CN109991084B - 信号处理方法及材料试验机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种信号处理方法及材料试验机，所述信号处理方法在以有限区间切出时域信号并进行处理时，在处理过程中不会发生数据的缺漏。基准函数处理部包括：区间数据生成部，执行通过以规定的时间长切取来自荷重元的输入信号而分割成时域区间数据的区间数据生成工序；基准函数确定部，执行确定后述变换工序中所利用的基准函数的基准函数确定工序；以及变换部，执行利用基准函数对区间数据进行变换的变换工序。考虑在区间数据的两端附近的区间数据的近似直线，所述基准函数成为具有在区间的两端与所述近似直线重叠的切线的三次的多项式函数。

Description

信号处理方法及材料试验机

技术领域

本发明涉及一种信号处理方法及材料试验机。

背景技术

为了定量地求出物理信号的每个频率的强度(功率)或相位，在进行频谱分析时进行傅里叶变换(Fourier transform)。此外，模拟信号为连续时间信号，相对于此，数字信号为以取样周期收集的标本值的列即离散时间信号。因此，在数字信号处理中使用离散傅里叶变换。

离散傅里叶变换将通常的傅里叶变换的无限区间积分改写成有限区间积分之和。因此，在进行离散傅里叶变换时，切出N时刻的信号而进行积分。另一方面，即便在假定信号为周期性的条件下选择数据的切出区间(以有限区间截止的时间数据)，所述区间也很少与原本的波形周期的整数倍准确地一致。进而，由于信号包含大量的频率成分，因此难以良好地选择切出区间，即便将所述区间进行周期扩张也成为信号并未良好地相连的状态。若经周期扩张的信号变得不连续，则因变换而混入噪声(noise)。因此，作为避免此种状态的方法，以前使用窗函数进行信号的切出。窗函数为区间外的值成为零的函数，例如为如翰氏窗(hann window)那样两端平稳地变小而与零相连的山形函数。

图7A、图7B为对应用现有的窗函数的信号处理进行说明的概要图。图8为表示应用现有的窗函数的信号处理的图表。图7A为N个取样点的有限区间的反复图像，图7B为对图7A的波形应用一点链线所示的窗函数后的图像。另外，在图8的图表中，纵轴表示振幅，横轴表示时间。

在应用现有的窗函数的信号处理中，如图7A所示那样，从原始数据中切出N个取样点的时间数据。然后，若将切出区间乘以窗函数，则如图7B中实线所示那样，在数据的两端附近数据缩小，视窗函数的种类不同而有时两端的数据成为零。例如，如图8所示那样，若利用在中央部有权重且两端的数据成为零的翰氏窗(一点链线所示)将数据切出，则虚线所示的原始数据成为实线所示的在乘以窗函数后两端的数据成为零的数据。由此，如图7B所示那样，应用窗函数后的信号成为-N至零的区间、零至N的区间、N至2N的各区间在零处接合的连续波形。

另外，在专利文献1中所记载的应用于疲劳试验机的驱动信号生成装置中，作为将经分割的信号以不变得不连续的方式接合的方法，提出有设置重复时间来分割数据，在进行傅里叶变换及反变换处理后将分割数据接合时，在前后两个分割数据的重复时间内，在两个信号的值一致的时刻或最接近的时刻接合。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2009-58522号公报

发明内容

发明所要解决的问题

若乘以窗函数，则在切出区间的时间数据的两端附近数据缩小。如图8所示那样，虚线所示的原始数据与实线所示的乘以窗函数后的数据虽然区间起始位置附近的值相差不大，但在区间结束附近，值具有大的差，因乘以窗函数而丢失原本的数据所具有的值，波形的特征受损。因此，为了将因乘以窗函数而缩小的值在数据处理后还原，而考虑进行除以窗函数的处理。然而，若执行此种处理，则越接近区间的两端而值以越高的倍率地被放大，噪声也被放大。因此，对乘以窗函数的数据实施除以窗函数的处理并不现实。

专利文献1所提出的信号的接合方法不使用窗函数，因此在区间的两端附近数据不会缩小。但是，若对数据进行重复处理，则虽然分割中途的数据不缺漏，但在总数据的两端，收敛到作为基准的零位置而数据缺漏。因此，例如在高速拉伸试验的直到试片断裂的时间的试验力数据中，因信号处理而导致断裂时的数据丢失。

