信号特征提取-信号分析技术.ppt

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1、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

2、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平均值均方值、有效值峰值、峰值指标脉冲指标裕度指标歪度指标峭度指标4．1．1平均

3、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。4．1．2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。4．1．3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

4、计指标。(无量纲相对值)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。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)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。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

5、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。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

6、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

7、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。（举例）周期性方波信号的频谱周期性方波可以在一个周

8、期内表述为：可展成傅里叶级数：X(t)=－AAω03ω05ω07ω0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：离散性即周期信号的频谱图中的谱线是离散的。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。收敛性周期信号的高次谐波的幅值具有随谐波