第4章信号特征提取——信号分析技术

第四章信号特征提取——信号分析技术主讲：王林鸿教授、博士机械与汽车工程学院信号特征提取的必要性•由于机械设备中存在多个振动源，当它们混杂在一起被传感器转换成波形曲线时，呈显出杂乱无章的形态；•读懂信号的根本途径就是通过各种方法进行特征提取;•对信号分析结果的解释永远比信号分析的算法更重要。设备运行状态信号•平稳定转速运转的机械设备，无论有多少个振动源，其产生的振动信号都是与转速相关的强迫振动信号，也是周期性信号。•可以认定：凡是与转速相关的信号属于设备运转状态信号，与转速无关的信号属于工艺参数信号、结构参数信号、电气参数信号。•结构参数信号、电气参数信号仍属于故障诊断范围，但不在机械故障诊断范围内。信号分析方法优劣判据•信号分析技术包含了许多种信号分析方法，有的很时髦，比如小波分析、神经网络等，各种分析方法都有其适应的范围。•评定信号分析方法是否适用于机械故障诊断，只有一个标准——简洁实用。信号特征类型•时域特征：▫反映设备总体状态，用于故障监测、趋势预报；•频域特征：▫用于确诊故障类型、原因、部位；•时频域特征：▫用于设备起、停过程分析；•诊断过程通常结合起来使用。4．1信号特征的时域提取方法1.平均值2.均方值、有效值3.峰值、峰值指标4.脉冲指标5.裕度指标6.歪度指标7.峭度指标4．1．1平均值•平均值描述信号的稳定分量，又称直流分量；•机械振动的平衡点位置；•是信号的一阶矩统计平均。NiitxNX1)(14．1．2均方值、有效值均方值•均方值与有效值均用于描述振动信号的能量，是信号的二阶矩统计平均。•有效值Xrms又称均方根值，是机械故障诊断系统中用于判别运转状态是否正常的重要指标。•速度有效值Vrms（mm/s），称为振动烈度。NiirmstxNX122)(14．1．3峰值、峰值指标通常峰值Xp是指振动波形的单峰最大值。在一个信号样本的总长中，找出绝对值最大的10个数，用这10个数的算术平均值作为峰值Xp。峰值指标峰值指标Ip和脉冲指标Cf都是用来检测信号中是否存在冲击的统计指标。(无量纲相对值)rmsppXXI4．1．4脉冲指标脉冲指标Cf和峰值指标Ip都是用来检测信号中是否存在冲击的统计指标。(无量纲相对值)由于峰值Xp的稳定性不好，对冲击的敏感度也较差，因此在故障诊断系统中应用逐步减少，被峭度指标所取代。XXCpf4．1．5裕度指标裕度指标Ce用于检测机械设备的磨损情况。(无量纲相对值)XXCrmse4．1．6歪度指标•是信号的三阶矩统计平均；(无量纲相对值)•歪度指标反映振动信号的非对称性；•如果某一方向存在着摩擦或碰撞，造成振动波性的不对称，歪度指标Cw增大。331)(1rmsNiiwXxxNC4．1．7峭度指标•是信号的四阶矩平均；(无量纲相对值)•峭度指标Cq反映振动信号中的冲击特征。•峭度指标Cq对信号中的冲击特征很敏感，正常值在3左右，如果接近4或超过4，则说明机械的运动状况中存在冲击性振动。一般情况下是间隙过大、滑动副表面存在破碎等原因。441)(1rmsNiiqXxxNC运用统计指标的注意事项•各种统计指标，不能孤立的看，需要相互映证。同时还要注意和历史数据进行比较，根据趋势曲线作出判别。•往往有这样的情况，当发现设备的情况不好，某项或多项特征指标上升，但设备不能停产检修，只能让设备带病运行。当这些指标从峰值跌落时，往往预示某个零件已经损坏，若这些指标（含其它指标）再次上升，则预示大的设备故障将要发生。4．2信号特征的频域提取方法•时域统计特征指标只能反映机械设备的总体运转状态是否正常，因而在设备故障诊断系统中用于故障监测，趋势预报。•要知道故障的部位、类型就需要进一步的做精密分析。频谱分析是一个重要的、最常用的分析方法。图4—1信号的时频关系4．2．1频域分析与时域信号的关系傅里叶变换工具•傅里叶变换提供了从另一个角度观察信号的数学工具——把信号投影到横坐标轴是频率f的频域。在这个观察面上，我们可以看到信号由哪些正余弦波组成。•傅里叶变换的本质功能就是从总体中划分出成分。•该工具的作用：从杂乱中找出规律，从无序中提取有序；大事化小，小事化了，是解决复杂问题的好用工具。频谱图的诊断作用在频谱图中，主要关注哪些机械运行状态的振动成份（与基准频率——轴转频有固定的数学关系的频率成份：N×,1/N×），谁占主导作用，谁与过去相比，有较大幅值变化等等。4．2．2周期信号与非周期信号的频谱•周期信号，可展成傅里叶级数的形式：（n=1，2，3，……）•它表明周期信号，均可以表述为一个常数分量a0和一系列正弦分量之和的形式。•其中n=1的那个正弦分量称为基波，对应的频率ω0称为该周期信号的基频。其它正弦分量按n的数值，分别称为n次谐波。