Chapter02_故障诊断的信号处理方法.ppt

1、第二章故障诊断的信号处理方法，本章内容1，信号的定义和分类2，信号特征的时域提取方法3，信号特征的频域提取方法4，信号特征的图像显示5，希尔伯特变换和解调分析6，全息频谱理论和方法，本章学习要求1，转子振动型，轴颈涡的中心位置，波特图，耐克2 .信号的帕3 .了解机械信号处理技术的物理意义、轴心轨迹图技术和全息光谱技术。 4 .掌握振动监测的基本残奥仪表、时域指标、频域分析结果的物理意义等。 第二章故障诊断的信号处理方法，2.1信号的定义和分类，信号是表达客观事物状态和行为信息的载体。 信号具有能量，描述了物理量的变化过程，表现为数学上的一个或多个独立变量的函数，或者表现为随时间或空间变化的曲

2、线图。 1 .信号随时间变化的规律部分，1 .信号随时间变化的规律部分，2.1信号的定义和分类，质量-弹簧振动系统(无衰减)，拟弦信号的波形图，2.1信号的定义和分类，2 .信号的振幅随时间变化的连续性部分，汽车速度2 .信号振幅随时间变化的连续性，(c )矩形脉冲，(d )。 每日股市的指数变化(离散信号)，每2us对正弦信号进行采样得到的离散信号，包含信号，满足下式(即平方乘积)时，包含2.1信号的定义和分类，3、信号的能量特征，如果在有限区间内的平均功率有限，则将信号称为功率信号。 频域有限信号是指信号进行傅立叶变换，在频域内占据一定的带宽，在带宽外始终等于0。 例如，正弦信号、sinc

3、(t )函数、限带白噪声等是时域无限、频域有限信号。 函数、白噪声、理想采样信号等是频域的无限信号。2.1信号的定义和分类、4、信号的持续范围、时域有限信号在有限时间段内定义，在时间段之外始终等于0。 例如矩形脉冲、三角脉冲、侑弦脉冲等。 周期信号、指数衰减信号、随机处理等被称为时域无限信号。 时域中的有限信号的频谱可以在频率轴上延伸至无穷远。 同时，在频域中具有有限带宽的信号必然在时间轴上延伸至无穷远。 一个信号在时域和频域不能同时是有限的。 2.2.1时域分解，1，直流分量和交流分量，2.2信号特征的时域提取方法，信号是直流分量和交流分量，即信号是直流分量和交流分量，信号是趋势项和交流分量

4、，2，脉冲分量，2.2 .可分解的信号的实数表示法信号的复数表示法信号的实数和复数表示法及其对应关系是4 .正交函数即，正交条件在区间内分量积的积分为零，任何一个分量在该区间内能量都是有限值。 成分系数代表该正交函数成分的大小，可满足最小均方差条件求出：2.2.2时域相关分析，1 .相关概念，2.2信号特征的时域提取方法，相关是客观事物变化量之间的相互依存关系。 中的组合图层性质变更选项。 变量x和y的相关情况可以用相关系数描述两个随机变量x和y之间的线性相关程度。 也就是说，1、相关概念、2.2.2时域相关分析和相关系数可以定量描述两个变量x和y之间的相似性或依赖性，但是这是有限的。、信号及

5、其延迟信号、2、相关函数、2.2.2时域相关分析、随机变量x和y作为与时间相关的函数，在这两个信号之间产生时差(即，在时间轴上平移一个信号的平移量)，并且互相关函数的定义为：x和相关函数的定义为3，并且相关分析在工程应用(测距) 从两个传感器中点到泄漏点的距离是3、相关分析的工序应用(噪声去除相位)、2.2.2时域相关分析、作为基准的信号在观测时间t内取的值的时间平均，即式中的t表示信号的观测区间。 平均值的离散形式有2.2信号特征的时域提取方法、2.2.3时域统一修正指标、位移传感器测得的振动信号、2.2.3.1维指标，在没有摩擦碰撞的情况下，测量加速度、速度时，平均值反映测量系统的温度漂移

6、，在位移测量时，平均值反映磨损量的变化。 2、用于描述平均值、振动信号的能量(功率)。 3、均方根值(有效值)、有效值为判别机械故障诊断系统中运行状态是否正常的重要指标。 有效值还记述了振动信号的能量(功率)，稳定性、再现性优异，该指标超过正常值(故障判定界限)的情况较多，通常表示机械设备有故障的危险性和故障。 如果有效值的物理残奥仪表为速度(单位： mm/s )，则有效值为判定机械状态等级的烈度指标。2.2.3.1维指标，4、平均根值、5、方差、方差反映信号中的动态部分(波动程度)。 方差的平方根叫做标准偏差。 信号的平均值为零时，平均值等于分散值。 6、峰值、2.2.3.1有维指标、2.2

