毕业论文-基于加速度传感器的电机振动测量.doc

苏州科技学院本科生毕业设计（论文） i 基于加速度传感器的电机振动测量基于加速度传感器的电机振动测量 摘 要 电机是现代生产中的重要电气设备，从大型的工业电机到小型的家用电器，电 机都是随处可见的，电机的故障会对生产造成重大影响，因此需要监测电机的运行 状态。 为监测电机的运行状态，本文通过加速度传感器来测量电机振动的大小，并通 过微控制器对电机加速度信号进行采集，并将它传输给电脑；利用电脑软件对采集 的加速度信号进行频域积分得到速度信号，再与电机振动判断标准进行对比分析,从 而判断电机运行状态, 确定修复时机，为电机提供检修依据。 关键词：加速度；振动测量；信号处理；故障分析 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） ii measure the vibration of motor based on the acceleration sensor abstract the electric motor is one sort of the most important electric equipments in modem manufacturingfrom large industrial motors to small appliances, electric motors are everywhere. its failure would produce a significant impact on the motor, therefore, we need to monitor the operating status of the motor. in this paper, in order to monitor the motor running, size of the motor vibration is measured by the acceleration sensor, and uses the microcontroller to collect the motor acceleration signal and transfer it to the computer. the acceleration frequency-domain signal is integrated into the speed signal in the computer, and then the speed signal is compared with the motor vibration criteria, to provide the basis for the maintenance of motor. we can determine the timing of repair. keywords: acceleration sensor, vibration measurement, signal processing, failure analysis 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） iii 目目 录录 第 1 章 绪论 1 1.1 引言 1 1.2 电机振动特性1 1.2.1 振动参数 .2 1.2.2 振动标准 .3 第 2 章 电机振动测量装置设计 6 2.1 采集模块介绍6 2.1.1 mma8452 加速度传感器7 2.1.2 控制器 nxp arm lpc11148 2.1.3 电源模块 .8 2.2 接口转换模块设计9 2.2.1 ttl 信号转 485 信号9 2.2.2 rs-485 信号转 rs-232 信号.10 2.2.3 rs-232 转 usb 信号 .10 第 3 章振动信号采集.12 3.1 信号的采集.12 3.1.1 读取数据模块 13 3.1.2 信号发送 18 第 4 章 振动信号处理 .20 4.1 振动加速度信号与速度信号之间的转换.20 4.2 信号转换的实现.21 4.3 实际测量结果.24 结 论 .27 致 谢 .28 参 考 文 献 29 附录 a 译文30 附录 b 外文原文38 附录 c 程序代码46 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 1 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.11.1 引言引言 随着科学技术的发展，电机已经成为我们生活中不可缺少的一部分，从大型的 工业电机到小型的家用电器，电机都是随处可见的，因此电机是否正常工作对我们 日常生活的好坏有很大影响。 电机振动主要由电枢不平衡、电磁力、轴承磨损、转轴弯曲和安装不良使电机 与负载机械的轴心线不对中或倾斜等原因引起的。电机振动大小必须要满足国家的 电机振动标准,否则会造成很严重的后果。现在,电机振动标准主要是用振动速度的 有效值来衡量。 测试和诊断电机振动好坏的基础是采集和处理电机的振动信号，因此我们在测 量时必须要有一个电机振动测量、处理和诊断的系统。电机振动测试通常是用加速 度传感器记录加速度信号。然后再用傅里叶变换来进行频谱分析。 在过去的几十年里，小波分析、时频联合分析、独立分量分析等信号处理的新 方法有了很大的发展，为电机振动的深入研究提供了条件。在故障诊断中取得了出 色的效果。 1.21.2 电机振动特性电机振动特性 电机振动是因为电磁，能量转换，机械振动等物理因素引起的。