本发明是为了解决所述问题而成，其目的在于提供一种信号处理方法及材料试验机，所述信号处理方法在以有限区间切出时域信号并进行处理时，在处理过程中不会发生数据的缺漏。

解决问题的技术手段

技术方案1所记载的发明包括：区间数据生成工序，通过以规定的时间长切取输入信号而分割成时域区间数据；基准函数确定工序，将以所述区间数据的起点为切点的切线的斜率与所述区间数据的起始位置附近的近似直线的斜率一致、且以所述区间数据的终点为切点的切线的斜率与结束位置附近的近似直线的斜率一致的函数确定为基准函数；变换工序，利用所述基准函数确定工序中所确定的基准函数，将所述区间数据变换成以所述区间数据的波形的两端平稳地收敛到零的方式调整的调整数据。

技术方案2所记载的发明根据技术方案1所记载的信号处理方法，其中所述基准函数为次数3以上的多项式函数。

技术方案3所记载的发明根据技术方案1或2所记载的信号处理方法，其中所述基准函数确定工序中，将所述区间数据的时间轴的起始位置设为t₁，将值设为y₁，将在起点(t₁，y₁)相切的切线即所述起始位置附近的近似直线的斜率设为k₁，且将所述区间数据的时间轴的结束位置设为t_end，将值设为y_end，将在终点(t_end，y_end)相切的切线即所述结束位置附近的近似直线的斜率设为k_end，将具有下述式(2)所表示的系数a、系数b、系数c、系数d的下述式(1)的三次曲线y(x)确定为所述基准函数。

y(x)＝a(x-t₁)³+b(x-t₁)²+c(x-t₁)+d…(1)

技术方案4所记载的发明根据技术方案1至3中任一项所记载的信号处理方法，其中所述变换工序是通过将所述区间数据减去所述基准函数而变换成所述调整数据。

技术方案5所记载的发明根据技术方案1至4中任一项所记载的信号处理方法，包括从所述调整数据中除去噪声的噪声除去工序，所述噪声除去工序包括：利用低通滤波器的滤波处理工序；反变换工序，利用所述基准函数对在所述滤波处理工序中除去了高频噪声的数据执行反变换；以及连接工序，将在所述反变换工序中经反变换的数据连接，并复原成与原本的输入信号相同的时序数据。

技术方案6所记载的发明为一种材料试验机，其具备控制装置，所述控制装置利用根据技术方案1至5中任一项所记载的信号处理方法对从物理量检测器输入的时域信号进行处理。

技术方案7所记载的发明根据技术方案6所记载的材料试验机，其中所述物理量检测器为在材料试验中检测对试片赋予的试验力的力检测器、或在材料试验中检测试片中所产生的位移的位移计。

发明的效果

根据技术方案1至7所记载的发明，确定基准函数，并利用基准函数将以规定的时间长切取输入信号所得的时域区间数据变换成以区间数据的波形的两端平稳地收敛到零的方式调整的调整数据，因此能将从输入信号分割的各区间数据分别在区间数据的起点和终点处平稳地连接。因此，通过使用所述基准函数代替将输入信号从时域表达变换为频域表达时所使用的离散傅里叶变换、离散余弦变换、离散小波变换的窗函数，能提高研究频率特性的处理的精度。

根据技术方案4所记载的发明，能通过将区间数据减去基准函数而获得调整数据，因此计算负荷少，能实现快速处理。

根据技术方案5所记载的发明，对利用基准函数进行了变换的调整数据进行低通滤波器的滤波处理后，利用基准函数进行反变换，由此能从处理后的数据中可逆地去掉基准函数的影响。

附图说明

图1为本发明的材料试验机的概要图。

图2为表示本发明的材料试验机的主要控制系统的方块图。

图3为对本发明的信号处理方法的各工序的处理流程进行说明的方块图。

图4为对基准函数的算出进行说明的图表。

图5为对利用基准函数的数据变换进行说明的图表。

图6为表示对图5的调整数据进行低通滤波处理后进行基准函数的反变换的示例的图表。

图7A、图7B为对应用现有的窗函数的信号处理进行说明的概要图。

图8为表示应用现有的窗函数的信号处理的图表。

符号的说明

10：试验机本体

11：平台

12：支柱

13：交叉磁轭

21：上夹具

22：下夹具

25：启动治具

26：接头

27：荷重元

31：油压缸

32：活塞杆

33：冲程传感器

34：伺服阀

40：控制装置

41：本体控制装置

42：个人计算机

43：信号输入输出单元

44：主单元

45、55：运算装置

46、56：通信部

51：显示装置

52：输入装置

53：存储器

57：存储装置

61：基准函数处理部

62：区间数据生成部

63：变换部

64：基准函数确定部

65：波形分析部

66：噪声除去部

67：低通滤波器

68：反变换部

69：连接部

TP：试片

具体实施方式

以下，根据附图对本发明的实施方式进行说明。图1为本发明的材料试验机的概要图。图2为表示本发明的材料试验机的主要控制系统的方块图。

所述材料试验机以试片TP为试验对象，执行驱动负荷机构对试片TP急速赋予冲击负荷的冲击试验，也被称为高速拉伸试验机。所述材料试验机包括试验机本体10与控制装置40。试验机本体10包括平台11、竖立设置在平台11上的一对支柱12、架设在一对支柱12上的交叉磁轭(cross york)13、及固定在交叉磁轭13上的油压缸31。

