沈弘宇

龍泉一中2014級(jí)19班

關(guān)于信號(hào)處理中的數(shù)字處理方法分析

沈弘宇

龍泉一中2014級(jí)19班

為了能夠快速、準(zhǔn)確地計(jì)算出沖擊信號(hào)的峰值以及脈寬等重要參數(shù)，筆者開(kāi)發(fā)了一種通過(guò)先進(jìn)數(shù)字信號(hào)處理方式與計(jì)算機(jī)編程技術(shù)結(jié)合而成的沖擊信號(hào)數(shù)字化處理軟件，它能夠在短時(shí)間內(nèi)迅計(jì)算出沖擊信號(hào)對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)重要參數(shù)，并通過(guò)實(shí)際操作驗(yàn)證了這一軟件的實(shí)用性。本文圍繞沖擊信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成、數(shù)字信號(hào)處理方法在信號(hào)處理過(guò)程中的實(shí)際應(yīng)用、沖擊信號(hào)處理軟件的介紹三個(gè)方面展開(kāi)討論，對(duì)信號(hào)處理中的數(shù)字處理方法進(jìn)行了分析，并提出了一些作者自己的拙見(jiàn)，希望能夠?qū)窈蟮男盘?hào)處理工作提出一些理論建議。

信號(hào)處理 數(shù)字處理 波形

在實(shí)際工作當(dāng)中，我們經(jīng)常需要對(duì)沖擊信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)所收集的沖擊信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)處理來(lái)來(lái)獲取沖擊信號(hào)的峰值、脈寬等一系列重要參數(shù)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)階段，數(shù)字信號(hào)處理方式已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多樣化發(fā)展趨勢(shì)，市場(chǎng)上的信號(hào)數(shù)字處理方法種類(lèi)非常多，甚至還可以采用Wavestar、Origin、MATLAB等軟件來(lái)處理沖擊信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)中記載的波形數(shù)據(jù)，但是在眾多的方式之中，并沒(méi)有哪一種方法可以在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確地提供出具有一定精度的沖擊信號(hào)的測(cè)試數(shù)據(jù)。在本文中，筆者就針對(duì)如何通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理方式來(lái)實(shí)現(xiàn)沖擊信號(hào)分析處理過(guò)程的簡(jiǎn)化進(jìn)行了分析。

1 沖擊信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成

在實(shí)際工作當(dāng)中，出現(xiàn)頻率最高、使用最多的沖擊信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)如下圖1所示，它主要是由電傳感器、電荷擴(kuò)大器、示波器以及電源等部分構(gòu)成的。在對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試的過(guò)程當(dāng)中，首先應(yīng)由壓電傳感器對(duì)沖擊信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，再以此為基礎(chǔ)將其轉(zhuǎn)化成為電荷信號(hào)，隨后再借助高輸入阻抗的電荷放大器把電荷量轉(zhuǎn)化成為電壓量，最后將低阻向示波器中輸出。

圖1 沖擊信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

2 數(shù)字信號(hào)處理方法在信號(hào)處理過(guò)程中的實(shí)際應(yīng)用

沖擊信號(hào)處理方法種類(lèi)較多，在所有這些方法當(dāng)中，首先使用簡(jiǎn)單的移動(dòng)平均法針對(duì)采集到的信號(hào)實(shí)施平滑處理，再通過(guò)二次曲線(xiàn)擬合的方法實(shí)現(xiàn)深入的曲線(xiàn)擬合，是目前效果最好的數(shù)字信號(hào)處理方式，它能實(shí)現(xiàn)較理想的噪聲控制效果以及數(shù)據(jù)平滑效果。

2.1 如何對(duì)峰值進(jìn)行計(jì)算

在對(duì)沖擊波形進(jìn)行采集時(shí)，波形通常會(huì)跟隨著傳感器的不同而發(fā)生相應(yīng)的變化，一般情況下這些波形分為兩種，由正信號(hào)波形與負(fù)信號(hào)波形組成。在對(duì)沖擊信號(hào)進(jìn)行處理的過(guò)程中，首先必須針對(duì)沖擊信號(hào)統(tǒng)一實(shí)施歸口化處理，歸口化處理是指將所有波形統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為同一種形式，具體來(lái)說(shuō)就是將負(fù)信號(hào)波形轉(zhuǎn)化成為正信號(hào)波形。轉(zhuǎn)化方式如下：針對(duì)采集到的波形中每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)值進(jìn)行取補(bǔ)，通過(guò)數(shù)據(jù)取補(bǔ)這一操作可以快速實(shí)現(xiàn)所有負(fù)信號(hào)波形向正信號(hào)波形的轉(zhuǎn)換。波形在完成歸口化處理后，緊接著應(yīng)對(duì)其加速度峰值進(jìn)行計(jì)算，具體的加速峰值計(jì)算方法為：首先定位到最大數(shù)值所對(duì)應(yīng)的數(shù)值點(diǎn)DMAX，隨后從最大數(shù)值對(duì)應(yīng)的數(shù)值點(diǎn)向開(kāi)始點(diǎn)方向找一段距離，直到位置2（圖2），隨后將位置2作為起始點(diǎn)，再往后取一小段距離，將波形在MIN值左右浮動(dòng)作為界限直到位置3，計(jì)算位置2到位置3范圍內(nèi)每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的平均值，具體見(jiàn)圖2中虛線(xiàn)部位，最后用MAX值減去MIN值，兩者之間相減所得到的差值為加速度峰值，具體公式為df=dmax-dmin。