电机产生振动 的原因包括1： 1电磁力：电磁力作用在定子和转子之间的空隙中，它的力波在气隙中是旋转 的或者是脉动的，力的大小和电磁负荷、电机有效部分的结构和计算参数有关。由 电磁力产生的振动大小与作为振荡系统的定子特性有很大的关系，大多数电机的电 磁振动都在1004000hz频率范围内； 2轴承：轴承产生的振动和轴承本身的制造质量、轴承配合面的加工精度、固 定轴承位置的轴承盖相对电机机座的锁紧面加工精度等有关： 3转子的机械不平衡：转子的不平衡能产生显著的振动，特别是3000rpm和更 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 2 高转速的高速电机中非常明显2。 1.2.11.2.1 振动参数振动参数 振动有三个基本参数，分别是振幅、频率和相位。其中振幅可用位移、速度和 加速度来表示。在测量过程中我们一般在振动频率小于10h z时测量位移，当频率在 10h z到1kh z时测量速度，而当振动频率大于1kh z时测量加速度3。电机振动一般 是中频振动，所以在测量时要得到振动的速度信号。我们也可以用频率分析仪测量 振动频率，用示波器显示振动相位。 电机振动是运动的一种，所以它的加速度、速度、位移三者之间的关系和运动 一样，三者都是微积分的关系： (1.2-1) tdtvta dttatvtdtv 或 (1.2-2) tdtadttvtd 2 式中：以 d(t) 为振动位移，v(t)为振动速度，a(t)为振动加速度。在物理意义上， 位移体现了振动质点相对参考点的瞬时位置；速度是单位时间内的位移，反映振动 质点运动的快慢程度；加速度是速度的变化率，反映速度变化的快慢。但是它们之 间是有着很紧密的联系，例我们假设瞬时位移为：ftdtd m 2cos 则： (1.2-3) 2 2cos 2 2cos2 2sin2 ftv ftfd ftfdtdtv m m m (1.2-4) fta ftdf ftfvtvta m m m 2cos 2cos2 2cos2 2 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 3 推导可得： (1.2-5) mm a f v 2 1 (1.2-6) mmm a f v f d 2 2 1 2 1 式中分别为振动的位移、速度、加速度。从上面的式子我们可以看出： mmm avd 当振动加速度一定时，速度和振动频率成反比，位移和振动频率的平方成反比；当 振动的位移一定时，速度和振动的频率成正比，加速度和振动频率的平方成正比。 所以位移对低频振动比较敏感，加速度对高频比较敏感，而速度参量对频率的敏感 度在位移和加速度之间。所以我们在对高频故障（如滚动轴承、齿轮箱故障等）或 高速设备进行测量时，应选加速度为参考量；在对低频故障（如不平衡、不对中等） 或低速设备测量时，应选位移为参考量；而在进行振动的总体状态测量时，都是选 速度为参考量。正是由于这样，国际 iso-2372 振动烈度标准是以振动的速度为参考 量的。我们在测量振动是要将我们测得的物理量变为速度参量。 1.2.21.2.2 振动标准振动标准 国际上流行的标准很多，但是一般较集中在振幅（位移）、速度和加速度上。 其建立的理论依据为美国齿轮制造协会（agma）提出的机械（滚动轴承）发生振 动时的预防损伤曲线。见图 1-1。 图 1-1 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 4 由图可见，频域在 10hz 以下，位移是恒定的，所以通常把位移作为振动标准 进行比较；当振动的频域在 10hz-1khz 时，速度是恒定不变的，所以把速度作为 判断振动好坏的依据；而在 1khz 以上高频域时，加速度是一定的，以加速度作为 判定标准4。 前人的研究已经理论证明4，电机振动部件的疲劳与振动的速度成正比，振动 所产生的能量与振动速度的平方成正比，能量传递的结果造成磨损和其它缺陷，一 因此在振动判断标准中，无论从疲劳损伤还是磨损等缺陷来说，以速度标准最为适 宜。 对于低频振动，主要考虑位移破坏，这种破坏的实质是疲劳强度破坏，而不是 能量破坏；对于 1khz 以上的高频域，主要考虑冲击和共振破坏。 1. 振幅（位移）标准如图 1-2 iso10816振动位移（um） 315160 h315h 140 以上 140 113 d 90 d 71 c 57 c 45 37 b 29 b 22a a 图 1-2 振动位移标准 有大型旋转机械的振幅标准、电厂用汽轮机振幅标准、化工部颁发的部分设备 标准、部分引进日本设备的振幅标准、大型机组相对位移标准和金属切削机床位移 标准。在金属切削机床位移标准中，普通车床位移标准为 5.00-25.4m；平面磨床位 移标准为 1.27-5.0m；外国磨床位移标准为 0.76-5.0m。 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 5 2. 速度标准4 此标准是国际化组织在德国标准 vdi2056 和英国标准 bs4675 的基础上制定的,见 表 1-3。 表 1-3 速度标准 振动强度iso2372iso3945 范围 速度有 效值 (mm/s) i 级级级级刚性基 础 柔性基 础 0.280.28 0.450.45 0.710.71 1.121.12 a 1.81.8b a 2.82.8b aa优 4.54.5 c b良 优 7.17.1 cb 11.211.2 c可良 1818可 2828 c 4545 71 d d d d 不可 不可 注：（1）i 型为小型电机（小于 15kw 的电动机） ；ii 型为中型电机（15kw- 75kw 的电动机等） ；iii 型为大型原动机（硬基础） ；iv 型为大型原动机（弹性基础） 。 （2）a、b、c、d 为振动级别，a 级好，b 级满意，c 级不满意，d 级不允许。 测量速度 rms 应在轴承壳的三个正交方向上。 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 6 第第 2 2 章章 电机振动测量装置设计电机振动测量装置设计 本次设计的装置是一个将微控制器与 pc 机联合在一起的信号处理装置，它从 整体上分为三个部分：采集模块、接口电路转换模块和 pc 机处理模块如图 2-1。 采集模块接口转换模块pc 机处理模块 图 2-1 装置结构图 采集模块负责对信号进行采集；接口转换模块负责将采集的信号传输给 pc 机， 同时负责将 pc 机的控制指令传递给采集模块；pc 机处理模块负责对接收到的信号 进行处理。 2.12.1 采集模块介绍采集模块介绍 本模块设计包括：传感器部分，用来采集振动的加速度信号；控制部分，用来 初步处理数据并将数据进行接发收；信号传输部分，将传感器采集的信号传输给控 制器；电源部分，为整个装置提供电源。当控制器接收到计算机接受信号指令后， 通过 i2c（interintegrated circuit）通信向加速度传感器发送一个读取信号命令， 加速度传感器接收到命令后将数据传给控制器5。如图 2-2。 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 7 加速度传感器 微控制器 i2c 通信 电源模块 程序烧写模块 仿真调试接口 模块 图 2-2 采集模块结构图 2.1.12.1.1 mma8452mma8452 加速度传感器加速度传感器 本装置选用 mma8452q 加速度传感器作为传感器模块的核心。mma8452q 加 速度传感器是一款具有 12 位分辨率的智能低功耗、三轴、电容式加速度传感器。 这款加速度传感器具有丰富嵌入式功能，通过 i2c 进行数据交换，带有灵活的可编 程性，可以配置两个中断引脚。mma8452q 可以实时输出高通滤波数据和非滤波数 据。它的供电电压：1.95 v 至 3.6 v 接口电压，输出数据速率 (odr) 范围： 1.56 hz 至 800 hz 噪声：99g/hz，拥有 12 位和 8 位数字输出 i2c（interintegrated circuit） 数字输出接口（在上拉电阻为 4.7 k 时，最高频率可达 2.25 mhz） 适用 于 6 个中断来源的 2 个可编程中断引脚 3 个运动检测嵌入式通道 - 自由落体或运 动检测： 1 通道 - 脉冲检测： 2 通道 晃动检测： 3 通道 带有设定滞后补偿的 方向（横向/纵向）检测。适用于冲击和振动检测6。 当加速度传感器接收到控制器的读取信号的请求后，如果加速度传感器在工作 状态，且 i2c 信道空，即没有数据传输，则加速度传感器将 x 轴，y 轴，z 轴的数 据传给控制器。 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 8 2.1.22.1.2 控制器控制器 nxpnxp armarm lpc1114lpc1114 随着嵌入式系统的发展，arm（acorn risc machine）的使用已经变得越来越 普遍。arm 处理器本身是 32 位设计，但也配备 16 位指令集。一般来讲比等价 32 位代码节省达 35%，却能保留 32 位系统的所有优势。 lpc1100l 运行速度高达 50mhz，因此 lpc1100l 系列 arm 能够每秒执行 4500 多万条指令。lpc1100l 不仅能执行基本的控制任务，而且能进行复杂运算， 其功耗也非常低，仅需不到 10ma 的电流。 lpc1114 是一个基于 arm cortex-m0 内核的超低功耗三十二位处理器。主频高 达 50mhz 内部集成 32kflash 存储器，8k 数据 ram。片上外设有 i2c，uart,spi, 通用定时器，adc,以及高达 42 个通用 i/o 。具有可编程看门狗定时器。 本装置将 lpc1114 的 15 号引脚和 16 号引脚分别设置为 i2c 的串行时钟 （scl）引脚和串行数据（sda）引脚，用于和 mma8452 加速度传感器进行数据 交换。 将 lpc1114 的 46 引脚和 47 引脚设置为芯片串口通信（uart）的 rxd 和 txd,并将它们分别与 sp3485 的 1 号（ro）和 4 号(di)引脚相连（sp3485 是 3.3v 供电的 rs-485 收发器）。 2.1.32.1.3 电源模块电源模块 本装置使用的控制器是 lpc1114，它需要 3.3v 供电电源，而在用 rs-485 传输 信号时需要 12v 的电源，因此本设计需要采用 12v 电源为主电源，然后将 12v 电 源转换成 3.3v 电源为 lpc1114 供电。 首先将 12v 电源通过低电压电压转换器 cs51411 转换成 5v 电源。再将 5v 电 源通过电压转换器 cat6219 转换成 3.3v。在转换过程中，我们没有将 12v 电源直 接转换成 3.3v 电源，因为如果通过 cs51411 直接将 12v 转换成 3.3v 电源后，它的 输出量 3.3v 会出现很大的波动，最大值超过了芯片的最大承受能力，会损坏芯片， 因此本设计采用通过两次转换将 12v 电源转换成 3.3v 电源。 