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【關鍵詞】希爾伯特-黃變換(HHT) 固有模態函數(IMF) 振動信號 非平穩信號
遙測速變參數記錄了飛行器飛行過程中彈體內各艙體的振動、沖擊以及噪聲等環境參數。對飛行器的環境參量(振動和沖擊)進行分析是評價飛行器安全性和可靠性的重要環節。對這類信號的處理通常以傅里葉變換為基礎,從時域和頻域來描述信號的特性。但是,快速傅里葉變換是一種全局變換,只能分析頻率不隨時間變化的線性、平穩信號,對行器飛行過程中產生的振動和沖擊信號卻是非線性、非平穩信號,則不能充分描述信號的變化規律,即無法表示信號的時頻局部特性。
HHT方法是一種用于對非平穩信號進行分析的新方法。它隨著社會科學技術水平的不斷提高而產生并且發展進步的,它和傳統的用于非平穩信號分析的傅里葉分析方法相比較,更加準確并且實用性更高。HHT能夠將信號經過經驗模態分解以及固有模態函數分析,達到對信號的平穩處理的效果。為此,本文基于全新固有模態函數IMF利用HHT原理進行篩選停止條件下的異常振動信號進行分析探索,以期更好的解釋LabVIEW的HHT模塊的科學性和合理性。
1 變換原理與模塊設計
1.1 希爾伯特-黃變換(HHT)原理
HHT分析法的主要原理有經驗模態分解(EMD)以及希爾伯特變換這兩個部分,其中經驗模態分解(EMD)主要是用于對非平穩信號的自適應分解,從而使之滿足固有模態函數IMF的要求,以經驗模態分解為基礎,再利用希爾伯特變換構造出新的函數解析式,從而求得IMF分量的瞬時幅值以及瞬時頻率。最后再利用計算得到的瞬時幅值和瞬時頻率對頻譜隨著時間的變化進行描述。
1.2 LabVIEW的HHT模塊設計
HTT的定義為:
(1)
式中,瞬時頻率為各IMF經過AM-FM分解后的FM部分經過直接正交計算所得的,為相應IMF的AM部分幅值。三維時頻能量譜為隨時間和瞬時頻率的分布。
基于LabVIEW平臺開發的主程序主要包括7個子程序,分別是極值包絡、IMF判斷、包絡均值、斷點修復、余量判斷、Hilbert譜計算以及邊際譜計算。上下包絡圖采用三次樣條插值方法進行計算;IMF篩選停止條件應基于余量剔除方法進行。
2 非平穩振動信號分析
2.1 非平穩信號的相關概念
非平穩信號的均值、方差及自相關函數等特征及頻譜隨時間變化。頻率隨時間變化的信號又稱時變信號。因此,也可以將頻率隨時間變化的信號稱為非平穩信號。比較常用的非平穩信號是線性調頻信號(LFM),典型LFM信號的表示如下:
(2)
現在我們觀察一下線性調頻信號的時域波形,瞬時頻率f(t)=f0+kt,其中f0表示信號的初始頻率,k表示信號頻率的改變速度,k0時頻率隨時間遞增。如圖1所示,可以看出LFM信號的時域波形隨時間變化越來越快,如圖2所示。可以看出LFM信號的頻率隨時間呈線性變化。
2.2 經驗模態分解
用EMD方法從信號中提取固有模態函數(IMF),突出了原信號的局部特征信息。固有模態函數(IMF)所要滿足的判斷條件:
(1)整組數據極值點和過零點的數目相同或者最多相差一個;
(2)局部極大值包絡線和局部極小值包絡線的平均值為0。
在實際信號的處理過程中,完全滿足第二個條件是不現實的,所以只要二者的平均值小于一個預先確定的小量即可。根據定義,可以采用如下方法分解函數:
(1)尋找到信號所有的局部極大值并用三次樣條函數插值連接獲得上包絡線;
(2)同樣的方法連接局部極小值點作為下包絡線。
設信號s(t)上下包絡線的均值為m(t),由s(t)減去m(t)得到c(t),如果c(t)同時滿足上述兩個條件,則認為c(t)是從原信號中分解出的一個IMF分量。如果不滿足條件,則對c(t)重復上述相同的過程直至滿足條件為止,即認為分解出了一個IMF分量。把原信號減去分解出的IMF分量,再對剩余量重復前述過程,最終將原信號分解為一組振蕩的IMF與一個剩余直流分量r的和。
(3)
式中,為原振蕩信號中各固有振蕩模態分量;為原信號中的直流分量。上述的完整過程稱為低頻振蕩信號的EMD分解.
