旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷技術(shù)中基于頻譜的數(shù)據(jù)采集與檢測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)論文

1、1 緒論1.1 設(shè)備檢測(cè)與故障診斷的意義現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展使得工業(yè)設(shè)備的向大型化、連續(xù)化、高速化和自動(dòng)化發(fā)展，因而在生產(chǎn)中，機(jī)械設(shè)備的故障診斷越來(lái)越受到重視，如果某臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障而又未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除，其結(jié)果不僅會(huì)導(dǎo)致設(shè)備本身?yè)p壞，甚至可能造成機(jī)毀人亡的的嚴(yán)重后果。在連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)中，如果某臺(tái)關(guān)鍵設(shè)備因故障而不能連續(xù)運(yùn)行，往往會(huì)涉及全廠伸長(zhǎng)設(shè)備的運(yùn)行，而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。如何才能保證生產(chǎn)的連續(xù)性，保證減少設(shè)備的特別是重要設(shè)備的運(yùn)行停機(jī)時(shí)間，使企業(yè)追求高經(jīng)濟(jì)效益的前提，而設(shè)備檢測(cè)和故障診斷技術(shù)將為此提供一個(gè)有效的解決途徑。傳統(tǒng)的設(shè)備維修中，大部分流程裝置工業(yè)都采用了預(yù)防維修方式。按照這種方式，鋼

2、鐵工業(yè)約每隔10天安排一個(gè)10小時(shí)左右的定期修理日，每年至少有一次一周左右的定期大修理。這種相隔一定時(shí)間進(jìn)行的修理稱為按時(shí)進(jìn)行的維修。與此對(duì)應(yīng)，不規(guī)定修理間隔而是根據(jù)設(shè)備診斷技術(shù)檢測(cè)設(shè)備有無(wú)劣化和故障，在必要時(shí)進(jìn)行維修，這種方式稱為狀態(tài)檢測(cè)維修或預(yù)知維修。圖1.1表示了事后維修、按時(shí)進(jìn)行的維修、狀態(tài)檢測(cè)維修的維修工作量和停機(jī)情況。途中有陰影線的圖像其寬度比奧是維修造成的的停機(jī)時(shí)間，高度表示維修工作量，面積表示維修總工作量和維修費(fèi)用。該圖是根據(jù)英國(guó)毛造紙廠的實(shí)際情況繪制的。當(dāng)采用狀態(tài)檢測(cè)維修時(shí)，維修造成的停機(jī)時(shí)間和維修費(fèi)用都將大幅度下降。圖1.1 維修方式和修理工作量由上圖可以看出，故障診斷儀器

3、的廣泛應(yīng)用，使對(duì)機(jī)械設(shè)備的維護(hù)由計(jì)劃、定期檢修走向狀態(tài)、預(yù)知檢修變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，使機(jī)械設(shè)備的維護(hù)方式發(fā)生了根本性革命。狀態(tài)監(jiān)測(cè)避免了機(jī)械設(shè)備的突發(fā)故障，從而避免了被迫停機(jī)而影響生產(chǎn)；機(jī)械狀態(tài)分析為預(yù)知機(jī)械設(shè)備的維修期提供了可靠依據(jù)，即可做到測(cè)量表明有必要時(shí)才進(jìn)行維修。使我們能夠及時(shí)準(zhǔn)備維修部件，安排維修計(jì)劃，克服了定期維修帶來(lái)的不必要的經(jīng)濟(jì)損失和設(shè)備性能的下降；完善的診斷能力可為我們準(zhǔn)確指出故障類型和故障部位，避免了維修的盲目性，使檢修簡(jiǎn)捷易行，大大縮短了維修工期，增加了機(jī)器設(shè)備正常運(yùn)行的時(shí)間，大幅提高生產(chǎn)效率，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。1.2 監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的發(fā)展與動(dòng)向1.2.1 診斷技術(shù)的發(fā)展概

4、況故障診斷是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)及生產(chǎn)發(fā)展的產(chǎn)物。最早開(kāi)發(fā)故障診斷的是美國(guó)。在美國(guó)宇航局的提議之下，1967年由美國(guó)海軍研究室主持成立了美國(guó)機(jī)械故障預(yù)防小組，積極從事技術(shù)診斷的開(kāi)發(fā)?，F(xiàn)在他們已將此技術(shù)成功的應(yīng)用到航天、航空、軍事及機(jī)械工業(yè)中。而后，英國(guó)成立了機(jī)械保健中心開(kāi)始研究故障診斷技術(shù)，目前他們?cè)谀Σ聊p、汽車飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域的應(yīng)用處于領(lǐng)先地位。日本在鋼鐵、化工、鐵路等民用工業(yè)部門的診斷技術(shù)方面發(fā)展很快，占有某些優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí)，歐洲其它國(guó)家也有很大的發(fā)展，瑞典的軸承監(jiān)測(cè)技術(shù)，挪威的船舶診斷技術(shù)等等。我國(guó)從上世紀(jì)八十年代開(kāi)始研究與開(kāi)發(fā)，目前應(yīng)該說(shuō)從信號(hào)處理，診斷技術(shù)等軟件技術(shù)方方面的研究處于先進(jìn)水平

5、在硬件方面包括一些儀器儀表的研制，我們國(guó)家也開(kāi)展了卓有成效的研究工作，取得了一定的成果，各式各樣的測(cè)振儀器、數(shù)據(jù)采集器、以及相關(guān)的信號(hào)處理儀都有生產(chǎn)廠家。當(dāng)前我國(guó)的一些民用工業(yè)，尤其是冶金、石化和電力等流程工業(yè)，在開(kāi)發(fā)和應(yīng)用診斷技術(shù)方面走到了前列。機(jī)械行業(yè)在現(xiàn)場(chǎng)診斷和精密診斷方面，航空工業(yè)在研制診斷儀器方面，和工業(yè)在進(jìn)行反應(yīng)堆故障診斷和壽命預(yù)測(cè)方面，鐵道部門在進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)車油液的光譜、鐵譜分析和電力機(jī)車診斷方面，以及交通部門在實(shí)施汽車不解體檢測(cè)等方面卓有成效。21.2.2 技術(shù)診斷的發(fā)展趨勢(shì)20世紀(jì)60年代計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了快速傅里葉變換（fft），從而把信號(hào)處理和分析技術(shù)的軟件和硬件

6、推向新高。設(shè)備系統(tǒng)和零部件的可靠性工程的發(fā)展以及對(duì)零件失效分析機(jī)理的研究等等，推動(dòng)了技術(shù)診斷的飛速發(fā)展。在開(kāi)發(fā)診斷技術(shù)的方法上，國(guó)內(nèi)外對(duì)別的領(lǐng)域中的診斷方法、理論和各種現(xiàn)代化的儀器的最新成就都保持高度敏感性，凡是有用的酒吧他們拿來(lái)用于診斷。信號(hào)處理技術(shù)，聲發(fā)射技術(shù)，紅外測(cè)溫技術(shù)，油液分析技術(shù)，以及各種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，都成為機(jī)械設(shè)備診斷技術(shù)的重要內(nèi)容。由于信息的多樣性，診斷技術(shù)的理論基礎(chǔ)非常廣泛，已經(jīng)用到自然科學(xué)的各個(gè)學(xué)科。如高等數(shù)學(xué)和現(xiàn)代數(shù)學(xué)的各個(gè)分支，電子計(jì)算機(jī)計(jì)算方法，物理學(xué)中的熱學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)和力學(xué)及化學(xué)等！這些學(xué)科為我們對(duì)機(jī)械設(shè)備、工藝過(guò)程和生產(chǎn)系統(tǒng)的正確診斷提供了各個(gè)方面的信息，為我們