7、.3.2无维指标、1、波形指标、2、峰值指标、峰值指标是用于检测信号是否受到冲击的统一校正指标。 3、脉冲指标也是检测信号是否有冲击的统一修正指标。4、馀量指标、馀量指标用于检测机械设备的磨损状况。 如果偏度指标的变化不大，则峰值相对于平均根值的比变大，由于磨损而间隙变大，因此振动的峰值例如平均根值的增加快，其馀度指标也变大。 2.2.3.2无量纲指标、偏差指标反映振动信号的非对称性。 信号概率密度函数的中心偏离标准正态分布多少，反映信号振幅分布相对于其理想平均值的不对称性。 除了具有急转弯特性的机械设备外，如果有某个方向的摩擦或碰撞，会导致振动波性的非对称性，偏差的指标变大。 5、偏度指标、

8、2.2.3.2无量纲指标、绝顶度指标表示信号概率密度函数顶峰的陡峭，反映振动信号中的冲击特征(波形中冲击成分的大小)。 绝顶度的指标对信号中的冲击特性很敏感，通常其值应该在3左右，如果该值接近4或超过4，机器的运动状况就会有冲击性的振动。 一般会有间隙过大、折动副表面有裂纹等原因。 6、顶峰指标、2.2.3.2无量纲指标，残奥仪表指标诊断使用快速而比较有效的诊断方法。 通常，诊断残奥仪表指示符应当满足以下要求： 1、它易于测量和校正，并且需要较少的校正功能存储器。 2 .能够敏锐地反映和预报机器的早期故障。 3 .不受机器运转状态，例如负荷、转速等变化的影响。 4 .可以指示故障的存在，并且立

9、即排除故障。 在流程生产工业中，如果发现设备状况不好，某些特征指标会上升，而设备不能停产检查，经常只能使设备有故障运行。如果这些指标从高峰落下，则多预示某部件损坏，如果这些指标(包括其他指标)再次上升，则预示会发生大的设备故障，因此需要注意。 2.2.2.3运用系统修正指标的注意点、时域系统修正特征指标只能反映机械设备的整体运行状态是否正常，在设备故障诊断系统中用于故障监视、趋势预报。 为了识别机器的运动状态，了解故障部位、故障类型，需要进一步精密分析，将反映故障部位和类型的相关信号从传感器测得的合成信号中分离出来。 光谱是频域中信号的重要特征，反映信号的频率成分和分布情况。2.3信号特征的频

10、域提取方法、2.3.1频域信号与时域信号的关系、法国数学家、物理学家。 傅里叶出身平民，是缝纫的儿子，从小学时代开始就对数学产生了浓厚的兴趣。 此后，他也在母校担任过数学教师。 在法国革命的浪潮中，他投身于政治，从此生活一直充满冒险。 1798年，傅里叶和其他队员一起陪同拿破仑远征埃及。 在拿破仑成立的Cairo研究所担任秘书三年，对工程技术和外交任务提出了很多意见。 1801年，他开始广泛研究埃及的古迹，回国后，被任命出版许多关于埃及的刊物。 1809年拿破仑封他为男爵。 1815年，拿破仑崩溃，随后傅里叶在巴黎过着平静的学术研究生活。 1817年，他当选为科学院院士，1822年，担任科学院

11、常任秘书。 傅里叶从1807年开始撰写他的学术论文，提出了解偏微分方程式的分离变量法和解可以表现为一系列任意函数的概念。 1822年完成论文，发表萩名论坛热的解析理论，解决热在不均匀加热固体中分布的传播问题，成为分析学在物理中应用的最早实例之一，深刻影响了19世纪数学和理论物理学的发展。 这部萩作为热传导的理论基础，描写热传导的法则以他的名字命名。 在解这个方程式时发现解函数可以用三角函数组成的级数形式表现，提出了任何函数都可以展开成三角函数的无限级数。 傅里叶被公认为热传导理论的创始人。 作为其他的贡献，最初使用定积分符号，改良代数方程式符号规则的证明法和实根个数的判别法等。 傅立叶(Fou

