信号特征提取信号分析

峰值指标IpI p
Xp 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。
• 4．1．4 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
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。
歪度指标Cw
Cw
1 N
N
( xi x)3
i1
X
3 rm
s
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。
峭度指标CCqq
1 N
N
( xi x)4
i1
X
4 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。
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。
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 N
X N i1 xi (t)
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），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。
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。
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。
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Biblioteka Baidu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
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
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。
• 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
Xr2ms
1 N
N i1
xi2(t)
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。
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，
其叠加合成信号才表现出周期性特
图4—1 信号的时频关系
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。
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。