7、由局部推測(cè)整體、由現(xiàn)象推斷本質(zhì)和由當(dāng)前預(yù)見(jiàn)未來(lái)建立了可靠的依據(jù)。由此出現(xiàn)了統(tǒng)計(jì)診斷、分析診斷、模糊診斷、灰色診斷、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷等理論和方法。診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是，研究推廣計(jì)算機(jī)技術(shù)在自動(dòng)化狀態(tài)檢測(cè)和故障診斷中的應(yīng)用，將監(jiān)測(cè)與診斷使用的軟件規(guī)范化、模塊化、硬件標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化；向監(jiān)測(cè)、診斷、管理、調(diào)度的集成化方向發(fā)展；研究診斷系統(tǒng)的智能化；診斷儀器和設(shè)備的專門化等等。2 設(shè)備故障診斷的信號(hào)及其分析方法2.1 振動(dòng)描述2.1.1 什么叫振動(dòng)？振動(dòng)是世界上的物質(zhì)或物體的一種運(yùn)動(dòng)形式。廣義來(lái)說(shuō)，振動(dòng)就是物體（質(zhì)點(diǎn)）或某種狀態(tài)隨著時(shí)間往復(fù)變化的現(xiàn)象。2.1.2 振動(dòng)的分類工程中有大量的振動(dòng)問(wèn)題需要研究、分

8、析和處理，因此有先簡(jiǎn)單介紹振動(dòng)力學(xué)中的振動(dòng)分類方法，以便在振動(dòng)故障類型、原因、分析和故障排除方面提供考慮的基礎(chǔ)。機(jī)械振動(dòng)的研究和使用方面有多種分類方法，目前，大致有如下幾種分類：按振動(dòng)的規(guī)律分(a).簡(jiǎn)諧振動(dòng)，非簡(jiǎn)諧振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)。有時(shí)又將前兩者稱為周期振動(dòng)，后者稱為非周期振動(dòng)；(b).按產(chǎn)生振動(dòng)的原因分自由振動(dòng)、受迫振動(dòng)、自激振動(dòng)和參變振動(dòng)等；(c).按自由度分單自由度系統(tǒng)振動(dòng)、多自由度系統(tǒng)振動(dòng)和彈性振動(dòng)；(d).按振動(dòng)位移特征分角振動(dòng)和直線振動(dòng)；(e).按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)分線性振動(dòng)和非線性振動(dòng)。在機(jī)器的故障診斷中，從應(yīng)用角度看，應(yīng)著重掌握按振動(dòng)規(guī)律和產(chǎn)生原因這兩種分類。2.1.3 簡(jiǎn)諧振動(dòng)簡(jiǎn)諧

9、振動(dòng)又稱“正弦振動(dòng)”，它是振動(dòng)故障診斷中最基本的概念之一。了解它的表示方法，特別是它的物理意義，對(duì)于掌握故障診斷技術(shù)十分重要。簡(jiǎn)諧振動(dòng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式是 （2-1）式中： a-振幅； -角頻率（園頻率）。正弦函數(shù)的振動(dòng)圖線如圖2-1所示。因?yàn)楹瘮?shù)sin t具有下列特性： （2-2）圖2-1正弦函數(shù)的振動(dòng)圖線則t=2/為簡(jiǎn)諧振動(dòng)的周期。f=1/t簡(jiǎn)稱為簡(jiǎn)諧振動(dòng)的頻率，=2f表示每秒轉(zhuǎn)過(guò)的弧度，亦是在2秒內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)，稱為“園頻率”。必須指出，簡(jiǎn)諧振動(dòng)一定是周期振動(dòng)，但是，周期振動(dòng)不一定是簡(jiǎn)諧振動(dòng)。2.2 故障診斷信號(hào)的分類常見(jiàn)的信號(hào)分類如下：按時(shí)間變量的取值方式不同可將信號(hào)分為連續(xù)時(shí)間信號(hào)（cont

10、iunous signal）和離散時(shí)間信號(hào)（discrete signal）。連續(xù)時(shí)間信號(hào)：在 t 整個(gè)時(shí)間范圍定義的信號(hào)。離散時(shí)間信號(hào)：只在某些離散的瞬時(shí)給出函數(shù)值，而在其它時(shí)間沒(méi)有意義的信號(hào)。按信號(hào)的性質(zhì)分，則可分為確定信號(hào)（determinate signal）和隨機(jī)信號(hào)（random signal）。確定性信號(hào)：可以用明確的數(shù)學(xué)關(guān)系式描述的信號(hào)。它可以進(jìn)一步分為:周期信號(hào),非周期信號(hào),準(zhǔn)周期信號(hào)。周期信號(hào)是經(jīng)過(guò)一定時(shí)間可以重復(fù)出現(xiàn)的信號(hào)，滿足式中t周期；非周期信號(hào)使之具有瞬變性的信號(hào)；準(zhǔn)周期信號(hào)是周期與非周期的邊緣情況，是由有限個(gè)周期信號(hào)合成，單個(gè)周期信號(hào)相互間不是公倍關(guān)系，其合成信號(hào)

11、不滿足周期條件。隨機(jī)信號(hào)：不能用確定的函數(shù)式表示，幅值相位變化是不可測(cè)的，而只能用統(tǒng)計(jì)的規(guī)律來(lái)描述的信號(hào)。按性質(zhì)分可為能量信號(hào)和功率信號(hào)能量信號(hào)：在分析區(qū)間（，+）信號(hào)的能量為有限值，即： （2-3）功率信號(hào)：若一個(gè)信號(hào)在時(shí)，其平均功率為有限值，即 （2-4）按信號(hào)的因果性質(zhì)分，可將信號(hào)分為物理可實(shí)現(xiàn)和物理不可實(shí)現(xiàn)信號(hào)物理可實(shí)現(xiàn)信號(hào)：又稱為單邊信號(hào)，滿足條件：時(shí)，信號(hào)完全由時(shí)刻大于零的一側(cè)確定。在實(shí)際中出現(xiàn)的信號(hào)，大量的是物理可實(shí)現(xiàn)信號(hào)。為故障診斷測(cè)得的信號(hào)多是時(shí)間的歷程函數(shù)，為了跟充分地利用所測(cè)得信號(hào)有必要從多個(gè)側(cè)面來(lái)對(duì)他進(jìn)行處理。在故障診斷中，信號(hào)處理的目的是去除信號(hào)中的噪音和無(wú)用信號(hào)，以

12、及提取診斷用的特征量。常用的處理方法有：數(shù)學(xué)變換、時(shí)域分析、頻域分析、時(shí)間序列分析以及在機(jī)械故障診斷中廣泛應(yīng)用的一些特殊的處理方法。2.3 信號(hào)的預(yù)處理在機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷過(guò)程中，傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)采樣和a/d轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)，大致經(jīng)過(guò)如下過(guò)程：2圖2-2 模擬信號(hào)數(shù)字處理過(guò)程如上圖所示，得到信號(hào)x（nt），要經(jīng)過(guò)預(yù)處理才能交給后面的數(shù)字處理器。信號(hào)的預(yù)處理就是除掉原始數(shù)據(jù)中的無(wú)意義而有害的噪聲，同時(shí)加工成便于精密分析的信號(hào)。常用的與處理的方法有：濾波、包絡(luò)線處理、平均法以及其它很多方法。2.3.1 濾波一般采得的信號(hào)包括反映機(jī)械設(shè)備的真實(shí)信號(hào)和混入的噪聲信號(hào)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)

13、，為了提高信噪比，突出被測(cè)設(shè)備的特征信息，通常要對(duì)采樣的信號(hào)進(jìn)行濾波處理，濾波一般分為五種，低通濾波、帶通濾波、高通濾波、帶阻濾波和全通濾波。濾波有個(gè)分為連續(xù)信號(hào)的模擬濾波和對(duì)離散信號(hào)的數(shù)字濾波。模擬信號(hào)的濾波網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)連續(xù)網(wǎng)絡(luò)，可由電阻、電容、電感、晶體管和集成運(yùn)算放大器等基本電子器件所組成。該網(wǎng)絡(luò)的性能可由線性微分方程來(lái)描述。而模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)量化處理所獲得的數(shù)字信號(hào)，其濾波網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)離散網(wǎng)絡(luò)，它的性能可以有一個(gè)線性差分方程來(lái)描述。數(shù)字濾波網(wǎng)絡(luò)以數(shù)字作為輸入，并按差分方程對(duì)其進(jìn)行運(yùn)算并產(chǎn)生一個(gè)新的數(shù)字序列。因此，數(shù)字濾波實(shí)際是一個(gè)運(yùn)算過(guò)程，這個(gè)過(guò)程可由硬件實(shí)現(xiàn)，也可用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，這是與模擬濾波

