《2工程信号分析基础.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2工程信号分析基础.pptx（72页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、机械设备故障诊断技术机械设备故障诊断技术-信号的时域分析、频域分析信号的时域分析、频域分析工程信号分析的意义工程信号分析的意义在叶片上粘贴硬币，模拟工程实际中的不平衡现象在叶片上粘贴硬币，模拟工程实际中的不平衡现象转速 n：单位时间内物体做圆周运动的次数 (r/min)转频 f：每秒转过的圈数，f = n/60 (Hz)工程信号分析的意义工程信号分析的意义l 增加硬币重量，模拟更严重的不平衡现象增加硬币重量，模拟更严重的不平衡现象l 时域和频域的幅值变大时域和频域的幅值变大工程信号分析的意义工程信号分析的意义l 将转速提高为原来的将转速提高为原来的2倍倍l 时域中信号变得密集，频域中特征频率是
2、原来的时域中信号变得密集，频域中特征频率是原来的2倍倍工程信号分析的意义工程信号分析的意义不平衡质量块加重增加转速工程信号分析的意义工程信号分析的意义1. 时域还可以关注哪些特征？ 2. 复杂信号如何观察频域特征？时域：幅值？周期特性？频域：幅值？频率大小？Questions:工程信号分析基础工程信号分析基础l信号的时域分析信号的时域分析n信号的波形分析n概率分析n信号的多段平均n信号的统计特征值n信号的趋势分析n信号的相关分析l信号的频域分析信号的频域分析n幅值谱n功率谱n倒频谱1. 方法的原理？ 2. 方法的作用？3. 方法的适用性（注意事项）？关注关注:信号的时域分析方法信号的时域分析方
3、法l信号的波形分析信号的波形分析l概率分析概率分析l信号的多段平均信号的多段平均l信号的统计特征值信号的统计特征值l信号的趋势分析信号的趋势分析l信号的相关分析信号的相关分析工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析时域波形分析时域波形分析l特点特点n时域波形直观、易于理解n包含的信息量大n但不容易看出所包含信息与故障的联系l应用应用n对某些故障信号进行初步、定性的判断工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析波形分析波形分析概率分析概率分析多段平均多段平均相关分析相关分析特征值特征值趋势分析趋势分析时域波形分析时域波形分析l实例实例n旋转机械出现不平衡故障
4、时，信号中有明显的以旋转频率为特征的周期成分(接近正弦波形)n转轴发生不对中故障时，信号在一个周期内，旋转频率的2倍频成分明显加大（一周波动2次）n转子碰摩的时域信号存在明显的削波现象n轴承/齿轮因故障产生冲击工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析Timevel,不平衡不对中碰摩&偏载vel冲 击 vel信号的时域分析方法信号的时域分析方法l信号的波形分析信号的波形分析l概率分析概率分析l信号的多段平均信号的多段平均l信号的统计特征值信号的统计特征值l信号的趋势分析信号的趋势分析l信号的相关分析信号的相关分析工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析观察
5、波形特征，定性分析观察波形特征，定性分析概率分析概率分析l概率函数概率函数n各态历经过程的样本函数x(t)的值落在x和(x+x) 范围内的概率为：其中 表示 x(t) 落在 x 和 (x+x) 范围内的总时间， T：总的观察时间TtxxtxxPTlim)(工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析niitt1波形分析波形分析概率分析概率分析多段平均多段平均相关分析相关分析特征值特征值趋势分析趋势分析概率分析概率分析l概率密度函数概率密度函数lim1lim=+)(lim=)(00TtxxxxtxxPxpTxx概率密度函数的计算工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的
6、时域分析概率大小区间范围概率密度函数p(x)曲线下的面积p(x) x，即是幅值x(t)落在x和(x+x)内的概率波形分析波形分析概率分析概率分析多段平均多段平均相关分析相关分析特征值特征值趋势分析趋势分析Maxx(t)Minx(t)概率分析概率分析工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析几种典型信号的概率密度函数-1010510152025050100150200-101050100150200-2024-202405101520050100150200-101-101051015Sin信号白噪声混合信号波形分析波形分析概率分析概率分析多段平均多段平均相关分析相关分析特征值
