[發明專利]一種基于帶阻尼三穩態特性的軸承早期故障信號檢測系統

有效

• 申請號: 201911008205.3
• 申請日: 2019-10-22
• 公開（公告）號: CN110763465B
• 公開（公告）日: 2021-04-27
• 發明（設計）人: 毛建根;林敏;徐明
• 申請（專利權）人: 中國計量大學
• 主分類號: G01M13/045
• 分類號: G01M13/045
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

本發明公開了一種基于帶阻尼三穩態特性的軸承早期故障信號檢測系統，該檢測系統由傳感器，信號發生模塊，調制濾波放大模塊，帶阻尼三穩態系統和數據采集模塊組成。傳感器采集到軸承早期故障信號作為調制濾波放大模塊的一個輸入，信號發生模塊產生頻率可調的載波信號作為另一個輸入；故障信號經調制濾波放大后輸出的已調信號輸入到帶阻尼三穩態系統中，帶阻尼三穩態系統由加法器，積分器，乘法器和放大器構成。與傳統的雙穩態系統相比，可有效增強隨機共振，數據采集模塊采集系統的輸出后，通過頻域分析從而檢測出強背景噪聲下的軸承早期故障信號。

技術領域

本發明屬于微弱信號檢測領域，尤其涉及一種基于帶阻尼三穩態特性的軸承早期故障信號檢測系統。

背景技術

為研究地球古氣候問題，Benzi等人提出了隨機共振的概念，即在非線性系統、輸入信號和噪聲三者的協同作用下，隨著噪聲強度從小逐漸增大，非線性系統的輸出信噪比呈現出先變大到一個峰值后再變小的非單調變化。傳統的微弱信號檢測方法如線性濾波和放大等，都是通過抑制噪聲來提高信噪比，但是當待測信號頻率與噪聲頻帶重疊時，在抑制噪聲的同時往往也削弱了待測信號，這使得微弱信號的檢測不能有效地進行。相反，隨機共振恰恰是利用噪聲來增強微弱信號，從而提高信噪比來檢測出微弱信號。

研究隨機共振的經典非線性系統是雙穩態系統，雙穩態隨機共振可以描述為處于雙穩態系統中的單位質點由于系統的勢能力、周期信號帶來的周期力和噪聲帶來的隨機力的協同作用在穩態勢阱間產生周期性躍遷的一種非線性動力學現象，其可以用一階隨機微分方程描述，即

式(1)中，x(t)為質點的運動軌跡也即經過雙穩態隨機共振系統后的輸出信號；s(t)＝A cos(ωt)是周期信號，A為周期信號的幅值，ω是周期信號的角頻率，為簡便將相位置零；ξ(t)是均值為0，強度為D的高斯白噪聲；V(x)為雙穩系統的勢函數，寫成

式中a、b為正實數，控制雙穩態勢阱的形狀，以此影響隨機共振的產生及其性能。雙穩態系統有兩個穩態點±x_m，以及一個不穩定點x_b。其中兩個穩態點即兩個勢阱位置在處，,它們被壘高為ΔV＝a²/4b的勢壘所分隔，勢壘位置即不穩定點位置在x_b＝0處。

雖然雙穩態系統結構簡單，便于應用，但是在檢測軸承早期故障信號時，由于故障處在早期，所以故障信號極其微弱，而背景噪聲卻可能很大，此時利用傳統的雙穩態隨機共振系統，不能得到很好的檢測效果。因為極度微弱的信號淹沒在強背景噪聲中，要使系統產生隨機共振，必須降低雙穩態系統的勢壘高度ΔV，但是這樣做的結果使得兩個勢壘向零位置靠攏，從而讓質點的躍遷幅度減弱，也即輸出信號的幅值降低。所以信號越微弱，輸出信號的幅值越小，隨機共振的性能也就越差，隨之微弱信號檢測的效果也就越差。因此在軸承早期故障信號的檢測中，亟需一種能顯著增強隨機共振性能、有效檢測出軸承早期故障信號的檢測系統。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種基于帶阻尼三穩態特性的軸承早期故障信號檢測系統。