設備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術第四章信號處理技術課件

1、設備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術第四章信號處理技術課件設備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術第四章信號處理技術課件第四章信號處理技術第四章信號處理技術本章教學目標：1、2、3、本章教學目標：1、一、信號預處理1、 目的： 提高數(shù)據分析的精度，使故障診斷的精確度及可靠性提高。2、濾波處理 一般在測量鐘取得的信號總混有干擾噪聲，因此要用濾波方法去除或減少噪聲以提高信噪比。一、信號預處理1、 目的： 提高數(shù)據分析的2.1 濾波器 濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分2.1 濾波器 濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中1） 濾波器分類（根據濾波器的選頻作用分） 低通高通1） 濾波器

2、分類（根據濾波器的選頻作用分） 低通高通帶通帶阻帶通帶阻濾波作用濾波器種類目的低通濾波（1）降低采樣率，避免頻率混淆；（2）提取趨勢項；（3）降低對記錄設備的要求（4）去掉高頻干擾。高通濾波（1）去掉趨勢項，以得到較平穩(wěn)的數(shù)據；（2）去掉低頻干擾（3）去掉信號中不必要的低頻成分，以減少記錄長度或降低對 記錄設備的要求帶通濾波（1）抑制感興趣頻帶以外的頻率成分，提高信噪比；（2）用窄帶濾波器從噪聲提取周期成分；（3）調制信號的檢測。帶阻濾波抑制某一頻率的干擾，如電源干擾濾波作用濾波器種類目的低通濾波（1）降低采樣率，避免頻率混淆2） 濾波器的串/并聯(lián) 低通濾波器和高通濾波器是濾波器的兩種最基本的

3、形式，其它的濾波器都可以分解為這兩種類型的濾波器。2） 濾波器的串/并聯(lián) 低通濾波器和高通濾波器是濾波3）理想濾波器 理想濾波器是指能使通帶內信號的幅值和相位都不失真，阻帶內的頻率成分都衰減為零的濾波器。fcH(f)fQ(f)3）理想濾波器 理想濾波器是指能使通帶內信號的幅4）實際濾波器 理想濾波器是不存在的，實際濾波器幅頻特性中通帶和阻帶間沒有嚴格界限,，存在過渡帶。 0fA4）實際濾波器 理想濾波器是不存在的，實0ffc1fc2A00.707A01)截止頻率fc：0.707A0所對應的頻率。 d2)紋波幅度d：繞幅頻特性均值A0波動值。3)帶寬B和品質因數(shù)Q：下兩截頻間的頻率范圍稱為帶寬。

4、中心頻率和帶寬之比稱為品質因數(shù)。 BQ=W0 / B0ffc1fc2A00.707A01)截止頻率fc：0.705)倍頻程選擇性W 指在上截止頻率fc2與2fc2之間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個倍頻程時的衰減量。 倍頻程衰減量以dB/oct表示（Octave，倍頻程）。衰減越快（即W值越大），濾波器的選擇性越好。5)倍頻程選擇性W 倍頻程衰減量以dB/oct表2.2 RC無源濾波器 在測試系統(tǒng)中，常用RC濾波器。因為這一領域中信號頻率相對來說不高。而RC濾波器電路簡單，抗干擾強，有較好的低頻性能，并且選用標準阻容元件 。 1) 一階RC低通濾波器 2.2 RC無源濾波器 在測試系統(tǒng)中，常設

5、備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術第四章信號處理技術課件2) 一階RC高通濾波器 2) 一階RC高通濾波器 3) RC帶通濾波器 可以看作為低通濾波器和高通濾波器的串聯(lián) 3) RC帶通濾波器 可以看作為低通濾波器和高通濾波器的串聯(lián) 案例：機床軸心軌跡的濾波處理 濾除信號中的高頻噪聲，以便于觀察軸心運動規(guī)律案例：機床軸心軌跡的濾波處理 濾除信號中的高頻噪聲，以便于觀2.3 信號的濾波（提取周期信號）（1）窄帶濾波 周期分量的譜峰值在濾波后不隨帶寬而變化，單寬帶隨即噪聲的能量大致均布在一定的頻率范圍內，濾波后，它的輸出會隨著帶寬的減小而減少，因此窄帶濾波器能有效抑制這種噪聲。待插圖7-12.3 信號的濾波（

