基于小波分析的滚动轴承的故障特征提取技术
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障信 号进行处 理 。
１ 电 流 传 感 器 的 工 作 原 理
图 １ 霍 尔 效应
霍尔 电流传感 器 的工作 原理是 霍尔磁 平衡 式 。当
电流流过 直导 线时 ，在 导线周 围产 生磁 场 ，磁 场 的大 小 与流过 导线 的 电流 的大小成 正 比 ，这 一磁场 可 以通
过 软磁材 料来 聚集 ，然后 用霍 尔器 件进行 检测 ，其关
系 如下 ：
Ｉｃ ｃ ｃ Ｂｏ Ｕ 。 …… …… …… …… ……… …… （） ２
运 用 运 算 放 大器 对 霍 尔元 件 的输 出 电 压进 行 放 大 ，通 过该 电压 值来标 定 原边 被测 电流 的大小 。
２ 小 波 分 析
霍 尔效应 是 以霍 尔器 件为基 础 ，如 图 １所示 。当 把 通有 电流 的半导 体薄片 置于磁 场 中时 ，半导体 内的 载流子受 洛伦 磁力 的作用 而发生 偏转 ，使 半导体 两侧 产 生 电势差 ， 电势差 即为霍 尔 电压 ｕ， 个 电压 与磁 该 这
感应 强度 Ｂ及 电流 成 正 比 ，即 ：
ｕ 一 × Ｂ × 。 … … … …… … … （） １
设 函数 （） 其伸 缩 因子 为 、 ￡， 平移 因子 为 ｂ 则 小 ，
波 函数 ． ｆ为 ： ） （
亿（一 ｌ （ ） ，）— ６ ｆ ＿ 。……………… （ ３ ）
・ｌ ８ ・ ２
机 械 工 程 与ຫໍສະໝຸດ Baidu自 动 化
２１ ０ ０年 第 ２期
小 波变换 的逆 变换公 式为 ：
厂）麦 （一 ｚ ）一 ） ｄ ・ ｂ Ｗ∽ ｃ 。 ｓ 去 ……
其 中 ： 为 对 函 数 （ ）的 容 许 条 件 ， 一 Ｃ ｔ Ｃ
转速 为１５ ０ｒ ｒｉ ， 的旋转 频率厂 一２ 。 ０ ／ ｎ 轴 ａ ， ５Ｈｚ 通过计 算可 得 ： 一１ ３ ４Ｈｚ 一７ ． ｚ 一４ ． ５Ｈｚ ２ ． ； ５ ７Ｈ ； ８ ４ 。
其 中 ：Ⅳ 为 霍 尔 系 数 ；ｄ 为半 导 体 片 的 厚 度 。在 式 （） ， １ 中 电流 ，不变 ，可通过 测量霍 尔 电压推 算 出磁感 应 强度 的 大小 ，由此建 立 了磁场 与电压 信号 的联 系 。
由于电流 信号包 含 了非平稳 的干扰 信 号 ，在 对其 进 行特征 提取 之前有 必要进 行降 噪处理 ，将 信号 的噪
基 于 小 波分 析 的滚 动轴 承 的故 障特 征 提取 技 术
刘春 光 ，谭 继 文 ，张 驰
（ 岛理 Ｘ大 学 ， 山东 青 岛 ２６ ３ ） 青 － ６ ０ ３
摘 要 ： 出 了 一 种新 的滚 动 轴 承 电流 信 号 的故 障 特 征 提 取 方 法 ， 用 电流 传 感 器 把 测 得 的 电流 信 号 转 变 成 电 压 提 利
信 号 ． 对该 信 号进 行 小波 降噪 处 理 ， 效 地 剔 除 噪 声 的 干 扰 ， 高 了信 号 的信 噪 比 。 小 波 分 析 提 取 降 噪 后 并 有 提 用
电流 信 号 的 能 量 特 征 参数 ， 以表 征 滚 动 轴 承 故 障 特 征 ， 频谱 图 中建 立 起 故 障 频 带 能 量 与滚 动 轴 承 状 态 的 映 射 在 关 系 ，为进 一 步 应 用 神经 网络 进 行 故 障 诊 断奠 定 了基 础 。
￣ ａ ／ “
／ ￡ 的小波 变换 为 ： （）
Ｗ （一 Ｉ厂） （ ） 。 …．（ ￡ ｆ。ｆ＊ ｄ … ．４ ）＿ ＋厂 ｔ。 …（ 。（ （ ）
收 稿 日期 ： ２０ 一 ｌ１ ０ ９ｌ 一３ 作 者 简介 ：刘 春 光 （９ ４） 男 ， １ ８一 ， 山东 青 岛人 ， 读 硕 士 研 究生 ． 究 方 向 ： 械 故 障诊 断 与无 损 检 测 研 究 。 在 研 机