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 9 2.22.2 接口转换模块设计接口转换模块设计 微控制器 lpc1114 通过 uart 输出的信号是第二代是晶体管 ttl（transistor transistor logic）信号，其电压规定输出高电平大于 2.4v 为逻辑“1” ，输出低电平 小于 0.4v 为逻辑“0” 。计算机无法直接接收 ttl 信号，所以必须将信号转换成计 算机能接收的信号，如图 2-3。 ttl 信号 485 信号 232 信号 usb 信号 图 2-3 信号转换过程 2.2.12.2.1 ttlttl 信号转信号转 485485 信号信号 rs485 采用差分信号负逻辑，2v6v 表示“0”，- 6v- 2v 表示“1”。很多 情况下，连接 rs-485 通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“a”、“b” 端连接起来。 rs485 电路是一种双向通信电路如图 2-4. 控制器输出的信号通过 rs-485 收发器的 di 引脚进入，经过转换后变成一组差 分信号，分别从 rs-485 收发器 a 引脚和 b 引脚输出。 同理，当一组 485 差分信号通过 a、b 引脚进入 rs-485 收发器后，经过转换变 为 ttl 信号再通过 ro 引脚和 rxd 引脚进入 lpc1114 控制器。 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 10 图 2-4 485 接口电路 2.2.22.2.2 rs-485rs-485 信号转信号转 rs-232rs-232 信号信号 由于 pc 机默认的只带有 rs232 接口，通过 rs232/rs485 转换电路将 pc 机串 口 rs232 信号转换成 rs485 信号，如图 2-5。 图 2-5 485 转 232 过程 2.2.32.2.3rs-232rs-232 转转 usbusb 信号信号 由于电脑技术的发展，许多人开始改用笔记本电脑，而在笔记本电脑上很少会 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 11 有 rs232 接口，都是使用 usb 接口，因此要将 rs-232 信号通过 usb/rs232 转换 器转换成 usb 信号。 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 12 第第 3 3 章章 振动信号采集振动信号采集 电机的振动信号和电机的电流电压一样是模拟量，由于离散时间信号（或数字 信号）的处理更方便、灵活、成熟，在实际中，我们首先将连续信号转换成相应离 散信号，经过加工处理后再将离散信号还原成连续信号。 3.13.1 信号的采集信号的采集 根据本设计的设计要求和设计好的硬件结构，其采集信号的软件的工作步骤如 下： 1. 首先对系统进行初始化； 2. 判断微控制器器 lpc1114 是否接收到来自 pc 机的读取传感器数据的指令； 3. 如果收到指令，控制器对传感器发出一个读取指令，传感器接收到指令后将 x 轴、y 轴和 z 轴的数据传给控制器； 4. 如果没有收到指令，控制器继续等待 pc 机的指令； 5. lpc1114 通过 uart 串口通信将数据传出。 采集信号软件工作的流程图如下： 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 13 初始化 是否收到 pc 指令 开始 读取 mma8452 加 速度传感器的数据 y n uart 发送 信号 图 3-1 采集信号工作流程图 3.1.13.1.1 读取数据模块读取数据模块 mma8452 是一个三轴的加速度传感器，它会将加速度分解到一个它自身空间 直角坐标系中（x 轴、y 轴、z 轴）如图 3-2， 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 14 图 3-2 mma8452 三轴图 传感器测出的数据是一个 12 位数据，而传感器的存储器单元只能存储 8 位，所 以一轴的加速度要用 2 个单元来存储。在 mma8452 传感器中有 6 个存储器，分别 对应存储 x 轴的高 8 位、低 8 位，y 轴的高 8 位、低 8 位和 z 轴的高 8 位、低 8 位， 且每个存储器都有对应的地址，如表 3-3。启动后，加速度传感器会将加速度值时时 的存储在对应存储器中。 图 3-3 存储器表格 当控制器接收到 pc 机的读取命令后，控制器通过 i2c 的“i2c_readnbyte（） ” 函数（从有子地址器件的任意地址开始读取 n 个数据）利用 for 循环读取传感器中 的 6 个存储器中的数据，并将数据存储在控制器的 ram 中。 在读取数据后，将 x 轴的高 8 位数据左移 8 位，再加上 x 轴的低 8 位，得到一 个 16 位数，在 x 轴的第 8 位中，只有前 4 位数据有意义，后 4 位为 0，所以再将这 个数右移 4 位，得到一个 12 位数，这个数据就是 x 轴的加速度值。同理可以得到 y 轴和 z 轴的数据。