油压缸31经由伺服阀(servo valve)34利用从配置在平台内的油压源(未图示)供给的工作油而动作。在油压缸31的活塞杆32上，经由启动治具25及接头26而连接有上夹具21。另一方面，在平台11上经由作为力检测器的荷重元27而连接有下夹具22。如此，所述试验机本体10的构成为以下构成：用于通过启动治具25在拉伸方向上设置启动区间，以0.1m/s～20m/s的高速提拉活塞杆32，由此执行使握持试片TP的两端部的一对夹具急剧分离的高速拉伸试验。执行高速拉伸试验时的负荷机构的位移(冲程)、即活塞杆32的移动量是由冲程传感器33检测，此时的试验力是由荷重元27检测。此外，试片TP的伸长率(位移)可根据冲程传感器33的检测值求出，也可利用未图示的其他位移计来测定。

控制装置40包含用于控制试验机本体10的动作的本体控制装置41、及个人计算机(PC)42。所述控制装置40对从荷重元27或冲程传感器33等物理量检测器输入的时域信号进行处理。本体控制装置41包括：信号输入输出单元43，包含将与传感器对应的输入信号放大的放大器、将模拟信号变换为数字信号的模-数(Analog-Digital，A/D)变换器、及对数字信号进行处理的逻辑电路；以及主单元44，包含实现试验控制功能的逻辑电路、执行各种运算的微处理单元(micro processing unit，MPU)等的运算装置45、及进行与个人计算机42的通信的通信部46。当执行高速拉伸试验时，从主单元44对伺服阀34供给控制信号，从而使油压缸31动作。冲程传感器33的输出信号与荷重元27的输出信号通过与各自对应的信号输入输出单元43而被取入到本体控制装置41中并数字化。

个人计算机42包括：存储器53，包含存储数据分析程序的只读存储器(Read OnlyMemory，ROM)、在执行程序时加载程序并暂时存储数据的随机存取存储器(Random AccessMemory，RAM)等；执行各种运算的中央处理器(central processing unit，CPU)等运算装置55；通信部56，进行与本体控制装置41等外部连接设备的通信；存储装置57，存储数据；显示装置51，显示试验结果；以及输入装置52，用于输入试验条件。存储器53中存储有使运算装置55动作而实现功能的程序。此外，存储装置57为存储从荷重元27输入的试验力的原始数据即时序数据等的存储部，且包含硬盘驱动器(hard disk drive，HDD)等大容量存储装置。此外，存储器53、运算装置55、通信部56、存储装置57、显示装置51及输入装置52相互通过总线而连接。

在图2中，以功能块的形式来表示安装在个人计算机42中的程序。本实施方式中，包括以下各部作为功能块：基准函数处理部61，针对经由本体控制装置41而输入的经数字化的试验力数据等原始数据，执行利用后述基准函数的处理；波形分析部65，进行频率分析；以及噪声除去部66，执行将来自输入信号即原始数据的噪声除去的噪声除去工序。

对实现本发明的信号处理方法的各工序的功能块进行更详细说明。图3为对本发明的信号处理方法的各工序的处理流程进行说明的方块图。此外，所述图中，以将从荷重元27输入到本体控制装置41并经数字化的试验力数据作为输入信号进行处理的情况为例进行说明。

基准函数处理部61包括：区间数据生成部62，执行通过以规定的时间长切取来自荷重元27的输入信号而分割成时域区间数据的区间数据生成工序；基准函数确定部64，执行确定后述变换工序中利用的基准函数的基准函数确定工序；以及变换部63，执行利用基准函数对区间数据进行变换的变换工序。另外，噪声除去部66包括：低通滤波器67，执行对变换部63中经变换的数据除去高频噪声的滤波处理工序；反变换部68，执行利用基准函数对低通滤波处理后的数据进行反变换的反变换工序；以及连接部69，执行将反变换后的有限区间的时间数据连接，并将有限区间的时间数据复原成与输入信号相同的时序数据的连接工序。