４ ２ 用 Ｆ Ｔ 计 算 能 量 ． Ｆ
用 Ｆ Ｔ计 算 连续 信 号 （） Ｆ 的能量 Ｅ， 在 ．］ ｚ 区间 时域段 的能量 等于 ［ ］ 域段 的能量 ， ） 频 Ｘ（ 为 （） Ｆ Ｔ变换 ， ： ￡的 Ｆ 即
关 键 词 ：滚 动 轴 承 ； 小波 分 析 ；故 障特 征 中 图 分 类号 ：Ｔ ３ ． １ Ｈ１ ３ ３ 文 献 标 识 码 ：Ａ
０ 引 言
滚 动轴承 是旋转 机械 中的易 损部件 之 一 ，在 有滚 动轴承 的旋转 机械 中 ， 大约 有 ３ 的机械 故障都 是 由 ０ 滚动轴 承引起 的［ 。滚动 轴承 的 电流信 号包 含有 丰 富 １ ］ 的频率成 分 ，其 中包 含有 反映滚 动轴 承故 障征兆 的很 多有用信 息 ，怎样提 取这些 故障 特征 ，建 立起特 征参 数 到滚动 轴承 故障 的映射关 系是 故 障诊 断 的关键 。
第２ 期 （ 第 １ ９期 ） 总 ５
２１ ０ ０年 ４ 月
机 械 工 程 与 自 动 化 Ｍ ＥＣＨＡＮＩ ＡＩ ＥＮＧＩ Ｃ ＮＥＥＲＩ ＮＧ ＆ ＡＵＴ０Ｍ ＡＴ１ ０Ｎ
Ｎｏ．２
Ａ ｐｒ ．
文 章 编 号 ：６ ２ ６ １ （ Ｏ ０ Ｏ — １ ７ ０ １ ７— ４３ ２ １ ） ２０ ２—２
声 部分去 除 ，提取有用 信息 。对 这种信 号 的消噪 ，传 统 的傅立 叶分 析显得无 能 为力 ，因为傅 立 叶分析 是将 信 号完全在 频域 中进行 分析 ，它不 能给 出信 号在 某个 时间上 的变化情 况 ，使 得信 号在 时间轴 上 的任何 一个 突变都会影 响整 个谱 图 。小 波变换 是一 种 时频分 析方 法 ，是把一 个 函数 分解 为小 波的基 本 函数 ，其 优 点是 窗 口大小 固定但形 状 可以改 变 ，由于这 种特性 ，使 小 波 变换对信 号有很 大 的适用 性［ 。本 文利 用小 波变 换 ２ ］ 能够 检测 出不规则 数据 特性这 一特 点 ，对滚 动轴 承故
１ 电 流 传 感 器 的 工 作 原 理
图 １ 霍 尔 效应
霍尔 电流传感 器 的工作 原理是 霍尔磁 平衡 式 。当
电流流过 直导 线时 ，在 导线周 围产 生磁 场 ，磁 场 的大 小 与流过 导线 的 电流 的大小成 正 比 ，这 一磁场 可 以通
过 软磁材 料来 聚集 ，然后 用霍 尔器 件进行 检测 ，其关
系 如下 ：
Ｉｃ ｃ ｃ Ｂｏ Ｕ 。 …… …… …… …… ……… …… （） ２
运 用 运 算 放 大器 对 霍 尔元 件 的输 出 电 压进 行 放 大 ，通 过该 电压 值来标 定 原边 被测 电流 的大小 。
２ 小 波 分 析
霍 尔效应 是 以霍 尔器 件为基 础 ，如 图 １所示 。当 把 通有 电流 的半导 体薄片 置于磁 场 中时 ，半导体 内的 载流子受 洛伦 磁力 的作用 而发生 偏转 ，使 半导体 两侧 产 生 电势差 ， 电势差 即为霍 尔 电压 ｕ， 个 电压 与磁 该 这
感应 强度 Ｂ及 电流 成 正 比 ，即 ：
ｕ 一 × Ｂ × 。 … … … …… … … （） １
设 函数 （） 其伸 缩 因子 为 、 ￡， 平移 因子 为 ｂ 则 小 ，
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亿（一 ｌ （ ） ，）— ６ ｆ ＿ 。……………… （ ３ ）
・ｌ ８ ・ ２
机 械 工 程 与ຫໍສະໝຸດ Baidu自 动 化
２１ ０ ０年 第 ２期
小 波变换 的逆 变换公 式为 ：
厂）麦 （一 ｚ ）一 ） ｄ ・ ｂ Ｗ∽ ｃ 。 ｓ 去 ……
其 中 ： 为 对 函 数 （ ）的 容 许 条 件 ， 一 Ｃ ｔ Ｃ
