專利名稱：一種信號中的周期瞬態(tài)特征的檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種信號的分析檢測方法，具體涉及一種對信號中的周期瞬態(tài)特征進(jìn)行檢測的方法，可用于機(jī)械設(shè)備的故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測及生物醫(yī)學(xué)信號的檢測。

背景技術(shù)：
對于信號中的瞬態(tài)成分的檢測，尤其是具有周期性的瞬態(tài)特征的檢測，在機(jī)械設(shè)備的故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)信號的檢測等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。由于檢測過程中獲得的信號中存在著各種原因引起的噪聲，因而其中的瞬態(tài)成分亦會被噪聲污染。
最直接的瞬態(tài)成分檢測方法就是直接判斷時域信號中是否存在瞬態(tài)成分，但是由于信號中的瞬態(tài)成分往往被夾雜在噪聲中，直接判斷信號中瞬態(tài)成分的準(zhǔn)確性較低，效率也較低。
進(jìn)行自相關(guān)表示是檢測信號中的周期成分的一種有效方法，但是對于信號中的瞬態(tài)成分，由于持續(xù)時間短，瞬態(tài)成分的分布往往是高斯的，因此通過自相關(guān)往往不能得到清晰的特征。
通過信號的功率譜估計(jì)也是分析信號中周期特征的一種的常用的方法。但是對于信號中持續(xù)時間短的周期瞬態(tài)特征，在功率譜中表現(xiàn)為較小的幅值，往往被噪聲淹沒，同時，瞬態(tài)特征本身是高頻成分，所以功率譜在高頻段且對頻率的跨度很大，通過功率譜檢測往往不能得到顯著的特征。實(shí)踐中，常用的周期瞬態(tài)特征的檢測方法是對信號進(jìn)行包絡(luò)，然后對包絡(luò)信號進(jìn)行自相關(guān)或者計(jì)算功率譜，自相關(guān)所反映的周期或者功率譜所反映的周期就是信號中瞬態(tài)成分的周期。但是，該方法需要計(jì)算包絡(luò)，且要求信號的噪聲較弱，對于在強(qiáng)噪聲中存在的周期瞬態(tài)沖擊，仍然能力一般。
時頻分布(包括小波變換)是分析信號中的瞬態(tài)沖擊的主要方法，能夠?qū)⑿盘柕奶卣鞅憩F(xiàn)在時頻平面上，從而可以分析信號的瞬態(tài)特征在時頻平面上的分布情況。然而，對于具有周期性的瞬態(tài)特征，需要在時頻圖上讀取周期，這個工作是繁瑣的；對信號中的周期的判斷依然需要通過手工完成，效率和準(zhǔn)確性較低。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種信號中的周期瞬態(tài)特征的檢測方法，以檢測信號中的瞬態(tài)特征的周期，提高周期判斷的效率和準(zhǔn)確性。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種信號中的周期瞬態(tài)特征的檢測方法，利用傳感裝置輸入并進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，獲得信號x(t)，檢測信號x(t)中是否存在周期為T1，T2，…或Tm的瞬態(tài)特征，m為正整數(shù)，包括如下步驟 (1)對信號x(t)進(jìn)行時頻分解，得到信號特征的時頻表示TFRx(t，f)，其中，t表示時間，f表示頻率； (2)分別按照周期T1，T2，…，Tm，依下式 建立m個映射


Λ，
式中，r為極徑，θ為極角，θ∈[0，2π)，n為小于等于m的正整數(shù)； (3)分別將


Λ，

表示在極坐標(biāo)圖上； (4)當(dāng)對應(yīng)周期Tn(1≤n≤m)的極坐標(biāo)圖中出現(xiàn)增強(qiáng)的特征表示時，判定待檢測的信號中存在有周期為Tn的瞬態(tài)特征。
