*1MEASUREMENTINFORMATIONSIGNALANALYSISINMECHANICALENGINEERING機械工程測試?信息?信號分析

機械科學與工程學院機械電子信息工程系*2前言1、研究生階段學習目標、職業規劃：導師、研究課題的選擇：學習習慣：3個半小時/天，恒為人，心態：誠，平和、淡定……2、國際化？3、參考教材奧本海默信號與系統吳湘淇信號、系統與信號處理杜潤生本科生教材專題研究參考書*3前言4、學習工具軟件MatlabMiniDRV5、講課內容4個專題講座:專題1時頻分析專題2小波分析專題3高階譜分析專題4Hilbert-Huang變換6次工程測試實踐Tips6、實驗*4教材教材[1]盧文祥，杜潤生。《機械工程測試·信息·信號分析》（第三版），武漢：華中科技大學出版社，2014.5。[2]盧文祥，杜潤生。《機械工程測試·信息·信號分析習題例解》，華中科技大學教材科，2003。*5參考資料及相關數學知識參考資料TP14信息、信號類TN911信號系統類相關的數學知識1.

積分變換2.概率論與數理統計3.隨機過程*6一、課程簡介名稱：機械工程測試·信息·信號分析測試具有試驗性質的測量工程測試工程中物理量為研究對象的測試機械工程測試應用背景廣泛的機械領域信息事物運動的狀態和方式(工程測試及其信號分析的根本目的，一言以蔽之，信息也，即工程物理量的運動狀態和方式，進而再挖掘工程機械的運動狀態和方式)信號信息的載體（工程中物理量的定量表達，表達方式可以有許多種）信號分析研究信號的構成和特征（從數學的角度對定量表達分析構成和特征，說得有玄了。）以信息為核心，研究工程中信息的獲取。課程的理論基礎：信息理論。主要研究內容：工程信息的獲取、傳輸、轉換、分析、變換、處理、顯示及應用。*7內容安排（一）信息論基礎第三章第四章§5—1§6—1（二）信號分析第二章§5—2§5—3§6—2~§6—5第七章第八章第九章第十章（三）信號分析設備第十一章（四）機械工程中的信號分析技術第十二章（五）實驗MatlabMiniDRVI何嶺松教授專題：高階統計分析；非線性、非平穩信號處理（時頻、小波分析、Hilbert-Huang變換）；二選一？每次課后：測量、控制實踐-抗干擾、接地、傳感器、調理、信號處理*8考核評分標準考核評分標準平時成績20%？作業20%

？實驗？期末考試60%考試方式待定*9二、工程測試方法測試對象的特征動態被測量是時間

t

的函數f(t)（f(t)就是動態？能如此定量表達的都可以用這種方法分析？誰得出的結論？）測試方法非電量電測法（為什么要用電測法？答案是電磁波嗎？目的是控制。）信源被測對象力聲音溫度位移速度加速度應用被控對象控制控制算法傳感器一次儀表壓力傳感器話筒熱電阻渦流傳感器磁電傳感器壓電傳感器傳輸變換二次儀表傳遞信號電壓電阻電流電感電荷信號分析預處理及處理

提取信息時域

頻域幅值域高階統計分析非線性、非平穩*10例：電機振動測量及頻譜分析*11圖電動機在線識別在某電動機生產線上，利用頻譜診斷技術實現電動機在線自動識別、分類的過程。例：電機故障診斷*12例：電機故障診斷實驗步驟具體檢測步驟如下：（1）將裝有微型加速度計的測頭接觸傳送帶上運送的電動機；（2）檢測電動機的振動信號，經放大器后輸入FFT分析儀；（3）將檢測得的振動頻譜與預先在分析儀中設定的判別譜進行比較；（4）進行合格與否判斷，輸出判斷信號。*13例：電機故障診斷實驗結果上圖分別為典型合格品與廢品的振動頻譜。圖中可看出，廢品的頻譜圖中往往在某一頻率有較大的幅值。*14第二章信號分析基礎主要內容一、信號的概念二、信號的描述三、信號的分類四、信號處理的目的、步驟五、典型信號介紹六、信號的基本運算*15一、信號的概念信號是反映（或載有）信息的各種物理量，是系統直接進行加工、變換以實現通信的對象。