14、器的實(shí)質(zhì)上的區(qū)別。利用計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波從經(jīng)濟(jì)上和使用上都有很大的好處。圖2-3 濾波器響應(yīng)特性a-低通濾波器； b-高通濾波器；c-帶通濾波器；d-帶阻濾波器 ；e-全通濾波器2.3.2 去直流分量處理由傳感器采集的信號(hào)或多或少的包含直流分量，這可能為后面的數(shù)據(jù)處理造成很大的影響。通常直流信號(hào)在做頻譜分析時(shí)，在w=0處產(chǎn)生一個(gè)很大的譜峰，并影響w=0左右的譜曲線，會(huì)使頻譜曲線產(chǎn)生較大的誤差，從而使診斷結(jié)果出現(xiàn)偏差。對(duì)于連續(xù)的模擬量，去直流分量是在采樣時(shí)間內(nèi)先積分，再除以積分區(qū)間長(zhǎng)度。對(duì)于離散的數(shù)字信號(hào)，去直流分量實(shí)際是將各測(cè)量值減去他們的平均值。2.4 信號(hào)處理中的時(shí)域分析方法信號(hào)

15、分析可以從時(shí)域和頻域這兩個(gè)角度來(lái)進(jìn)行， 如果對(duì)所測(cè)得的時(shí)間歷程信號(hào)直接實(shí)行各種運(yùn)算且運(yùn)算結(jié)果仍屬于時(shí)間域，這樣的分析運(yùn)算即為時(shí)域分析，或稱為幅值域分析。2.4.1信號(hào)幅值域分析平穩(wěn)過(guò)程：如果一個(gè)隨機(jī)過(guò)程它的特征是產(chǎn)生隨機(jī)現(xiàn)象主要因素的統(tǒng)計(jì)特性不隨時(shí)間推移而變，也就是說(shuō)支配隨機(jī)過(guò)程的規(guī)律不隨時(shí)間而變，將這類隨機(jī)過(guò)程稱為平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程。各態(tài)歷經(jīng)性：對(duì)平穩(wěn)過(guò)程x(t)，若每個(gè)樣本函數(shù)按”時(shí)間平均” 的數(shù)字特征（數(shù)學(xué)期望、方差、相關(guān)函數(shù)等等）均相等，且等于任意“截口”處的“集合平均”，這樣的平穩(wěn)過(guò)程稱為各態(tài)歷經(jīng)過(guò)程。各態(tài)歷進(jìn)性的重要性質(zhì)：如果x（t）是各態(tài)歷經(jīng)過(guò)程，我們就可以從一次試驗(yàn)所得的樣本函數(shù)來(lái)確

16、定過(guò)程x（t）的數(shù)字特征。信號(hào)幅值域分析就是在各態(tài)歷經(jīng)假設(shè)前提下，對(duì)隨機(jī)過(guò)程的分析就變?yōu)閷?duì)其任一樣本的統(tǒng)計(jì)分析。常用的幅值域分析的幾個(gè)常用參量如下：均值均值是用來(lái)描述信號(hào)中的穩(wěn)定分量或叫直流分量，可分為集合平均（set average）和時(shí)間平均(time average)兩種。對(duì)隨機(jī)過(guò)程x（t），其均值定義為： （2-5） 其集合平均的表達(dá)式 （2-6）其中為x（t）的概率密度函數(shù)時(shí)間平均的表達(dá)式 （2-7）方差和標(biāo)準(zhǔn)差s方差用于描述信號(hào)相對(duì)于均值的波動(dòng)情況，反映了信號(hào)的動(dòng)態(tài)分量，又稱為二階中心矩，其定義為： （2-8）其離散計(jì)算公式為 （2-9）方差的開(kāi)方稱為標(biāo)準(zhǔn)差，用s表示，即均方值均方

17、值反映了信號(hào)相對(duì)于零值的波動(dòng)情況，表示信號(hào)的平均能量，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 （2-9）其離散化計(jì)算公式為 （2-10）有效值（均方根值）均方值是一個(gè)應(yīng)用廣泛的統(tǒng)計(jì)參量，對(duì)振動(dòng)速度而言，其有效值與振動(dòng)能量相對(duì)應(yīng)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 （2-11）峰峰值峰峰值時(shí)采用資料中最大值與最小值之差，表示采樣信號(hào)的變化幅度，其定義為： （2-12）概率密度函數(shù)p(x)其數(shù)學(xué)表達(dá)式圖2-4 概率密度函數(shù)的定義 （2-13）概率密度函數(shù)可直接用于機(jī)械設(shè)備的故障診斷，下圖是新舊兩個(gè)齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)的概率密度函數(shù)，圖示直觀的說(shuō)明了新舊兩個(gè)齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)之間有明顯的差異。（a） （b）2-5 概率密度函數(shù)用于機(jī)械故障診斷（a）

18、新齒輪箱 （b）舊齒輪箱概率分布函數(shù)f(x)概率分布函數(shù)是信號(hào)值小于等于某一值x的概率，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 （2-14）偏態(tài)指標(biāo)和峭度指標(biāo)偏態(tài)指標(biāo)和峭度指標(biāo)常用來(lái)檢驗(yàn)信號(hào)偏離正態(tài)分布程度，兩者對(duì)概率密度函數(shù)的影響如圖所示。他們的數(shù)學(xué)表達(dá)公式分別如下（a）偏態(tài)指標(biāo)的影響 （b）峭度指標(biāo)影響2-6 偏態(tài)指標(biāo)和峭度對(duì)概率密度的影響 偏態(tài)指標(biāo) （2-15）峭度指標(biāo) （2-16）若信號(hào)x（t）為放映機(jī)械狀態(tài)的參量，則、的絕對(duì)值愈大，說(shuō)明及其與偏離其正常狀態(tài)，因此，偏態(tài)指標(biāo)和峭度均可用于機(jī)械設(shè)備的故障診斷。122.4.2 相關(guān)分析相關(guān)分析又稱時(shí)延域分析，用于信號(hào)在不同時(shí)刻的相互依賴關(guān)系，是提取信號(hào)中周期成分的

19、常用手段，在相關(guān)測(cè)速和相關(guān)定位以及傳遞路徑識(shí)別中均有應(yīng)用。相關(guān)分析包括自相關(guān)分析和互相關(guān)分析，是時(shí)域信號(hào)分析的主要內(nèi)容。自相關(guān)分析自相關(guān)函數(shù):自相關(guān)函數(shù)描述的是同一信號(hào)中不同時(shí)刻的相互依賴關(guān)系。其定義式 （2-17）自相關(guān)函數(shù)的意義：信號(hào)x(t)的自相關(guān)函數(shù)是描述一個(gè)時(shí)刻的取值與另一時(shí)刻的取值之間的關(guān)系，它可以描述統(tǒng)一信號(hào)的現(xiàn)在值與過(guò)去值有無(wú)關(guān)系或根據(jù)過(guò)去值、現(xiàn)在值估計(jì)未來(lái)值，主要用于a)用其檢測(cè)混淆于隨機(jī)信號(hào)中的周期信號(hào)，并且可直接由測(cè)得其周期成分的周期。b)用其提取機(jī)器噪聲中的周期信號(hào)。c)用其進(jìn)行機(jī)械加工表面粗糙度檢測(cè)。d)座椅減振。e)對(duì)于隨機(jī)信號(hào)根據(jù)其自相關(guān)函數(shù)圖，可以定量的確定信號(hào)

