实验一电机振动信号频谱分析指导书(修改)包

实验一 电机振动信号频谱分析

一．实验目的

1. 通过本实验，加深对工程信号分析基本方法的认识和理解，包括波形分析、频谱分析等分析方法；

2. 通过典型的信号分析仪的使用，加深了解分析频率、分辨率、信噪比、窗函数、加权平均等概念的意义；

3. 能够对实际的工程信号，提出具体的分析方案与步骤，并对信号分析中产生的各种现象进行简单的分析与判断。

二．实验原理简述

1. 振动信号是最常用的检测信号，直接对振动时域信号的时间历程进行分析和评估是状态检测和故障诊断最简单和直接的方法，特别是当信号中包含有谐波信号、周期信号或短脉冲信号时更为有效。直接观察时域波形可以看出周期、谐波、脉冲，利用波形分析可以直接识别共振现象和拍频现象，当然，这对比较典型或特别明显的信号以及很有经验的人员才适用。此外，常用的方法是概率分析法。

对于各态历经的平稳随机过程可用其时间历程的概率分布来描述。图1-1表示某一信号的时间历程及其概率密度函数P(x)，它可由下式计算：

图1-1 信号的时间历程及其概率密度函数P(x)

000[()]1()lim lim [lim ]x x T p x x t x x Tx p x x

x T ∆→∆→→<<+∆==∆∆ （1.1） 式中[()p x x t x x <<+∆]表示瞬时值落在增量（x 范围内可能出现的概率，Tx 是在总的观测时间中信号x(t)位于区间(x, x x +∆)内的所有时间和。图1-1(b)表示p(x)-x 关系，此时横坐标为幅值x ，故而有时也称此为幅值分析。

图1-2为典型的某振动信号的概率密度函数图，其中实线为正常工作振动信号，虚线表示由故障情况。可见，发生故障时，振幅增大，谐波增多，反映到p(x)图上使其变峭，两旁展宽。

图1-2某振动信号的概率密度分析

2. 功率谱分析从频率域提供相关技术所能提供的信息，它是研究平稳随机过程的重要方法。功率谱密度函数是在频域中对信号能量或功率分布情况的描述，它可以由相关函数的傅立叶变换求得，也可以直接用FFT 分析技术以模拟滤波方法来研究。

自功率谱密度函数

从能量等价的角度来说，窄带随机信号的能量为

⎰∆∞→∆∆=T

f T f dt t x P 0

2)(lim （1.2） 由于宽带随机信号是由无限个频率连续的窄带随机信号分量所组成，故此其频率结构可用能量谱密度函数来描述，即

⎰∆→∆∆∆=T

f f x dt t x f f P 020)(1

lim )( （1.3）

由于能量谱密度的)(f P x 值随时间的变化而增大，当∞→T 时，它是无穷大，因而不能很好地描述随机信号的统计规律，所以常用各个窄带随机信号的平均能量来表示。就此，获得了功率谱密度函数的定义式

⎰∆→∆∞→∞→∆∆==T

f f T x T xx dt t x f T f P T f G 020)(1lim 1lim )(1lim )( （1.4）

根据帕斯瓦尔定理，在时间域中计算的信号总能量等于在频率域中计算的信号总能量，得

df f X dt t x 22)()(⎰⎰

∞∞-∞∞-= （1.5） 因此 ⎰⎰∞∞-∞

∞-==df f X dt t x P x 22)()( （1.6） 由于2)(f X 具有偶函数的性质，实际上负频率不存在，所以

⎰∞=02

)(2df f X P x （1.7） 由式（5.12）可知，2)(2)(f X f P x =

因此 2)(2lim )(1lim )(f X T

f P T f G T x T xx ∞→∞→== （1.8） 由于快速傅里叶变换(FFT)技术的迅速发展，能迅速地将时域信号变换成频域信号获得傅氏谱)(f X 。因此，经常先将时域信号)(t x 变换成幅值谱密度函数)(f X ，而后求得单边功率谱密度函数)(f G xx 。

同时自功率谱密度函数也可由自相关函数经傅里叶变换得到，即

⎰∞∞

--=τττπd e R f G f j xx xx 2)(2)( （1.9） 它们互为傅里叶变换对。

)(f G xx 表示信号的功率沿频率轴的分布密度，它的应用领域相当广泛。

三．实验设备及仪表

1. DASP 工程版软件；

2. 笔记本电脑；

3. 传感器；

4. 信号电缆；

5. 优盘若干。

四．实验内容

频谱分析能够将实测的复杂的工程信号分解成简单的谐波分量来研究，描述了信号的频率结构。因此，对机器设备振动噪声信号做频谱分析相当于给机器设备作一次“透视”，从中可以了解机器设备各部分的工作状况。频谱分析为解决工程实际问题提供了较多的信息，从而获得了多方面的应用。本实验以发动机振动信号为对象，主要加深对信号测量和分析方法的理解，内容包括：

1．调试电机至最佳状态。

2．利用DASP 工程版软件（V10）,对某电机的振动信号进行频谱分析；

3．选取不同的分析频带（0～20kHz 、0～10kHz 、0～5kHz ）,分别观察信号的时间波形、幅值谱、幅值概率分布图；

4．选取不同的负载等并观察是否有不同结果。

5．调试电脑软件不同的显示方式（频谱显示范围、线性或分贝显示等），并观察结果的变化。

6．记录或存储典型的实验结果。

7．结合分析中的各种影响因素，对分析结果进行讨论，包括初步简单分析电机振动信号的特征，并提交书面的实验报告。

五．实验方法与步骤

在教师的指导下，同组同学间开展适当的讨论，自行设计实验方案，包括实验仪器的选择等，要求能够完成实验内容，并在指导教师的认可后进行实验。

六．实验报告要求

1. 实验目的；

2. 实验仪器；

3. 实验方法及理论依据

4. 实验内容；

5. 实验结果与分析结论。