（为什么要用电测法？答案是电磁波吗？目的是控制。）信源被测对象力声音温度位移速度加速度应用被控对象控制控制算法传感器一次仪表压力传感器话筒热电阻涡流传感器磁电传感器压电传感器传输变换二次仪表传递信号电压电阻电流电感电荷信号分析预处理及处理

提取信息时域

频域幅值域高阶统计分析非线性、非平稳*10例：电机振动测量及频谱分析*11图电动机在线识别在某电动机生产线上，利用频谱诊断技术实现电动机在线自动识别、分类的过程。例：电机故障诊断*12例：电机故障诊断实验步骤具体检测步骤如下：（1）将装有微型加速度计的测头接触传送带上运送的电动机；（2）检测电动机的振动信号，经放大器后输入FFT分析仪；（3）将检测得的振动频谱与预先在分析仪中设定的判别谱进行比较；（4）进行合格与否判断，输出判断信号。*13例：电机故障诊断实验结果上图分别为典型合格品与废品的振动频谱。图中可看出，废品的频谱图中往往在某一频率有较大的幅值。*14第二章信号分析基础主要内容一、信号的概念二、信号的描述三、信号的分类四、信号处理的目的、步骤五、典型信号介绍六、信号的基本运算*15一、信号的概念信号是反映（或载有）信息的各种物理量，是系统直接进行加工、变换以实现通信的对象。

信号是信息的表现形式，信息则是信号的具体内容。传输信息的载体称为信号自然和物理信号例如：语音、图象、地震信号、生理信号等实例：雨声、地震信号*16一、信号的概念自然和物理信号例如：语音、图象、地震信号、生理信号等实例：人的心音，弓头鲸发出的声音图正常心音时域波形图图房室隔缺损病人心音时域波形图印尼大地震震前次声异常信号分析*18印尼大地震震前次声异常信号分析2004年12月26日印尼苏门答腊岛附近印度洋海域的地震震级高达9.0(MW9.0)*19一、信号的概念人工产生的信号例如：雷达信号、通讯信号、医用超声信号、机械探伤信号等实例：雷达信号、机械声音*20二、信号描述方法-数学数学描述使用具体的数学表达式，把信号描述为一个或若干个自变量的函数或序列的形式。因此，常可将“信号”与“函数”和“序列”等同起来*21信号描述方法-时域波形波形描述函数的图象称为波形用被测物理量的强度作为纵坐标，用时间做横坐标，记录被测物理量随时间的变化情况。横坐标为时间或整数。0At*22信号描述方法-波形绘制波形*23信号描述方法-频谱图横坐标为频率：ω(Ω),f*24信号描述方法-时频分析时间频率能量STFTTheinstantaneousfrequencyincreaseslinearlywithtime*25信号描述方法-时频分析1信号由三个不同频率的正弦波组成，但频率在不同的时候存在时间频率*26信号描述方法-时频分析弓头鲸发出声音的联合时频分布曲线时间频率能量/brp/listen-to-project-sounds/soundfiles/BowSong2000.au弓头鲸发出的声音*27三、信号的分类1.按能否用明确的数学关系式描述分类确定性信号非确定性信号2.按信号的功率和能量是否有限分类功率信号能量信号3.按函数的自变量存在范围分类时限信号频限信号物理可实现信号4.按自变量是否连续分类连续信号离散信号*28三、信号的分类按能否用明确的数学关系式描述分类时域分析信号确定性信号非确定性信号周期信号非周期信号简单周期信号复杂周期信号准周期信号瞬态非周期信号平稳随机信号非平稳随机信号各态历经信号非各态历经信号①FS??②FT??③功率谱非高斯信号高阶谱分析④专题时频分析小波分析独立变量Hilbert-Huang变换*29三、信号的分类确定信号与非确定性信号要点：给定的自变量的值，是否可以唯一确定信号的取值。区分方法：任意给定一个自变量的值，如果可以唯一确定其信号和取值，则该信号是确定信号，否则，如果取值是确定的随机值，则是随机信号。非平稳随机信号是非确定性信号。*30三、信号的分类周期信号与非周期信号经过一定时间可以重复出现的信号，满足条件T—周期，T＝2/0,