6、提取周期信號）（1）窄帶濾波 周（2）相關濾波 利用周期分量的自相關函數(shù)也是周期的，而寬帶隨即噪聲的自相關函數(shù)在延時足夠大時將衰減掉。（2）相關濾波 利用周期分量的自相關函數(shù)也是周期的，而3、同步平均處理（相干濾波） 從混有噪聲干擾的信號中提取周期信號的一種有效方法，對時域信號以一定的周期間隔去截取它，然后將所有截得得信號段迭加平均，這樣可消除信號中得非周期分量和隨即干擾，保留了確定得周期分量。待插圖7-33、同步平均處理（相干濾波） 從混有噪聲干擾的信號中時域描述直接觀測到或記錄的信號，一般是以時間為獨立變量的，稱其為時域描述，信號時域描述能反映信號幅值隨時間變化的關系，而不能明顯揭示信號的

7、頻率的組成關系。1 信號的時域分析 如：下式是一個周期方波的時域描述: （1）時域圖二、信號的相關分析時域描述直接觀測到或記錄的信號，一般是以時間為獨立變量的2 信號的頻域描述 信號的頻域描述把信號的時域描述通過適當方法變成信號的頻域描述，即是以頻率為獨立變量來表示信號。它揭示了各頻率成分幅值所占的比重。 如若將（1）應用傅立葉級數(shù)展開，即可得到：相位譜圖幅值譜圖2 信號的頻域描述 信號的頻域描述把信號的時域描3 信號的時域波形分析 信號的時域波形分析是最常用的信號分析手段，用示波器、萬用表等普通儀器直接顯示信號波形，讀取特征參數(shù)。 3 信號的時域波形分析 信號的時域波形分析是最常用的3.1信

8、號波形圖 周期 T，頻率 f=1/T峰值 PAtT PPp-p雙峰值 Pp-p3.1信號波形圖 周期 T，頻率 f=1/T峰值 PAtT 3.2 均值 均值Ex(t)表示集合平均值或數(shù)學期望值。均值：反映了信號變化的中心趨勢，也稱之為直流分量。3.2 均值 均值Ex(t)表示集合平均值或數(shù)學3.3均方值 信號的均方值，表達了信號的強度；其正平方根值，又稱為有效值，也是信號平均能量的一種表達。 3.3均方值 信號的均方值，表達了信號的強度；其3.4方差方差：反映了信號繞均值的波動程度。 信號x(t)的方差定義為： 大方差 小方差 3.4方差方差：反映了信號繞均值的波動程度。 信號x(t)的示例

9、為了解決不同的問題，往往需要掌握信號不同方面的特征，因而可采用不同的描述方式。 例如：評定機器振動烈度，需要用振動速度的均方根值來作為判斷依據，若速度信號采用時域描述，就能很快求得均方根值。而在尋找振源時，需要掌握振動信號的頻率分量，這就需要采用頻域描述。 示例 為了解決不同的問題，往往需要掌握信號不同1、相關系數(shù) 通常，兩個變量之間若存在著一一對應的確定關系，則稱兩者存在著函數(shù)關系。 相關是指兩個隨機變量之間在統(tǒng)計意義下的線性關系，如：ykx1。 統(tǒng)計學中用相關系數(shù)p來描述變量x，y之間的相關性，表征了x、y之間的關聯(lián)程度。|p|=1。 1）若|p|=1，兩個隨機變量之間存在嚴格的線性函數(shù)關

10、系。 2）若|p|=0，兩個隨機變量之間沒有線性函數(shù)關系。 一般說來，|p|越接近1，表明x和y的線性相關程度愈好。 三、信號的相關分析1、相關系數(shù) 通常，兩個變量之間若存在著一一對應2 、波形變量相關的概念（相關函數(shù) ） 如果所研究的變量x, y是與時間有關的函數(shù)，即x(t)與y(t) 這時可以引入一個與時間有關的量，稱為函數(shù)的相關系數(shù)，簡稱相關函數(shù)，并有：相關函數(shù)反映了二個信號在時移中的相關性。2 、波形變量相關的概念（相關函數(shù) ） 如果所 令x(t)、y(t)二個信號之間產生時差，再相乘和積分，就可以得到時刻二個信號的相關性。 x(t)y(t)時延器 乘法器 y(t - )X(t)y(t