7、特征值趋势分析趋势分析050100150200250300-4-202050100150200250300-4-202概率分析概率分析lp(x)不受所取幅值间隔大小的影响，即概率不受所取幅值间隔大小的影响，即概率密度函数表示了密度函数表示了概率相对幅值的变化率概率相对幅值的变化率，或是单位幅值的概率，故有密度的概念，或是单位幅值的概率，故有密度的概念，l量纲为量纲为1/(dx)工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析-4-2024051015-4-20240204060波形分析波形分析概率分析概率分析多段平均多段平均相关分析相关分析特征值特征值趋势分析趋势分析l轴承故障分析
8、轴承故障分析概率分析概率分析工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析波形分析波形分析概率分析概率分析多段平均多段平均相关分析相关分析特征值特征值趋势分析趋势分析正常状态外圈故障概率分析的概率分析的matlab应用应用工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析nDy=linspace(ymin, ymax, n); % 将幅值区间分成 n 个等分点nNum=hist(y, Dy); % 计算各区间的点个数nbar(Dy, Num) ; % 画出柱状概率密度分布最小幅值最大幅值信号的时域分析方法信号的时域分析方法l信号的波形分析信号的波形分析l概率分析概率分析
9、l信号的多段平均信号的多段平均l信号的统计特征值信号的统计特征值l信号的趋势分析信号的趋势分析l信号的相关分析信号的相关分析工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析观察波形特征，定性分析观察波形特征，定性分析落入某区间内累积量，定性分析落入某区间内累积量，定性分析信号的多段平均信号的多段平均l时域分析方法：直观、结果便于理解，很常用时域分析方法：直观、结果便于理解，很常用l旋转机械中的周期信号旋转机械中的周期信号n转子不平衡时的振动信号工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析信号的多段平均信号的多段平均l旋转机械设备的状态信号具有周期性旋转机械设备的状态
10、信号具有周期性l但在实测的信号中常常带有噪声但在实测的信号中常常带有噪声l信号染噪后，从时域波形观察信号难度增大信号染噪后，从时域波形观察信号难度增大工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析时域的多段平均时域的多段平均l为了从含噪数据中提取信号成分，需要降噪处理为了从含噪数据中提取信号成分，需要降噪处理l周期信号与噪声特性各异周期信号与噪声特性各异n周期信号的特点：属于确定性信号 f(x) = f(x+nT)n噪声的特点：属于随机信号 各时刻的数据分布相互独立， 对于高斯白噪声，期望为0，方差为l降噪过程就是利用信号与噪声的特点，尽可能地降噪过程就是利用信号与噪声的特点，尽
11、可能地保持信号成分保持信号成分，同时又尽可能地，同时又尽可能地抑制噪声成分抑制噪声成分。工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析时域的多段平均时域的多段平均l方法原理：分段方法原理：分段 + 平均平均n分段：分段：选择合适的时间长度将信号分成若干段 时间长度必须为信号周期的整数倍n平均：平均：把多段数据的对应点相加、求和、取平均l方法作用：方法作用：n抑制了非周期成分和噪声干扰，保留了周期信号工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析时域的多段平均时域的多段平均l正弦信号加白噪声正弦信号加白噪声工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析含
12、噪信号时域的多段平均时域的多段平均l分段、叠加、平均分段、叠加、平均工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析时域的多段平均时域的多段平均仿真信号仿真信号lN越大，噪声抵消得越多。越大，噪声抵消得越多。l当当N取到取到128时，已经可以得到比较光滑的正弦曲线时，已经可以得到比较光滑的正弦曲线工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析时域多段平均算法的数学原理时域多段平均算法的数学原理( )( )( )x ts tn t( ) (0,)n tN将将x(t)分成分成N段，每段有段，每段有M个数据点个数据点101( )( )( ),0,1,1Nkky is in