12、rier 1768-1830 )、2.3.1频域信号和时域信号的关系、2.3.1频域信号和时域信号的关系，图中左侧表示在时间坐标轴上表示退化运动信号的一组时域波形曲线。 图中右侧表示简并运动的频率和振幅。 由于这些振幅相同，所以各振幅频谱相同，仅相位频谱中的初始相位不同，一组时域波形曲线(佟弦)及其振幅频谱和相位频谱、2.3.1频域信号和时域信号的关系、时域波形的分解及其频域显示、信号由多个正弦波构成， 如果频率比、振幅比、相位差三面中的任意一面不满足上述条件，则重叠的波形不是方波。 即使所有的信号都是周期信号，只要各信号的频率比为整数，就将合成信号叠加后才表示周期性的特征。 另外，如果2.3

13、.1频域信号与时域信号的关系、信号的时域与频域的关系、2.3.2周期信号的频谱、正弦信号的周期是t，则周期t、频率f和三角频率的关系通过傅立叶级数理论表示，满足解交织(direly )条件的周期信号作为若干正弦函数的重叠而表示dirichlet(dirichlet )条件： 1、函数在任意有限区间内连续，或有限的第一类不连续点(t从左或右向该不连续点，函数中存在有限的左边界或右边界)； 在2.1个周期内，函数存在有限的极大值或极小值。 在机器故障诊断的信号中，常数成分是直流成分，表示某个变动慢的物理要素，例如某个间隙。 基频及其n次谐波在机械故障诊断领域具有明确的物理意义。 2.3.2周期信号

14、的频谱、傅里叶级数也可以用复指数函数的形式书写。 欧拉式：2.3.2周期信号的频谱、周期方波信号、2.3.2周期信号的频谱，具有3个特征：周期信号的频谱是1，离散的周期信号的频谱是离散的频谱。 2 .高次谐波性周期信号的频谱线仅出现在基本频率及各高次谐波频率中。 3 .收敛性周期信号的振幅频谱中的各频率成分的振幅随着频率的增加而变小，频率越高则振幅越小。 2.3.2周期信号的频谱、2.3.3非周期信号的频谱、非周期信号分为基准周期信号和瞬低信号。 当周期信号的周期趋向无限大时，原来的周期信号可以作为非周期信号来处理。 此时，信号的相邻频谱间隔处于无限减小的趋势中，并且频谱曲线越来越密集以最终变

15、成连续的频谱。 各频率分量的振幅相应地趋向于无穷小，但是在这些分量之间保持一定的比例关系。 对于非周期信号，需要通过傅立叶变换求出其频谱。 反之，存在非周期函数的傅立叶变换的充分条件是区间上绝对积，即，信号的傅立叶变换是对应的傅立叶变换能够分解为2.3.3非周期信号的频谱，一个非周期函数或频率f连续变化的谐波的叠加，所述方程式中是谐波的系数由于频率f，项中的相同，只反映不同谐波成分的振幅和相位的变化，所以称为的连续光谱。 通常是实变量f的复函数，因此能够将公式中的称为非周期信号的振幅频谱称为相位频谱。 还应注意，2.3.3非周期信号的频谱在名称上与非周期信号的振幅频谱相同，但连续且离散。 另外

16、，两者在维度上也不同。 和信号幅度的维度一致，和的维度和信号的维度不一致。 与的维度一致的是每单位带宽的振幅。 因此，严格来说是频谱密度函数。2.3.3非周期信号的光谱、矩形窗函数的时域表现式是振幅光谱、相位光谱、1、光谱线连续，这是瞬变信号和周期信号在光谱图上的显着差异。 2 .矩形窗的时间长度t越长，意味着在幅频图中主阀越高、越窄，能量集中在主阀上。2.3.3在非周期信号的频谱、2.3.4离散傅立叶变换、校正运算机上实现Fourier变换的方法中，实现1 )将连续信号(包括时域和频域)改造为离散数据的2 )将校正运算范围收缩至有限区间的3 )正反傅立叶变换。 在这样的条件下构成的变换对在时域和频域上仅存在有限个离散数据，这些数据分别构成周期性的离散时间函数和离散频率函数。 离散信号的傅立叶变换方程式是2.3.4.1截止(cut off )，泄露和窗函数，并且截止是对无穷长的信号进行截止，即x(t )信号乘以矩形窗函数w(t )。 在w(t)=0的情况下，乘积的结果y(t)=0。 在w(t)=1的情况下，乘积的结果y(t)=x(t )。 两个信号在时域上的乘积对应于这两个信号在频域上的卷积() 由于与w(t )相对应的频域函数W(f )是无穷带宽的sinc函数，因此对应于信号x(t )的频