如果信號中存在周期的且具有相同頻率特性的瞬態(tài)成分，那么小波變換將這些瞬態(tài)成分表示在時頻平面上相對時間軸等間隔分布的區(qū)域，相對于頻率軸具有同樣的頻寬。對信號x(t)進(jìn)行時頻分解，得到其時頻表示為TFRx(t，f)，給定周期T，令 其中r為極徑，θ為極角，θ∈[0，2π)，n為正整數(shù)。
則上式將時間頻率平面上的點(diǎn)映射到極坐標(biāo)平面上Px(r，θ)，且Px(r，θ)反映了時間頻率平面上同一頻率、等時間間隔的所有系數(shù)絕對值的和。
顯然，如果信號x(t)中存在周期為T的成分，那么信號特征的時頻表示TFRx(t，f)也有存在周期為T的成分，這一點(diǎn)可以由連續(xù)小波變換的線性性質(zhì)確定。那么，將存在周期為T的成分的時頻表示TFRx(t，f)進(jìn)行上式所示的變換，則信號x(t)中有關(guān)于τ的周期成分，且信號x(t)中周期為T的成分在極坐標(biāo)上映射為一點(diǎn)。
所以，如果信號x(t)中存在周期為T的成分，首先進(jìn)行連續(xù)時頻表示，然后建立從平面直角坐標(biāo)到極坐標(biāo)的映射，則信號中的周期成分可以映射到極坐標(biāo)平面上的一點(diǎn)，且該點(diǎn)系數(shù)的大小是各個周期點(diǎn)系數(shù)絕對值之和的大小，因而周期特征相對于信號x(t)或者其特征的時頻表示TFRx(t，f)是增強(qiáng)的。因?yàn)檫@種增強(qiáng)策略適用于周期信號中的周期成分，且在將直角坐標(biāo)映射到極坐標(biāo)的過程中，采用的周期是與信號的周期同步的，所以可以把這種策略稱為“基于時頻表示的周期特征的極坐標(biāo)同步增強(qiáng)方法”。
對于具有周期特征的旋轉(zhuǎn)設(shè)備故障，在時頻表示的基礎(chǔ)上，如果將瞬態(tài)特征的周期與極坐標(biāo)的2π對應(yīng)，而將同一頻率、所有2kπ處的時頻系數(shù)相加，將直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)，則信號的瞬態(tài)特征的時頻分布將映射在極坐標(biāo)上的同一角位置，并且得到加強(qiáng)。
因而，上述信號中的周期瞬態(tài)特征的檢測方法可以應(yīng)用于設(shè)備故障檢測中，在待檢測設(shè)備的殼體上安裝加速度傳感器，檢測設(shè)備的振動加速度信號，作為檢測信號x(t)，根據(jù)設(shè)備可能的故障位置確定檢測信號中對應(yīng)可能存在的各周期值，采用上述的檢測方法對檢測信號進(jìn)行檢測，當(dāng)檢測信號中存在有周期為Tn的瞬態(tài)特征時，則判定設(shè)備中對應(yīng)該周期的可能故障位置存在有故障。
由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn) 1.本發(fā)明通過首先對信號進(jìn)行時頻分解，再將直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)的方法，可以使對應(yīng)周期的信號的瞬態(tài)特征映射在極坐標(biāo)中的同一角位置，并得到加強(qiáng)，由此方便地實(shí)現(xiàn)周期判斷，提高周期判斷的效率和準(zhǔn)確性，進(jìn)一步，結(jié)合極坐標(biāo)的圖像識別，可以實(shí)現(xiàn)周期瞬態(tài)特征的自動檢測。
2.通過對機(jī)械設(shè)備的振動信號的瞬態(tài)特征的周期檢測，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)對機(jī)械設(shè)備的故障的自動識別。



