第五章 试验数据的采集与处理
试验数据采集与处理是将试验过程中由各类传感器所测得的速度、振动加速度、倾角、温度、压力、流量、位移等模拟量采集、转换成数字量后，再由计算机对其进行分析、处理，以获得所需要的测试结果的过程。
数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件下，应该尽可能采用高的采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制的要求。
汽车试验系统有静态与动态之分，与之对应的就有静态数据处理和动态数据处理。静态试验数据处理比较简单，涉及的内容主要是误差分析及试验数据的回归分析等，已在第二章中作了介绍，在此不再重复。动态试验数据处理的内容多而复杂，一直是工程试验领域的重点和难点问题。各工业领域对动态测试数据的研究方法较为相近，但由于不同工业领域进行动态测试的要求、目的和对象的不同，所以对动态试验数据处理研究的侧重点有所不同。对于汽车产业而言，动态测试研究的重点是振动和噪声。
汽车振动与噪声问题十分复杂，且涉及到多个层面，如汽车的行驶平顺性问题、汽车的结构强度问题、汽车噪声的识别与声场测试问题等。关于汽车结构强度问题的动态研究已形成了一个独立的学科——《汽车试验模态分析》，有兴趣的同学可以去研读相关的内容，噪声识别与声场测试问题在十二章中专门讨论。本章的重点是以汽车行驶平顺性为例讨论汽车动态测试的数据处理中的一般性问题。
第一节 数据采集技术基础
在汽车试验中所需采集的信号，大多是在时间上和幅值上均连续变化的模拟量，而试验信号的处理绝大多数由数字计算机来完成，处理的结果又常常需要以模拟量的形式“反馈”给外部的试验系统。这就需要解决模拟量与数字量之间的相互转化问题，即采样与重构(恢复)。一般的数据采集系统可以简化成如图5-1的形式。
一、 采样与采样定理
1、A/D转换过程
为了能将传感器输出的模拟信号送到计算机中进行处理，需将其转换成数字量，将连续的模拟信号转换成数字量的过程称为采样，A/D转换器是采样的常用工具。
2、采样周期
连续的模拟信号x(t)经采样过程后变换为离散的信号(或简称为采样信号)x(t)，离散信号相邻两个采样值之间的时间间隔Ts，称为采样周期。
3、香农(Shannon)采样定律
采样周期Ts决定了采样信号的质量和数量：Ts太小，会使x(t)的数量剧增，占用大量的计算机内存；Ts太大，会使模拟信号的某些信息被丢失，这样，若将采样后的信号恢复成原来的信号，就会出现失真现象，影响数据处理的精度。因此，必须有一个选择采样周期
**Ts的依据，以确保x*(t)能不失真地恢复成原信号x(t)，这就是香农采样定理。
设传感器输出的连续信号为x(t)，其频谱为X(f)，如果频谱F(f)和采样周期Ts满足下列条件：
（1）频谱X(f)为有限频谱，即当f?fc(fc为截止频率)，F(f)?0； （2）Ts?11?fs。 或2fc?2fcTs则连续时间函数x(t)可以由下式
(t?n?t)?tx(n?t)? x(t)? （5-1） ??n???t?n?t唯一确定。式中：n?0,?1,?2,?；x(n?t)为第n点即t?n?t的函数值xn。
1采样定律表明，x(t)只要满足f?fc 时有X(f)?0，则以?t?