图4为对基准函数的算出进行说明的图表。图5为对利用基准函数的数据变换进行说明的图表。在图4及图5的图表中，纵轴为振幅，横轴为时间。此外，横轴的数字为取样数，横轴的时间表示与取样数相应的时间长。

从自本体控制装置41输入到个人计算机42的试验力数据(原始数据)中，切取适当的时间长、例如取样点数N＝100的时间数据作为区间数据。此外，在图4中，以实线表示区间数据生成部62中从试验力数据中切出的区间数据。为了使区间数据的起点和终点在随后的各种处理后的区间数据间的起始位置和结束位置处平稳地相连，本实施方式中，将满足下述条件的函数确定为基准函数。条件为：与基准函数曲线在起点相切的切线的斜率与原始数据的起始位置附近的近似直线的斜率一致，及与基准函数曲线在终点相切的切线的斜率与原始数据的结束位置附近的近似直线的斜率一致。如此，可举出具有适当的系数a、系数b、系数c、系数d的下述式(1)所示的三次曲线y(x)作为基准函数曲线和所述近似直线的交点与区间数据的两端的起点和终点分别一致的基准函数。

y(x)＝a(x-t₁)³+b(x-t₁)²+c(x-t₁)+d…(1)

如图4中粗线所示那样，若在原始数据的起始位置附近和结束位置附近画出近似直线，并将数据起始位置附近的近似直线的斜率设为k₁，将所述数据的时间轴的起始位置t₁的值设为y₁，且将数据的结束位置附近的近似直线的斜率设为k_end，将所述数据的时间轴的结束位置t_end的值设为y_end，则系数a、系数b、系数c、系数d能由下述式(2)来表示。

如此，起始位置附近的近似直线与以区间数据的起点(t₁，y₁)为切点的斜率k₁的切线一致、且结束位置附近的近似直线与以区间数据的终点(t_end，y_end)为切点的斜率k_end一致的基准函数成为具有式(2)的系数a、系数b、系数c、系数d的式(1)的次数3的曲线y(x)。

若在基准函数确定部64中获得图5中一点链线所示那样的具有适当的系数a、系数b、系数c、系数d的三次曲线即基准函数，则使用所述基准函数对虚线所示的区间数据执行变换。变换部63中的利用基准函数的变换是通过将区间数据减去基准函数而进行。变换后的调整数据如图5中实线所示那样，两端(起点和终点)平稳地收敛到零，在反复时连续地相连。

针对通过利用基准函数的变换而成为区间数据的两端平稳地收敛到零的数据的调整数据，执行研究频率特性的处理或噪声除去等各种处理。在研究频率特性的情况下，通过波形分析部65的离散傅里叶变换将时域信号变换为频域信号，从而获得功率频谱。在现有的以有限时间截止信号的离散傅里叶变换中，区间并不与原本的输入信号的波形周期的整数倍准确地一致，因此反复波形变得不连续而在频谱中产生扩宽。因此，频谱的波峰大小与真正值相比较而减小。本发明中，对两端平稳地收敛到零的数据进行离散傅里叶变换，因此反复波形变得连续而能获得正确的频谱。即，能减少离散傅里叶变换的遗漏。

所述例中，将三次的多项式曲线y(x)用作基准函数，但基准函数的次数也可为大于三次的次数。在将较三次更为高次的多项式曲线设为基准函数的情况下，根据次数来决定适当的系数。此外，基准函数以尽量简单为宜，因此基准函数最理想为三次的多项式函数。

接着，对从试验力的原始数据中除去噪声的情况进行说明。图6为说明对图5中经变换的数据进行低通滤波处理后，利用基准函数进行反变换的状态的图表。图表的纵轴为振幅，横轴为时间。

在噪声除去部66中，对将区间数据减去基准函数所得的各变换数据执行利用低通滤波器67的高频除去处理。低通滤波器67的截止频率是根据波形分析部65中的经离散傅里叶变换所得的功率频谱而决定。如图6所示那样，若使二点链线所示的变换数据经过低通滤波器67，则成为虚线所示的波形。若对所述滤波处理后的数据执行与基准函数相加的反变换，则成为图6中实线所示的波形。

图5中虚线所示的利用基准函数进行变换前的区间数据、与图6中实线所示的在滤波处理后利用基准函数进行了反变换的数据中，区间的起始位置和结束位置的值得以保持。如此，若通过利用基准函数的反变换将数据恢复成原本的时序数据，则不会如使用现有的翰氏窗的情况那样因反变换而越接近数据两端，成为越高的倍率，噪声被放大。即，能从数据中可逆地消除基准函数的影响。

