中国振动工程学会模态分析高级研修班讲课资料(第二章)

InstituteofVibrationEngineering振动工程研究所1振动测试系统数字信号处理试验模态测试技术张永强高级工程师靖江泰斯特电子有限公司西北工业大学振动工程研究所InstituteofVibrationEngineering振动工程研究所2•振动测试系统•数字信号处理（DSP）•试验模态测试技术（EMA和OMA）InstituteofVibrationEngineering振动工程研究所3振动测试系统序言振动测试仪器传感器的分类与用途传感器的性能补偿数据采集系统InstituteofVibrationEngineering振动工程研究所4由于微机电系统(MEMS)的进展；传感器向小型化，智能化，多自由度化方向发展，集成电路压电计(IEPE）,加加速度计(JERK),智能传感器(TEDS),可兼测位移,速度和加速度的传感器,无阻尼压阻加速度计等层出不穷。数字信号处理新技术,无线通信技术（蓝牙和ZigBee）和无线传感器网络(WSN=WirelessSensorNetwork),计算机中的硬件,软件等飞速发展(例如近20年计算机性能提高10,000多倍)，试验和分析技术也是日新月异。序言InstituteofVibrationEngineering振动工程研究所5振动测试仪器过去振动的测试仪器种类繁多，如放大器、滤波器、示波器、信号发生器、磁带记录仪、失真度测量仪，…都有专用的机箱，使用时要RackandStack（堆叠）。现在一硅片一系统(SOS),仪器功能向几合一（AllinOne）方向发展;测试仪器往往只有传感器---数据采集仪---分析仪(或计算机加分析软件),后两者也可用内置计算机合为数据采集分析仪。InstituteofVibrationEngineering振动工程研究所6传感器的分类与用途传感器（Transducer，Pick-up，Sensor，Probe，Cell（ForceCell，LoadCell）,Trans-Mitter（变送器），Proximater（涡流计=EddyTransducer））。传感器把待测的非电量（力学量）信号转变为可测的电量或电参数量信号。要求传感器:重量轻体积小输出信号信噪比高(灵敏度大),失真Distortion畸变）小，重复性好。InstituteofVibrationEngineering振动工程研究所7传感器的分类与用途传感器的分类•按基准分：绝对式和相对式,绝对式用惯性质量作基准,也称惯性(Seismic,不译为地震式);相对式测绝对运动时要有不动的地面基准。•按运动量和作用量分：运动量：加速度、速度和位移，角加速度、角速度和角位移，应变。作用量：力(测点不允许运动的钳制力BlockedForce,测点允许运动的非钳制力)，测钳制力要用刚度大的石英晶体测力计；压力(压强)。•按物理原理分：压电加速度计PE、内置集成电路压电计IEPE、压阻加速度计PR、电容加速度计、电动(磁电)速度计、涡流位移计、应变计、用差动变压器的线位移计LVDT和角位移计RVDT等。InstituteofVibrationEngineering振动工程研究所8传感器的分类与用途1.压电计：(电荷输出)，低噪声电缆（STYV-1，STYV-2，高温STFF）和电荷放大器三合一系统大多被内置集成电路压电计取代(缩写为IEPE(标准))，IEPE压电计还有测声的传声器(麦克风)和测力计。2.IEPE计：为电压输出，可用普通电缆，但其内部芯片要求数采系统插座输出2~20mA左右恒流到传感器，现在数采仪同一插座可用仪内软件控制或测电压(取消电流输出)，或测加速度，测力，测声(有电流输出)。InstituteofVibrationEngineering振动工程研究所9传感器的分类与用途3.电容传感器：采用CMOS技术，其中动片的位移由毫米级降到微米级（0.2～0.5μm）,其重量由上百克降到几克;有的电容传感器(飞思卡尔)加一插座,通1V电压时等于加1g加速度,可不卸传感器而随时校灵敏度。