信號是信息的表現形式，信息則是信號的具體內容。傳輸信息的載體稱為信號自然和物理信號例如：語音、圖象、地震信號、生理信號等實例：雨聲、地震信號*16一、信號的概念自然和物理信號例如：語音、圖象、地震信號、生理信號等實例：人的心音，弓頭鯨發出的聲音圖正常心音時域波形圖圖房室隔缺損病人心音時域波形圖印尼大地震震前次聲異常信號分析*18印尼大地震震前次聲異常信號分析2004年12月26日印尼蘇門答臘島附近印度洋海域的地震震級高達9.0(MW9.0)*19一、信號的概念人工產生的信號例如：雷達信號、通訊信號、醫用超聲信號、機械探傷信號等實例：雷達信號、機械聲音*20二、信號描述方法-數學數學描述使用具體的數學表達式，把信號描述為一個或若干個自變量的函數或序列的形式。因此，常可將“信號”與“函數”和“序列”等同起來*21信號描述方法-時域波形波形描述函數的圖象稱為波形用被測物理量的強度作為縱坐標，用時間做橫坐標，記錄被測物理量隨時間的變化情況。橫坐標為時間或整數。0At*22信號描述方法-波形繪制波形*23信號描述方法-頻譜圖橫坐標為頻率：ω(Ω),f*24信號描述方法-時頻分析時間頻率能量STFTTheinstantaneousfrequencyincreaseslinearlywithtime*25信號描述方法-時頻分析1信號由三個不同頻率的正弦波組成，但頻率在不同的時候存在時間頻率*26信號描述方法-時頻分析弓頭鯨發出聲音的聯合時頻分布曲線時間頻率能量/brp/listen-to-project-sounds/soundfiles/BowSong2000.au弓頭鯨發出的聲音*27三、信號的分類1.按能否用明確的數學關系式描述分類確定性信號非確定性信號2.按信號的功率和能量是否有限分類功率信號能量信號3.按函數的自變量存在范圍分類時限信號頻限信號物理可實現信號4.按自變量是否連續分類連續信號離散信號*28三、信號的分類按能否用明確的數學關系式描述分類時域分析信號確定性信號非確定性信號周期信號非周期信號簡單周期信號復雜周期信號準周期信號瞬態非周期信號平穩隨機信號非平穩隨機信號各態歷經信號非各態歷經信號①FS??②FT??③功率譜非高斯信號高階譜分析④專題時頻分析小波分析獨立變量Hilbert-Huang變換*29三、信號的分類確定信號與非確定性信號要點：給定的自變量的值，是否可以唯一確定信號的取值。區分方法：任意給定一個自變量的值，如果可以唯一確定其信號和取值，則該信號是確定信號，否則，如果取值是確定的隨機值，則是隨機信號。非平穩隨機信號是非確定性信號。*30三、信號的分類周期信號與非周期信號經過一定時間可以重復出現的信號，滿足條件T—周期，T＝2/0,

0—基頻;n＝0，土l，….周期T(正值)，最小T值。非周期信號可以視為是周期T無窮大。例，機械系統回轉體不平衡引起的振動信號是周期性的。簡單周期信號:正余弦信號復雜周期信號*31三、信號的分類非周期信號瞬變非周期信號非周期信號往往具有瞬變性。準周期信號組成信號的各頻率相互間不是公倍關系，合成信號不滿足周期條件*32三、信號的分類瞬態信號:持續時間有限的信號，如*33三、信號的分類非確定性信號噪聲信號(平穩)統計特性變異噪聲信號(非平穩)*34三、信號的分類非確定性信號-平穩隨機信號統計特征參數不隨時間變化的隨機信號，概率密度函數為正態分布集平均與子集平均┆*35三、信號的分類平穩隨機信號-各態歷經信號若一個平穩隨機信號的集平均等于任一子集的時間平均值，則稱為各態歷經信號。集平均*36三、信號的分類時間連續信號與時間離散信號信號的自變量是否在整個連續區間內都有定義?定義域連續？NO時間離散信號YES時間連續信號通常被稱為“序列”時間離散信號:在若干時間點上有定義采樣信號時間連續信號:在所有時間點上有定義*37三、信號的分類模擬信號與數字信號模擬信號的定義域和值域都有是連續的；數字信號在定義域和值域都是離散的。適合于計算機處理*38三、信號的分類因果信號與非因果信號如果信號在時間零點之前，取值為零，則稱為因果信號，為物理可實現信號，又稱為單邊信號，滿足條件：t<0時，x(t)=0，即在時刻小于零的一側全為零。