使用基准函数的变换、反变换后也保持输入信号的波形的倾向，在连接部69中能将处理后的各区间数据在起点和终点处平稳地连接，因此在复原成原本的时序数据时，连接部分不会变得不连续。如此，通过利用基准函数，能与窗函数同等地将数据的起点和终点平稳地相连，能提高处理的精度，并且不会如窗函数那样发生区间数据的两端的数据的缩小或缺漏，也不会在数据中残留因反变换而导致噪声放大那样的影响。

如此，本发明的基准函数能用于现有的窗函数无法进行的信号的可逆性前处理，代替窗函数而将本发明的基准函数的变换用于针对试验力数据或位移数据等原始数据的离散傅里叶变换或滤波处理的前处理，由此提高数据处理的精度。另外，并不限于离散傅里叶变换，对于以前使用窗函数进行数据切取的离散余弦变换或离散小波变换来说，也能代替窗函数而将本发明的基准函数的变换用作前处理。

此外，本实施方式中，将用于实现本发明的信号处理方法的程序安装在个人计算机42的存储器53中，并利用个人计算机42来执行，但也可在本体控制装置41中设置执行程序的处理电路。

所述实施方式中，对以执行高速拉伸试验的材料试验机的物理量检测器即荷重元所检测出的信号为输入信号的示例进行了说明，但应用所述信号处理方法的材料试验机并不限定于此。例如，对于专利文献1所记载那样的通过将实际振动波形乘以反传递函数而生成的驱动信号来驱动负荷致动器的疲劳试验机，也能应用本发明的信号处理方法。即，离散傅里叶变换的频率响应显示出某带域宽的带通滤波器的特性，因此对在生成驱动信号时修正对于每个频率的目标值的响应的迭代处理进行离散傅里叶变换。通过使用所述信号处理方法的基准函数，能减少离散傅里叶变换的遗漏，因此在执行迭代处理的疲劳试验机中也能应用本发明的信号处理方法。

Claims (7)

1.一种信号处理方法，其特征在于包括：

区间数据生成工序，通过以规定的时间长切取输入信号而分割成时域的连续的多个区间数据，至少产生在连接点彼此相邻的第一区间数据和第二区间数据；

基准函数确定工序，对于所述多个区间数据中的每一个，在相对于时间轴绘制值的波形中，将以所述区间数据的时间轴的起点为切点的切线的斜率与所述区间数据的起始位置附近的近似直线的斜率一致、且以所述区间数据的终点为切点的切线的斜率与所述区间数据的时间轴的结束位置附近的近似直线的斜率一致的函数确定为基准函数；以及

变换工序，利用所述基准函数确定工序中所确定的所述基准函数，将所述多个区间数据分别变换成以所述波形的两端平稳地收敛到零的方式调整的调整数据，以使所述连接点对应的所述第一区间数据的端点作为接触点的切线斜率与所述连接点对应的所述第二区间数据的起点作为接触点的切线斜率一致。

2.根据权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于：

所述基准函数为次数3以上的多项式函数。

3.根据权利要求1或2所述的信号处理方法，其特征在于：

所述基准函数确定工序中，将所述区间数据的时间轴起始位置设为t₁，将值设为y₁，将在起点(t₁，y₁)相切的切线即所述起始位置附近的近似直线的斜率设为k₁，且将所述区间数据的时间轴结束位置设为t_end，将值设为y_end，将在终点(t_end，y_end)相切的切线即所述结束位置附近的近似直线的斜率设为k_end，将具有下述式(2)所表示的系数a、系数b、系数c、系数d的下述式(1)的三次曲线y(x)确定为所述基准函数，

y(x)＝a(x-t₁)³+b(x-t₁)²+c(x-t₁)+d…(1)

4.根据权利要求1或2所述的信号处理方法，其特征在于：

所述变换工序是通过将所述区间数据减去所述基准函数而变换成所述调整数据。

5.根据权利要求1或2所述的信号处理方法，其特征在于：

包括从所述调整数据中除去噪声的噪声除去工序，

所述噪声除去工序包括：

利用低通滤波器的滤波处理工序；

反变换工序，利用所述基准函数对在所述滤波处理工序中除去了高频噪声的数据执行反变换；以及

连接工序，将在所述反变换工序中经反变换的数据连接，并复原成与原本的输入信号相同的时序数据。

6.一种材料试验机，其特征在于包括控制装置，所述控制装置利用根据权利要求1至5中任一项所述的信号处理方法对从物理量检测器输入的时域信号进行处理。

7.根据权利要求6所述的材料试验机，其特征在于：

所述物理量检测器为在材料试验中检测对试片赋予的试验力的力检测器、或在材料试验中检测所述试片中所产生的位移的位移计。

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