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一種基于改進的自適應(yīng)形態(tài)濾波的非穩(wěn)態(tài)信號檢測方法

文檔序號:5947361閱讀:180來源:國知局
專利名稱:一種基于改進的自適應(yīng)形態(tài)濾波的非穩(wěn)態(tài)信號檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種非穩(wěn)態(tài)信號的分析檢測方法,具體涉及一種自適應(yīng)形態(tài)濾波的非穩(wěn)態(tài)信號檢測方法,用于對旋轉(zhuǎn)機械振動信號中反映故障特征的非穩(wěn)態(tài)信號進行檢測。
背景技術(shù)
對于反映機械設(shè)備故障的信號中非穩(wěn)態(tài)成分的檢測,在機械設(shè)備的故障診斷、生物醫(yī)學(xué)信號的檢測等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。常見的非穩(wěn)態(tài)成分檢測方法是在時域信號中觀察是否存在非穩(wěn)態(tài)成分,但是由于檢測過程中不可避免的會混入噪聲,其中表征故障的非穩(wěn)態(tài)成分亦會被噪聲污染,直接觀察的方式準(zhǔn)確性和效率都很低。另外一種常用的方法是通過頻域分析信號中的周期特征,但是對于信號中持續(xù)時間較短的非穩(wěn)態(tài)信號,在頻譜中表現(xiàn)為較小的幅值,甚至同樣被噪聲淹沒,因此通過頻域分析檢測往往不能得到顯著的特征。此外,對信號進行濾波分析也是去除信號中噪聲干擾,從而提取非穩(wěn)態(tài)成分的一種有效方法,但是其效果受設(shè)計的濾波器的關(guān)鍵參數(shù),如截止頻率、帶寬、中心頻率等因素影響很·大。隨著研究的深入,在實踐中,常用的檢測方法是對信號進行小波包層層分解,然后對小波節(jié)點信號進行解調(diào),分析頻域特征,進而得到信號中非平穩(wěn)成分的周期,但這些技術(shù)存在需要先驗知識或者耗時長的缺點。因此,總體來說現(xiàn)有的檢測方法存在對旋轉(zhuǎn)設(shè)備故障判斷的效率低和準(zhǔn)確性不高的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種基于改進的自適應(yīng)形態(tài)濾波的非穩(wěn)態(tài)信號檢測方法,提高了旋轉(zhuǎn)設(shè)備故障判斷的效率和準(zhǔn)確性。本發(fā)明技術(shù)解決方案一種基于改進的自適應(yīng)形態(tài)濾波的非穩(wěn)態(tài)信號檢測方法。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。步驟如下(I)繪制原始信號的時域圖,找出信號各局部極大值的位置,并計算其在時域圖中與時間軸圍成的輪廓區(qū)域面積為參考面積Srda,」
1=1式中,Sref為原始信號極值與時間軸圍成的輪廓區(qū)域面積,Slocal i =0. 5 X IengthiX (maxi+maxi+1)為相鄰兩個局部極值與時間軸圍成的輪廓區(qū)域面積,k為局部極值個數(shù),i = 1,2,... k-l, Iengthi為局部極值間的距離,Hiaxi為第i個局部極值。該步驟以信號局部極值與時間軸圍成的輪廓區(qū)域面積為形態(tài)濾波結(jié)構(gòu)元素設(shè)計參考標(biāo)準(zhǔn),力求通過保留極值信號來實現(xiàn)移除盡可能多的噪聲信號,保留盡可能多故障信號;(2)設(shè)定結(jié)構(gòu)元素基本步長step,step為信號采樣周期,即采樣頻率倒數(shù),依次增加掃描各倍率長度,從I X step, 2X step,…,mXstep (m為采樣周期倍數(shù),取值范圍為1-30)分別對原始信號進行形態(tài)濾波結(jié)果與時間軸圍成的輪廓區(qū)域面積,并與步驟(I)中所得參考面積對比,找出兩者面積最接近情況下采用的結(jié)構(gòu)元素的步長,定為最佳結(jié)構(gòu)元素;(3)根據(jù)步驟(2)中得到的最佳結(jié)構(gòu)元素長度,根據(jù)下述計算公式利用閉-開算子對信號進行形態(tài)濾波并分析頻譜
CO(n) = (/ g。g\n) = (/ g&g&g gX )上式中, ,e, O和 分別表示腐蝕算子、膨脹算子、開算子和閉算子,其中,基
本腐蝕算子、膨脹算子、開算子、閉算子分別表達如下 腐蝕算子(f 0 g) (n) = min [f (n+m) -g (m)]膨脹算子(/ gX ) = max[/( ) — m) + g(w)]開算子(/°gX")=(/^ gXH)閉算子(/ g\ ) = {f g&g%n)f (n)為待處理信號,長度為N,g(m)為結(jié)構(gòu)元素,長度為M, m = 0,I, 2. . . M-l, n =0,1,2. N-I o本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于(I)本發(fā)明所提供的非穩(wěn)態(tài)信號檢測方法在待檢測設(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),通過權(quán)利要求I所述步驟,即改進的自適應(yīng)形態(tài)濾波器可以自行確定合適的形態(tài)濾波器結(jié)構(gòu)元素長度,從而進行濾波得到濾波信號,然后再計算濾波所得的信號的頻譜,即可得出故障相關(guān)的非穩(wěn)態(tài)信號頻率進而判斷該非穩(wěn)態(tài)信號頻率所對應(yīng)的故障,本發(fā)明能根據(jù)信號自身的特點設(shè)計形態(tài)濾波器,從而能更好地獲取非穩(wěn)態(tài)信號,該檢測標(biāo)準(zhǔn)具有更高的準(zhǔn)確性。(2)根據(jù)權(quán)利要求I步驟(I)- (2),本發(fā)明在結(jié)構(gòu)元素設(shè)計上,完全由信號自身的特性決定,不需要先驗知識,因而具有自適應(yīng)的優(yōu)點。(3)根據(jù)權(quán)利要求I步驟(3),本發(fā)明通過對機械設(shè)備的振動信號的非穩(wěn)態(tài)成分對應(yīng)頻譜分析,可以實現(xiàn)對機械設(shè)備的故障的自動識別。