圖1是實(shí)施例一中軸承無故障時的時域波形圖與相應(yīng)的時間尺度特征； 圖2是實(shí)施例一中軸承內(nèi)圈故障時的時域波形圖與相應(yīng)的時間尺度特征； 圖3是實(shí)施例一中軸承外圈故障時的時域波形圖與相應(yīng)的時間尺度特征； 圖4是實(shí)施例一中軸承滾動體故障時的時域波形圖與相應(yīng)的時間尺度特征； 圖5是實(shí)施例一中軸承無故障時的極坐標(biāo)示意圖； 圖6是實(shí)施例一中軸承內(nèi)圈故障時的極坐標(biāo)示意圖； 圖7是實(shí)施例一中軸承外圈故障時的極坐標(biāo)示意圖； 圖8是實(shí)施例一中軸承滾動體故障時的極坐標(biāo)示意圖； 圖9是實(shí)施例二中齒輪箱內(nèi)部傳動結(jié)構(gòu)示意簡圖； 圖10是實(shí)施例二中齒輪箱三檔齒輪正常狀態(tài)時的時域波形和時間尺度特征； 圖11是實(shí)施例二中齒輪箱三檔齒輪正常狀態(tài)的極坐標(biāo)增強(qiáng)特征表示圖； 圖12是實(shí)施例二中齒輪箱三檔齒輪斷齒狀態(tài)的時域波形和時間尺度特征； 圖13是實(shí)施例二中齒輪箱三檔齒輪斷齒時的極坐標(biāo)增強(qiáng)特征表示圖。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述 實(shí)施例一一種軸承局部故障的檢測 軸承的外圈、內(nèi)圈和滾動體是軸承故障的主要發(fā)生部位，發(fā)生在這些部位的局部故障(如局部的剝落、腐蝕等)往往會導(dǎo)致軸承振動中出現(xiàn)瞬態(tài)沖擊，在軸承轉(zhuǎn)速恒定的情況下，振動信號中存在周期的瞬態(tài)沖擊。然而，由于局部故障引起的振動的持續(xù)時間短，同時該瞬態(tài)沖擊往往是夾雜在背景噪聲中，表現(xiàn)不明顯，表現(xiàn)為時域信號的能量增加不顯著，在頻域內(nèi)的頻帶較寬，不易檢測。
實(shí)驗(yàn)對象為安裝在減速機(jī)軸端的圓錐滾子軸承，型號為33207。試驗(yàn)時壓電加速度傳感器安裝在減速機(jī)殼體上接近軸承的位置。振動加速度信號經(jīng)壓電加速度傳感器、電荷放大器后由計(jì)算機(jī)采集并存儲。
試驗(yàn)是在設(shè)置故障的狀態(tài)下進(jìn)行的。分別設(shè)置軸承的典型故障內(nèi)圈局部故障、外圈故障局部和滾動體局部故障。在這種情況下，根據(jù)軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)時轉(zhuǎn)速1430r/min，計(jì)算各種運(yùn)動學(xué)參數(shù)，如表1。表1中的周期表明，在軸承的外圈發(fā)生局部故障時候，振動信號中存在發(fā)生周期為0.0059s的周期沖擊成分，同樣在內(nèi)圈和滾動體故障局部故障時，分別存在發(fā)生周期為0.00426s和0.0143s的沖擊特征。
表1軸承33207的運(yùn)動學(xué)參數(shù)
采集軸承正常和外圈局部故障、內(nèi)圈局部故障和滾動體局部故障時的振動信號，并對這些信號進(jìn)行連續(xù)小波變換。圖1至圖4分別是軸承無故障以及軸承內(nèi)圈故障、外圈故障、滾動體故障時的時域波形圖與相應(yīng)的時間頻率特征表示。從圖中可以看出，信號時域波形對信號的故障特征的表示是不直接的，需要仔細(xì)在噪聲中區(qū)分辨認(rèn)瞬態(tài)沖擊的存在及其周期。同樣，在時間頻率圖中，反映故障的瞬態(tài)特征也需要根據(jù)分解系數(shù)的大小分布情況辨認(rèn)才能確定。
采用連續(xù)小波變換，分別對輸入的振動信號進(jìn)行時頻表示，此處采用的具體方法是連續(xù)小波變換，得到信號的時頻表示TFRx(t，f)，然后分別對應(yīng)三個周期T1＝0.00426，T2＝0.0059，T3＝0.0143，依下式 式中，r為極徑，θ為極角，θ∈[0，2π)，n為小于等于3的正整數(shù)； 將信號的時頻特征映射到極坐標(biāo)平面，并將結(jié)果表示在極坐標(biāo)圖上，如圖5-圖8所示。圖中，(a)T1＝0.00426，(b)T2＝0.0059，(c)T3＝0.0143。