2.3 HHT譜及邊際譜
對式(3)的每一個IMF作HT變換后累加得
(4)
這里省略了殘差函數,Re表示取實部。表達式(4)稱為HHT譜。
信號幅度a(t)與瞬時頻率ω(t)都是時間的函數,因此可把幅度顯示在頻率-時間平面上,即構成了HH幅度譜,HH譜精確地描述了信號的幅值在整段上隨頻率和時間變化的規律。由于能量可用振幅的平方來描述,因此H(ω,t)也在一定程度上反映了信號能量在頻率(或時間)各種尺度上的分布規律。HHT譜H(ω,t)確定以后,就可以利用下式對時間積分得到HH邊際譜:
(5)
HH邊際譜提供了每一個頻率值所對應的總幅度值,在統計意義上表征了整個時間跨度內信號在每個頻率點上能量累積的分布情況。
3 仿真分析以及仿真研究
諧波是指對周期交流信號進行傅立葉分解后得到的頻率不為基波頻率的分量。諧波的危害十分嚴重,諧波檢測是諧波問題中的一個重要分支,準確、實時檢測出瞬態變化的畸變電流、電壓,對抑制諧波有著重要的指導作用。本文諧波分析檢驗基于LabVIEW的HHT變換模塊的正確性。
3.1 受諧波干擾的信號經過hht變換求邊際譜
信號采樣點數1001個,采樣頻率為1000Hz,基波為10Hz的正弦波,在0.5s時產生了50Hz的諧波干擾,通過HHT可以求出邊際譜,從圖3中可以清晰看出信號具有10Hz和50Hz的頻譜。
3.2 諧波信號分析
原信號為10Hz的基波和其20Hz的諧波,從圖4可以看出,進過EMD分析,已經從原信號中分離出來。
3.3 在干擾中提取信號
原信號為頻率為10Hz的正弦信號,被高斯白噪聲干擾,信噪比為20dB, 經過小波和EMD分解,從圖6中可以看出,只使用HHT理論的前面部分EMD分解,不經過后面的HT變換,已經可以得到了基波,比小波變換更簡單,更節省計算量。小波分解在a6可以看到原信號的波形,EMD分解在IMF6部分可以看到原波形,結果非常理想。
采用Hilbert變換法計算瞬時頻率,極易在分析過程中產生毫無價值的負頻率,而基于IMF分解則可以解決瞬時頻率的計算問題,以便于對振動信號進行分析。在分析過程中,把IMF唯一地分成包絡部分AM和載波部分FM兩種組成部分。借助對載波部分FM的標準化分析,直接將DQ進行計算,得到局部化、實用性強的能量誤差。基于經驗的AM-FM分解能夠獲得IMF信號的正交項,跳過了采用希爾伯特變換計算瞬時頻率的過程。從而不必使用微積分等復雜方式,沒有HHT變換的基礎上,直接對瞬時頻率進行計算,且計算不受臨近點的影響。
4 結語
采用圖形化語言對HHT模塊進行開發,利用一種全新的固有模態函數IMF篩選停止條件下替代目前篩選停止條件,采用IMF固有模態函數對速變振動數據進行分析。換言之,基于篩選停止條件下的固有模態函數開發的模板在信號分析處理上更加合理,更能夠滿足振動測試所需的要求。最后,瞬時頻率是分析振動信號的重要依據。采用AM-FM分解的IMF固態自有模態函數,能夠相較于Hilbert以及SD更好的變換,從而避免負頻率現象的發生。
參考文獻
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關鍵詞:ICT測試;自動測試;測試治具
中圖分類號:TP274.5 文獻標識碼:A 文章編號:1674-7712 (2014) 12-0000-01
在線測試,ICT,In-Circuit Test,是通過對在線元器件的電性能及電氣連接進行測試來檢查生產制造缺陷及元器件不良的一種標準測試手段。它主要檢查在線的單個元器件以及各電路網絡的開、短路情況,具有操作簡單、快捷迅速、故障定位準確等特點。