转速 为１５ ０ｒ ｒｉ ， 的旋转 频率厂 一２ 。 ０ ／ ｎ 轴 ａ ， ５Ｈｚ 通过计 算可 得 ： 一１ ３ ４Ｈｚ 一７ ． ｚ 一４ ． ５Ｈｚ ２ ． ； ５ ７Ｈ ； ８ ４ 。
其 中 ：Ⅳ 为 霍 尔 系 数 ；ｄ 为半 导 体 片 的 厚 度 。在 式 （） ， １ 中 电流 ，不变 ，可通过 测量霍 尔 电压推 算 出磁感 应 强度 的 大小 ，由此建 立 了磁场 与电压 信号 的联 系 。
由于电流 信号包 含 了非平稳 的干扰 信 号 ，在 对其 进 行特征 提取 之前有 必要进 行降 噪处理 ，将 信号 的噪
基 于 小 波分 析 的滚 动轴 承 的故 障特 征 提取 技 术
刘春 光 ，谭 继 文 ，张 驰
（ 岛理 Ｘ大 学 ， 山东 青 岛 ２６ ３ ） 青 － ６ ０ ３
摘 要 ： 出 了 一 种新 的滚 动 轴 承 电流 信 号 的故 障 特 征 提 取 方 法 ， 用 电流 传 感 器 把 测 得 的 电流 信 号 转 变 成 电 压 提 利
信 号 ． 对该 信 号进 行 小波 降噪 处 理 ， 效 地 剔 除 噪 声 的 干 扰 ， 高 了信 号 的信 噪 比 。 小 波 分 析 提 取 降 噪 后 并 有 提 用
电流 信 号 的 能 量 特 征 参数 ， 以表 征 滚 动 轴 承 故 障 特 征 ， 频谱 图 中建 立 起 故 障 频 带 能 量 与滚 动 轴 承 状 态 的 映 射 在 关 系 ，为进 一 步 应 用 神经 网络 进 行 故 障 诊 断奠 定 了基 础 。
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收 稿 日期 ： ２０ 一 ｌ１ ０ ９ｌ 一３ 作 者 简介 ：刘 春 光 （９ ４） 男 ， １ ８一 ， 山东 青 岛人 ， 读 硕 士 研 究生 ． 究 方 向 ： 械 故 障诊 断 与无 损 检 测 研 究 。 在 研 机
４ ２ 用 Ｆ Ｔ 计 算 能 量 ． Ｆ
用 Ｆ Ｔ计 算 连续 信 号 （） Ｆ 的能量 Ｅ， 在 ．］ ｚ 区间 时域段 的能量 等于 ［ ］ 域段 的能量 ， ） 频 Ｘ（ 为 （） Ｆ Ｔ变换 ， ： ￡的 Ｆ 即
关 键 词 ：滚 动 轴 承 ； 小波 分 析 ；故 障特 征 中 图 分 类号 ：Ｔ ３ ． １ Ｈ１ ３ ３ 文 献 标 识 码 ：Ａ
０ 引 言
滚 动轴承 是旋转 机械 中的易 损部件 之 一 ，在 有滚 动轴承 的旋转 机械 中 ， 大约 有 ３ 的机械 故障都 是 由 ０ 滚动轴 承引起 的［ 。滚动 轴承 的 电流信 号包 含有 丰 富 １ ］ 的频率成 分 ，其 中包 含有 反映滚 动轴 承故 障征兆 的很 多有用信 息 ，怎样提 取这些 故障 特征 ，建 立起特 征参 数 到滚动 轴承 故障 的映射关 系是 故 障诊 断 的关键 。
第２ 期 （ 第 １ ９期 ） 总 ５
２１ ０ ０年 ４ 月
机 械 工 程 与 自 动 化 Ｍ ＥＣＨＡＮＩ ＡＩ ＥＮＧＩ Ｃ ＮＥＥＲＩ ＮＧ ＆ ＡＵＴ０Ｍ ＡＴ１ ０Ｎ
Ｎｏ．２
Ａ ｐｒ ．
文 章 编 号 ：６ ２ ６ １ （ Ｏ ０ Ｏ — １ ７ ０ １ ７— ４３ ２ １ ） ２０ ２—２
声 部分去 除 ，提取有用 信息 。对 这种信 号 的消噪 ，传 统 的傅立 叶分 析显得无 能 为力 ，因为傅 立 叶分析 是将 信 号完全在 频域 中进行 分析 ，它不 能给 出信 号在 某个 时间上 的变化情 况 ，使 得信 号在 时间轴 上 的任何 一个 突变都会影 响整 个谱 图 。小 波变换 是一 种 时频分 析方 法 ，是把一 个 函数 分解 为小 波的基 本 函数 ，其 优 点是 窗 口大小 固定但形 状 可以改 变 ，由于这 种特性 ，使 小 波 变换对信 号有很 大 的适用 性［ 。本 文利 用小 波变 换 ２ ］ 能够 检测 出不规则 数据 特性这 一特 点 ，对滚 动轴 承故