表示信號不能在過去存在(有值)！也表示信號的產生是符合邏輯的！*39三、信號的分類因果信號與非因果信號不是因果信號，就是非因果信號。在時間零點之前信號有值（或存在），則稱為反因果信號，是物理不可實現信號：在事件發生前(t<0)就預知信號。*40三、信號的分類能量信號與功率信號信號的能量定義為：所分析的區間（-∞，∞），能量為有限值的信號稱為能量信號，如一般持續時間有限的瞬態信號。離散時間信號連續時間信號*41三、信號的分類能量信號與功率信號信號的功率定義為：在所分析的區間（-∞，∞），能量不是有限值。研究信號的平均功率更為合適。如：一般持續時間無限的信號離散時間信號連續時間信號*42三、信號的分類時限信號與頻限信號時限信號矩形脈沖、三角脈沖、余弦脈沖時域有限信號：在時間段(t1，t2)內有定義，其外恒等于零。

三角脈沖信號時域無限周期信號、隨機信號、指數衰減信號頻域無限白噪聲頻域有限信號：在頻率區間(f1，f2)內有定義，其外恒等于零。正弦波幅值譜頻限信號正弦信號、限帶白噪聲*43三、信號的分類實值信號與復值信號如果信號的取值是實數，則稱為實值信號。如果信號的取值是復數，則稱為復值信號。復信號是為了研究方便而引入的復值信號：RichardLyons:QuadratureSignals:Complex,ButNotComplicated.*44四、信號處理及其目的信號處理對信號進行提取、變換、分析和綜合等處理過程的統稱。信號處理的目的去偽存真特征抽取編碼解碼去除信號中冗余的和次要的成分，包括不僅沒有任何意義反而會帶來干擾的噪音。把信號變成易于進行分析和識別的形式。把信號變成易于傳輸、交換與存儲的形式（編碼），或從編碼信號中恢復出原始信號（解碼）。*45四、數字信號處理的步驟模數轉換ADC自變量(時間)和幅值同時離散化保證信息不丟失的理論基礎是：采樣定理數字信號處理DSP變換域分析、數字濾波、識別、合成數模轉換DAC數字信號還原為模擬信號*46五、典型信號-指數信號(1)指數信號：重要特性：其對時間的微分和積分仍然是指數形式。單邊指數信號通常把稱為指數信號的時間常數，記作

,代表信號衰減速度，具有時間的量綱。l

指數衰減,l

指數增長l

直流(常數),KOOt1()tf*47典型信號-正余弦信號(2)正余弦信號：余弦信號與正弦信號相位上相差π/2，統稱為正弦型信號（簡稱正弦信號）。工業和照明用電信號說明：(1)K為振幅(2)ω為角頻率(3)θ為初相位正弦信號余弦信號重要特性：正弦信號對時間的微分與積分仍然是同頻率的正弦信號。*48典型信號-單位沖激信號(3)單位沖激信號δ(t)

：信號定義：←非常規的定義方法引入原因：描述自然界中那些發生后持續時間很短的現象，1930年狄拉克量子力學。廣義函數。函數極限角度看函數面積角度看*49典型信號-單位沖激信號(3)單位沖激信號δ(t)

：理想函數，物理不可實現信號δ函數在原點為無窮大；單位為1(或任意數k)；沖擊力無窮大，沖擊能量為有限值波形表示：在沖激點處畫一條帶箭頭的線，線的方向和長度與沖激強度的符號和大小一致。沖激點在t0、強度為E的沖激信號*50典型信號-單位沖激信號特點：1）乘積特性（抽樣）對信號的抽樣經常用到沖激串*51典型信號-單位沖激信號特點：2）積分特性（篩選）3）卷積特性*52典型信號-單位沖激信號特點：4）對稱性：偶函數5）時域壓擴性*53典型信號-單位沖激信號δ函數變換：1）拉氏變換2）傅氏變換*54典型信號-單位采樣序列定義：n=0；單位延時k延時

*55典型信號-Sinc函數(4)Sinc(Sa)函數：閘門（抽樣）函數矩形脈沖的頻譜為sinc(t)型函數濾波函數任意信號與s