從圖5可以看出，在軸承正常時候，由于軸承的振動信號中不存在明顯的周期瞬態(tài)沖擊成分，即在時間頻率特征表示中，不存在明顯的周期特征分布，所以在與三個周期對應(yīng)的同步增強(qiáng)特征表示中沒有明顯的增強(qiáng)區(qū)域，這種情況表示了不存在與設(shè)定的三個周期對應(yīng)的故障。
從圖6可以看出，當(dāng)軸承的內(nèi)圈故障時，在與滾動體通過內(nèi)圈故障部位的周期對應(yīng)的特征圖上，存在一個特征系數(shù)較大的區(qū)域，說明沖擊特征得到加強(qiáng)，如圖6(a)所示，這就說明信號中反映局部故障的沖擊的周期是0.00426，因而說明內(nèi)圈存在局部故障，引起軸承振動的沖擊。而在圖6(b)和圖6(c)中，顯然特征系數(shù)較大的區(qū)域零散分布在整個圖上，說明信號中的特征不能得到加強(qiáng)，也說明信號的沖擊的周期不是0.0059和0.0143，就說明與這兩個周期對應(yīng)的外圈和滾動體不存在局部故障。
同樣，根據(jù)圖7，可以判斷所分析的信號反映的是外圈存在局部故障，根據(jù)圖8，可以判斷所分析的信號反映的是滾動體存在局部故障。
從本實(shí)施例可以看出，同步增強(qiáng)特征表示法能夠?qū)⑤S承的故障以一種簡潔而易讀的形式表示在極坐標(biāo)圖上，實(shí)現(xiàn)了軸承局部故障的監(jiān)測與診斷。
同步增強(qiáng)的周期瞬態(tài)特征的自動檢測方法的特點(diǎn)決定了該方法適用于引起振動存在周期特征的，在時頻特征表示中存在對時間的周期特征分布，進(jìn)而在極坐標(biāo)中可以得到增強(qiáng)的特征。同時該方法對一個信號對所有的周期進(jìn)行映射表示，因此該方法只能適用于有限周期特征的故障檢測。
實(shí)施例二齒輪斷齒故障檢測 齒輪的某個齒斷裂后，會引起振動信號中存在瞬態(tài)沖擊成分，且該成分加載在噪聲和齒輪的嚙合頻率中，需要進(jìn)行檢測才能以清晰的特征表示出來。
對象為某汽車變速器的三檔嚙合齒輪故障的檢測，齒輪箱的動力傳遞結(jié)構(gòu)如圖9所示。試驗(yàn)過程中在變速器的殼體上安裝壓電加速動傳感器，用于拾取振動加速度信號。振動加速度信號經(jīng)壓電加速度傳感器、電荷放大器后由計(jì)算機(jī)采集并存儲。
對于該齒輪箱的三檔齒輪，周期有4個分別是主動齒輪的旋轉(zhuǎn)周期、被動齒輪的旋轉(zhuǎn)周期、常嚙合主動齒輪的旋轉(zhuǎn)周期、常嚙合被動齒輪的旋轉(zhuǎn)周期。這四個周期分別為(a)T＝0.050(b)T＝0.054(c)T＝0.040(d)T＝0.030。對三檔嚙合狀態(tài)下的振動信號特征進(jìn)行極坐標(biāo)同步增強(qiáng)檢測。
由圖10與圖11，可見在三檔不存在故障的情況下，振動信號中沒有明顯的沖擊存在，在信號的時間尺度特征表示中也不存在明顯的周期特征；相應(yīng)地對此信號進(jìn)行四個可能的故障周期進(jìn)行特征增強(qiáng)表示，以檢測信號中是否含有與這四個周期相對應(yīng)的周期中級特征，結(jié)果表明，與四個周期對應(yīng)的同步增強(qiáng)特征表示中沒有明顯的增強(qiáng)區(qū)域，這種情況表示了不存在與設(shè)定的四個周期對應(yīng)的故障。
