汽車試驗技術 課件 項目2 試驗數(shù)據(jù)采集與處理

項目二試驗數(shù)據(jù)采集與處理

要獲得準確的試驗數(shù)據(jù)，離不開精確的傳感器和測試系統(tǒng)。那么什么是傳感器呢？傳感器是一種檢測裝置，能感受規(guī)定的被測量，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求，它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)，有時也可以稱為換能器、檢測器、探頭等。例如，汽車上就布置了形形色色的傳感器（見圖2.1）。圖2.1汽車傳感器分布2.3.1模擬信號與數(shù)字信號一個完整的測量系統(tǒng)從物理設備角度上講應包括：被測結構、傳感器、導線、信號調理（這個設備也有可能集成在數(shù)據(jù)采集儀中）、數(shù)據(jù)采集儀和控制分析軟件（見圖2.2）。圖2.2完整的測試系統(tǒng)

被測結構上因受到激勵產生的物理量被傳感器感知到，從而以模擬量的形式輸出給信號調理儀，然后進行抗混疊濾波，濾掉不感興趣的高頻成分，再進行模數(shù)轉化，最后輸出時域數(shù)據(jù)文件。在模數(shù)轉化前，數(shù)據(jù)為模擬信號，經(jīng)過模數(shù)轉化后，模擬信號轉換成了計算機能處理的數(shù)字信號。2.3.1模擬信號與數(shù)字信號

模擬信號是指在時間和幅值上都是連續(xù)變化的信號。表征的物理量是連續(xù)變化的，如某個位置的振動加速度、背景噪聲、溫度等。許多傳感器輸出的信號都是連續(xù)的模擬信號，但是模擬信號不能用于計算機處理。

數(shù)字信號指時間和幅值的取值都是離散的，用有限個離散的數(shù)字來表征連續(xù)變化的信號，則稱為數(shù)字化。通常這些離散的數(shù)字用有限位（bit）的二進制數(shù)（0和1）來表示，方便計算機處理。2.3.1模擬信號與數(shù)字信號

如圖2.3所示，隨時間變化的連續(xù)信號為模擬信號，為了方便在計算上處理這個信號，需要將它轉化為數(shù)字信號，也就是從時間軸上對它進行采樣。用圖中虛線對模擬信號進行離散，虛線與模擬信號的交點視為離散的采樣數(shù)據(jù)點，這些采樣點之間的信息是沒有的，因此，采樣時會丟失很多信息。圖2.3模擬信號與數(shù)字信號2.3.1模擬信號與數(shù)字信號感謝聆聽項目二試驗數(shù)據(jù)采集與處理

采集到的信號都是隨時間變化的數(shù)字信號，如圖2.4所示為加速度隨時間變化曲線。這個信號橫軸為時間（time），也就是說信號的幅值隨時間變化，因而，可以說信號是時間的函數(shù)，因此，把這個信號稱為時域信號。故，時域是指以時間為變量的函數(shù)所在的域。圖2.4時域信號2.3.2頻域信號與時域信號

對時域信號進行快速傅里葉變換（FFT），得到的結果是幅值隨頻（frequency）的變化曲線（見圖2.5），也就是以頻率為變量的函數(shù)，因此，頻域是指以頻率為變量的函數(shù)所在的域。圖2.5頻域信號2.3.2頻域信號與時域信號

舉個簡單的例子，對于對常見的正弦波時域信號（見圖2.6中上方曲線），假設它的周期是固定值T，由于周期的倒數(shù)是頻率，因此它的頻率也為固定值f。故，經(jīng)過FFT變換后，將這個時域信號轉變?yōu)轭l域信號，就是近似于在橫坐標等于f時的一根垂直的直線，這稱為線譜。圖2.6正弦波時域信號和頻域信號對照2.3.2頻域信號與時域信號感謝聆聽項目二試驗數(shù)據(jù)采集與處理時間分辨率△t與采樣頻率

對時域信號（見圖2.7中曲線）進行采樣時，兩個采樣點（見圖2.7中黑點）之間的時間差稱為時間間隔或者時間分辨率（△t），用來表征采樣快慢的參數(shù)稱為采樣頻率，單位為Hz，它表示每秒鐘采集多少個樣本點（或數(shù)據(jù)點）。時間分辨率大小等于采樣頻率的倒數(shù)。例如，采樣頻率為1000Hz，則表示每秒鐘采集1000個樣本點，采兩個樣本點的時間間隔為1ms。因此，采樣頻率越高，時間分辨率越小，采集到的信號越接近真實信號。圖2.7時域信號采樣的時間分辨率2.3.3試驗數(shù)據(jù)處理常用術語

由上面分析可知，采樣頻率是避免信號失真的重要參數(shù)。那么怎么設置采樣頻率才算合理呢？

根據(jù)采樣定理要求，采樣頻率至少是關心的最高頻率的2倍，假設說關心的最高頻率為500Hz，則采樣頻率至少為1000Hz。這樣只是保證信號的頻率不失真，但并沒有保證信號的幅值不失真，如果按采樣定理來設置采樣頻率，那么，高頻信號的幅值肯定會失真，低頻信號的幅值可能會也失真。如果關心幅值，采樣頻率應大于10倍的信號頻率才不會引起明顯的幅值失真。2.3.3試驗數(shù)據(jù)處理常用術語譜線與頻率分辨率△f

