3．1 信号采集基础
3．1．1 信号采集设备的构成和性能
典型的信号采集设备主要由传感器、信号调理模块、A/D转换模块以及储存、分析模块构成。由于冲击弹性波的测试实际上相当于多点微小振动信号的测试。因此，本章重点对微小振动信号的采集和分析进行叙述。
3．1．2 传感器
振动信号首先要通过传感器转换为能够被拾取的信号，根据《传感器通用术语》（GB 7665—2005）的规定，传感器的定义为：能感受规定的被测量元件并按照一定的规律（数学函数法则）转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
（1）传感器的分类。传感器可以按两种原则进行分类：一种原则是传感器的工作原理；另一种是被测物理量。
按工作原理可划分为：电荷传感器、半导体传感器、谐振式传感器等。
按被测物理量可划分为：速度传感器、加速度传感器和位移传感器以及力传感器、压力传感器等。
（2）传感器的性能。通常根据传感器的静态特性和动态特性两个方面来对传感器的性能进行评判。其中，主要用动态特性来对振动传感器进行评判。
传感器的静态特性是指当输入信号为稳定状态的情况下，其输入量与输出量所反映出的相互关系。由于传感器的静态特性中不存在时间参数，所以对此特性的描述可以用一个以输入量为横坐标，输出量为纵坐标的曲线进行描述，也可以用一个不包含时间参数的代数方程进行描述。
虽然可以用方程或者曲线对传感器静态特性进行描述，但更简洁的可用其主要参数对其进行表征，如线性度、分辨率、灵敏度、重复性、迟滞、漂移等。
所谓传感器的动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际应用中，通常以其对某些规整的输入信号的响应来表示。这便于以实验的方法得出在此种输入下的输出响应，再根据此输入输出关系就可推知其他输入信号下的输出响应。常见的规整信号包括正弦信号和阶跃信号等，因此，在实际应用中，常用频率响应和阶跃响应来表示传感器的动态特性。
典型的压电式振动传感器的主要性能指标有质量、灵敏度、频响范围、固有频率、横向灵敏度比、温度范围以及抗冲击性等。
3．1．3 信号调理
当传感器接收到信号后，会对信号进行初步的滤波、放大等处理（利用内部的电路如滤波模块、转换模块、放大模块等）从而转换为能被处理模块识别的标准信号，此过程即为信号的调理。传感器接收到的信号中包含大量的噪声，需对其进行滤波处理后才能做下一步的操作，如图3－1所示。
图3－1 信号滤波示意图
滤波器是一种具有信号处理作用的电路或器件，主要作用是滤除目标信号中的噪声信号。
滤波器按频率特性分为：低通（Low Pass Filter，简称LPF，仅允许信号低频部分通过）、高通（High Pass Filter，简称HPF，仅允许信号高频部分通过）、带通（Band Pass Filter，简称BPF，仅允许信号指定频段部分通过）、带阻（Band Stop Filters，简称BSF，仅固定频段内信号被滤除）四类。其中，最基本的两种为低通与高通滤波器，根据这两种滤波器可组合出其他类型的滤波器。典型的高通滤波器电路及频响曲线见图3－2。
图3－2 典型的高通滤波器电路及频响曲线图
在实际的应用中，往往会遇到微弱信号，不利于处理模块直接识别。因此，需要对信号进行放大。放大器能有效的放大输入信号的电压或功率，在雷达、广播、通信、工程检测、自动控制等领域得到了广泛应用。为了消除对信号噪声部分的放大，现代的集成运算放大器往往还具备消噪的功能。
3．1．4 A/D转换
A/D（Analog/Digital）转换即模数转换，就是把连续的模拟信号（通常是电压信号）转换成离散的数字信号。由于计算机只能对处理数字信号进行处理。因此，在采用计算机进行处理测试时，必须要通过A/D转换来实现。
另外，当信号处理传输完后往往需要以模拟信号的方式进行控制输出如电话听筒，因此，需要D/A转换即数模转换来完成，信号采集转换见图3－3［1］。
图3－3 信号采集转换示意图