为了尽量确保数据的准确性，采用测量 5 次求平均的均值滤波 法，流程图如下： 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 15 开始 判断是否测量 5 次 nx = 0; ny = 0; nz = 0; 传感器是 否工作 读取传感器的 6 个存储器数据 nx = (aucreg1*0x100+aucreg2); ny = (aucreg3*0x100+aucreg4); nz = (aucreg5*0x100+aucreg6)； 右移 4 位得 12 位数据 nx /= 0x10; ny /= 0x10; nz /= 0x10; y n n y 5 次求和 ix+=nx; iy+=ny; iz+=nz; 求平均 nx = (ix/5); ny = (iy/5); nz = (iz/5); 结束 图 3-4 数据采集流程图 由于 mma8452 加速度传感器可以测出自身加速度，所以当芯片上电时就会立 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 16 刻测出一个自身的重力加速度 g（g=9.8m/s2） ，这个值对设计要测的振动加速度是 不需要的，且在将加速度变为速度时会产生影响，所以要将这个值去除。过程如下： 开始 测出振动开始之 前的三轴数据： nx,ny,nz 测出开始振动后的 三轴数据：ix,iy,iz sx = ix-nx; sy = iy-ny; sz = iz-nz; 结束 图 3-5 消除自身重力加速度流程图 根据力的合成与分解，任意一个加速度都可以被分解到一个空间直角坐标系的 x,y,z 轴上。在测量时，测出的加速度含有重力加速度，因此要在测量前测出其自 身的加速度在 x,y,z 轴上的分量，再将测出的振动加速度减去自身的加速度，就得 出要测的振动加速度。 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 17 程序代码： ix = 0; iy = 0; iz = 0; uci = 5; /取 5 组数据 while(uci) if(mma845x_regread(status_00_reg) sy = 0; sz = 0; uci-; for (ucj = 0;ucj7;ucj+) aucregucj = mma845x_regread(ucj); 读取 x,y,z 轴数据 sx = (aucreg1*0x100+aucreg2); sy = (aucreg3*0x100+aucreg4); sz = (aucreg5*0x100+aucreg6); sx /= 0x10; sy /= 0x10; sz /= 0x10; ix+=sx; iy+=sy; 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 18 iz+=sz; /while(uci) /做均值滤波 sx = (ix/5)-nx; sy = (iy/5)-ny; sz = (iz/5)-nz; 3.1.23.1.2 信号发送信号发送 发送时，数据被写入发送fifo。如果uart 被使能，则会按照预先设置好的参 数（波特率、数据位、停止位、校验位等）开始发送数据，一直到发送fifo 中没 有数据。一旦向发送fifo 写数据（如果fifo 未空） ，uart 的忙标志位busy 就 有效，并且在发送数据期间一直保持有效。busy 位仅在发送fifo 为空，且已从 移位寄存器发送最后一个字符，包括停止位时才变无效。即 uart 不再使能，它 也可以指示忙状态。 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 19 开始 初始化:将 1.6 和 1.7 引脚设置为 rxd/txd;设置 波特率；清空 fifo;线控制寄存器; fifo 是否为 空 将数据写入 fifo fifo 使能， 可以发送 发送数据 发送数据 n y 图3-6 发送数据流程图 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 20 第第 4 4 章章 振动信号处理振动信号处理 将加速度振动信号转换为速度或位移信号是振动测量的重要过程。加速度与速 度和位移是积分的关系，所以只要对加速度信号进行积分就能求得振动的位移和速 度信号7。 4.14.1 振动加速度信号与速度信号之间的转换振动加速度信号与速度信号之间的转换 在振动测试中采集到的振动加速度信号，由于外界原因，在测试中得的加速度 信号含有直流分量和干扰噪声信号，即当加速度为0 时，传感器的输出并不一定为 0，而是一个非零的输出，测量值: 8 taerrortatata errorm 式中:为加速度传感器的测量值，为实际加速度值， 为传感器tamtataerror 测量误差， ， c 为常量。假设速度信号v( t) 为0，对其积分，tacta noiseerror 可得: t erroe tt m dtadtadtatv 000 (4.1-1) dctdtadta t noise t 00 积分后的速度信号包含干扰噪声信号、零点漂移产生的一次项ct 和常数项d， 如果不能去除这些误差，可能使得到的结果完全失真。因此我们需要对干扰噪声信 号、零点漂移产生的线性趋势项ct进行处理，方法是频域滤波后再积分。 根据傅里叶变换积分特性，若则有，因此频jxtx jx j dttx t 1 0 域积分的基本原理就是首先将需要积分的信号进行傅里叶变换，然后将变换后的频 域信号乘以 9。过程如图4-1。 j 1 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 21 开始 对信号进行 fft 变换 分别取出变换后的实部与虚 部除以对应的角频率 将实部与虚部对换后组成新 的频域信号 对新的频域信号进行滤波 对滤波后的信号进行 ifft 变换。 