电容传感器可测零频,但相频特性非线性较大,需要注意。4.TEDS(TransducerElectronicDataSheet,IEEE-P1451)传感器：是智能型模拟和数字混合模式传感器。数字模式用于储存信息如型号,序列号,灵敏度校准值,安装位置方向等。现在已有虚拟TEDS。5.无线传感器和无线传感器网络WSN（用途极广泛）:*2005年金门大桥安装了200个无线传感器,长期监测大桥摆动*振动监测，前几年Intel公司的JonesFarm工厂中机器出现振动故障,损失惨重,后用4000个传感器组成网络对各机器（如泵，电机,…）上4000个位置作每小时一次健康监测(过去1~3个月选一些位置监测一次)。InstituteofVibrationEngineering振动工程研究所10过去传感器缺陷用电路补偿,后来有用智能ADC补偿如MAXIM公司的MAX1460,目前有个趋势即“硬件缺陷软件来补偿，硬件（应用）范围软件来扩大”如用传感器补偿修正幅频或相频误差，扩大传感器使用范围（扩大幅频的平直段和相频的线性段）。如BK的REq-X=ResponseEqualisationeXtreme，最原始方法是将传感器的幅频曲线反转后和原曲线叠加（削峰填谷）成平直线，大大提高频率应用范围。同理相位补偿的非线性，使加速度计的使用频率上限由过去的0.3Fn(Fn—安装固有频率)扩展到0.5Fn。传感器安装有螺接（钢螺栓或绝缘螺栓）、胶接（胶或胶带）、磁座连接、（加探针后）手持等，钢螺栓螺接的频响范围最宽，用软件补偿使各种安装达到或接近钢螺栓螺接的频响范围。传感器的性能补偿(Equalisation)InstituteofVibrationEngineering振动工程研究所11数据采集系统（数采仪）数据采集系统包括模数转换器ADC，信号适调器，模拟抗混滤波器，模拟滤波器等，有些还有信号放大器模块和数模转换器DAC。数采仪同步采集多路(如多达256路)的各种形式传感器信号,传感器有自发电的（压电、磁电）,有需要提供恒流源（如2～20mA）或恒压源的,有规一化电流输出如4～20mA变送器(Transmitter),电流不受电缆长度影响,但测量时要用电阻转成电压的,有单端(传感器外壳接地)的,有双端(差分)的,有零频响应(如电容式加速度计,压阻式加速度计等)的,无零频响应(如压电式加速等度计)的，有应变计（金属或半导体）和压阻加速度计…,数采仪要能适应各种传感器。InstituteofVibrationEngineering振动工程研究所12一、信号适调包括：1.隔直或不隔直(AC/DC耦合),不隔直的通常以幅值降到0.707(-3dB)时的频率为最低频率。2.接地(信号单端输入)或不接地(信号双端即差分输入)，有些数采仪单端改差分时通道数降半。3.增益或衰减4.抗混滤波：模拟信号在时域按Δt间隔采样时，如Δt过大，频谱会混ALIASING)。按香农（Shannon）第一采样定理,用抗混滤波器按采样频率Fs(=1/Δt)的1/N(N≥2,可选2,2.56或4～10)作低通滤波即可以避免混迭。注：如N略大于2,虽无混迭,但时域波形常有失真如“斜削波”，“包络失真”(它形似包络但并非包络，也是削波),屏幕上快扫正弦(CHIRP)信号当频率变高时也常能看到“包络”，可加大N,或用SINC(CardinalSine=sin（πx）/（πx）)插值恢复原波形（详见香农第二采样定理）。数据采集系统（数采仪）InstituteofVibrationEngineering振动工程研究所13二、模数转换ADC1.有些多通道数据采集只用一个模数转换器ADC,采样/保持(S/H)后用多路转换器切换通道再转换,使各通道数据有时差。2.常用ADC有逐次逼近型和Sigma-Delta(Σ-Δ)型,后者可通过过采样等措施大大降低噪声。