我们也将这种模数转换的过程称为采样。A/D转换即为一个采样的过程。由图3－3可以看出，在同样的时间段内，如果表示连续信号的点数越多，描摹出的数字化信号就越接近连续信号。
A/D转换器的性能参数主要有：采样频率、采样精度、转换速率、线性偏移、误差度等。
采样频率（采样间隔）：每秒从连续信号中提取并组成离散信号的采样个数即称为采样频率（采样间隔）。可见，采集频率越高（采样间隔越短），对模拟信号的重构效果越好，不同采样频率采样结果见图3－4。
图3－4 不同采样频率采样结果图
另外，采样频率必须满足奈奎斯特采样定理，即采样频率必须大于被采样信号频率的2倍以上，才能保证采样后的信号不会产生明显失真。通常采用5倍以上的采集频率。采样频率与再现信号见图3－5。
图3－5 采样频率与再现信号示意图
转换速率（Conversion Rate）是指完成一次从模拟量转换到数字量所需的时间的倒数。只有采样速率（Sample Rate）不大于转换速率才能保证转换的正常进行。因此，在数值上将转换速率等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是ksps和Msps，表示每秒采样千/百万次（kilo/Million Samples per Second）。
采样精度（分辨率）是指单位数字量对应的模拟信号的值，其值定义为满刻度与2n的比值，其中n表示A/D转换器的位数。常见的有8位、12位、24位等。例如：当A/D转化器的输入模拟信号的幅值为0～5V，转换器为10位时，最末一位数字可代表20mV模拟电压（5V/210≈5mV），即A/D转换器的采样精度为5mV。如果是12位的，那么其采样精度为1．25mV（5V×1/212≈1．25mV）。
由此可知，A/D卡的位数和转换速率越高，对信号的采样精度也就越高。但这无疑也会增加A/D卡的功耗以及成本。因此，根据实际需要合理选择不同的A/D卡。
3．1．5 数据通信
数据采集处理后，需要传输到指定的设备（计算机或仪器仪表）中进行处理。不管是模块与模块间还是设备与设备间的数据传输，都将这种数据传递的过程称之为数据通信。
信号经信号调理模块后，数据经有线或者无线方式被发送到计算机或者仪器仪表进行处理。其中，有线方式也称为总线方式，从广义上说，又可分为并行通信和串行通信，相应的通信总线被称为并行总线和串行总线。并行通信速度快、实时性好，但相应的占用的系统资源多。而串行通信虽速率低，但在数据通信传输量不大的情况下则显得更加简易、方便、灵活。
设备与计算机进行数据交换的总线主要有RS－485、RS－232、CAN总线和USB总线等。
信号经采集、调理模块、A/D转换最后经总线传输到仪器仪表或计算机中进行处理，这样就构成了一个简单的信号采集系统。虚拟信号采集及采集显示见图3－6，信号被采集后，通过USB总线传输到计算机，虚拟仪器根据接收到的信号显示出振动波形图。
随着无线传输技术的不断发展，无线传输技术也逐渐被用于工程检测。无线数据传输是指利用无线数传模块将采集到的数据进行远程传输，可以进行无线数据采集，也可以进行无线开关量控制，如果传输的是开关量，则可对远程设备进行遥控，无线数据传输见图3－7。无线数据传输可借助多种无线方式实现如CDMA、GPRS、3G、4G公众移动网络，也可用数传电台、宽带WiFi专网等。
图3－6 虚拟信号采集仪及采集显示图
图3－7 无线数据传输示意图
GPRS是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，以“分组”的形式进行数据传送，支持特定的点对点和点对多点服务。由于GPRS网络容量是按需分配，峰值速率可达100kbit/s，虽然其速度不如现在的3G与4G网络，但是具有按流量计费且永远在线，不用拨号即可随时接入互联网，资源利用率高的特点。3G技术以其高达384kbit/s的有效速率基本取代了GPRS和CDMA技术。另外，最近4G网络以其更高速的传输速度受到了广泛关注并逐渐形成规模。