13、iiMN112200111( )( )NNkkkkDn iD n iNNN降噪后，噪声的标准差为原来的降噪后，噪声的标准差为原来的1N工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析时域的多段平均时域的多段平均注意事项注意事项l关于分段的原则：整周期分段关于分段的原则：整周期分段工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析分段周期不精确的影响分段周期不精确的影响分段周期不精确分段周期不精确会给分析结果造成很大影响，且会给分析结果造成很大影响，且N越大结果越糟糕越大结果越糟糕!分段周期为实际周期的分段周期为实际周期的99%，即为非整周期截断，即为非整周期截断工程信号分
14、析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析如何保证整周期分段？如何保证整周期分段？l引入键相信号引入键相信号n在工程应用中通常使用键相信号键相信号同步数据采集同步数据采集A 工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析信号的时域分析方法信号的时域分析方法l信号的波形分析信号的波形分析l概率分析概率分析l信号的多段平均信号的多段平均l信号的相关分析信号的相关分析l信号的统计特征值信号的统计特征值l信号的趋势分析信号的趋势分析工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析整周期分段整周期分段 /叠加叠加 /平均，降噪平均，降噪观察波形特征，定性分析观察波形特征
15、，定性分析落入某区间内累积量，定性分析落入某区间内累积量，定性分析如何分析两个信号之间的关系？如何分析两个信号之间的关系？问题的提出问题的提出工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析研究变量研究变量 与延迟时间与延迟时间 后的后的 之间的关系，称之间的关系，称为为自相关自相关)(tx)(tx研究变量研究变量 与延迟时间与延迟时间 后后的另一个变量的另一个变量 之间的关之间的关系，称为系，称为互相关互相关)(tx)(tyx(t)y(t)x(t)问题的提出问题的提出工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析0 491419-20251015202530-202
16、11.522.533.54-0.500.511.5 自相关函数自相关函数 (Autocorrelation Function)dtxtxRx0)()(1lim)(NtxtxtxNR11)()()( 实际工程应用中实际工程应用中0 491419-2021234-0.500.511.5x(t)tt乘积、加和、求平均乘积、加和、求平均)(tx研究研究 时刻与时刻与 时刻，两个信号时刻，两个信号之间的依赖关系之间的依赖关系tt0 491419-202自相关的原理自相关的原理工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析0 491419-2021234-0.500.511.50 49141
17、9-202时间延迟时间延迟 0) 1 () 1 ( xxNtxtxtxNR11)()()()2()2(xxNNxNxxxxxR)()()2()2() 1 () 1 ()0(0510152025-2-10120481216-1-0.500.511.5自相关结果自相关结果 R)()(NxNx自相关的计算自相关的计算工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析0481216-1-0.500.511.5自相关结果自相关结果 R0 491419-2021234-0.500.511.50 491419-202NtxtxtxNR11)()()(5101520-2021234-0.500.51
18、1.5时间延迟时间延迟1)2() 1 ( xx) 3()2(xx1)() 1() 3()2()2() 1 () 1 (NNxNxxxxxR)() 1(NxNx自相关的计算自相关的计算工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析51015202530-20211.522.533.54-0.500.511.50 491419-2021234-0.500.511.50 491419-202NtxtxtxNR11)()()(5101520-2021234-0.500.511.5时间延迟时间延迟88)()8()10()2()9() 1 ()8(NNxNxxxxxR)9() 1 ( xx)
