机械故障诊断技术4_信号特征提取技术.ppt

第四章信号特征提取——信号分析技术4．1信号特征的时域提取方法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

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。
峰值指标Ip

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

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

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。

歪度指标Cw

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Cq

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4．2信号特征的频域提取方法图4—1信号的时频关系关于频谱图的说明4．2．2周期信号与非周期信号的频谱

最简单的周期信号是正弦信号

如果正弦信号的周期为T，则它们之间的关系为：

富里叶级数说明满足狄利克雷条件的周期信号，可以用正弦函数表
达成富里叶级数的形式：
（n=1，2，3，……）
此公式具有明确的物理意义。它表明任何满足狄利克雷条件的周期
信号，均可以表述为一个常数分量a0和一系列正弦分量之和的形式。其
中n=1的那个正弦分量称为基波，对应的频率ω0称为该周期信号的基频。
其它正弦分量按n的数值，分别称为n次谐波。
在机械故障诊断领域，常数分量a0是直流分量，代表某个变动缓慢
的物理因素，如某个间隙。通常从电动机到工作机械的传动是一系列的
减速增力过程，因此通常将电动机输入的转动频率称为基频。基频和它
的n次谐波在机械故障诊断领域都有明确的故障缺陷意义。周期性方波信号的频谱1

周期性方波信号x(t)从原本意义上是既无开始又无结束
的信号，但可以在一个周期内表述为：

对该方波信号x(t)作富里叶变换
可得该方波的富里叶级数描述：
周期性方波信号的频谱2

图4—3是该方波的幅频谱
图，横坐标是频率ω，纵坐标
是幅值，图中对应于某个频率
的直线称为谱线。
从图中可知周期信号的频
谱具有下列特征：
1）离散性即周期信号的频
谱图中的谱线是离散的。
2）谐波性即周期信号的谱
线只发生在基频ω0的整数倍频率上。
3）收敛性周期信号的高次谐波的幅值具有随谐波次数n
增加而衰减的趋势。
非周期信号的频谱1

非周期信号分为准周期信号和瞬变信号。准周期信号是
由一系列正弦信号叠加组成的，但各正弦信号的频率比不是
有理数，因而叠加结果的周期性不明显。
脉冲函数、阶跃函数、指数函数、矩形窗函数这些工程
中常用的工具都是典型的瞬变信号。
矩形窗函数的时域表达式为：
幅—频谱4．2．3截断、泄露与窗函数

在故障诊断的信号分析中需要对信号采样。而真实的振
动信号的时间历程是无限长的，采样就是对无限长的信号进
行截取。也就是对x(t)信号乘以w(t)函数，当w(t)=0时，乘
积的结果y(t)=0；当w(t)=1时，乘积的结果y(t)=x(t)。根据
富里叶变换的特性，在时域内，2个信号的乘积，对应于这
2个信号在频域的卷积。

由于w(t)在频谱中是连续无限的函数，它与x(t)信号在
频域的卷积，必然造成x(t)信号的能量分散到w(t)的谱线上，
这就是所谓的谱泄漏。换句话说