3.AD位数12位ADC,212=4096,最低有效位值LSB为满量程的0.0244%。16位ADC,216=25536,最低有效位值LSB为满量程的0.0015%24位ADC,224=16777216,最低有效位值LSB为满量程的0.000006%动态范围（分贝）可近似用位数乘6来估计。数据采集系统（数采仪）InstituteofVibrationEngineering振动工程研究所14数字信号处理（DSP）序言模拟信号处理回顾数字信号预处理：去除趋势,矩和时域统计量,微积分等数字信号处理一：幅值域分析数字信号处理二:时差域分析数字信号处理三:频率域分析数字信号处理四:希尔伯特变换及用途,实倒谱与复倒谱等InstituteofVibrationEngineering振动工程研究所15自1965年提出快速傅里叶变换FFT后,数字信号分析仪DSP彻底代替了模拟信号分析仪，计算机的飞跃发展使数字信号处理速度之快过去无法想象！90年代用Intel386/16PC机计算65000点的快速傅里叶变换FFT需要1100秒，现在用3.4GHz的P4机只要0.8s!几百G硬盘可以吞吐(Throughput)几百个传感器几十个小时的测试数据(如100G硬盘可记录64通道，每通道采样率为10kHz，数据的持续时间为23时)机外总线USB2.0(480MB/s)，FireWire=IEEE-1394a(400MB/s)，IEEE-1394b(800MB/s)和PCIExpress(3.2GB/s，等待即响应时间Latency为1微秒，比USB2.0或1394a快约一百倍，比以太网快一千倍)。序言InstituteofVibrationEngineering振动工程研究所16模拟信号处理回顾一、早期美国国标提出模拟信号处理方法1信号采集后对信号快览QUICKLOOK,了解a信号有无缺陷：过载引起的削波，欠载引起的信噪比(SNR)低劣,超差值(Outlier)，杂散尖峰(SpuriousSpikes，也称寄生尖峰)，丢失，零飘，重复或相关。b大约判断信号特征：确定性或随机，平稳或非平稳，持续(Sustained)或瞬态。2信号预处理3在三大域处理模拟信号a时差域：时差即相对时间τ(=t1-t2）相关分析（自相关，互相关，自协方差，互协方差，协方差是去均值的相关）。b幅值域：概率密度函数PDF，累积密度函数CDF。c频率域：傅里叶谱密度(V/Hz),功率谱密度(PSD,V2/Hz)，能量谱密度(ESD,V2s/Hz)。InstituteofVibrationEngineering振动工程研究所17二、信号的分类信号有多种分类方法如上述确定性或随机等,有一种分类很重要模拟信号(设单位为U)1.绝对可积信号x(t)2.平方可积信号x(t)3.均方可积信号x(t)数字信号(设x(t)单位为U)1.绝对可和信号x(t)2.平方可和信号x(t)3.均方可和信号x(t)平方可积或平方可和信号也叫能量(有限)信号。均方可积或均方可和信号也叫功率(有限)信号。模拟信号处理回顾InstituteofVibrationEngineering振动工程研究所18三、数字信号处理保留了这些方法,但有改变和发展：模拟信号离散成数字信号时一些措施和问题见附录一(从模拟信号到数字信号)1.时差域：(无限长模拟)正弦信号的自相关为(无限长模拟)余弦信号，有限长(N点)数字正弦信号的自相关为有限长(2N+1点)有三角形包络的余弦信号可用Bow-Tie（译为’男用蝴蝶结’，不译为’弓-结’!）修正。2.幅值域：连续信号的概率密度函数变成数字信号的直方图。连续信号的累积密度函数变成数字信号的累积直方图。3.频率域：因积分变求和。傅里叶谱密度变成傅里叶谱(离散谱线),功率谱密度变成功率谱(离散谱线)。为了和模拟信号比较,DSP也有功率谱密度(PSD,V2/Hz),但是阶梯型曲线。.模拟信号处理回顾InstituteofVibrationEngineering振动工程研究所19数字信号预