圖I為本發(fā)明方法實現(xiàn)流程圖;圖2為本發(fā)明的仿真信號及其頻譜;圖3為本發(fā)明的改進形態(tài)濾波方法處理后信號及其頻譜;圖4為本發(fā)明的外圈故障信號及其頻譜;圖5為本發(fā)明中形態(tài)濾波算法用于外圈故障信號處理結(jié)果及其頻譜。
具體實施方式
實施例I :仿真信號的時域波形如圖2(a)所示,采樣頻率為12KHz,即采樣間隔為l/12000s。為驗證其降噪性能,對仿真信號疊加幅值為0.5的白噪聲,時域波形如圖2 (b)所示。圖2(c)為其頻譜,可以看出不能從中看出有效的頻率成分。利用提出的改進的形態(tài)濾波方法對信號進行處理,具體步驟為

I、根據(jù)發(fā)明內(nèi)容的步驟(1),尋找圖2 (b)所示時域信號極值,并計算其與時間軸圍成的面積。2、根據(jù)發(fā)明內(nèi)容的步驟(2),以采樣間隔為基準(zhǔn)長度,成倍增加結(jié)構(gòu)元素長度,其濾波后信號與橫軸圍成的面積與參考面積之差隨結(jié)構(gòu)元素長度變化如圖3 (a)所示??梢?,隨結(jié)構(gòu)元素長度的增加,濾波后信號與橫軸圍成的面積與參考面積之差呈現(xiàn)先變小,后變大的趨勢。當(dāng)結(jié)構(gòu)元素長度選擇為7個采樣間隔對應(yīng)時間長度,即7/12000S時,面積差最小,故選擇為最佳結(jié)構(gòu)元素長度。3、根據(jù)發(fā)明內(nèi)容的步驟(3),最佳結(jié)構(gòu)元素處理后的濾波信號如圖3 (b)所示,濾波結(jié)果能很好的保留脈沖信號,噪聲信號也得到有效抑制,圖3(c)繪制了濾波結(jié)果的頻譜,可以看出,信號特征頻率IOOHz及其二次、三次諧波頻率成分幅度均較為清晰。從對含有噪聲的仿真信號分析結(jié)果來看,分析結(jié)果與信號實際特征頻率吻合,自適應(yīng)的形態(tài)濾波方法能有效的提取脈沖成分,抑制噪聲成分,有助于提取信號中周期瞬態(tài)成分的時間間隔。實施例2 采用實際的軸承數(shù)據(jù)進行處理。軸承型號為6205-2RS JEM SKF。參數(shù)如表I所
/Jn o表16205-2RS JEM SKF軸承參數(shù)(單位英寸)
權(quán)利要求
1.一種基于改進的自適應(yīng)形態(tài)濾波的非穩(wěn)態(tài)信號檢測方法,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,其特征在于實現(xiàn)步驟如下 (1)繪制原始信號的時域圖,找出信號各局部極大值的位置,并計算信號局部極大值在時域圖中與時間軸圍成的輪廓區(qū)域面積為參考面積
全文摘要
一種基于改進的自適應(yīng)形態(tài)濾波的非穩(wěn)態(tài)信號檢測方法,用于各類旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備故障信號特征提取,步驟為(1)繪制原始信號時域圖,從原始信號中尋找并標(biāo)定出所有信號局部極大值,計算由局部極大值與時域圖中時間軸圍成的輪廓面積,定為參考面積;(2)利用不同長度的結(jié)構(gòu)元素和閉-開形態(tài)算子對原始信號進行形態(tài)濾波,并計算信號經(jīng)不同結(jié)構(gòu)元素形態(tài)濾波后得到信號的局部極值與時間軸圍成的輪廓面積,并與步驟(1)中得到的參考面積求差,確定最小偏差對應(yīng)的結(jié)構(gòu)元素長度;(3)利用步驟(2)中得到的結(jié)構(gòu)元素對信號進行形態(tài)濾波,分析處理后信號的頻譜,判斷故障。本發(fā)明提高了旋轉(zhuǎn)設(shè)備故障判斷的效率和準(zhǔn)確性。
文檔編號G01H17/00GK102680080SQ20121013503
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月3日
發(fā)明者孔凡讓, 沈長青 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
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