通過直接對在線器件電氣性能的測試可以發現制造工藝的缺陷和元器件的不良。組件類可檢查出組件值的超差、失效或損壞,Memory類的程序錯誤等。對工藝類可發現如焊錫短路,組件插錯、插反、漏裝,管腳翹起、虛焊,PCB短路、斷線等故障。
測試的故障直接定位在具體的組件、器件管腳、網絡點上,故障定位準確。對故障的維修不需較多專業知識。采用過程控制的自動化測試,操作簡單,測試快捷迅速。
一、ICT測試原理
ICT測試治具通過探針檢測PCB上的被測點,實際上等同大量高級測試儀表的組合,探針相當于萬用表表筆,利用夾具上大量的探針分別去測試PCB上的元器件,原理示意圖如下:
圖1
(一)電阻測試。二點測試法是最常用的方法,用表去測電阻所采用的方法就是用二根探筆去測試,通過歐姆定律,即可測試大小。實際上用萬用表在電路板上直接去測試電阻數值時,往往會與真實值不符,其原因是被測電阻(或電容)在電路板上會與相連的其它組件構成電路網絡,使得萬用表不能直接測試。為了解決上述問題,可以采用三點測試法。即在被測點外,添加補償驅動器,是用運算放大器組成1:1跟隨器。一般電路網絡中,采用三點補償已可以很好隔離被測組件。另外,一般小電阻如0.1Ω~10Ω測量時會受到測試線纜和探針接觸不良的影響,若需較精確的測試,就須用四線測量,而四線測量就可以解決這些問題。
(二)二極管測試。一般的二極管測試PN結采用的測量方式為:提供一個3mA或20mA的固定電流及0V-10V程控電壓源直接加在二極管兩端,并輸入該二極管正向導通所需電壓來測試即可。
(三)Open/Short測試。開路和短路測試即以阻抗判定,一般情況下,R55Ω判為Open。
二、ICT測試在自動測試中的應用
目前信號處理板PCB上的貼片封裝IC很多,而在測試中又需要對其進行測試,針對貼片型IC的測試難以完整檢測的問題,就可以應用ICT測試技術。
應用ICT測試可以消除對下一測試工位存在的潛在危險(例如短路),提高出貨成品的良率,并提供測試報告,幫助測試人員快速維修,除此之外,采用合理的設計,還可以對EEPROM,FLASH,CPLD/FPGA進行在線編程,不需另購燒錄器。
針對被測PCB及其被測點設計測試治具,將被測點通過測試探針引出,通過測試儀器,根據指標進行測試,例如檢測IC管腳開路,首先把管腳通過測試探針引出到儀器上,通過輸入一個300mV、10KHz的信號,同時系統檢測此信號經濾波及放大后的信號,若此測試腳焊接不良,信號將無法傳到,系統接收到的信號將趨近于零。
這樣,通過對測試系統植入源代碼分析程序,只要連接好測試治具,測試系統通過儀器就能檢測出被測點的測試信息,實現自動測試。
三、ICT測試缺陷及展望
當然ICT在自動測試中對PCB板能做出高效的多點的測試,但畢竟不是萬能,有些測試點功能也沒有辦法測試,比如單端被測點的線路短路,并聯大10倍以上大電容的小電容,并聯小20倍以上小電阻的大電阻,IC的功能測試等。同時,ICT測試夾具也有很高的精度要求,PCB板定位柱要保持穩固,以免造成探針觸位偏離焊盤,治具探針有良好的接觸新能,針床的結構設計要能符合PCB的測試點檢測要求,同時要保持良好的探針壓入度,避免損壞PCB。
四、結束語
ICT測試通常是生產中第一道測試工序,能及時反應生產制造狀況,利于工藝改進和提升。ICT測試過的故障板,因故障定位準,維修方便,可大幅提高生產效率和減少維修成本。因其測試項目具體,是現代化大生產品質保證的重要測試手段之一。