20、的總能量及動(dòng)靜態(tài)分量的組成，還可有自相關(guān)圖上的特征比較隨機(jī)振動(dòng)的平均能量和頻率成分，且 （2-18）其中代表動(dòng)態(tài)能量，代表靜態(tài)能量用自相關(guān)函數(shù)分析判斷數(shù)據(jù)類型和估計(jì)資料的預(yù)測(cè)精度?；ハ嚓P(guān)分析互相關(guān)函數(shù)：互相關(guān)函數(shù)是描述兩個(gè)不同信號(hào)不同時(shí)刻的相互依賴關(guān)系。其定義式為 （2-19）互相關(guān)函數(shù)的工程應(yīng)用:a)用其測(cè)量?jī)蓚€(gè)信號(hào)的滯后時(shí)間。b)用以評(píng)價(jià)或測(cè)定控制系統(tǒng)（操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)閥門、開(kāi)關(guān)等）的靈敏度。c)測(cè)量旋轉(zhuǎn)彈性軸的扭矩。d)用互相關(guān)函數(shù)能夠監(jiān)測(cè)和回收隱藏在外界噪聲中的的確定信號(hào)。2.5信號(hào)分析中的譜分析技術(shù)對(duì)于機(jī)械故障診斷而言時(shí)域分析提供的信息量是非常有限的，時(shí)域分析往往只能粗略的回答機(jī)械

21、設(shè)備是否有故障，有時(shí)也能得到故障嚴(yán)重程度的信息，但不能回答故障發(fā)生的部位。對(duì)故障進(jìn)行定位一種常用的方法就是就是進(jìn)行信號(hào)的頻域分析。所謂頻域分析，即是把時(shí)間為橫坐標(biāo)時(shí)域信號(hào)通過(guò)付里葉變換分解為以頻域?yàn)闄M坐標(biāo)的頻率成分的分析，對(duì)照及其零部件運(yùn)行時(shí)的特征頻率，以便查找故障源。2.5.1 信號(hào)處理中常見(jiàn)的數(shù)學(xué)變換工程中測(cè)得的信號(hào)多為時(shí)域信號(hào)，為了進(jìn)一步的通過(guò)所測(cè)得信號(hào)了解被診斷對(duì)象的動(dòng)態(tài)行為，往往需要頻域信息。處理信號(hào)常用的數(shù)學(xué)變換有：傅立葉變換、拉普拉斯變換、z變換、希爾伯特變換等。(1).傅立葉變換傅立葉變換是把信號(hào)從事與變到頻域分析的手段，目前許多譜分析技術(shù)都是在傅立葉變換的基礎(chǔ)上完成的。傅立葉

22、正變換的公式為： （2-20） （2-21）傅立葉反變換的公式為： （2-22）傅立葉變換的基本性質(zhì)：a) 線性性質(zhì)，該性質(zhì)表明傅立葉變換完全適用于線性系統(tǒng)的分析，時(shí)域上的迭加對(duì)應(yīng)頻域上的迭加。b) 比例伸縮性質(zhì)（相似性質(zhì)），對(duì)時(shí)間尺度變化而言，快錄慢放可提高頻域的分辨率。c) 位移性質(zhì)，若將時(shí)間函數(shù)x（t）鹽時(shí)間軸平移，則傅立葉變換需乘以，反之亦然。d) 對(duì)稱性質(zhì)，如果x（t）是偶函數(shù)，則x（w）也是偶函數(shù)；如果x（t）是奇函數(shù)，則x（w）也是奇函數(shù);e) 函數(shù)曲線下的面積，函數(shù)x（t）曲線下的面積等于其傅式變換x（w）在原點(diǎn)處的值，反之，函數(shù)在原點(diǎn)處的值x（0）等于乘以變換 x（w）曲線下

23、的面積；f) 乘積與卷積，兩個(gè)函數(shù)之積的傅立葉變換等于兩個(gè)函數(shù)傅立葉變換的卷積， 反之兩個(gè)函數(shù)卷積的傅立葉變換等于兩個(gè)單獨(dú)函數(shù)的傅立葉變換的乘積；g) 微分性質(zhì)和積分性質(zhì)，微分性質(zhì)有，即每微分一次，相位提前，而譜形不變；積分性質(zhì)。振動(dòng)加速度、速度和位移函數(shù)之間的傅立葉變換即利用了該性質(zhì)?；跀?shù)字計(jì)算機(jī)的現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)只能處理數(shù)字量，必須先將各模擬量離散化為數(shù)字量，然后進(jìn)行離散傅立葉變換，簡(jiǎn)稱dft（discrete fouerier transform）。離散傅里葉變換將在下面介紹。2. 拉普拉斯變換若 （2-23）其中，則復(fù)變函數(shù)稱為的雙邊拉普拉斯變換。實(shí)際的信號(hào)通常都它起始時(shí)刻，常取其起

24、始時(shí)刻時(shí)間為坐標(biāo)原點(diǎn)。這樣，時(shí)，x（t）=0，從而 （2-24）此時(shí)稱為的單邊拉普拉斯變換。由拉普拉斯變換可知，的拉氏變換實(shí)際上是的傅立葉變換。因此，拉式變換就有和傅立葉變換相似的性質(zhì)，都有線性性質(zhì)，微分積分性質(zhì)、相似性質(zhì)、延遲性質(zhì)和位移性質(zhì)。拉氏變換可使的求導(dǎo)和求積分的運(yùn)算化為簡(jiǎn)單的代數(shù)運(yùn)算，即通過(guò)拉氏變換可把微分方程化為代數(shù)方程來(lái)求解，從而可使求解過(guò)程大為簡(jiǎn)化。而線性微分方程常用來(lái)描述線性系統(tǒng)，因此，拉氏變換是求解線性系統(tǒng)的一種有效工具。此外，拉式變換還常用于求系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，傳遞函數(shù)為輸出y（t）的拉氏變換與輸入函數(shù)x(t)的拉氏變換之比。傳遞函數(shù)常用來(lái)描述系統(tǒng)的固有周期特性，系統(tǒng)分析中

25、必須研究系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。23. z變換如同在連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)分析中將傅氏變換從頻域推廣到復(fù)域一樣，在離散時(shí)間系統(tǒng)分析中，也可以按類似的方法將拉氏變換加以推廣，從而得到z變換的運(yùn)算。z變換是求解描述離散系統(tǒng)的差分方程的有效工具，在離散系統(tǒng)的分析及數(shù)字信號(hào)的處理技術(shù)中，起著非常重要的作用。其定義為： （2-25）z變換的性質(zhì)如下：a) 線性性質(zhì)；b) 移序性質(zhì)，包括前移和后移；c) 有限求和的z變換；d) 時(shí)序卷積特性；e) 序列相乘（z與卷積定理）；f) 初值定理；g) 終值定理；h) z與微分；i) z域尺度變換。z變換的這些性質(zhì)成為研究離散系統(tǒng)的有效工具。2.5.2故障診斷常用的譜分析技術(shù)前面已

26、提到的數(shù)學(xué)期望、方差、概率密度函數(shù)和相關(guān)函數(shù)都是在時(shí)間域描述幅值的統(tǒng)計(jì)特性，因此常常需要將這些信號(hào)變到頻域去。頻域分析的目的是把復(fù)雜的時(shí)間歷程波形，經(jīng)過(guò)傅立葉變換分解成若干單一的諧波分量。并研究各諧波分量的幅值和相位信息，從而獲得信號(hào)的能量沿頻帶的分布情況。頻譜分析的主要手段是：功率譜密度函數(shù)，它有個(gè)分為自譜密度函數(shù)和互譜密度函數(shù)。功率譜密度與相關(guān)函數(shù)分別從頻域與時(shí)域這兩個(gè)不同的角度反映著同一個(gè)統(tǒng)計(jì)“平均功率”二者相輔相成，在研究隨機(jī)信號(hào)中各有其作用。其中功率譜密度給出了隨機(jī)信號(hào)的平均功率按頻率的分布密度，所以它不是關(guān)于隨機(jī)信號(hào)的完整描述，但卻提供了實(shí)用上極為重要的頻域統(tǒng)計(jì)特性。在工程上，往往