0—基频;n＝0，土l，….周期T(正值)，最小T值。非周期信号可以视为是周期T无穷大。例，机械系统回转体不平衡引起的振动信号是周期性的。简单周期信号:正余弦信号复杂周期信号*31三、信号的分类非周期信号瞬变非周期信号非周期信号往往具有瞬变性。准周期信号组成信号的各频率相互间不是公倍关系，合成信号不满足周期条件*32三、信号的分类瞬态信号:持续时间有限的信号，如*33三、信号的分类非确定性信号噪声信号(平稳)统计特性变异噪声信号(非平稳)*34三、信号的分类非确定性信号-平稳随机信号统计特征参数不随时间变化的随机信号，概率密度函数为正态分布集平均与子集平均┆*35三、信号的分类平稳随机信号-各态历经信号若一个平稳随机信号的集平均等于任一子集的时间平均值，则称为各态历经信号。集平均*36三、信号的分类时间连续信号与时间离散信号信号的自变量是否在整个连续区间内都有定义?定义域连续？NO时间离散信号YES时间连续信号通常被称为“序列”时间离散信号:在若干时间点上有定义采样信号时间连续信号:在所有时间点上有定义*37三、信号的分类模拟信号与数字信号模拟信号的定义域和值域都有是连续的；数字信号在定义域和值域都是离散的。适合于计算机处理*38三、信号的分类因果信号与非因果信号如果信号在时间零点之前，取值为零，则称为因果信号，为物理可实现信号，又称为单边信号，满足条件：t<0时，x(t)=0，即在时刻小于零的一侧全为零。

表示信号不能在过去存在(有值)！也表示信号的产生是符合逻辑的！*39三、信号的分类因果信号与非因果信号不是因果信号，就是非因果信号。在时间零点之前信号有值（或存在），则称为反因果信号，是物理不可实现信号：在事件发生前(t<0)就预知信号。*40三、信号的分类能量信号与功率信号信号的能量定义为：所分析的区间（-∞，∞），能量为有限值的信号称为能量信号，如一般持续时间有限的瞬态信号。离散时间信号连续时间信号*41三、信号的分类能量信号与功率信号信号的功率定义为：在所分析的区间（-∞，∞），能量不是有限值。研究信号的平均功率更为合适。如：一般持续时间无限的信号离散时间信号连续时间信号*42三、信号的分类时限信号与频限信号时限信号矩形脉冲、三角脉冲、余弦脉冲时域有限信号：在时间段(t1，t2)内有定义，其外恒等于零。

三角脉冲信号时域无限周期信号、随机信号、指数衰减信号频域无限白噪声频域有限信号：在频率区间(f1，f2)内有定义，其外恒等于零。正弦波幅值谱频限信号正弦信号、限带白噪声*43三、信号的分类实值信号与复值信号如果信号的取值是实数，则称为实值信号。如果信号的取值是复数，则称为复值信号。复信号是为了研究方便而引入的复值信号：RichardLyons:QuadratureSignals:Complex,ButNotComplicated.*44四、信号处理及其目的信号处理对信号进行提取、变换、分析和综合等处理过程的统称。信号处理的目的去伪存真特征抽取编码解码去除信号中冗余的和次要的成分，包括不仅没有任何意义反而会带来干扰的噪音。把信号变成易于进行分析和识别的形式。把信号变成易于传输、交换与存储的形式（编码），或从编码信号中恢复出原始信号（解码）。*45四、数字信号处理的步骤模数转换ADC自变量(时间)和幅值同时离散化保证信息不丢失的理论基础是：采样定理数字信号处理DSP变换域分析、数字滤波、识别、合成数模转换DAC数字信号还原为模拟信号*46五、典型信号-指数信号(1)指数信号：重要特性：其对时间的微分和积分仍然是指数形式。单边指数信号通常把称为指数信号的时间常数，记作

,代表信号衰减速度，具有时间的量纲。l

指数衰减,l

指数增长l

直流(常数),KOOt1()tf*47典型信号-正余弦信号(2)正余弦信号：余弦信号与正弦信号相位上相差π/2，统称为正弦型信号（简称正弦信号）。工业和照明用电信号说明：(1)K为振幅(2)ω为角频率(3)θ为初相位正弦信号余弦信号重要特性：正弦信号对时间的微分与积分仍然是同频率的正弦信号。*48典型信号-单位冲激信号(3)单位冲激信号δ(t)

：信号定义：←非常规的定义方法引入原因：描述自然界中那些发生后持续时间很短的现象，1930年狄拉克量子力学。广义函数。函数极限角度看函数面积角度看*49典型信号-单位冲激信号(3)单位冲激信号δ(t)

：理想函数，物理不可实现信号δ函数在原点为无穷大；单位为1(或任意数k)；冲击力无穷大，冲击能量为有限值波形表示：在冲激点处画一条带箭头的线，线的方向和长度与冲激强度的符号和大小一致。冲激点在t0、强度为E的冲激信号*50典型信号-单位冲激信号特点：1）乘积特性（抽样）对信号的抽样经常用到冲激串*51典型信号-单位冲激信号特点：2）积分特性（筛选）3）卷积特性*52典型信号-单位冲激信号特点：4）对称性：偶函数5）时域压扩性*53典型信号-单位冲激信号δ函数变换：1）拉氏变换2）傅氏变换*54典型信号-单位采样序列定义：n=0；单位延时k延时

*55典型信号-Sinc函数(4)Sinc(Sa)函数：闸门（抽样）函数矩形脉冲的频谱为sinc(t)型函数滤波函数任意信号与s