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英國倫敦血栓形成研究所的科學家維吉?卡克爾在對200人進行了為期一年的跟蹤測試后得出結論:常洗冷水浴或進行冬泳有益于人體健康和長壽。
到底有哪些好處呢?醫學家們歷數了冷水浴的種種好處。
增加機體耐寒能力。進行冷水鍛煉,特別是冬泳時,身體皮膚接觸冷水,皮膚表面的神經受到寒冷的刺激,促進皮膚的血管急劇收縮,減少體熱的散失;皮膚血管收縮的結果,迫使其中的血液大量流入內臟和深層組織。由于冷水的不斷刺激,血管在一張一收之中,彈性加強,血液中的白細胞(白血球)增加,對抗細菌和病毒的能力也增強,身體適應外界氣溫突然降低的能力提高,對預防感冒、支氣管炎、扁桃體炎、肺炎、過敏性鼻炎的能力也就大大加強了。
改善血液循環,防止血管硬化。由于進行冷水鍛煉時,血管不斷的張縮,使血管彈性增強,脂類物質不易在血管壁上沉積,從而有助于預防血管硬化、靜脈曲張、脈管炎和冠心病等。
改善中樞神經系統功能,消除“疲勞綜合征”。人體受到冷水刺激后,會有更多的營養輸送到大腦細胞中去,從而能促進大腦功能,調節植物神經系統,消除疲勞,增強體質,提高工作效率。
改善消化器官功能。人體接受冷水鍛煉時。由于消耗熱量加大,迫使消化器官加緊工作,故食欲旺盛,腸胃功能增強。
美容駐顏。堅持進行冷水鍛煉,能改善皮膚的營養狀態,促進皮脂的分泌,使皮膚變得光潤而富有彈性,從而保持皮膚的清潔、健美、細嫩,不易生皺紋,也不易感染皮膚病。
老張的事業成就、容顏體態確與他的實際年齡有很大差異。事業成就由他的勤奮、才情所定,容顏體態除鉆研書法能養性靜氣外,則要歸功于體育鍛煉。
他在學生時代就喜歡翻單、雙杠,長跑,游泳和騎自行車等體育活動。進入上海中國畫院后又迷上了冬泳。
書法家怎么成為冬泳健兒的呢?說起來倒也有點偶然性。老張家住在上海東北角的楊浦區,畫院則在上海西南角的徐匯區,他每天早起騎車到單位橫穿市區約需50分鐘。由于到得早,離上班還有一段時間,而跳水池又離畫院不遠;老張本就喜愛游泳,現在既有時間又有條件,于是就報名加入了冬泳的行列。
在朔風擾天的寒冬臘月,誰不想用溫水洗手、抹臉;在滴水成冰的凜冽北風中,誰不想找個背風的地方躲躲。可老張卻不怕天寒地凍,偏要“自找苦吃”地在刺骨的冷水中量力而行,循序漸進。每次冬泳他都根據前一夜的睡眠、當天的水溫和自我感覺的體力狀況適度鍛煉,少則游它百米,多則暢泳500米以上。幾年堅持下來,居然成績不小。他參加過二次全市性的冬泳比賽,還得了名次。
冬泳冷不冷?老張的回答是;“說不冷是假。在室外清晨,氣溫零下四、五度,下水前難免打寒顫,敢不敢下水,取決于自己的意志和毅力。但跳到水中也就如此而已。出水池后,滴水成冰,需趕緊擦干身。回到畫院覺得頭腦清晰,渾身暖乎乎。我只要著一件羊毛衫,套一件皮茄克就能揮毫自如。”
冬泳利耶、弊耶?人們說法不一。有的認為能醫治慢性病,有的認為有害身體健康。老張曾根據自身體會對來訪的電視臺記者說過:冬泳的好處是一能鍛煉意志和毅力,二能提高御寒能力并增強體質。但冬泳與任何體育活動一樣,要適度才有益于健康,過了頭就會適得其反了。
【尹洪輝先生,摩星嶺泳廬冬泳團團長、摩星嶺街坊福利會永遠榮譽會長、西環街坊福利會副會長、西環觀龍樓居民協會理事長、中西區各界協會副福利主任、中西區道路交通安全運動委員會委員等。】
冬泳,堅持并熱愛
尹洪輝先生面色紅潤、精神矍鑠,不是他說出自己的年齡,根本無法想象他已是七十五歲高齡的長者,而言其保養秘訣,尹洪輝先生自豪地說,是游泳,特別是冬泳。