11、 - )積分 器 Rxy()算法 令x(t)、y(t)二個信號之間產生時差，3、相關函數(shù)的性質 相關函數(shù)描述了兩個信號間或信號自身不同時刻的相似程度，通過相關分析可以發(fā)現(xiàn)信號中許多有規(guī)律的東西。 （1）自相關函數(shù)是 的偶函數(shù)， Rx() =Rx(- )；（2）當 =0 時，自相關函數(shù)具有最大值。（3）周期信號的自相關函數(shù)仍然是同頻率的周期信號，但不保留原信號的相位信息。（4）隨機噪聲信號的自相關函數(shù)將隨 的增大快速衰減。（5）兩周期信號的互相關函數(shù)仍然是同頻率的周期信號，且保留原了信號的相位信息。（6）兩個不同頻率的周期信號互不相關。 3、相關函數(shù)的性質 相關函數(shù)描述了兩個信號間或信號自身4、

12、互相關函數(shù)的性質1）若y(t) x(t0)，即y(t)是x(t)延遲0后的波形，表明0時互相關函數(shù)呈現(xiàn)最大值，時移0反映x(t)和y(t)之間的滯后時間。2）同頻相關不同頻不相關4、互相關函數(shù)的性質1）若y(t) x(t0)，即y(相關分析的工程應用 案例一：機械加工表面粗糙度自相關分析 分析：根據自相關函數(shù)性質，如果信號中含有周期成分，其自相關函數(shù)在 很大時都不會衰減，并且具有明顯的周期性。不包含周期成分的隨機信號，當 稍大時自相關函數(shù)就將趨近于0。當我們根據機械加工表面粗糙度的波形，經自相關分析后所得到的自相關圖呈現(xiàn)出周期性，這表明引起表面粗糙度的原因中包含有某種周期因素，從自相關圖中可以

13、確定該周期因素的頻率，從而可以進一步分析其起因。（提取出回轉誤差等周期性的故障源） 相關分析的工程應用 案例一：機械加工表面粗糙度自相關分析 分案例二：測得兩臺C630車床主軸箱噪聲的自相關函數(shù)如圖，試判別故障機床是哪一臺？缺陷部位在哪里？待插圖7-13分析：圖b中顯示隨著 的增大，周期信號依然暴露無遺，說明主軸箱有異常的周期性振動，將主軸箱各軸轉速和Rx()的波動頻率作比較，可確定引起振動的原因然后檢查主軸箱，找出產生異常原因。案例二：測得兩臺C630車床主軸箱噪聲的自相關函數(shù)如圖，試判四、信號的頻域分析1、周期信號的頻域分析 周期信號主要通過傅立葉級數(shù)實現(xiàn)動態(tài)信號從時間域變換到頻率域。 動

14、態(tài)信號從時間域變換到頻率域主要通過傅立葉級數(shù)和傅立葉變換來實現(xiàn)。四、信號的頻域分析1、周期信號的頻域分析 動態(tài)信號從2、非周期信號的頻域分析 非周期信號中的準周期信號，因為它是由有限個頻率不成整數(shù)的正旋信號疊加而成，其頻譜圖應和周期信號的情況類似，也是離散的，所不同的是它的譜線并不是以 為間隔分布的。 非周期信號可以通過傅立葉變換把它從時域變換到頻域。 2、非周期信號的頻域分析3、功率譜分析 頻域中的功率譜分析，表征了能量按頻率分布的情況。主要特性：1）自功率譜函數(shù)為偶函數(shù)。2）自功率譜函數(shù)為雙變譜。3）功率譜與幅值譜的關系：3.1自功率譜函數(shù) 自相關函數(shù)的傅立葉變換。3、功率譜分析主要特性：3.1自功率譜函數(shù)3.2 互功率譜函數(shù) 互相關函數(shù)的傅立葉變換。為了評價測試系統(tǒng)的輸入信號和輸出信號的因果關系，在頻域中描述兩個信號的相關程度，常用相關函數(shù)：3.2 互功率譜函數(shù)為了評