2fc采得的离散序列?xn?能完全表征连续函数x(t)。因此，采样定律提供了选择采样间隔的准
1则。若以fs表示采样频率，则fs??2fc。
?t二、采样方式
?t??sin? 采样方式可分为两大类：实时采样(Real-Time sampling)和等效时间采样(Equivalent-Time Sampling)。对于实时采样，当数字化一开始，信号波形的第一个采样点就被采样并数字化。然后，经过一个采样间隔，再采入第二个子样，这样一直将整个信号波形数字化后存入波形存储器。实时采样的优点在于信号波形一到就采入，因此适应于任何形式的信号波形，重复的或不重复的，单次的或连续的。又由于所有采样点是以时间为顺序，因而易于实现波形显示功能。实时采样的主要缺点是时间分辨率较差，每个采样点的采入、量化、存储等必须在小于采样间隔的时间内完成。若对信号的时间分辨率要求很高。那么实现起来就比较困难。 等效时间采样技术可以实现很高的数字化转换速率，但这种采样方式的应用前提是信号波形是可以重复产生的。由于波形可以重复取得，故采样可以用较慢的速度进行。采样的样本可以是时序的（步进、步退、差额），也可以是随机的。这样就可以把许多采集的样本合成一个采样密度较高的波形。一般也常将“等效时间采样”称为“变换采样”。
第二节 计算机数据采集系统
数据采集系统主要由传感器、信号调理器、多路模拟开关、放大器、A/D转换器和数据记录装置组成，如图5-1所示。
图 5-1 数据采集系统
一、多路模拟开关(MUX)
在工程测试中，经常会遇到多路数据采集的问题，如果每一路都单独采用各自的输入回路，即每一路都采用放大、采样/保持和A/D等环节，不仅成本会成倍增加，还会导致系统体积庞大以至于从结构上无法实现，如128路信号的采集。因此，除少数特殊情况外，常采用公共的采样保持及A/D转换电路，而要实现这种设计，就需采用多路模拟开关。
多路模拟开关的主要作用是把多个模拟量参数分时地接通送到A/D转换器，即完成多到一的转换。
随着大规模集成电路的发展，各厂家巳推出各种各样的多路模拟开关。多路模拟开关的通道数有4路、8路和36路等。由于组成多路开关的电路不同，多路模拟开关又分为TTL、
CMOS和HMOS等多种不同的结构型式。 多路模拟开关的选用应考如下一些因素：
（1）对于信号电平较低场合，可选用低压型多路模拟开关，但需有严格的抗干扰措施。
（2）在切换速度要求高、路数多的情况下，应尽可能选用单片即能完成的模拟开关，因为这样可使每路特性参数基本一致；在使用多片组合时，也宜选用同一型号的芯片以尽可能使每个通道的特性一致。
（3）在选择多路模拟开关的速度时，要考虑到与后级设备速度的匹配，通常多路模拟开关的速度应略高于采样保持放大器和A/D的速度。
（4）在使用高精度采样保持放大器和A/D进行精密数据采集时，应充分考虑模拟开关的传输精度。多路模拟开关在数据采集系统中，主要用作通道选择。
二、采样保持器(SHA)
如果直接用A/D对模拟量进行转换，则应考虑到任何一种A/D都需要有一定的时间来完成量化及编码的操作。在转换过程中，模拟量的变化，将直接影响转换精度。特别是在同步系统中，几个并联的量均需要取同一瞬时值，若仍直接送入A/D进行转换(共用一个A/D)，所得到的几个量就不是同一时刻的值，无法进行计算和比较。所以要求输入到A/D的模拟量在整个转换过程中保持不变，但转换之后，又要求A/D的输入信号能够跟随模拟量变化，能够完成上述任务的器件叫采样保持放大器(SHA)。
SHA主要由模拟开关、存储介质和缓冲放大器A组成，它的一般形式如图5-2所示。
图5-2 采样保持器SHA的一般形式
采集时间是SHA的一个关键动态指标，它主要取决于电容量和输入放大器最大供电电流，采集时间范围是15ns～10μs。任何SHA所具有的最高采样速率均由采样与保持状态所需要的时间之和来决定；保持方式的时间(此时瞬态已建立)主要由采用SHA的系统决定；用于采样方式的最小时间则由满足给定精度的采集时间确定。
三、模数转换器(A/D)
A/D的作用是对每一个由采样保持电路在时间上离散的模拟电压值输出一个n位二进制数字量。A/D转换技术不下几十种，但只有少数几种能以单片集成的形式来实现。这里介绍最常用的两种，即：计数器式和逐次逼近式A/D转换器。
1、计数器式A/D
最简单最廉价的A/D转换器是计数器式。一个计数器控制着一个D/A转换器，随着计数器由0开始计数，D/A转换器输出一个逐步升高的阶梯形电压。输入的模拟电压和D/A转换器生成的电压被送至比较器进行比较，当二者一致或基本一致(在允许的量化误差范围内)时，比较器辅以一个指示信号，立即停止计数器计数。此时，D/A转换器的输出值就是采样信号的模拟近似值，其相应的数字值由计数器给出。
2、逐次逼近式A/D
逐次逼近式A/D采用的是从最高位逐位试探方法，转换前寄存器各位清0，转换时，是把最高位置1，并将D/A转换器的输出值与该测得的模拟值进行比较，如果“低于”，该位的1被保留；如果“高于”，该位的1被清除。然后，次高位置1，再比较．决定去留，…，