作為香港本地人的尹洪輝先生,自幼在堅尼地城及摩星嶺區生活。早年從事印刷行業,于1996年退休。而游泳并非是從其退休之時開始,因為從小他就對游泳十分熱愛,也漸漸愛上冬泳這項運動。不僅如此,他對冬泳情有獨鍾,已經堅持了50余年。
“我一年四季都游泳,每天都游泳,年輕的時候,每天游一個小時,到了60歲以后,每天就游半個小時。”尹洪輝先生笑著說:“每天早上六點半就開始游泳,我們都是在海里游泳,一般每天四十多人一起游。”從尹洪輝先生看似平實的言語中,不難看出其有著堅強的毅力和持久的恒力,從年輕時就熱愛游泳這項運動,一直堅持到現在,并嘗試冬泳,且堅持了幾十年。
眾所周知,冬泳能增強心血管的功能,一旦人體受到冷水刺激后,全身的血液循環和新陳代謝大大地加強;人的皮膚受到冷水的刺激,皮膚血管急劇收縮,大量血液被吸入內器官及深部組織,使內重要器的血管擴張;機體為了抗冷,皮膚血管很快又擴張,因而大量的血液又從內流向體表。這樣有特點地一張一縮,使血管得到了鍛煉,增強了血管的彈性。因此,冬泳有利于防治心血管疾病,在堅持常年進行冬泳鍛煉的人中,患動脈硬化、高血壓之類的人極其罕見。也正是冬泳擁有這些好處,尹洪輝先生才會多年如一日地熱愛并堅持,也在這份熱愛與堅持中,獲得了健康的體魄和矍鑠的精神。
在目前冬泳大軍中,中老年人占了多數。其實“冬泳是勇敢者的運動”。尹洪輝先生也是這些勇敢的中老年人中的一員,他們在冬泳中體味著歡樂和自豪。因為他在冬泳中不斷鍛煉自己的意識、增強心肺功能、提高自身耐力,從而尹洪輝先生情緒穩定、身體健康、耐力非常。
“我十分熱愛游泳,每天都堅持,連香港掛三號風球都去游泳。”尹洪輝先生如是說。正是憑著心中對游泳的那份熱愛、那份執著,他才會堅持游泳幾十年,并把這份熱愛傳遞給廣大的人群。因而他創辦了摩星嶺泳廬冬泳團,身為團長的他經常帶領摩星嶺泳廬冬泳團集伴去海里游泳,經常組織一些冬泳活動,更進一步增加大家對冬泳的了解,冬泳團的團員也透過冬泳發覺身體各項機能得到很好地調整,尤其身體素質進一步提升,更激發了他們對冬泳的堅持。
游泳特別是冬泳是尹洪輝先生生命中最重要的運動,從年輕時就熱愛上游泳,并在不斷堅持游泳的過程中,將冬泳納入人生中最享受的運動之一,并成立冬泳團,聯系一班同樣熱愛冬泳的人士組織相關活動,強身健體、保持活力,因而年屆逾七十的他面色紅潤、身體健康、富有活力。
服務,關注且盡力
尹洪輝先生還擔任著摩星嶺街坊福利會永遠榮譽會長、西環街坊福利會副會長、西環觀龍樓居民協會理事長、中西區各界協會副福利主任、中西區道路交通安全運動委員會委員等多項社會職務,在服務的道路上,他亦竭心盡力、助人為樂。
據尹洪輝先生介紹:“摩星嶺是香港西港島的一個山脈,位于堅尼地城以西,也代表香港島西的盡頭。而摩星嶺也是香港一個很特別的地方,近海的地段建滿了富豪的住宅,但在山腰卻是貧民區。”而尹洪輝先生自幼就生活在堅尼地城及摩星嶺區,十分熟知當地的情況,也經歷過很多特別的事情,“早期,摩星嶺地區十分繁榮,而隨著人口聚集,近年來,人口老齡化十分嚴重。”老年人居多是堅尼地城及摩星嶺地區的一個特色,作為摩星嶺街坊福利會永遠榮譽會長的尹洪輝先生也十分注重老年人的生活情況。定期會組織一些活動,如粵曲、太極、時代曲等,極大地豐富了老年人的生活,讓老年人在一個快樂、安心的環境下生活、娛樂。
逢年過節,尹洪輝先生與摩星嶺街坊福利會的成員都會組織一些活動,如六十周年國慶時,他們組織了一個紀念盆菜活動,讓老年人在一起聯絡感情的基礎上,也盡情地享受美食,使他們的晚年生活更加豐富多彩。而諸如派米、派油的活動更是數不勝數,尹洪輝先生希望更多地幫助老人、為他們服務。