19、10()2(xx0481216-1-0.500.511.5自相关结果自相关结果 R周期信号周期信号)()8(NxNx自相关的计算自相关的计算工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析 81000.10.20.30.40.50.60.7-1000100tA-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8-2000200taoA00.10.20.30.40.50.60.7-2000200taoA自相关的自相关的matlab应用应用工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析a,b = xcorr(x,unbiased); dt = 1/sampleFre
20、q;plot(b*dt,a);基于最大值对称的结果基于最大值对称的结果区别信号类型区别信号类型的有效手段的有效手段 信号中含有周期成分，其自相关函数即使在信号中含有周期成分，其自相关函数即使在 很大时都很大时都不会衰减，并呈明显的周期性不会衰减，并呈明显的周期性 随机信号，其自相关函数则随随机信号，其自相关函数则随 的增大，趋近于的增大，趋近于0自相关的作用自相关的作用工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析010020030040050060070080090010001100-1-0.500.510100200300400500600700800-0.4-0.200.2
21、0.40.6相关函数相关函数 周期函数的自相关结果仍为同频率的周期函数周期函数的自相关结果仍为同频率的周期函数 幅值与原周期信号的幅值有关幅值与原周期信号的幅值有关 丢失原信号的相位信息丢失原信号的相位信息周期函数周期函数自相关结果自相关结果为余弦函数为余弦函数)sin()(wtAtxwAcos22自相关的计算自相关的计算-仿真信号仿真信号工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析t01002003004005006007008009001000-2-1012020406080100120140160180200220-0.200.20.4自相关后结果自相关后结果当当 时，相
22、时，相关程度最大关程度最大0自相关的计算自相关的计算-仿真信号仿真信号原始信号原始信号工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析t正弦信号正弦信号高斯白噪声高斯白噪声混合信号混合信号相关分析结果相关分析结果能从复杂信号中提取出周期成分能从复杂信号中提取出周期成分自相关的计算自相关的计算-仿真信号仿真信号工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析01000200030004000500060007000-50502004006008001000120014001600-0.100.1轴承正常状态轴承正常状态轴承外圈故障轴承外圈故障受滚动体和滚道的表面波纹、受滚
23、动体和滚道的表面波纹、表面粗糙度、几何精度影响，表面粗糙度、几何精度影响，产生随机振动产生随机振动出现故障时，存出现故障时，存在周期性成分在周期性成分不同信号具有不同的自相关函数，判断轴承是否存在故障不同信号具有不同的自相关函数，判断轴承是否存在故障自相关的应用自相关的应用工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析 海水的波动是随机的海水的波动是随机的 若有潜艇经过时，马达的运动产生有一定规律的振动声响若有潜艇经过时，马达的运动产生有一定规律的振动声响0200400600-505020406080-0.500.510200400600800-505050100150-1012
24、自相关的应用自相关的应用工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析随机信号周期信号用于检测混于随机噪声中的确定性信号用于检测混于随机噪声中的确定性信号 1、自相关的另一个求法：基于功率谱的求解、自相关的另一个求法：基于功率谱的求解2、互相关与自相关的区别？、互相关与自相关的区别？思考题：思考题： 当当 时，相关程度最大；时，相关程度最大； 0 对于周期函数，当对于周期函数，当 时，相关程度时，相关程度最大；最大； Tn 原来为周期的函数，自相关后仍为周期函数；原来为周期的函数，自相关后仍为周期函数； 自相关的小结自相关的小结工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的