27、更廣泛的采用功率譜從頻域方面來(lái)研究、分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。1. 幅度譜分析就是對(duì)直接采樣所得的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，求得該時(shí)刻信號(hào)的頻率構(gòu)成信息。知道了信號(hào)的頻率構(gòu)成，我們就可以根據(jù)具體設(shè)備進(jìn)行特征提取，找到我們需要的各頻段的頻率特征值。對(duì)于周期信號(hào)，經(jīng)過(guò)傅立葉變換后的幅值譜是離散譜，機(jī)構(gòu)成信號(hào)的頻率成分是基波及其各次諧波分量。對(duì)于非周期信號(hào)，其幅值譜是連續(xù)譜，即信號(hào)連續(xù)的分布在一定的頻率范圍內(nèi)。應(yīng)該指出，通過(guò)fft數(shù)值計(jì)算所得的頻譜都是離散譜。常用系統(tǒng)進(jìn)行譜分析時(shí)就是基于幅度值分析。2. 功率譜分析功率譜是在頻域中隊(duì)信號(hào)能量或功率分布情況的描述，包括自功率譜和互功率譜，其中自功率譜與幅度譜提

28、供的信息量相同，但在相同條件下，自功率譜比幅度拉普拉斯更為清晰。自功率譜的定義式為： （2-26）其中為自相關(guān)函數(shù)相應(yīng)的逆變換為 （2-27）以上兩式就是維納辛欽（wienerkhintchine）公式，是信號(hào)分析理論中最著名的公式之一?；プV密度函數(shù)的定義： （2-28）其中為互相關(guān)函數(shù)信號(hào)的幅度譜和自功率譜之間有如下的對(duì)應(yīng)關(guān)系： （2-29）離散化的采樣計(jì)算公式為： （2-30）自功率譜的工程意義如下：如果x（t）為電壓信號(hào)，則把這個(gè)電壓加到阻值為1的電阻上，其瞬時(shí)功率為，瞬時(shí)功率的積分就等于信號(hào)的總能量。因此，可視為信號(hào)的平均功率。在機(jī)械信號(hào)中，如果是位移信號(hào)，則 就反映積蓄在彈性體內(nèi)的勢(shì)

29、能，如果是速度信號(hào)，則就反映了系統(tǒng)的某種動(dòng)能。對(duì)功率信號(hào)，如周期信號(hào)、隨機(jī)信號(hào)等，他們?cè)趨^(qū)間內(nèi)能量不是有限值，在這種情況下用功率譜研究他們的頻譜結(jié)構(gòu)更為合適。而對(duì)能量信號(hào)，像矩形脈沖，減幅正弦波，衰減指數(shù)這樣的信號(hào)，則用能量譜密度研究其頻率結(jié)構(gòu)。3. 相干函數(shù)（凝聚函數(shù)）（coherence function）在頻域內(nèi)說(shuō)明兩個(gè)隨機(jī)信號(hào)x（t）、y（t）相關(guān)程度的統(tǒng)計(jì)量稱為相干函數(shù)，它是由下式來(lái)定義： （2-31）且對(duì)于值的三種情況進(jìn)行如下討論和說(shuō)明a) 它表示當(dāng)頻率為f是x（t）、y（t）兩隨機(jī)信號(hào)是完全相關(guān)的。b) 當(dāng)x（t）為某系統(tǒng)的輸入，而y（t）為其輸出時(shí)，它表示所研究的系統(tǒng)為線性。c

30、) 當(dāng)已知系統(tǒng)為線行時(shí)，它表示輸入輸出中沒(méi)有混入其它外界噪聲干擾，而信號(hào)的傳遞是完全可信的。a) 它表示頻率為f時(shí)，x（t）、y（t）兩個(gè)隨機(jī)信號(hào)是完全不相關(guān)的。b) 所研究的系統(tǒng)為非線性。c) 有用的信號(hào)已被外界噪聲淹沒(méi)，因此信號(hào)的傳遞是不可信的。a) 他是x（t）、y（t）兩隨機(jī)信號(hào)當(dāng)頻率為f時(shí)b) 他是被測(cè)系統(tǒng)中傳遞函數(shù)可信程度的數(shù)量表達(dá)式，值越大表示系統(tǒng)線性程度越高。c) 它是信號(hào)在被測(cè)系統(tǒng)中傳遞函數(shù)可信程度的數(shù)量表達(dá)式，值越大，說(shuō)明的外界干擾噪聲越少，而傳遞可信程度越高。根據(jù)以上相干函數(shù)的物理意義可知，在工程實(shí)際問(wèn)題中進(jìn)行互譜密度分析是一定要同時(shí)進(jìn)行相干函數(shù)的驗(yàn)證，否則很可能進(jìn)行的譜

31、分析是不可信的，或可信程度是很差的。4. 倒頻譜在故障診斷中，經(jīng)常會(huì)遇到調(diào)頻或調(diào)幅信號(hào)。例如，在齒輪箱的故障診斷中，由于齒面載荷的波動(dòng)會(huì)出現(xiàn)調(diào)幅現(xiàn)象；當(dāng)齒面的轉(zhuǎn)速不均勻時(shí)，齒輪的嚙合頻率就會(huì)產(chǎn)生調(diào)頻現(xiàn)象。事實(shí)上調(diào)頻和調(diào)幅現(xiàn)象往往同時(shí)存在，再加上環(huán)境的干擾，使得測(cè)得的功率譜極為復(fù)雜。鑒于傅立葉變換能從復(fù)雜得信號(hào)中提取復(fù)雜的周期信號(hào)，利用這一特性，對(duì)功率譜的對(duì)數(shù)再作一次傅立葉逆變換，這時(shí)我們得到的譜稱為倒頻譜。倒頻譜能突然出現(xiàn)負(fù)載功率譜涂上的一些周期成分和顯示振動(dòng)狀態(tài)的一些變化，有利于進(jìn)行故障診斷。倒頻譜可分為功率倒頻譜和幅值倒頻譜。功率倒頻譜的定義式： （2-32）幅值倒頻譜的定義式： (2-3

32、3)上述功率倒譜和幅值倒譜的自變q稱為倒頻率（quefrereg）。倒頻譜分析有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：a) 可將信號(hào)源的輸入效應(yīng)和傳遞途徑的效應(yīng)分離開(kāi)來(lái)，消除其相互間的影響。b) 能將原來(lái)功率譜上成簇的邊頻帶譜線簡(jiǎn)化為單根譜線，便于觀察，利用這一特點(diǎn)可以檢測(cè)出功率譜中肉眼難以辨認(rèn)的的周期成分。5. 有限離散傅里葉變換（dft）1).dft的定義是：假設(shè)等時(shí)間間隔有限離散時(shí)間序列為：，則它的dft也是一個(gè)有限離散序列， 正變換公式為 (2-34)（k=0,1,2,n-1）逆變換公式為 (2-35)（n=0，1，2，n1）離散信號(hào)傅立葉變換的整個(gè)過(guò)程如下圖：2).離散信號(hào)傅立葉變換的整個(gè)圖解過(guò)程：2-7

33、離散信號(hào)傅立葉變換的圖解分析上圖一般可概括為下列三個(gè)步驟：時(shí)域采樣，對(duì)應(yīng)圖（a）、（b）、（c）時(shí)域截?cái)?，?duì)應(yīng)圖（d）、(e)平域采樣，對(duì)應(yīng)圖（f）、（g）3).有限傅立葉變換（dft）與傅立葉變換(ft)等價(jià)必須滿足的三個(gè)條件：a) 被變換的時(shí)間函數(shù)（信號(hào)）必須是周期的和限帶寬的，即它的最高頻率分量必須是有限的。b) 必須精確地在時(shí)間函數(shù)的整個(gè)周期上截?cái)?。c) 采樣頻率必須大于信號(hào)的最大頻率分量的兩倍。6. zoomfftzoomfft即細(xì)化的快速傅立葉變換。它是局部細(xì)化放大的方法，使所感興趣的重點(diǎn)平去得到較高的分辨率。這對(duì)機(jī)械故障診斷對(duì)某一特征頻段的分析十分有利。實(shí)現(xiàn)細(xì)化的常用方法有頻率細(xì)