100)sin()(nnntnAatx（举例）周期性方波信号的频谱周期性方波可以在一个周期内表述为：可展成傅里叶级数：X(t)=－AA02tT20Tt)7sin(74)5sin(54)3sin(34)sin(4)(0000tAtAtAtAtxω03ω05ω07ω0图4—3方波的幅频谱图图4—2周期性方波信号周期性方波信号与频谱图周期信号的频谱特征：1.离散性即周期信号的频谱图中的谱线是离散的。2.谐波性即周期信号的谱线只发生在基频ω0的整数倍频率上。3.收敛性周期信号的高次谐波的幅值具有随谐波次数n增加而衰减的趋势。非周期信号的频谱•非周期信号分为准周期信号和瞬变信号。•脉冲函数、阶跃函数、指数函数、矩形窗函数这些工程中常用的工具都是典型的瞬变信号。（举例）矩形窗函数矩形窗函数的时域表达式为：1w(t)=02Tt2Ttt图4—4矩形窗函数2T2T幅—频谱相—频谱图4—5矩形窗的频谱图矩形窗函数的频谱非周期信号的频谱特征：1.谱线是连续的，这是瞬变信号与周期信号在谱图上的显著区别。2.矩形窗的时间长度T愈长，幅频图中主瓣愈高而窄。意味着能量愈集中于主瓣，这在信号分析中是有重要意义的。4．2．4频混和采样定理•如果以x（t）代表原始的连续时间信号，则采样信号xc（t）可以看成是x（t）与脉冲序列δ0（t）的乘积；•采样后得到间隔为T的等距脉冲序列，这个序列的包络线应与原始信号x(t)一致；•采样后的信号应能恢复原信号，不发生失真，这主要取决采样间隔T。采样过程：采样过程示例图4—9采样过程频混现象示例图4—10采样序列及还原曲线图4—11采样信号的频混现象采样定律•对信号x(t)采样时，一定要有合适的采样频率。•设x(t)所包含的各成份中最高频率为fx，这要靠抗混低通滤波器来实现（截止频率稍高于fx）。•快速富里叶变换（FFT）的最高分析频率fc=(1.5～2)fx，采样频率fs=2fc=(3～4)fx。4．3信号特征的图像表示•信号特征的两种表示方法：▫数值特征▫几何特征•几何特征比数值特征更直观生动。4．3．1统计指标的图像表示•时域信号统计指标是用于判定：机械设备是否有故障（故障隐患）、程度如何、发展趋势怎样等这类维修指导性工作。•机械故障诊断系统中时域信号特征的主要指标是：平均值、均方根值（有效值）、峰值指标、脉冲指标、裕度指标、歪度指标、峭度指标等七种。•其中最主要的是均方根值，它是判定是否存在故障的重要指标。其它指标用于回答程度如何，这些指标的时间历程曲线用于回答发展趋势怎样。时域统计指标条形图统计指标的名称——均方根值统计指标的数值——12.7数值的物理单位——μm报警限（又称一级报警限）——11.4危险限（又称二级报警限）——15.6均方根值11．415．6μm图4—12统计指标条形图12．74．3．2频谱的图像表示•频谱图用于回答：故障的部位、类型、程度等问题，是分析振动参数的主要工具。•关注频率与振动幅值的变化。•要特别关注那些与基频存在比例关系的谱线。频谱图示例X=312.4HzY=6.78mVHz100200300400mV图4—13幅值—频谱图示意频谱图的类型1.线性幅值谱：纵坐标有明确的物理量纲，是最常用的。2.对数幅值谱：纵坐标单位是dB（分贝），那些振幅较低的成分相对于高振幅成分得以拉高，以便观察掩盖在低幅噪声中的周期信号；3.自功率谱：先做自相关卷积，再做傅里叶变换，周期信号更加突出。怎样看频谱图a)观察那些幅值较大的谱线，这些谱线的频率所对应的运动零部件。b)注意那些幅值比过去有显著变化的谱线，它的频率对应哪一个部件的特征频率。c)注意与转频有固定比值关系的谱线，它们之中是否存在与过去相比发生了变化的谱线。时间历程的频谱图像表示——三维瀑布（三维谱阵）•三维瀑布图是由多个频谱图按时间历程组合成的分析图像；•垂直坐标是振幅，横坐标是频率，纵坐标是时间，各时间历程的频谱图按时间序列等间距排列；•常用于起动、停机等非平稳过程等分析。三维瀑布图示例图4—14三维瀑布图怎样看三维瀑布图•关注各主要振动频率成份的振幅是否随转速变化。那些随转速升降而幅值也升降的频率成份一定是机械运动状态信息。•与转速无关的山脊有两种情况：1.山脊在低速下没有，在某个转频之上才出现。它是与转子固有频率相联系的油膜振荡故障信息。2.山脊一直存在，而振幅与转频无关。那它是结构振动信号。•还有一个用途——区分振动的原因是机械或电气。4．3．4轴心轨迹的图像表示图4—15涡流传感器的布置图4—16轴心轨迹图4．3．5轴心轨迹的空间图像表示（三维全息图）沿着转轴的全长，将各个测量截面的轴心轨迹图上同一时点连接起来，就构成了轴心轨迹的空间图像（三维全息图）。图4—17一阶轴线轨迹图本章习题：•4-1,4-3，4-4,4-5，4-10，4-13.Thankyouforyourattention!谢谢大家