25、时域分析信号的时域分析方法信号的时域分析方法l信号的波形分析信号的波形分析l概率分析概率分析l信号的多段平均信号的多段平均l信号的相关分析信号的相关分析l信号的统计特征值信号的统计特征值l信号的趋势分析信号的趋势分析工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析整周期分段整周期分段 /叠加叠加 /平均，降噪平均，降噪观察波形特征，定性分析观察波形特征，定性分析落入某区间内累积量，定性分析落入某区间内累积量，定性分析对应点相乘对应点相乘 /加和加和 /平均，提取周期成分平均，提取周期成分信号的统计特征值信号的统计特征值l以简谐振动为例以简谐振动为例 x=Asin(w t+pi/2)
26、n平均绝对值 Xavg = 0.637An有效值 Xrms = 0.707An峰值 Xp = A n峰峰值 Xp-p = 2An平均值 Xmean = 0工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析正峰值正峰值负峰值负峰值平均绝对值平均绝对值有效值有效值平均值平均值峰峰值峰峰值波形分析波形分析多段平均多段平均概率分析概率分析相关分析相关分析特征值特征值趋势分析趋势分析有量纲的统计特征值有量纲的统计特征值工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析NiiNiiNiiNiirxNxNxNXxNX14131211111峭度歪度绝对平均幅值方根幅值l 在工程实际中，往往
27、获得离散的时序数据在工程实际中，往往获得离散的时序数据12111NiirmsNiimeanxNXxNX平均值有效值反映反映p(x)p(x)对纵坐对纵坐标的标的不对称性不对称性，如果不对称越严如果不对称越严重，歪度值越大重，歪度值越大当当p(x)p(x)增加时，峭度增加时，峭度将迅速增大，这对探将迅速增大，这对探测信号中是否测信号中是否含有脉含有脉冲性的故障冲性的故障比较有效比较有效波形分析波形分析多段平均多段平均概率分析概率分析相关分析相关分析特征值特征值趋势分析趋势分析工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析l有量纲幅域参数特点有量纲幅域参数特点n随着故障的发展而上升n因
28、工作条件的变化而变化，实际中很难加以区分l通常希望诊断参数对故障足够敏感，而对信通常希望诊断参数对故障足够敏感，而对信号的幅值和频率的变化不敏感，即和机器的号的幅值和频率的变化不敏感，即和机器的工作条件关系不大工作条件关系不大引入无量纲的诊断参数有量纲的统计特征值有量纲的统计特征值波形分析波形分析多段平均多段平均概率分析概率分析相关分析相关分析特征值特征值趋势分析趋势分析工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析4maxmaxmaxValue) (KurtosisFactor) (ClearanceFactor) (ImpulseFactor)(Crest )Factor S
29、hape(rmsrffrmsfrmsfXKXXCLXXIXXCXXS峭度指标裕度指标脉冲指标峰值指标波形指标无量纲的统计特征值无量纲的统计特征值波形分析波形分析多段平均多段平均概率分析概率分析相关分析相关分析特征值特征值趋势分析趋势分析工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析l例例1n新齿轮经过运行产生了疲劳剥落故障，振动信号中有明显的冲击脉冲，除波形指标外，其他指标均有明显上升。波形指标波形指标 峰值指标峰值指标 脉冲指标脉冲指标 裕度指标裕度指标 峭度指标峭度指标新齿轮新齿轮1.2331.2332.8672.8673.5363.5364.1434.1432.6592.6
30、59坏齿轮坏齿轮1.2761.2764.7974.7976.1226.1227.2467.2464.3354.335无量纲的统计特征值无量纲的统计特征值工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析l例例2n轴承外圈出现剥落，振动信号中有明显的冲击脉冲n总结： 峭度指标、裕度指标、脉冲指标、峰值指标对于脉冲类故障较敏感 上述指标对早期故障有较高的敏感性，但稳定性不好 均方根值的稳定性较好，但对早期故障信号不敏感无量纲的统计特征值无量纲的统计特征值波形波形指标指标峰值峰值指标指标脉冲脉冲指标指标裕度裕度指标指标峭度峭度指标指标正常正常轴承轴承1.261.26 5.045.046.3