34、化和限為補(bǔ)償兩種。除上面介紹的的方法外，頻譜分析的方法還有很多，如全息譜法，坎貝爾圖法，次數(shù)跟蹤分析法等等，在實(shí)際的設(shè)備故障診斷應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)不同的機(jī)械設(shè)備選用合理的方法，如能綜合幾種方法一起分析，就能得到更準(zhǔn)確的診斷結(jié)果。3 模擬信號(hào)的數(shù)字化測(cè)試大多獲得是模擬信號(hào)，而對(duì)模擬信號(hào)處理即可以使用模擬系統(tǒng)又可以使用數(shù)字系統(tǒng)。在使用數(shù)字系統(tǒng)處理時(shí)，需要先將模擬信號(hào)數(shù)字化，使之成為數(shù)字信號(hào)然后用數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理，得到一個(gè)處理后的數(shù)字信號(hào)，在經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)化得到所需要的模擬信號(hào)。其過(guò)程如下圖：圖3-1 模擬信號(hào)用數(shù)字方法處理的過(guò)程3.1模擬信號(hào)的數(shù)字化過(guò)程用數(shù)字方法處理模擬信號(hào)首先要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)

35、，這種轉(zhuǎn)換成為模數(shù)（a/d）轉(zhuǎn)換（也稱為數(shù)字化過(guò)程）。a/d轉(zhuǎn)換包括了采樣、量化、編碼三個(gè)步驟，其工作原理如下圖：3-2 a/d轉(zhuǎn)換過(guò)程采樣或稱為抽樣，是利用采樣脈沖序列p（t）將已知的模擬信號(hào)x（t）每隔一定時(shí)間ts抽出一個(gè)樣本數(shù)據(jù)。ts稱為采樣間隔，稱為采樣頻率。采樣過(guò)程的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： (3-1)量化又稱幅值量化。量化是一種用有限長(zhǎng)的數(shù)字量逼近模擬量的過(guò)程。若信號(hào)x(t)可能出現(xiàn)的最大值為a，令其分為d個(gè)間隔，則每個(gè)間隔長(zhǎng)度為r=a/d，r稱為量化增量或量化步長(zhǎng)。當(dāng)采樣信號(hào)落在某一小間隔內(nèi)，經(jīng)舍入方法變?yōu)橛邢拗禃r(shí)，則產(chǎn)生量化誤差。編碼將已量化的數(shù)變?yōu)槎M(jìn)制數(shù)碼即 (3-2)3.2采樣定理

36、采樣頻率選的過(guò)高，采樣間隔小，則在一定時(shí)間內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)過(guò)多，造成計(jì)算機(jī)的儲(chǔ)存量過(guò)大和計(jì)算時(shí)間太長(zhǎng)，如果頻率太低則會(huì)產(chǎn)生混頻現(xiàn)象，形成頻譜失真，使之不能失去依據(jù)，而且也無(wú)法從這個(gè)失真的頻譜中恢復(fù)出原信號(hào)。3.2.1混頻現(xiàn)象混頻現(xiàn)象又稱為頻譜混疊效應(yīng)。它是由于采樣以后采樣信號(hào)頻譜發(fā)生變化，而出現(xiàn)高、低成分發(fā)生混淆的一種現(xiàn)象。在下圖中，信號(hào)x（t）的fourier變換為，其頻率范圍為圖（a）中所示：采樣信號(hào)的fourier變換是一個(gè)周期性圖譜，其周期為，并且，圖中（b）表示，周期圖譜相互分離；而圖（c）表示周期圖譜相互重疊，即混頻現(xiàn)象 。3-3 采樣信號(hào)的混頻現(xiàn)象3.2.2采樣頻率 由上面的混頻現(xiàn)象可

37、以看出，如果，則不發(fā)生混頻現(xiàn)象，因此對(duì)采樣脈沖序列的間隔需加以限制，即采樣頻率或必須大于或等于信號(hào)x（t）中的最高頻率的兩倍，即或才不會(huì)產(chǎn)生混頻現(xiàn)象，這就是著名的采樣定理。實(shí)際使用時(shí)，可以視精度要求按下時(shí)選取采樣頻率： (3-3)3.2.3信號(hào)復(fù)原為了從采樣信號(hào)頻譜中無(wú)失真的復(fù)原出還需采用頻域矩形窗函數(shù)與相乘，即 (3-4)實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程的方法，就是將采樣信號(hào)通過(guò)低通濾波器，此濾波器的傳遞函數(shù)為，這樣在濾波器輸出端可以得到頻譜的連續(xù)信號(hào)x（t）過(guò)程如下圖：3-4信號(hào)復(fù)原若理想濾波器為，根據(jù)傅立葉變換的時(shí)域、頻域?qū)ΨQ性，可有 (3-5)又根據(jù)卷積定理： (3-6)所以有： (3-7)若取，而且，則

38、 (3-8)上述用濾波器有采樣信號(hào)恢復(fù)原信號(hào)的方法，稱為惠特克（e.t.whittaker）波形重構(gòu)法。4 計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)與診斷系統(tǒng)的組成4.1設(shè)備檢測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)在實(shí)際進(jìn)行機(jī)械故障診斷時(shí)，所用的方法很多，簡(jiǎn)單方法是有經(jīng)驗(yàn)的工人僅憑聽(tīng)、看、摸就可以判斷出機(jī)械是否有故障，但是僅憑此方法只能判斷機(jī)械的好與壞，并不能指出機(jī)械發(fā)生了什么故障。要想判斷機(jī)械發(fā)生了什么故障，故障出現(xiàn)在什么地方，就必須使用完整的在線監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)對(duì)機(jī)械進(jìn)行監(jiān)測(cè)與診斷?；谟?jì)算機(jī)輔助的在線監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)如下圖：圖4-1 設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)采用在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，不能向有經(jīng)

39、驗(yàn)的工人那樣憑經(jīng)驗(yàn)，而是必須采取表征系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)，運(yùn)用一定的方法來(lái)確定系統(tǒng)的狀態(tài)。其主要實(shí)施過(guò)程如下：1、信號(hào)的在線監(jiān)測(cè)：信號(hào)的在線監(jiān)測(cè)必須滿足兩方面的要求。一是在線，這是針對(duì)系統(tǒng)而言，而對(duì)于連續(xù)運(yùn)行的機(jī)械設(shè)備是指機(jī)器運(yùn)行過(guò)程中的監(jiān)測(cè)，是生產(chǎn)線上進(jìn)行的，否則達(dá)不到監(jiān)測(cè)與診斷的目的。二是動(dòng)態(tài)過(guò)程具有多方面的信息，但不是所有信息都能反映設(shè)備的故障狀態(tài)，沒(méi)有必要監(jiān)測(cè)，所選擇的信號(hào)及其在機(jī)器上的部位都要能敏感的反映工況特征信息的變化。此外在信號(hào)在線監(jiān)測(cè)中，所選用的傳感器必須能完整地將信號(hào)采集下來(lái)。2、信號(hào)的特征分析：鑒于直接監(jiān)測(cè)信號(hào)大都是隨機(jī)信號(hào)，它包括了大量的與故障無(wú)關(guān)的信息，一般不宜用做判別

40、量。需要用現(xiàn)代信號(hào)分析和數(shù)據(jù)處理方法把直接監(jiān)測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為能表達(dá)工況的特征量。對(duì)于某些有規(guī)律的信號(hào)，也可以從波形結(jié)構(gòu)上提取特征量。特征分析的目的是用各種信號(hào)處理方法作為工具，找到工況狀態(tài)與特征量的關(guān)系，把反映故障的特征信息和與故障無(wú)關(guān)的特征信息分離開(kāi)來(lái)，達(dá)到“去偽從真”的目的。3、特征量的選擇：將初始模式向量進(jìn)行維數(shù)壓縮、形式變換，去掉冗余信息，提取故障特征，形成待檢模式。在實(shí)際生產(chǎn)中，各個(gè)特征量對(duì)工況狀態(tài)變化的敏感程度不同，應(yīng)當(dāng)選擇敏感性強(qiáng)、規(guī)律性好的特征量，達(dá)到“去粗取精”的目的。選擇對(duì)具體機(jī)械最敏感的特征量，才能加強(qiáng)監(jiān)視診斷的針對(duì)性，提高診斷的準(zhǔn)確性。特征量的選擇還要考慮判別的實(shí)時(shí)性，要求