结束 图4-1 频域积分流程图 4.24.2 信号信号转换的实现转换的实现 本设计是将加速度信号导入电脑，利用 matlab 工具对信号进行处理。 1. 将测得的加速度信号保存到电脑中。matlab 具有强大的数据处理功能， 能够读取多种文件格式中的数据，用 excel 文件保存信号数据不仅能够对进行信号 处理，而且便于对数据进行统计10。 2. 将 excel 文件中的数据导入 matlab 中，但是导入后，数据和在 excel 中的 一样是 n*1 的一列数据，在对其进行计算时比较麻烦，因此将列向量转换成行向量。 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 22 3. 在 matlab 中对数据进行快速傅里叶变换。 sf=500; %采样频率 n=length(sheet1); %数据长 t=0:1/sf:(n-1)/sf; nfft=2nextpow2(n); x=sheet1; %变成行向量 y=fft(x,nfft); %进行 fft 变换 z=abs(y); 020040060080010001200 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 图 4-2 加速度信号频域幅度谱 4对加速度的频域信号进行积分得速度频谱，因为加速度频谱与速度的频谱相 差，所以它们的实部与虚部是要相互对调的，比不是只是在数值上相差 11。 j 1 1 df=sf/nfft; ni=round(fmin/df+1); na=round(fmax/df+1); dw=2*pi*df; w1=0:dw:2*pi*0.5*sf; w2=-2*pi*(0.5*sf-df):dw:-dw; w=w1,w2; 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 23 a=zeros(1,nfft); a(2:nfft-1) =y(2:nfft-1)./w(2:nfft-1); a1=imag(a); a2=real(a); y=a1-a2*i; %将积分后的信号的实部与虚部对换 a=zeros(1,nfft); a(ni:na)=y(ni:na); a(nfft-na+1:nfft-ni+1)=y(nfft-na+1:nfft-ni+1); 020040060080010001200 0 20 40 60 80 100 120 图 4-3 速度信号频域幅度谱 5将得到的速度频谱进行傅里叶逆变换，得到速度的时域谱。 y=ifft(a,nfft); y=real(y(1:n); 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 24 020040060080010001200 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 图 4-4 速度信号时域幅度谱 6. 将速度信号以 excel 文件格式保存，在 excel 中求出速度数据的均方根。并 将得出的值与振动的速度标准对比，判断其好坏。 4.34.3 实际测量结果实际测量结果 由于条件原因，未能找到单独的电机对其进行测量，我们最终决定对洗衣机各 个工作模式的电机运转情况进行测量。 1. 洗衣机在漂洗时的运转状况： 020040060080010001200 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 m/s2 图 4-5 漂洗时的电机加速度信号 漂洗时的电机加速度信号图体现了一个电机由启动到正常运转的过程。由图可 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 25 知，洗衣机的电机的振动加速度从启动到正常运转是逐渐变大，最后在一恒定范围 内波动的。信号的平衡值为-10m/s2，说明信号有直流分量，及自身的加速度。 020040060080010001200 -0.05 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 mm/s 图 4-6 漂洗时的电机速度信号 漂洗时的电机速度信号图是对漂洗时的电机加速度信号进行频域积分后得到的。 由图可知振动的速度值没有超过 0.27mm/s，根据 iso2372 振动标准可以知道其电机 振动没有故障。 2. 洗衣机在脱水时的运转状况： 050100150200250300 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 m/s2 图 4-7 脱水时的电机振动加速度信号 图 4-7 是脱水时的电机振动加速度信号图，该图已将信号的直流分量及自身的 加速度值去除。 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 26 050100150200250300 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 mm/s 图 4-8 脱水时的电机振动速度信号 图 4-8 是脱水时的电机振动速度信号图，从图中可以看出它的速度在-0.02 +0.02mm/s 之间，小于 0.2mm/s，所以在这一阶段电机的振动也没有故障。 