31、66.36 7.527.52 3.233.23外圈外圈故障故障1.461.46 5.815.818.528.52 11.0011.00 6.616.61信号的时域分析方法信号的时域分析方法l信号的波形分析信号的波形分析l概率分析概率分析l信号的多段平均信号的多段平均l信号的相关分析信号的相关分析l信号的统计特征值信号的统计特征值l信号的趋势分析信号的趋势分析工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析整周期分段整周期分段 /叠加叠加 /平均，降噪平均，降噪观察波形特征，定性分析观察波形特征，定性分析落入某区间内累积量，定性分析落入某区间内累积量，定性分析有量纲和无量纲参数，与正
32、常值有量纲和无量纲参数，与正常值相比较，定量分析是否有故障相比较，定量分析是否有故障对应点相乘对应点相乘 /加和加和 /平均，提取周期成分平均，提取周期成分趋势分析趋势分析l概述概述n一般说来，幅值随时间的增大是线性相关的，故可以用最小二乘法拟合曲线进行趋势分析。拟合曲线倾斜的陡、缓就代表着被测设备的故障发展趋势。l应用应用n定时、定点测振记录n求出拟合曲线工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析日期1/32/33/34/35/36/37/38/39/310/3振幅值(rms)0.91.51.21.51.721.61.92.22.500.511.522.5301234567
33、891011报警线报警线Alim波形分析波形分析多段平均多段平均概率分析概率分析相关分析相关分析特征值特征值趋势分析趋势分析l最小二乘的基本原理最小二乘的基本原理n本质：拟合值与真值差的平方和 最小n数据：n设拟合多项式方程： 故最小二乘表示为：求解可得多项式系数： 趋势分析趋势分析工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析波形分析波形分析多段平均多段平均概率分析概率分析相关分析相关分析特征值特征值趋势分析趋势分析Niyxii2 , 1),(NiiiyxP12)(:minnkak1 , 0, 0Nkak1 , 0,00.511.522.5301234567891011哪条线的
34、拟合效果更好？哪条线的拟合效果更好？ba)( xxPl最小二乘的基本原理最小二乘的基本原理n本质：拟合值与真值差的平方和 最小n数据：n设拟合多项式方程： 故最小二乘表示为：趋势分析趋势分析工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析波形分析波形分析多段平均多段平均概率分析概率分析相关分析相关分析特征值特征值趋势分析趋势分析ba)( xxPNiyxii2 , 1),(NiiiyxP12)(:min00baN1i2N1ii2iN1iiN1iiN1iiixayb)x(N1x)y)(x(N1yxa求解得到：a = 0.161, b = 0.81 所以，直线方程为 y = 0.161x
35、 + 0.81趋势分析趋势分析n预报趋势 将已求出的拟合曲线方程和极限值的水平线方程联立求解，即可求出按目前的增长速率达到极限值时的天数。 若上例中，Alim = 2, 则工程信号分析基础工程信号分析基础信号的时域分析信号的时域分析2y0.810.161xy解得，x=7(天)波形分析波形分析多段平均多段平均概率分析概率分析相关分析相关分析特征值特征值趋势分析趋势分析信号的时域分析方法信号的时域分析方法l信号的波形分析信号的波形分析l概率分析概率分析l信号的多段平均信号的多段平均l信号的相关分析信号的相关分析l信号的统计特征值信号的统计特征值l信号的趋势分析信号的趋势分析工程信号分析基础工程信号
36、分析基础信号的时域分析信号的时域分析整周期分段整周期分段 /叠加叠加 /平均，降噪平均，降噪观察波形特征，定性分析观察波形特征，定性分析落入某区间内累积量，定性分析落入某区间内累积量，定性分析两个信号之间相似性，降噪两个信号之间相似性，降噪有量纲和无量纲，定量计算有量纲和无量纲，定量计算直线拟合，定量计算直线拟合，定量计算工程信号分析基础工程信号分析基础l信号的时域分析信号的时域分析n信号的波形分析n概率分析n信号的多段平均n信号的统计特征值n信号的趋势分析n信号的相关分析l信号的频域分析信号的频域分析n幅值谱n功率谱n倒频谱信号的频域分析信号的频域分析l特点特点n随着故障的发生、发展，往往引