我們已經(jīng)明白采集到的時域信號是離散的，兩個時域數(shù)據(jù)點的時間差稱為時間分辨率。同理，時域信號經(jīng)過FFT變換后得到的頻域信號（頻譜）也是離散的，相鄰兩條譜線的頻率差或頻率間隔稱為頻率分辨率（△f）。FFT計算得到的結果只位于頻率分辨率的整數(shù)倍處，也就是譜線處，其他地方無結果，如圖2.8所示。假設圖中的虛線為譜線，各條譜線對應的頻率為頻率分辨率的整數(shù)倍。計算得到的頻譜結果只位于這樣的譜線處。圖2.8頻譜圖2.3.3試驗數(shù)據(jù)處理常用術語

頻率結果只能位于各條譜線上，譜線與譜線之間是沒有結果的，頻譜的這種離散效應，稱為柵欄效應。就好像人們通過籬笆看外面的世界一樣，只能通過相鄰兩塊籬笆之間的縫隙看到外面的世界，而籬笆卻擋住了人們的視線。那么，相鄰兩塊籬笆之間的縫隙比擬為頻譜圖中的譜線，也只有譜線上才有數(shù)據(jù)，譜線之間的區(qū)域是沒有結果的，如圖2.9所示，只有譜線上才有頻率結果，最后的頻譜曲線是根據(jù)這些譜線上的點連成的實線。

頻率分辨率越大，相鄰譜線間隔越遠，因此，求得的頻率誤差越大。FFT分析時，頻率誤差最大不會大于半個頻率分辨率。因為頻率也是按四舍五入的原則歸到最近的譜線上。頻率分辨率的倒數(shù)為做一次FFT所截斷的時域信號的長度T，也就是一幀數(shù)據(jù)長度。當頻率分辨率越小時，必然一幀數(shù)據(jù)的長度很大。因此，在做FFT計算時，不能設置過小的頻率分辨率，也不能設置過大的頻率分辨率，頻率分辨率過大可能導致頻率誤差加大。2.3.3試驗數(shù)據(jù)處理常用術語信號截斷

一次FFT分析截取1幀長度的時域信號，這1幀的長度總是有限的，因為FFT分析一次只能分析有限長度的時域信號。而實際采集的時域信號總時間很長，因此，需要將采樣時間很長的時域信號截斷成一幀一幀長度的數(shù)據(jù)塊。這個截取過程叫做信號截斷。

假設有一段10s的時域信號，取1幀的長度T=1s，無重疊，則該信號將被截斷為10幀，如圖2.10所示。圖2.10信號截取2.3.3試驗數(shù)據(jù)處理常用術語

信號截斷分為周期截斷和非周期截斷。周期截斷是指截斷后的信號為周期信號，而非周期截斷是指截斷后的信號不再是周期信號，哪怕原始信號本身是周期信號。（1）周期截斷

周期信號最明顯的特征是信號的起始和結束時刻的幅值相等，哪怕是一個周期。在這假設采樣時間很長的信號為單頻正弦波（周期信號），若1幀的時間長度等于這個正弦波周期的整數(shù)倍，那么，截斷后的信號仍為周期信號。取1幀的時間長度T等于原始信號的1個周期長度，那么截斷后的信號仍為周期信號，如圖2.11所示。將這個截斷后的信號再重構，可以得到原始的正弦波，如圖2.12所示。圖2.11周期信號的截斷圖2.12周期信號的重構2.3.3試驗數(shù)據(jù)處理常用術語（2）非周期截斷

倘若信號截斷的長度不為原始正弦信號周期的整數(shù)倍，那么，截斷后的信號則不為周期信號，哪怕原始信號是周期信號。并且現(xiàn)實世界中，我們進行FFT分析時，絕大多數(shù)情況都是非周期截斷。

對之前的正弦信號進行非周期截斷，如圖2.13所示。截斷后的信號起始時刻和結束時刻的幅值明顯不等，將這個信號再進行重構，在連接處信號的幅值不連續(xù)，出現(xiàn)跳躍，如圖中黑色圓圈區(qū)域所示。圖2.13非周期信號的截斷與重構2.3.3試驗數(shù)據(jù)處理常用術語（3）泄漏

分別將圖2.12和圖2.13中周期截斷信號和非周期截斷信號進行FFT變換，獲得的頻譜圖見圖2.14。對比一下周期截斷信號的頻譜與非周期截斷信號的頻譜可以看出，后者頻譜的幅值更小，導致頻譜在整個頻帶內發(fā)生了拖尾現(xiàn)象，這就稱為泄漏。當截斷后的信號不為周期信號時，就會發(fā)生泄漏。而現(xiàn)實世界中，在做FFT分析時，很難保證截斷的信號為周期信號，因此，泄漏不可避免。圖2.14重構時域信號的頻譜圖2.3.3試驗數(shù)據(jù)處理常用術語（4）加窗

為了將這個泄漏誤差減小到最小程度（注意是減少，而不是消除），我們需要使用加權函數(shù)，也叫窗。

信號截斷時，只能截取一定長度，哪怕原始信號是無限長的，因此，好像是用一個“窗”（確切地說更像個“框”）去作這樣的截取了。如圖2.15所示，原始信號是周期信號，時間很長，截取時用一個長度不為原始正弦信號周期的整數(shù)倍“窗”去截取這個周期信號，截取得到的信號如圖中下部所示。圖2.15原始信號和時間窗截斷后的信號2.3.3試驗數(shù)據(jù)處理常用術語

當然這個“窗”是一個單位權重的加權函數(shù)，稱為“矩形窗”。這個“窗”外的信號是看不到的，只能看到窗內的信號，這就好比通過窗戶看外面的世界，世界很大也很精彩，您能看到的只是位于窗內的世界，而窗外的世界，您是看不到的。因此，這就是為什么這樣的加權函數(shù)被稱為窗函數(shù)的真正原因。這樣稱呼，更為直觀形象。

上圖中用于截取信號的時域截取函數(shù)（就是上圖中的那個“窗”）就稱為窗函數(shù)，它是一種