圖2 沖擊信號(hào)峰值的計(jì)算方式

2.2 如何對(duì)脈寬進(jìn)行計(jì)算

在對(duì)脈寬進(jìn)行計(jì)算時(shí)，首先應(yīng)確定好脈寬的起點(diǎn)位置以及終點(diǎn)位置。假設(shè)加速度峰值為1，當(dāng)峰值達(dá)到百分之八至百分之三十的范圍時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行移動(dòng)平均處理，隨后使用最小二乘法來(lái)進(jìn)行二次直線(xiàn)擬合計(jì)算，再計(jì)算出這一曲線(xiàn)中性點(diǎn)位置的切線(xiàn)方程。隨后延長(zhǎng)這一切線(xiàn)，延長(zhǎng)線(xiàn)與最小線(xiàn)的交界處就是脈寬的起始位置。按照上述這種方法還可以快速求出脈寬的終點(diǎn)位置。脈寬的起點(diǎn)位置1與終點(diǎn)位置2之間產(chǎn)生的間隔就是脈寬（如圖3所示）。我們?cè)趯?duì)脈寬進(jìn)行計(jì)算時(shí)，并沒(méi)有直接使用波形與MIN值線(xiàn)兩者的交點(diǎn)以及波形與零線(xiàn)兩者的交點(diǎn)作為脈寬的起點(diǎn)位置與終點(diǎn)位置，主要是因?yàn)椴ㄐ卧谏仙跗谶^(guò)程以及下降初期過(guò)程中均會(huì)經(jīng)歷一個(gè)平緩的過(guò)渡階段，如果直接使用它與MIN值線(xiàn)以及零點(diǎn)的交點(diǎn)來(lái)作為脈寬的起始位置與終點(diǎn)位置，很可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算出來(lái)的脈寬寬度過(guò)大現(xiàn)象，與實(shí)際情況產(chǎn)生嚴(yán)重的偏差，脫離實(shí)際，因此不會(huì)采取這種方式來(lái)確定脈寬起點(diǎn)位置與終點(diǎn)位置。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果說(shuō)明了通過(guò)以上方式計(jì)算得出的脈寬與實(shí)際波形脈寬的一致性較高。

圖3 沖擊信號(hào)脈沖寬度的計(jì)算方式

3 沖擊信號(hào)處理軟件的介紹

筆者嘗試使用了現(xiàn)階段便捷性最高的圖形用戶(hù)界面Graphic User Interface，GUI以及Visual Basic 5.0設(shè)計(jì)平臺(tái)、Visual C++開(kāi)發(fā)平臺(tái)，自行研發(fā)出了全套沖擊信號(hào)處理軟件，這一軟件包括了從數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)處理，到數(shù)據(jù)分析，再到打印輸出的全部過(guò)程，具有功能多樣性的特點(diǎn)。其中使用的數(shù)據(jù)處理方式包括了原始曲線(xiàn)的五點(diǎn)三次平滑數(shù)據(jù)處理方式、基于快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）的數(shù)字濾波處理方式、信號(hào)峰值計(jì)算以及信號(hào)脈寬的計(jì)算處理方式等。沖擊信號(hào)處理通常會(huì)按照下述流程來(lái)進(jìn)行：首先，通過(guò)沖擊信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并儲(chǔ)存；其次，將示波器中儲(chǔ)存的波形數(shù)據(jù)加載至信號(hào)處理軟件當(dāng)中；隨后，針對(duì)數(shù)據(jù)波形展開(kāi)平滑濾波分析；再次，對(duì)沖擊信號(hào)對(duì)應(yīng)的峰值以及脈寬等數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算；最后將所有數(shù)據(jù)通過(guò)打印的方式輸出。圖4為這一軟件對(duì)通過(guò)沖擊實(shí)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后的一個(gè)具體案例。

圖4 沖擊信號(hào)處理軟件輸出的具體數(shù)據(jù)案例

4 結(jié)束語(yǔ)

在對(duì)沖擊信號(hào)進(jìn)行處理的過(guò)程中，如果單一地應(yīng)用移動(dòng)平均以及二次曲線(xiàn)擬合相結(jié)合的數(shù)據(jù)平滑處理方式，確實(shí)能夠十分有效地緩解噪音所產(chǎn)生的影響；若能夠?qū)?shù)字信號(hào)這種現(xiàn)代化高效的處理方式與計(jì)算機(jī)編程技術(shù)有機(jī)地融合在一起使用，可以使沖擊信號(hào)分析處理工作更加簡(jiǎn)潔、快速，在最短的時(shí)間內(nèi)獲取有效的沖擊信號(hào)測(cè)試數(shù)據(jù)。

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