直至最低位完成同一过程。寄存器从最高位到最低位都试探过一遍的最终值就是A/D转换的结果。
计数器式和逐次逼近式A/D转换器都属于负反馈式比较型A/D转换器。但对于一个n位A/D，逐次逼近式只需n次比较就可以完成模数转换；而计数器式的比较次数却不固定，最多可能需2n次。逐次逼近式A/D是中速(转换时间1ms～1μs) 8～16位A/D的主流产品。
四、数据采集系统的控制
整个数据采集系统由控制器控制。控制器使系统的各个部件以适当的时间执行自己的功能。它依次给出一系列脉冲，使多路模拟开关选择通道、采样保持放大器进行采样保持、启动A/D转换器和数字记录装置投入工作。在简单的数据采集系统中，它只能实现顺序采样和选点采样，它们是反复执行同一程序。在复杂的大型系统中，则常由计算机控制。如图5-5是微型计算机化的数据采集系统。
图 5-3 微型计算机化的数据采集系统
第三节 动态试验数据处理
汽车试验的目的在于要了解汽车整车及各总成部件性能的优劣，既需要建立一个指标体系对其进行评价。不同的试验对象及同一试验对象的不同性能都对应着不同的试验评价方法。限于篇幅，在此不可能对全部试验对象的各项性能的评价问题一一进行讨论，所以仅以具有代表性的汽车行驶平顺性试验为例讨论汽车试验的动态数据处理问题。
一、汽车行驶平顺性试验评价
关于汽车行驶平顺性的试验评价，国际标准化组织多年的努力和各国专家的智慧均体现在国际标准ISO 2631中。我国于1985年制定了相应的国家标准GB4970-1985《汽车行驶平顺性随机输入试验方法》，1996年作过一次修订。
在85版的汽车行驶平顺性试验国家标准GB4970中列出了根值和吸收功率等三种行驶平顺性试验的评价方法。
1、
1倍频程、加速度加权均方31倍频程与加速度加权均方根值的评价方法 31倍频程和加速度加权均方根值的评价方法是基于人体对振动的反应而提出来的，其评3价指标为：（1）舒适降低界限（用于客车和轿车）；（2）疲劳降低工作效率界限（用于货车和越野车）；（3）暴露极限。人体对振动的反应随频率的变化而变化：对于垂直方向的振动，人体最敏感的频率范围是4～8Hz；对于水平方向的振动，人体最敏感的频率范围是1～2Hz；振动频率离人体最敏感的频率范围越远，人体对振动的敏感性越差。
舒适降低界限：与乘坐的舒适性有关，用以评价人在车上是否能进行吃、读、写等正常活动。
疲劳降低功效界限：与持续工作效率有关，是指驾驶员所承受的振动在此界限内，是否
能保持正常有效地驾驶操作。
暴露极限：与人体的健康与安全有关，人体承受的振动在此界限内应保持健康和安全。是人体所能承受振动能量的上限。
舒适降低界限、疲劳降低工作效率界限和暴露极限三者的关系是，振动加速度的均方根值?a彼此相差10dB，或者说三个界限指标的加速度均方根值彼此相差3.15倍。
汽车行驶平顺性试验中的无量纲量dB和噪声测量中的dB具有几乎相同的概念，它是为了表达上的方便所采用的对数表达方式。将所测得的汽车振动加速度均方根值取对数后再乘以20便是振动测量中的分贝值，即20lg?a。20lg3.15正好等于10dB。
2、吸收功率
吸收功率是根据人体对振动强度的承受能力提出来的。由于国家标准中只给出了吸收功率的试验和计算方法，而没有相应的评价指标，所以此试验评价方法在实际中应用不多。然而，由于B＆K2512人体振动分析仪所用测试与评价方法的引进，使得另一种汽车行驶平顺性试验评价方法——总的加速度加权均方根值的评价方法被补充进了96版的国家标准GB4970，而吸收功率的评价方法已被取消。 二、三种试验评价方法的关系
1倍频程分别评价是将试验所设定的分析频段按照如下关系： 3 fu/fl?2 (5-1)
13式中：fl、fu—— 分别为多个频带上的上限和下限频率。
分为若干个频带，计算出每个频带上振动加速度的均方根值?ai，然后将其与国家标准中的评价指标进行比较，以确定汽车行驶平顺性的水平，其结果用暴露时间TCD表示，暴露时间由影响最大的那个频带上的加速度均方根之所决定。暴露时间越长，则汽车的行驶平顺性越好；反之，汽车的行驶平顺性就越差。为了方便表达每个频带上的数值，按的每个频带均用中心频率fi来表示，即：
fi?1倍频程所分出3fl?fu (5-2)
1倍频程的分频方法可得3国家标准中规定，客车和轿车行驶平顺性试验的分析频率范围为0.1Hz～100Hz，货车和越野车行驶平顺性试验的分析频率范围为0.1Hz～500Hz，按照到
1倍频程各频带的上限频率、下限频率和中心频率（见表5-1）。 3加速度加权均方根值的评价方法是利用频率加权函数w(fi)将人体最敏感频率范围以外各
频带上人所承受的加速度均方根值?ai折算为等效4Hz～8Hz（垂直振动）、1Hz～2Hz（水平振动）的数值?ai。
' ?ai?w(fi)?ai (5-3)
'式中：?ai——加速度加权均方根值；
?ai——各个频带上的加速度均方根值； w(fi)——频率加权函数。 垂直振动的频率加权函数为：
'
汽车试验技术课件 第五章 试验数据的采集与处理