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 27 结结 论论 本次设计是利用加速度传感器测量出电机的振动加速度，再将信号传输给计算 机，利用 matlab 软件对加速度信号进行处理，得出速度信号，最后将速度值与 振动标准进行对比，判断振动是否正常。由于设备原因我们没能到三星等大型厂线 去测量振动信号，只是对洗衣机的小电机进行了测量，所以数据有单一性。且由于 时间原因没能将信号的处理部分集成到 arm 控制器中。在后期的制作中我们会将 在计算机中处理的过程加入到微控制器中，使其可以对信号进行时时处理。未来我 们会将它制作成产品，并将它连到物联网中，进行数据监控，防止厂线电机的损坏。 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 28 致致 谢谢 非常感谢欧扬老师、李锡清工程师在我大学的最后学习阶段毕业设计阶段 给自己的指导，从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，到论文定稿，他们倾 注了大量的心血，严格把关，循循善诱，给了我耐心的指导和无私的帮助。为了指 导我们的毕业论文，他们放弃了自己的休息时间，特别是李锡清工程师，不仅在他 工作时抽出时间为我们解答我们的问题，还教给我们很多我们在课堂上没有学到的 东西，如：如何焊接贴皮器件，如何购买元器件，如何画 pcb 板图，如何调试电路 板等等。他们的这种无私奉献的精神令我钦佩，在此我向他们表示我诚挚的谢意。 同时，感谢所有任课老师和所有同学在这四年来给自己的指导和帮助，是他们教会 了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。正是由于他们，我才能在 各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意，并祝所有的老师培养出越 来越多的优秀人才，桃李满天下！ 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 29 参参 考考 文文 献献 1 苏国伟. 电动机常见故障分析与维护j. 中国新技术新产品，2010年 2 冯明辰， 李同全. 电动机的振动类型及特征分析j . 防爆电机，2007(6) 3 车一凡. 直流电机振动监测及故障特征分析j . 仪器仪表学报，2011(6) 4 赵华. 振动监测方法在工程机械状态监测与故障诊断中的应用j. 工程机械与维修，2002(8) 5 邱扩伟，谢扩军. 基于dsp的风力发电机振动检测系统研究j . 仪器仪表用户，2010(1) 6 李翠， 李效民， 钟美芳. 压电式加速度传感器的智能应用j . 实验室研究与探索， 2011（10） 7 高洪滨，欧阳光耀，朱石坚，赵建华. 弹性支撑下柴油机的冲击响应分析j. 内燃机工程, 2011（3） 8 方新磊，郝伟，陈宏. 基于频域滤波的加速度信号处理j. 仪表技术与传感器，2012（4） 9 张 昊， 赵荣祥， 杨 欢. 基于加速度传感器的转子偏心负载实时定位j . 机电工程， 2007（12） 10 郑慧仙，徐东红. 一起离心泵电机轴承故障诊断案例j . 石油和化工设备，2013（16） 11 陈培永，王 彤. 动态加速度信号的时频域积分方法j . 江 苏 航 空，2011 增刊 12 苏国伟. 电动机常见故障分析与维护j . 中国新技术新产品，2010 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 30 附录附录 a a 译文译文 基于振动传感器信号的自定义多小波的行星齿轮箱故障检测基于振动传感器信号的自定义多小波的行星齿轮箱故障检测 摘摘 要要 行星齿轮箱是复杂的动态响应，因为特殊的齿轮，所以比固定轴齿轮系更难以 察觉振动信号。随着多样化的先进方法的开发，这个具有挑战性的任务已经得到解 决，可以减少或避免非计划故障和灾难性事故的发生。能否利用多小波去噪使故障 特征明显的显示出来，这取决于功能分离，阈值去噪。然而，标准并固定的多小波 不适合精确的故障检测，因为它们通常是独立的测量信号。为了克服这个缺点，构 建基于冗余对称吊装方案定制多小波的方法，提出了本文。这是一种新的指标，结 合峭度和熵，选择最佳的多小波，因为峰度是尖锐的冲动和熵敏是有效的，定期的 冲动。改进后的相邻系数法引入到多小波消噪。从测量船舶卫星通信天线的行星齿 轮箱的振动信号是根据不同的电机转速抓获。实验结果表明，该方法能准确地检测 出在行星齿轮箱中两个相邻的牙齿早期点蚀故障。 关键词：行星齿轮箱关键词：行星齿轮箱;故障检测故障检测;振动传感器的信号振动传感器的信号;定制多小波定制多小波;冗余对称吊装方冗余对称吊装方 案案;改善邻近系数改善邻近系数 1 引言引言 准确的对行星齿轮箱进行故障检测是很重要的，它能减少非计划停机的时间， 并避免灾难性事故1的发生。作为关键部件，行星齿轮箱已广泛应用于汽车，航空 航天，重工业应用，如直升机，风力涡轮机和采矿设备，因为他们有很大的传动比， 强劲的承载能力和传动效率高的优点2。然而，因为长期的工作行星齿轮箱难免会 产生在复杂和苛刻的问题，如沉重的负荷，疲劳，腐蚀和高温下运行的各种故障。 如图 1 所示，初级行星齿轮组3由一太阳齿轮，一内部或环形齿轮和位于围绕太阳 齿轮几个相同的行星齿轮。行星齿轮由共同的刚性结构，通过行星轴承称为行星齿 轮架保持。在图 1 中，内啮合齿轮被固定时，太阳齿轮绕它自己的中心旋转时，行 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 31 星齿轮绕着自己的中心和围绕太阳齿轮的中心。 