專利名稱：一種基于改進的自適應形態(tài)濾波的非穩(wěn)態(tài)信號檢測方法
技術領域：
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形態(tài)濾波的非穩(wěn)態(tài)信號檢測方法，用于對旋轉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：
對于反映機械設備故障的信號中非穩(wěn)態(tài)成分的檢測，在機械設備的故障診斷、生物醫(yī)學信號的檢測等領域具有廣泛的應用。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，但是其效果受設計的濾波器的關鍵參數(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，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設備故障判斷的效率低和準確性不高的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術解決問題克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于改進的自適應形態(tài)濾波的非穩(wěn)態(tài)信號檢測方法，提高了旋轉設備故障判斷的效率和準確性。本發(fā)明技術解決方案一種基于改進的自適應形態(tài)濾波的非穩(wěn)態(tài)信號檢測方法。在待檢測設備的殼體上安裝加速度傳感器，檢測設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)濾波結構元素設計參考標準，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)設定結構元素基本步長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構元素的步長，定為最佳結構元素；(3)根據(jù)步驟(2)中得到的最佳結構元素長度，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)為結構元素,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備的殼體上安裝加速度傳感器，檢測設備的振動加速度信號，作為檢測信號X (t)，通過權利要求I所述步驟，即改進的自適應形態(tài)濾波器可以自行確定合適的形態(tài)濾波器結構元素長度，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)信號頻率所對應的故障，本發(fā)明能根據(jù)信號自身的特點設計形態(tài)濾波器，從而能更好地獲取非穩(wěn)態(tài)信號，該檢測標準具有更高的準確性。(2)根據(jù)權利要求I步驟(I)- (2)，本發(fā)明在結構元素設計上，完全由信號自身的特性決定，不需要先驗知識，因而具有自適應的優(yōu)點。(3)根據(jù)權利要求I步驟(3)，本發(fā)明通過對機械設備的振動信號的非穩(wěn)態(tài)成分對應頻譜分析，可以實現(xiàn)對機械設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)，以采樣間隔為基準長度，成倍增加結構元素長度，其濾波后信號與橫軸圍成的面積與參考面積之差隨結構元素長度變化如圖3 (a)所示?？梢姡S結構元素長度的增加，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。當結構元素長度選擇為7個采樣間隔對應時間長度，即7/12000S時，面積差最小，故選擇為最佳結構元素長度。3、根據(jù)發(fā)明內(nèi)容的步驟(3)，最佳結構元素處理后的濾波信號如圖3 (b)所示，濾波結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果來看，分析結果與信號實際特征頻率吻合，自適應的形態(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)
權利要求
1.一種基于改進的自適應形態(tài)濾波的非穩(wěn)態(tài)信號檢測方法，在待檢測設備的殼體上安裝加速度傳感器，檢測設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形態(tài)濾波的非穩(wěn)態(tài)信號檢測方法，用于各類旋轉機械設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)利用不同長度的結構元素和閉-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)不同結構元素形態(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，確定最小偏差對應的結構元素長度；(3)利用步驟(2)中得到的結構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)明提高了旋轉設備故障判斷的效率和準確性。
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)先權日2012年5月3日
發(fā)明者孔凡讓, 沈長青 申請人:中國科學技術大學