信号特征提取—信号分析报告

• 4．1．2 均方值、有效值
均方值与有效值用于描述振动信号的能量。 均方值 X
2 rms
1 N 2 xi (t ) N i 1
有效值Xrms又称均方根值，是机械故障诊断系统中用 于判别运转状态是否正常的重要指标。因为有效值Xrms描 述振动信号的能量，稳定性、重复性好，因而当这项指标 超出正常值（故障判定限）较多时，可以肯定机械存在故 障隐患或故障。 若有效值Xrms的物理参数是速度（mm/s），就成 为用于判定机械状态等级的振动烈度指标。
• 4．1．3 峰值、峰值指标
通常峰值Xp是指振动波形的单峰最大值。由于它是一 个时不稳参数，不同的时刻变动很大。因此，在机械故障 诊断系统中采取如下方式以提高峰值指标的稳定性：在一 个信号样本的总长中，找出绝对值最大的10个数，用这10 个数的算术平均值作为峰值Xp。 Xp 峰值指标IpI p X rms 峰值指标Ip和脉冲指标Cf都是用来检测信号中是否存 在冲击的统计指标。
4．2 信号特征的频域提取方法
上一节的时域统计特征指标只能反映机械设 备的总体运转状态是否正常，因而在设备故障诊 断系统中用于故障监测，趋势预报。要知道故障 的部位、故障的类型就需要进一步的做精密分析。 在这方面频谱分析是一个重要的、最常用的分析 方法。
• 4．2．1 频域分析与时域信号的关系
图4—1描述了信号的时域与频 域关系。信号是由多个正弦波组成， 频率比为：1∶3∶5∶7…，幅值比 为：1∶ ∶ ∶ …，信号之间无相位 差。我们在时间域观察这些信号—— 横坐标轴是时间t，就如这些信号叠 加起来，其合成结果投影到时域平 面上，于是我们看到了方波信号。 需要注意的是如果在频率比、幅值 比、相位差这三个方面有任一个不 满足以上条件，其叠加的波形便不 是方波。即使所有信号都是周期信 号，只有当各信号的频率比是整数， 图4—1 信号的时频关系 其叠加合成信号才表现出周期性特 征。否则看不到周期性特征。这就是我们明知设备的状态信号都是强 迫周期信号，却很少在波形上看到周期性特征的原因。
第四章 信号特征提取——信号分析技术
通过信号测取技术将机械设备的运行状态转变为一系列的 波形曲线——A（t）、B（t）等，通过A/D 变换转化成离散的 数字曲线序列——A（i）、B（i）等。由于运转的机械设备中 存在多个振动源，这些振动信号在传输路上又受到传输通道特 性的影响，当它们混杂在一起被传感器转换成波形曲线时，呈 显出混乱无规律的形态。因此需要从中进行识别——信号特征 的提取。 平稳定转速运转的机械设备，无论有多少个振动源，其产 生的振动信号都是与转速相关的强迫振动信号，也是周期性信 号。站在这个基础上，可以认定：凡是与转速相关的信号属于 设备运转状态信号，与转速无关的信号属于工艺参数信号、结 构参数信号、电气参数信号。结构参数信号、电气参数信号仍 属于故障诊断范围，但不在机械故障诊断范围内。 信号分析技术包含了许多种信号分析方法，各种分析方法 都有其适应的范围。评定某个分析方法是否适用于机械故障诊 断，只有一个标准——简洁实用。简洁指该分析方法所依据的 数学基础清晰易懂，实用指用该分析方法所获取的信号特征能 作出明确、合理、有效的解释。
关于频谱图的说明
富里叶变换提供了从另一个角度观察信号的数学工 具——把信号投影到横坐标轴是频率f的频域。在这个观察 面上，我们可以看到信号由哪些正余弦波组成：图像以两 部分组成：幅—频图；相—频图。幅—频图中，棒线在频 率轴上的位置表示该信号分量的频率，棒线的长度表示该 信号分量的振幅。在相—频图中，棒线的长度表示该信号 分量的初相位。这两个频域的图像在专业的领域称为—— 频谱图。 图4—1清楚地反映通过富里叶变换使人们观察信号的 角度从时间域转换到频率域，从而更清楚地观察到信号中 所包含的多种频率成分，及各项波形特征参数。 在频谱图中，我们可以看到哪些是机械运行状态的振 动成份（与基准频率——1轴转频有固定的数学关系的频率 成份），它们之中，谁对振动占主导作用，谁与过去相比， 有较大幅值变化，等等，这些状态信息是机械故障诊断的 基础。
4．1 信号特征的时域提取方法
• 4．1．1 平均值
平均值描述信号的稳定分量，又称直流分量。
1 X N
x (t )
i 1 i
N
在平均值用于使用涡流传感器的故障诊断系统中。当 把一个涡流传感器安装于轴瓦的底部（或顶部ห้องสมุดไป่ตู้，其初始 安装间隙构成了初始信号平均值——初始直流电压分量， 在机械运转过程中，由于轴心位置的变动，产生轴心位置 的振动信号。这个振动信号的平均值即轴心位置的平均值。 经过一段时间后，轴心位置平均值与初始信号平均值的差 值，说明了轴瓦的磨损量。
1 N 4 ( x x ) i N i 1 峭度指标C Cq 4 X rms
峭度指标Cq对信号中的冲击特征很敏感，正常情况下 应该其值在3左右，如果这个值接近4或超过4，则说明机 械的运动状况中存在冲击性振动。一般情况下是间隙过大、 滑动副表面存在破碎等原因。
统计指标的运用注意
以上的各种统计指标，在故障诊断中不能孤立的看， 需要相互映证。同时还要注意和历史数据进行比较，根据 趋势曲线作出判别。 在流程生产工业中，往往有这样的情况，当发现设备 的情况不好，某项或多项特征指标上升，但设备不能停产 检修，只能让设备带病运行。当这些指标从峰值跌落时， 往往预示某个零件已经损坏，若这些指标（含其它指标） 再次上升，则预示大的设备故障将要发生。
Ce X rms X
在不存在摩擦碰撞的情况下，即歪度指标变化不大的 条件下。以加速度、速度为测量传感器的系统，其平均值 反映了测量系统的温飘、时飘等参数变化。使用涡流传感 器的故障诊断系统的平均值则与磨损量有关。 若歪度指标变化不大，有效值Xrms与平均值的比值增 大，说明由于磨损导致间隙增大，因而振动的能量指标— —有效值Xrm比平均值增加快，其裕度指标Ce也增大了。
• 4．1．6 歪度指标
歪度指标Cw反映振动信号的非对称性。 1 N 3 ( x x ) i N i 1 歪度指标Cw C w 3 X rms
除有急回特性的机械设备外，由于存在着某一方向的 摩擦或碰撞，造成振动波性的不对称，使歪度指标Cw增大。
• 4．1．7 峭度指标
峭度指标Cq反映振动信号中的冲击特征。
• 4．1．4 脉冲指标
脉冲指标Cf
Cf
Xp X
脉冲指标Cf和峰值指标Ip都是用来检测信号中是否存 在冲击的统计指标。由于峰值Xp的稳定性不好，对冲击的 敏感度也较差，因此在故障诊断系统中逐步应用减少，被 峭度指标所取代。
• 4．1．5 裕度指标
裕度指标Ce用于检测机械设备的磨损情况。 裕度指标Ce