41、計(jì)算簡(jiǎn)單，如能在一定程度上表達(dá)工況狀態(tài)的物理含義，就更有利于對(duì)工況狀態(tài)變化進(jìn)行的分析。4、工況狀態(tài)識(shí)別：工況狀態(tài)識(shí)別就是狀態(tài)分類問(wèn)題，分類與診斷往往是一個(gè)概念，此處從生產(chǎn)過(guò)程不同的目的考慮，把“分類”分成監(jiān)視與診斷兩個(gè)問(wèn)題，工況監(jiān)視的目的是區(qū)分工況狀態(tài)是正常還是異常，或者那一部分不正常，便于進(jìn)行運(yùn)行管理，強(qiáng)調(diào)在線和實(shí)時(shí)性。因?yàn)橹饕钦Ｅc異常兩種狀態(tài)，用模式識(shí)別及模型參數(shù)判別都很有效。5、故障診斷：將異常工況與樣板模式（故障庫(kù)）通過(guò)一定的計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比，將設(shè)備發(fā)生的故障歸結(jié)為某一類標(biāo)準(zhǔn)的故障。為此需要建立判別函數(shù)，規(guī)定判別準(zhǔn)則并力爭(zhēng)誤判率最小。查明故障部位、性質(zhì)、程度，不僅需要根據(jù)當(dāng)前機(jī)組的

42、實(shí)際運(yùn)行工況，而且還需要考慮機(jī)組的歷史資料及領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)做出精確診斷。診斷和監(jiān)測(cè)不同之處在于診斷精度放在第一位，而實(shí)時(shí)性是第二位。244.1.1計(jì)算機(jī)輔助監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)的方案根據(jù)機(jī)械設(shè)備的不同要求，計(jì)算機(jī)輔助監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)有不同的診斷方案，以旋機(jī)械為例,對(duì)一般機(jī)械設(shè)備數(shù)量多且可停機(jī)檢修，無(wú)必要每臺(tái)設(shè)備都配備監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)的況，一般采用記錄儀器記錄被監(jiān)測(cè)的設(shè)備狀態(tài)，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)分析診斷，此種方法靈性大，但只能人工分析；對(duì)于某些運(yùn)行管理科學(xué)化，有人工分析條件的大型設(shè)備，不需診斷系統(tǒng)，只實(shí)施在線實(shí)時(shí)監(jiān)視即可；對(duì)于多臺(tái)一般機(jī)械的巡回監(jiān)測(cè)與分析，一般做在線監(jiān)測(cè)、離線分析儲(chǔ)存；對(duì)于多臺(tái)同時(shí)運(yùn)行的大型

43、關(guān)鍵設(shè)備，實(shí)時(shí)性要求高，必須進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，在線分析，精密診斷。42計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)的組成對(duì)于運(yùn)行中的機(jī)械，要判斷它是否有故障、什么地方有故障和有什么故障，就要向醫(yī)生給病人看病一樣，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜一步一步由表及里的逐步進(jìn)行。傳統(tǒng)技術(shù)診斷中，人們總是通過(guò)有經(jīng)驗(yàn)的工人通過(guò)看、聽(tīng)、摸和聞來(lái)判斷機(jī)械設(shè)備是否有故障，這種簡(jiǎn)單診斷技術(shù)對(duì)于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)是遠(yuǎn)不夠用的?，F(xiàn)代的診斷技術(shù)是應(yīng)用最新的現(xiàn)代化儀器設(shè)備和電子計(jì)算機(jī)系等當(dāng)代的高新技術(shù)來(lái)檢查和識(shí)別機(jī)械設(shè)備及其零、部件的。按功能的完善程度來(lái)說(shuō)，可將現(xiàn)代診斷技術(shù)分為簡(jiǎn)易診斷和精密診斷。這兩者相當(dāng)于醫(yī)學(xué)上的護(hù)士與專門醫(yī)生的關(guān)系，也就是對(duì)疾病早發(fā)現(xiàn)并治療，同時(shí)用較少

44、的保健費(fèi)來(lái)保持健康的方式。下面就以簡(jiǎn)易診斷和精密診斷為例來(lái)說(shuō)明診斷系統(tǒng)的組成。4.2.1簡(jiǎn)易診斷簡(jiǎn)易診斷利用一些便攜式的故障診斷設(shè)備和工況監(jiān)測(cè)儀表，通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)取待檢設(shè)備的信號(hào)，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的狀態(tài)做出相對(duì)粗略的判斷。相當(dāng)于人的初級(jí)健康診斷，為了能對(duì)設(shè)備的狀態(tài)迅速有效的做出概括的評(píng)價(jià)，它至少應(yīng)具備以下功能之一： a) 設(shè)備的劣化、故障的趨向控制和早期發(fā)現(xiàn)； b) 設(shè)備所受異常應(yīng)力的檢測(cè)和趨向控制； c) 設(shè)備的性能、效率的趨向控制和異常檢測(cè)； d) 指出有問(wèn)題的設(shè)備（及發(fā)現(xiàn)患者）。 簡(jiǎn)易診斷的優(yōu)點(diǎn)是所使用的儀器重量輕、體積小、攜帶方便、操作簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是一般只能答設(shè)備有無(wú)故障，而不能分析機(jī)械故障產(chǎn)生

45、的原因、故障的部位及故障的程度。使用它進(jìn)行診斷時(shí)，一般先規(guī)定一個(gè)閥值，當(dāng)測(cè)取的診斷參數(shù)超過(guò)了閥值時(shí)，可認(rèn)為設(shè)備出現(xiàn)故障。要判斷設(shè)備的運(yùn)行趨勢(shì)，需要通過(guò)多次測(cè)量繪制成設(shè)備狀態(tài)趨勢(shì)圖，然后從趨勢(shì)圖去判斷設(shè)備的未來(lái)運(yùn)行狀態(tài)。因此，簡(jiǎn)易診斷主要用于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和一般的趨勢(shì)預(yù)報(bào)問(wèn)題。常用的簡(jiǎn)易診斷儀器有以下幾種：1、便攜式測(cè)振儀。下圖是我們測(cè)離心機(jī)電動(dòng)機(jī)震動(dòng)是所使用的由日本理音（rion）公司生產(chǎn)的av11振動(dòng)分析儀。該儀器及可以當(dāng)振動(dòng)表使用，又可作為頻譜分析儀使用，有時(shí)域、頻域和列表三中顯示方式 。如下面簡(jiǎn)圖4-2 va-11示意圖2、溫度計(jì)，對(duì)某些設(shè)備來(lái)說(shuō)溫度控制是非常重要的，比如煉鐵廠中的鼓風(fēng)機(jī)。

46、溫度檢測(cè)通常用溫度計(jì)和溫度傳感器。常用的溫度計(jì)有半導(dǎo)體點(diǎn)溫度計(jì)、紅外線溫度計(jì)等，現(xiàn)在重要的設(shè)備通常都采用溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行不間斷檢測(cè)。這種方法通常是將溫度傳感器固定在待檢測(cè)部位，通過(guò)導(dǎo)線將溫度信號(hào)傳遞到監(jiān)控室中的計(jì)算機(jī)中去，當(dāng)溫度超過(guò)一定閥值時(shí)，計(jì)算機(jī)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警。3、噪聲聽(tīng)診器，常用的聽(tīng)診器有：jtq-1 機(jī)器聽(tīng)診器、207 機(jī)械故障電子聽(tīng)診器等。但是利用聲級(jí)計(jì)存在一個(gè)很大的問(wèn)題，就是環(huán)境噪聲的干擾，聲級(jí)計(jì)對(duì)環(huán)境噪聲和機(jī)器噪聲的區(qū)分是非常困難的。 4.2.2 精密診斷系統(tǒng)精密診斷的目標(biāo)是對(duì)簡(jiǎn)易診斷技術(shù)判定為有異常或有點(diǎn)異常的設(shè)備進(jìn)行專門的精密診斷，以確定采取哪些必要措施。所以，它應(yīng)具備以下功能