37、起信号频率结构的变化 滚动轴承滚道上的点蚀会引起周期性的冲击，信号中会有相应的频率成分出现 旋转机械发生不平衡故障时，振动信号中会有回转频率成分l手段手段n频谱分析l目的目的n把复杂的时间历程波形经傅里叶变换分解为若干单一的谐波分量来研究，以获得信号的频率结构以及各谐波的幅值和相位信息。l结果结果n频谱图工程信号分析基础工程信号分析基础信号的频域分析信号的频域分析信号的频域分析信号的频域分析工程信号分析基础工程信号分析基础信号的频域分析信号的频域分析3000 rpm1:35 bladesf7f6f3f4f2f1f5信号的频域分析信号的频域分析50 100 1400 1500 1600 Hz30
38、00 rpmff150 Hz工程信号分析基础工程信号分析基础信号的频域分析信号的频域分析转频转频f1f22 x 50 Hz轴不对中轴不对中f2f3 =30 x 50 = 1500 Hz1450 15501400 1600齿轮啮合频率齿轮啮合频率f3边频带边频带边频带边频带齿数Z1=30信号的频域分析信号的频域分析工程信号分析基础工程信号分析基础信号的频域分析信号的频域分析3000 rpmf4 =90 x 50/3 = 1500 Hz50 100 1400 1500 1600 Hzf齿轮啮合频率齿轮啮合频率f3边频带边频带边频带边频带f51000 rpm = 50/3 Hzf5风机叶片数Z3=1
39、5f6 =15x50/3风机叶片风机叶片通过频率通过频率齿数Z2=90齿数Z1=30轴不对中轴不对中f2转频转频f150Hz50Hz幅值谱幅值谱l例例n如上图所示平稳信号，由傅里叶分析原理，该信号可以分解为许多谐波分量之和，可用下式表示： n将这些谐波分量投影到幅值-频率坐标平面，可以得到许多离散的分量，反映不同频率分量的幅值谱。n时域分析和频域分析两者反映同一信号的不同的侧面，它们可以互相补充。工程信号分析基础工程信号分析基础信号的频域分析信号的频域分析频谱分析 10002sin2cos21nnntfnbtfnaatx幅值谱幅值谱工程信号分析基础工程信号分析基础信号的频域分析信号的频域分析正
40、弦信号正弦信号轴承外圈故障信号轴承外圈故障信号幅值谱是双边对称谱，取幅值谱是双边对称谱，取单边谱单边谱进行分析进行分析幅值谱的幅值谱的matlab应用应用工程信号分析基础工程信号分析基础信号的频域分析信号的频域分析%FFT 变换FFT_result = abs(fft(x)*2/signallength; %坐标转换t = 0:1/sampleFreq:(signallength -1)/sampleFreq; 时间轴Hz = sampleFreq*(1:signallength/2-1)/signallength; 赫兹轴 %画图subplot(211)plot(t,x) 时域图subplo
41、t(212)plot(Hz,FFT_result(1:signallength/2-1) 频域图X: 待分析的信号Signallength：信号长度sampleFreq： 采样频率工程信号分析基础工程信号分析基础l信号的频域分析信号的频域分析n幅值谱n功率谱n倒频谱n细化谱n离散频谱校正离散傅里叶变换，寻找故障频率结构离散傅里叶变换，寻找故障频率结构功率谱功率谱l自功率谱分析自功率谱分析l互功率谱分析互功率谱分析工程信号分析基础工程信号分析基础信号的频域分析信号的频域分析自功率谱分析自功率谱分析工程信号分析基础工程信号分析基础信号的频域分析信号的频域分析(1) 幅值谱：幅值谱： |X ( f
42、)| = R(X ( f )| ) +I(X ( f )| ) 2 22 21/21/2(2) 功率谱：功率谱： S ( S ( f ) = |) = |X( (f)| )| x2 2l 自功率谱自功率谱Sx(f) 与与 幅值谱幅值谱 X(f) 之间的关系之间的关系n Sx(f) 反映信号的频率结构与信号幅值谱相似n Sx(f)反映信号幅值的平方反映信号幅值的平方，因此它反映的频率结构更为明显。自功率谱分析自功率谱分析工程信号分析基础工程信号分析基础信号的频域分析信号的频域分析n 在研究频谱的频率成分时，利用自功率谱可以突出主要频率成分，减弱干扰和噪声。n 由于自功率谱的纵坐标与幅值的平方成正
43、比，使幅值谱中的高峰更突出，而小的峰变得更不明显，所以使频率结构更清晰.振动信号幅值谱功率谱l应用应用1n滚动轴承外圈故障的诊断自功率谱分析自功率谱分析工程信号分析基础工程信号分析基础信号的频域分析信号的频域分析幅值谱功率谱自功率谱分析自功率谱分析l应用应用2 某汽车变速箱正常工作时的功率谱与不正常工作时的功率谱如图示。工程信号分析基础工程信号分析基础信号的频域分析信号的频域分析汽车变速箱正常工作的功率谱图汽车变速箱运行不正常的功率谱图 从图中可以看出：工作不正常时的功率谱图比正常工作时的功率谱图多出几个谱峰，为设备的故障诊断提供依据。工程信号分析基础工程信号分析基础l信号的频域分析信号的频域分析n幅值谱n功率谱n倒频谱n细化谱n离散频谱校正离散傅里叶变换，寻找故障频率结构离散傅里叶变换，寻找故障频率结构幅值谱的平方，突出主要频率成分幅值谱的平方，突出主要频率成分