机械故障诊断……信号分析.ppt

1、第3章 信号分析及处理技术, 3-1 信号概念及分类 信号-可测量、记录、处理的物理量。 动态信号-随时间有较大变化的信号。 3-1-1 信号转换与传感器 1.信号转换 不易测量的物理量（力、位移、转角、噪声等）通过传感器转换为可测量的物理量（电压、电流等）。 2.传感器 分类: 按工作原理分-电感、电阻、电容、电涡流、压电、光 电、热电等； 按被测对象分-力、位移、温度、噪声、应变 按运动状态分-直线、旋转运动、接触式、非接触式等； 按工作状态分-一般工作环境、特殊工作环境。,技术性能指标 : 动态范围-输入与输出显线性系的测量范围； 灵敏度-输入量与输出量之比； 动特性-传感器的响应时延、

2、幅频特性、相频特性等； 稳定性-长期使用后灵敏度、动态范围、动特性等性能变化大小。 3-1-2 信号输出及干扰噪声 1.信号输出 被测量-传感器-放大器-长距离电缆-信号处理设备 2.干扰噪声 噪声信号-外界干扰产生-传感器输出的噪声信号、放大器自身产生的噪声信号。 动态信号分析的一个重要内容是研究这些噪声信号特点，采用各种处理技术排除这些噪声信号。,3-1-2 信号输出及干扰噪声 1.信号输出 被测量-传感器-放大器-长距离电缆-信号处理设备 2.干扰噪声 噪声信号-外界干扰产生-传感器输出的噪声信号、放大器自身产生的噪声信号。 动态信号分析的一个重要内容是研究这些噪声信号特点，采用各种处理

3、技术排除这些噪声信号。 3 -1-3 信号的分类 稳定性信号-可用数学关系式描述的信号 非稳定性信号-随机信号 周期信号-周期变化的正弦波、方波等信号 非周期信号-阶跃、脉冲等信号； 模拟信号-连续信号 数字信号-离散信号。,3-1-4 随机信号集合的定义 随机信号-具有不重复性、不确定性，通常用概率与统计方法研究其中是否存在某些重复、确定的成分。 例：图3-1是在相同实验条件下，N组随机信号的曲线图。,图中： X(t)-表示第i次实验记录。 样本函数-每条波形曲线； 样本记录-有限区间内样本函数的记录结果； 随机过程-样本记录数N趋于时形成了随机过程，即X（t）=x1(t), x2(t),.

4、 xN(t)； 随机变量-随机过程中参数t=tj时的值Xj(tj),j=1,2,n,对于任意n时刻，可定义n个随机变量X1(t1), X2(t2),. Xn(tn)，随机过程X（t）可以表示为：X（t）=X1(t1), X2(t2),. Xn(tn)。 随机信号场-随机信号在空间的不确定性、不可估计性和相同条件下的其它各次信号的不重复性等； 应用-在故障诊断中，可利用某些干扰噪声的统计特性，采用滤波、变换、估值等方法，提取有用信号, 3-2 信号的时域分析,时域的定义-一个信号或多个信号其取值大小，相互关系可定义为很多不同的时间函数或参数，这些时间函数或参数的集合称为时域； 随机信号-本节分析

5、的重点； 确定性信号-与随机信号中各态历经过程的处理类似； 时域的类别-幅值域、时差域、倒频域（在频域中叙述）、复时域等； 时域的三种信号-随机、周期和瞬时信号。,工况监测的实测信号曲线往往是由这三种信号组合，信号分析是将这种组合分解,对样本记录的取值进行统计称为在幅值域对信号进行研究； 幅值-广义的幅值（样本记录的一切均可取值）。,3-2-1 幅值域,3-2-1-1概率密度函数与概率分布函数,3-2-3 平稳随机过程与非平稳随机过程,3-2-4 各态历经过程, 3-3 信号的频域分析, 3-3-3 非周期信号或各态历经过程展开为傅里叶级数, 3-4模拟信号分析, 3-4-1基本电路-放大、微

6、积分、加、减法、对数、适时电路等。 1.放大电路（放大器） -要求灵敏度、动态范围、动态特性、稳定性好。 2.加法（减法）电路 两个电阻实现两路信号相加，没有动特性问题。一路信号反相相加为减法电路。 3.微积分电路 组成：一个电容+一个电阻=最简单的微积分电路。 4.对数电路 利用电子器件的对数特性或利用分段线性电路可实现对数电路及反对数电路，并可构成乘、除、乘方、开方等电路。 5.乘法电路 利用某些放大器的非线性来实现两路信号相乘。, 3-4-2调制电路 1.调幅-基本原理：对两路信号进行乘法运算。 2.调频-正弦波载波的频率按调制信号幅值变化规律而变化的调制过程。 应用：调制信号仅为单一正

7、弦波时，调频波中含有无穷多的频率成分，调频信号所携带的信息包含在频率变化中，一般的干扰作用主要引起信号的幅度变化，通过限幅器来消除干扰。 3.调相-正弦波载波的相位按调制信号幅值变化规律而变化的调制过程。 物理意义：调相过程使频率随时间变化，其变化规律与X（t）不同。 3-4-3滤波 低通滤波-用作抗混滤波器； 高通滤波-用作宽带解调； 窄带、宽带通滤波器-用作谱分析。, 3-5数字信号分析, 3-5-2采样、离散傅里叶与窗函数,3)采样定理- 问题的提出：时域离散信号表示为：x(n)=x(nT) 或 x(n)=x(nt) , T为采样周期，若T过长，会丢失信息，T过短，则要处理大量多余样本。

8、如何确定T，才能保持原有连续信号所携带的信息？ 设：连续信号x(t)有傅里叶变换X(f)，则有采样定理如下： 夸奎斯特速率-若采样速率1/T不小于X(f)的最高频率的两倍，即没有频率混叠现象。 香农采样定理-滤掉 1/2采样频率以上的频率成分，即没有频率混叠现象，也称为抗混滤波。, 3-5-4 快速傅里叶变换 1.离散傅里叶变换式-计算下式需N2次复数乘法及N(N+1)次复数加法. 2.快速傅里叶变换(FFT)-仅需Nlog2N次数量级运算,省时间. 1965年美国人库利-图基提出FFT算法，是信号分析技术划时代的标志。 FFT有许多算法。, 3-5-5 基于快速傅里叶变换的各种计算公式,离散

9、付里叶变换(DFT),基于数字计算机的现代信号处理技术只能处理数字量而不能处理模拟量，因此，要想在计算机上实现前述的连续付里叶变换，必须首先将各模拟量离散化为数字量，这个连续付里叶变换的离散化实现过程即是所谓的离散付里叫变换，简称DFT(Discrete Fouerier Transform)。,DFT计算表达式,连续时间信号x(t)在0,T上经过AD变换后，得到长度为N的时间序列x(n)，其中付N=T/采样周期，采样周期1/采样频率，应满足采样定理 在实际运算中，由于只能对有限项计算，因此，必须对连续无限项的频率抽取离散值，以便与时域采样相对应。取deltf1/Ndeltt1/T，结果把信号x(t)以T为周期加以周期yantuo。对该 周期离散信号进行付里叶变换,5.频率响应函数（系统的传递特性）,-输出的傅里叶变换与输入的傅里叶变换之比。 注：机械故障诊断中，可测信号部位一般不是直接产生故障部位，故障部位往往经传递、放大、或混入其它