图 1 一个基本的行星齿轮的原理设置有三个行星齿轮。用一个特殊的齿轮传动结构。 行星齿轮箱是复杂动态响应，这比固定轴的齿轮系更难以检测 4。这是因为多个 行星齿轮产生类似的振动，这些类似的振动具有不同的网格划分阶段 5,6。研究人 员发现，从齿轮啮合点的复合振动传递路径的加速度传感器可能会通过耗散，干扰 和共振效应7破坏或削弱齿轮故障的振动响应。此外，大量的工作表明，大部分发 生在齿轮啮合频率的各个边带的振动能量及其谐波8和所造成的转矩或负载的非线 性传输路径的影响将减弱隐藏在振动信号故障5。这些复杂的动态响应增加行星齿 轮箱故障检测的难度。 截至目前，研究人员已经提出了基于检测行星齿轮箱故障先进的信号处理技术 的一些有趣的方法。布朗特和 keller 5开发的行星架的方法和行星分离的方法来检 测疲劳裂纹的行星传动的行星架，这是在美国军队的 uh-60 黑鹰直升机的主传动齿 轮的一个组成部分。 barszcz 和兰德尔9应用频谱的峰度（sk）技术来检测一个齿 裂缝中的风力涡轮机的行星齿轮。巴特尔穆斯和 zimroz 10,11引入了负载易感性概 念下的时间变工况行星齿轮箱的状态监测。据指出，该加速度信号包络表明在恶劣 的条件变速箱比处于良好状态的更深幅度调制。哈米德和香港12深刻探讨不同的 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 32 技术，方法和算法来监测风力涡轮机的性能，让他们远离引起的突发灾难性故障。 林雷和香港4提出了专门设计的故障检测和行星齿轮箱的诊断两种诊断参数。这两 个参数是根均经滤波的信号（疲劳风险管理系统）的平方和的未知信号和正常信号 （nsds）之间的差异谱的正振幅的归一化总和。林雷和林13介绍了一种基于多传 感器信息融合的点蚀破坏与行星齿轮箱不同的层次进行分类的方法。 综上所述，研究行星齿轮箱故障诊断只集中在状态监测和故障分类。研究早期 故障的薄弱功能检测是罕见的，这些弱势特征总是沉浸在由设备和周围环境产生的 噪音。这是尽早检测微弱故障显著特点，那就是要求具有高可靠性，高精度，高效 率先进的分析方法复杂和具有挑战性的任务。 多小波的新兴概念变换（mwt） ，它采用向量值尺度和小波函数，是小波理论 的重要发展。多小波同时具有的正交性，对称性，紧支集优异的性能和高消失矩 14,15。自 1994 年以来，geronimo 的哈丁 - massopust（ghm）多小波16,17，翠 连（cl）的多小波18和埃尔米特多小波19已经提出，并先后在理论获得了相当的 关注小波的研究团体和在应用程序中。哈德姆和 rezaee 20采用 ghm 多小波检测 齿轮系统故障。元和他21提出了多小波滑动窗口去噪检测热轧带钢精轧机的齿轮 箱故障特征。虽然这些方法表现出自己的比标量小波的优势。然而，所选择的标准 和固定多小波通常是不适合那些对特定应用22。 为了克服标准或固定 mwts 的局限性，整合多小波与提升计划（ls）是一个 令人兴奋的动力来构建定制的多小波具有所需性能。 ls，由 sweldens 23,24提出， 是一个功能强大的工具来构造双正交小波。它提供了极大的灵活性和自由，预测运 营商和运营商更新的设计，构建自适应小波。王字25提出了多小波定制通过对称 吊装方案源于埃尔米特样条曲线。元和他26提出了一种结合自定义的多小波与滑 动窗口去噪，这是一种有效的和有希望的工具，用于齿轮故障检测。 这是一个具有挑战性的任务，以检测早期故障，它们总是沉浸在受周围环境或 设备产生的噪声严重的弱势特征。多小波去噪起着尽可能的消除噪声重要作用。其 效果主要取决于分离功能通过使用多小波和阈值去噪。冗余多小波具有时间不变性 27，并提供丰富的信息特征检测周期的脉冲。对称性是其避免在 mwt 的相位误差 的另一重要属性。为了确保时间多小波的不变和对称性，方法整合对称提升方案和 苏州科技学院本科生毕业设计（论文） 33 冗余多小波，提出构建定制的多小波。然后是一个关键问题是如何评价所得到的多 小波，并选择最优的那些具体应用。峭度和熵的商建议选择最优多小波由于峭度是 早期故障和熵的尖锐敏感的冲动是有效的中度或严重故障的周期性冲击。此外，基 于相邻系数的相关性，改进的邻近系数（inc）28是通过消除从分解的信号的噪声。 在本文中，提出了行星齿轮箱的故障检测它集成了定制的多小波和 inc 的方法。 实验结果表明，该方法是有效的和有希望的，以检测这些微弱的脉冲功能。本文的 其余部分安排如下：多小波和对称吊装方案的理论第 2 节简要介绍了第 3 节中，冗 余对称的提升方案，提出构建定制多小波和改进的邻近系数引入到多小波消噪。在 第 4 节的实验结果进行。结论总结在第 5 节。 2 冗余对称吊装方案及改进的周边系数冗余对称吊装方案及改进的周边系数 2.1 改善周边系数去噪改善周边系数去噪 蔡和西尔弗曼33提出了一种阈值规则结合邻近系数（nc） 。陈34介绍了这一 方法引入多小波消噪，已在图像去噪和机械故障诊断取得了神奇的效果。传统的数 控程序选择相邻窗升恒定大小=3 在每一级小波分解后。然而，这种方法是不够准确， 因为相邻的窗口的大小是不变的，但系数的依赖性是变体在不同的高度。王先生提 出的改善邻近系数去噪研究的小波系数的依赖性28的规律后，为解决不断邻里的 问题。结合邻近系数的计算公式为公式（18）： 其中，j 是小波分解的水平，相邻窗的长度是 2n +1，n0 是一个常数，但应根据功 能的信号的持续时间和小波滤波器的支持选定。 该