[發明專利]基于高斯平滑的設備振動信號全頻帶特征提取和報警方法

有效

• 申請號: 200910196394.1
• 申請日: 2009-09-25
• 公開（公告）號: CN102032942A
• 公開（公告）日: 2011-04-27
• 發明（設計）人: 劉晗;朱磊
• 申請（專利權）人: 上海寶鋼工業檢測公司
• 主分類號: G01H17/00
• 分類號: G01H17/00;G06F17/14
• 代理公司: 上海天協和誠知識產權代理事務所 31216
• 代理人: 張恒康

技術領域

本發明涉及設備狀態監測和報警，尤其涉及一種設備振動信號全頻帶特征提取和報警方法。

背景技術

對振動傳感器采集的信號進行傅里葉變換，以頻率為獨立變量建立振動信號與頻率的函數關系，稱為頻譜分析，或頻域分析。頻譜分析將復雜的時間信號，分解為若干單一的諧波分量來研究，獲得信號的頻率結構以及各諧波幅值和相位信息，是機械設備狀態監測和故障診斷中最常用也是最重要的分析方法之一。

在正常運行的狀態下，設備振動信號的頻譜結構相對穩定，一旦出現零部件的異常或故障，產生新的振動源，將導致頻率分量或頻段內振動能量的改變，引起頻譜結構的變化。因此，技術人員可以通過對頻譜結構的觀察與比較，發現設備異常，進而追溯異常譜線的產生原因，實現故障部位的判斷。隨著工業生產規模的不斷擴大，越來越多的機械設備納入振動監控的范圍內，依靠技術人員的經驗已無法處理海量增長的振動信號，必須尋找高效合理的頻譜特征提取方法，設置相應的監測閾值，實現自動報警。

常用的頻譜自動報警方法是設置典型故障所對應頻率分量幅值或頻段能量值的閾限，其缺點如下：

1、受工況影響大。設備在運行過程中轉速和負荷都會出現變化，因此即使在正常狀態下，振動信號的頻譜結構也有一定的波動，造成監測頻率分量和頻段的定位困難，引發誤報警和漏報警。

2、與頻譜結構密切相關。對干擾小、譜線少的位移信號最為有效，而現場中最常用的速度和加速度信號，由于頻率成分復雜，報警效果差。

3、針對頻譜局部特征。機械設備是多零部件組成的復雜系統，對每一個零部件每一種工況下的每一種故障都進行特征頻率監測，在應用中無法實現。

因此，提取振動信號全頻帶的特征作為報警依據，成為異常辨識和故障診斷的一個新思路。但從目前的應用情況來看，主要是進行一些簡單的統計包絡計算，并不能合理描述全頻帶內譜線的分布特征，很多情況下仍然依賴人工調整。隨著機械設備狀態監測和故障診斷的綜合化智能化的發展，迫切需要切實可行的新方法來提高頻譜的自動分析能力和報警的準確性。

發明內容

本發明旨在解決上述缺陷，提供一種基于高斯平滑的設備振動信號全頻帶特征提取和報警方法。本發明能夠減弱工況和噪聲的干擾影響，適用于位移、速度和加速度等多種振動信號，滿足工業現場的頻域自動報警要求。

本發明是這樣實現的：

一種基于高斯平滑的振動信號全頻帶特征提取與報警方法，使用高斯函數模板平滑振動信號的頻譜數據，獲得全頻帶譜線的幅值包絡，以平滑長度作為調節參數，以超限總值作為報警參數，實現機械設備異常狀態的自動辨識。包括以下步驟：

1)對振動信號進行傅里葉變換，得到振動幅值與頻率分量{A_i，f_i|i＝0，…，N-1}，N為譜線數；

2)選擇大于1的正奇數L作為平滑長度，計算高斯函數模板的中心位置計算高斯函數模板的寬度系數得到高斯函數序列j＝0，…，L-1，其中，L的選擇范圍為3～15；

3)高斯函數序列的每一個元素除以中心元素G_c，得到高斯函數模板，j＝0，…，L-1；

4)振動幅值序列前后各延長c個點，得到長度為M+2c的幅值序列{0，…，0，A₀，A₁，…，A_N-1，0，…，0}；

5)從幅值序列中依次選擇長度為L的子序列與高斯函數模板進行內積運算，相同頻率分量對應的內積結果相加，得到各頻率分量對應幅值的包絡序列i＝0，…，N-1；

6)將{E_i，f_i|i＝0，…，N-1}作為振動信號的全頻帶分布特征，新的振動信號頻譜{A′_i，f_i|i＝0，…，N-1}獲得后，計算超限總值

7)設置報警閾值如果I＞T，則進行報警。

本發明具有以下特點：

1、平滑長度L是平滑效果的唯一控制參數，高斯函數模板由該參數推導得出。

2、以幅值包絡i＝0，…，N-1作為振動信號的全頻帶分布特征，減少了噪聲和工況的干擾，突出能量集中區域。

3、以超限總值作為報警變量，設置報警閾值I＞T則產生異常報警。

本發明克服了傳統方法受工況與噪聲影響大、不適用于復雜頻譜結構、針對局部特征的缺點，為實現振動信號頻域自動報警提供了新的思路。

附圖說明

下面，結合附圖對本發明作進一步的說明：

圖1是本發明的流程圖；