由圖12與圖13，可見而當(dāng)三檔齒輪存在斷齒故障時，振動信號中存在周期性沖擊成分，這個沖擊成分的周期是0.05秒，這個特征在信號的時間尺度特征表示中也表現(xiàn)為明顯的周期特征，但是周期需要人工判讀；相應(yīng)的對此信號進(jìn)行四個可能的故障周期進(jìn)行特征特征增強(qiáng)表示，以檢測信號中是否含有與這四個周期相對應(yīng)的周期中級特征，結(jié)果表明，在與四個周期對應(yīng)的特征極坐標(biāo)增強(qiáng)表示中，只有與0.05秒對應(yīng)的那個極坐標(biāo)圖上存在明顯的增強(qiáng)特征，而其他三個極坐標(biāo)特征增強(qiáng)圖上不存在明顯的增強(qiáng)特征。所以，通過極坐標(biāo)增強(qiáng)表示檢測出了信號中存在周期為0.05秒的瞬態(tài)沖擊成分。而0.05秒的周期正式三檔主動齒輪的周期，所以可以判斷此時在三檔主動齒輪存在局部故障；而另外三個周期對應(yīng)的同步增強(qiáng)特征表示中沒有明顯的增強(qiáng)區(qū)域，這種情況表示了不存在與這三個周期對應(yīng)的故障。這個結(jié)論與實(shí)際是一致的，說明應(yīng)用同步增強(qiáng)特征表示能夠有效檢測信號中存在的有限個周期瞬態(tài)沖擊特征。
權(quán)利要求
1.一種信號中的周期瞬態(tài)特征的檢測方法，利用傳感裝置輸入并進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，獲得信號x(t)，檢測信號x(t)中是否存在周期為T1，T2，…或Tm的瞬態(tài)特征，m為正整數(shù)，其特征在于，包括如下步驟
(1)對信號x(t)進(jìn)行時頻分解，得到信號特征的時頻表示TFRx(t，f)，其中，t表示時間，f表示頻率；
(2)分別按照周期T1，T2，…，Tm，依下式
建立m個映射
式中，r為極徑，θ為極角，θ∈[0，2π)，n為小于等于m的正整數(shù)；
(3)分別將表示在極坐標(biāo)圖上；
(4)當(dāng)對應(yīng)周期Tn(1≤n≤m)的極坐標(biāo)圖中出現(xiàn)增強(qiáng)的特征表示時，判定待檢測的信號中存在有周期為Tn的瞬態(tài)特征。
2.權(quán)利要求1所述信號中的周期瞬態(tài)特征的檢測方法在設(shè)備故障檢測中的應(yīng)用，其特征在于在待檢測設(shè)備的殼體上安裝傳感器，檢測設(shè)備的振動信號，作為檢測信號x(t)，根據(jù)設(shè)備可能的故障位置確定檢測信號中對應(yīng)可能存在的各周期值，采用權(quán)利要求1所述的檢測方法對檢測信號進(jìn)行檢測，當(dāng)檢測信號中存在有周期為Tn的瞬態(tài)特征時，則判定設(shè)備中對應(yīng)該周期的可能故障位置存在有故障。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種信號中的周期瞬態(tài)特征的檢測方法，利用傳感裝置輸入并進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，獲得信號x(t)，檢測信號x(t)中是否存在周期為T1，T2，…或Tm的瞬態(tài)特征，m為正整數(shù)，其特征在于，包括如下步驟對信號x(t)進(jìn)行時頻分解，得到信號特征的時頻表示TFRX(t，f)；分別按照周期T1，T2，…，Tm，建立m個極坐標(biāo)映射；將各映射表示在極坐標(biāo)圖上；當(dāng)對應(yīng)周期Tn(1≤n≤m)的極坐標(biāo)圖中出現(xiàn)增強(qiáng)的特征表示時，判定待檢測的信號中存在有周期為Tn的瞬態(tài)特征。本發(fā)明方便地實(shí)現(xiàn)了周期判斷，提高周期判斷的效率和準(zhǔn)確性，并可實(shí)現(xiàn)周期瞬態(tài)特征的自動檢測；特別適用于對機(jī)械設(shè)備的故障的自動識別。
文檔編號G01M13/02GK101344427SQ20081002220
公開日2009年1月14日 申請日期2008年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月27日
發(fā)明者朱忠奎, 伍小燕, 張茂青, 羅力恒 申請人:蘇州大學(xué)