47、：a) 確定異常的形式和種類，以及異常所在部位； b) 了解異常的原因； c) 了解危險(xiǎn)程度，預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)； d) 了解改善設(shè)備狀態(tài)的方法。 精密診斷正是為了彌補(bǔ)簡(jiǎn)易診斷系統(tǒng)的固有缺點(diǎn)，不僅要能發(fā)現(xiàn)故障異常，還要找出故障的類型、部位、原因、程度以及發(fā)展趨勢(shì)。可以說(shuō)，使用精密診斷的最終目的是確診設(shè)備發(fā)生了什么樣的故障。 精密診斷系統(tǒng)根據(jù)其功能的不同，所包括的部件也不盡相同，就本課題研究的計(jì)算機(jī)輔助監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，主要包括以下幾個(gè)部件：傳感器、放大器、記錄儀、信號(hào)分析儀等。 1、 傳感器 傳感器對(duì)于信號(hào)的測(cè)量至關(guān)重要，在診斷時(shí)所測(cè)取的信號(hào)的精確程度取決于所選傳感器的類型及其性能參數(shù)，它是

48、將測(cè)量信息（位移、速度、加速度）的變化轉(zhuǎn)變成為電量（電流、電壓、電荷）或電參數(shù)（電阻、電容、電感）的變化。傳感器的頻率特性、靈敏度、線性度、信噪比以及輸出阻抗與放大器的輸入阻抗的匹配等都會(huì)影響整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的質(zhì)量。為了取得真實(shí)的信息，傳感器的研究和合理選擇是個(gè)很關(guān)鍵的問(wèn)題。在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的診斷中，主要是測(cè)量振動(dòng)信號(hào)，而測(cè)量振動(dòng)信號(hào)使用最多的是壓電式加速度傳感器，在實(shí)際使用時(shí)一般應(yīng)注意以下幾個(gè)參數(shù)的選擇： （1）靈敏度 壓電式加速度傳感器靈敏度分電荷靈敏度（s）和電壓靈敏度（s），電荷靈敏度是單q v位加速度下的電荷量大?。╬c/g）。電壓靈敏度則是單位加速度下的輸出電壓大?。╩v/g），它們之間有如

49、下關(guān)系式：式中為加速計(jì)的內(nèi)部容量要求傳感器的靈敏度盡量高，以便檢測(cè)到微小的信號(hào)，但是并不是傳感器的靈敏度越高越好，當(dāng)傳感器的靈敏度過(guò)高時(shí)，在測(cè)量信號(hào)時(shí)會(huì)很容易混入噪聲干擾，另外傳感器的尺寸重量會(huì)增加，影響傳感器的安裝諧振頻率。所以在選擇傳感器時(shí)要綜合考慮。（2）諧振頻率 對(duì)壓電式加速度傳感器來(lái)講，有兩個(gè)諧振頻率。一個(gè)是把傳感器置于空中的諧振頻率，另一個(gè)是在標(biāo)準(zhǔn)安裝下的諧振頻率。在使用時(shí)通?？紤]的是安裝諧振頻率，它決定了傳感器的工作頻率上限。 （3）頻響范圍 頻響范圍是指?jìng)鞲衅鞯姆l特性為水平線的頻率范圍，一般以3db 為截止頻率點(diǎn)，頻響范圍是加速度傳感器的一個(gè)最重要的指標(biāo)，要求其越寬越好。 （

50、4）測(cè)量范圍 指?jìng)鞲衅魉軠y(cè)量的加速度大小，要求越大越好。 （5）最大橫向靈敏度最大橫向靈敏度指?jìng)鞲衅鞯淖畲箪`敏度在垂直于主軸的水平面上的投影值，以主軸方向的靈敏度的百分比表示，要求越小越好。它主要是由壓電材料的不均勻性和不規(guī)則性以及安裝等原因造成的。 （6）使用溫度范圍也是傳感器的一個(gè)重要指標(biāo)，要求越寬越好。 除以上因素外，傳感器的重量、尺寸以及輸出阻抗等也是經(jīng)常需要考慮的因素，要求越輕越好、越小越好。另外對(duì)于傳感器的安裝也要予以充分考慮。圖3.3給出幾種安裝方法及特點(diǎn)和所能應(yīng)用 2.放大器經(jīng)傳感器傳來(lái)的測(cè)量信號(hào)一般都很微弱，無(wú)法直接使用，需經(jīng)放大器放大后才能推動(dòng)記錄設(shè)備。放大器分為電壓放大

51、器和電荷放大器兩種。電壓放大器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)錢便宜，但它的輸入電壓與電纜電容有關(guān)，電纜長(zhǎng)度需盡可能短，使用時(shí)不方便。而電荷放大器不存在此問(wèn)題，但價(jià)格較高。放大器的主要技術(shù)指標(biāo)有以下幾種： （1）輸入量 分為最大輸入電荷量和最小輸入電荷量。最大時(shí)不應(yīng)對(duì)輸入信號(hào)限幅，最小時(shí)應(yīng)保證一定的信噪比。 （2）靈敏度調(diào)節(jié)范圍 它表示歸一化放大級(jí)的工作性能。 （3）準(zhǔn)確度和線性度 它表示儀器的精確指標(biāo)。 （4）頻率范圍 指工作頻率的范圍。 （5）輸出能力 為推動(dòng)記錄設(shè)備，可以提供的電壓、電流輸出值。 （6）噪聲電壓 一般折合到輸入端計(jì)算。 3、記錄儀 可用于記錄振動(dòng)信號(hào)的儀器有光線示波器、電子示波器、筆式記錄儀

52、、磁帶機(jī)以及數(shù)據(jù)采集器等多種。光線示波器和筆式記錄儀只能將記錄結(jié)果硬拷貝在信息紙上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足機(jī)械故障診斷的需要。電子示波器也只能用于觀察信號(hào)。因此，目前在機(jī)械故障診斷中應(yīng)用最廣泛的是磁帶機(jī)和數(shù)據(jù)采集器。磁帶機(jī)的記錄方式靈活多樣、記錄時(shí)間長(zhǎng)、頻響范圍寬（可達(dá)20khz），記錄的信號(hào)可以送到動(dòng)態(tài)分析儀和計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步分析。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，基于a/d轉(zhuǎn)換原理的數(shù)據(jù)采集器功能日益強(qiáng)大，性能價(jià)格比越來(lái)越高，且能集記錄與分析于一體，并可以進(jìn)行多通道同時(shí)記錄，從而簡(jiǎn)化了分析測(cè)試過(guò)程，因此在實(shí)際使用中越來(lái)越多的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用配備a/d板的便攜式計(jì)算機(jī)作信號(hào)記錄和數(shù)據(jù)分析。4、信號(hào)分析儀 目前

53、的信號(hào)分析與處理設(shè)備主要以通用型為主，即由通用計(jì)算機(jī)硬件和基于其上的信號(hào)分析與處理軟件組成的系統(tǒng)。它的各項(xiàng)功能都主要是靠軟件實(shí)現(xiàn)的，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，通用型系統(tǒng)不僅具有速度上的優(yōu)勢(shì)，在處理數(shù)據(jù)的容量等方面也更有優(yōu)勢(shì)。此外，它還具有組態(tài)靈活、造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)，所以，我國(guó)目前研制開(kāi)發(fā)的機(jī)械故障診斷系統(tǒng)多為基于通用計(jì)算機(jī)的通用型的信號(hào)分析與處理系統(tǒng)。 信號(hào)分析與處理系統(tǒng)的設(shè)備主要有濾波器、a/d板、動(dòng)態(tài)分析儀和計(jì)算機(jī)。 （1）濾波器 濾波器是一種能讓一部分頻率信號(hào)通過(guò)，其它頻率成分衰減掉的儀器或電路。濾波器一般有四種：低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器。在旋轉(zhuǎn)機(jī)械工況監(jiān)視與故障診斷系統(tǒng)中，高通濾波器是最常用的。（2）a/d板 a/d板又稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換板，由于從傳感器所傳遞過(guò)來(lái)的信號(hào)是模擬信號(hào)，而計(jì)算機(jī)所處理的是數(shù)字信號(hào)，所以要想將傳感器所采集的信號(hào)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，必須要將模擬型號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，此過(guò)程就需要經(jīng)