【文章內(nèi)容簡介】 電機故障診斷技術(shù)是設(shè)備診斷技術(shù)的其中之一。電機故障診斷技術(shù)時至今天可分為三個階段： 第一階段：診斷結(jié)果是以人的經(jīng)驗為主，對電機信號只作簡單的數(shù)據(jù)處理。 第二階段：以動態(tài)測試技術(shù)和傳感器技術(shù)為主要途徑，利用信號處理軟件對信號進行處理的現(xiàn)代化診斷技術(shù)，現(xiàn)今社會處于這一階段。這也在生產(chǎn)上得到了廣泛的應(yīng)用。 第三階段：隨著電機的復(fù)雜程度加深，隨著計算機幾人工智能技術(shù)的發(fā)展，利用高端技術(shù)對信號進行處理，這就是現(xiàn)代化的智能診斷技術(shù)。 設(shè)備故障診斷技術(shù)的局限性 從設(shè)備診斷技術(shù)問世至今，傳統(tǒng)的診斷方法被廣泛應(yīng)用于工業(yè)的生產(chǎn)上，但時至今天，設(shè)備故障診斷技術(shù)都沒有一套完整的理論體系和相關(guān)的診斷參考技術(shù)規(guī)范。該技術(shù)都是具有單一性，是針對不同電機所產(chǎn)生的故障進行單對單診斷的，這沒有代表性和規(guī)范性。 電機長期都是在環(huán)境惡劣下運行，其自身高速運轉(zhuǎn)， 這就為電機設(shè)備診斷技術(shù)帶來了一大難題，設(shè)備診斷技術(shù)的根本就是采集到電機的狀態(tài)信息等，但由于電機自身原因或環(huán)境原因，在采集信息的時候就會收集到很多不利于分析的信息。這為信號的提取造成了很大的困難。診斷的準(zhǔn)確性受到很大的考驗，診斷結(jié)果也差強人意，往往會造成誤診或者是漏診。 如今，國內(nèi)外都對電機設(shè)備診斷技術(shù)這一課題加大了研究力度，因為建立一套完整齊全的故障診斷理論體系用以指導(dǎo)設(shè)備科學(xué)診斷是非常有必要的，盡管通過多源信息融合可以對信號進行有效的處理。但由于診斷界限難定，使得研究理論模糊化，很多分析法都僅僅停 留在理論上，實際操作的可行性不大，電機故障診斷技術(shù)看似已經(jīng)成熟，但后期的維修卻沒有行之有效的方法，因此，建立一套從采集 — 提取特征 — 判別 — 維修的成熟的診斷技術(shù)已經(jīng)迫在眉睫。 本文的主要工作 本文主要利用 MATLAB 這個軟件來對電機信號進行處理。通過利用傅里葉變換，時頻分析和頻域分析等計算方法來進行對信號的處理，來建立電機信號的特征庫，從而對電機故障作出總結(jié)和更好地進行診斷。本設(shè)計在理論上對時頻分析和頻域分析有一定的認(rèn)識，在進行對信號的仿真時，多采用的是對信號的頻域分析。本文主要工作如下： 第一章 緒論，介紹本課題的背景和意義，電機故障的常見類型和電機的振動 標(biāo)準(zhǔn)電機故障的特點和常用測試方法，設(shè)備診斷技術(shù)的概況。 第二章 對實驗原理進行了描述，并對電機信號的采集過程進行了介紹。 第三章 對時頻分析的定義和發(fā)展史作了簡單的描述，并引出了測不準(zhǔn)原理及 其性能評價 五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 5 第四章 描述了幾個時頻分析的方法，包括短時傅里葉變換， WignerVille 分布和小波變換。 第五章 對 MATLAB 軟件的簡介。 第六章 對信號進行統(tǒng)計分析，分別通過平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、偏度、峰度等方面對信號進 行處理，得出不同故障信號數(shù)據(jù)之間的差異。 第七章 結(jié)論與不足。 五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 6 第 2 章 電機故障加速度數(shù)據(jù)的采集 實驗原理 利用 加速度 傳感器通過 NI9234 數(shù)據(jù)采集卡將好與壞的電機發(fā)出的振動信號，采集到PC機上并將該數(shù)據(jù)保存，便于后面的數(shù)據(jù)處理。如圖 21 所示 圖 21 實驗原理圖 數(shù)據(jù)采集卡簡介 數(shù)據(jù)采集卡名片 數(shù)據(jù)采集（簡稱 DAQ），指的是從傳感器和其他待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采集或產(chǎn)生信息的過程，然后送 到 PC 機中進行數(shù)據(jù)分析和處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是通過測試平臺的軟硬件產(chǎn)品來進行實現(xiàn)的。 數(shù)據(jù)采集卡，即實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集 (DAQ)功能的計算機擴展卡。 數(shù)據(jù)采集卡的分類 由于 PC 總線的板卡種類非常多，所以其分類方法也是各式各樣的。根據(jù)板卡處理信號的不同，我們可以把數(shù)據(jù)采集卡分為模擬量輸出板卡 (D/A 卡 )、模擬量輸入板卡 (A/D卡 )、開關(guān)量輸入板卡、開關(guān)量輸出板卡、脈沖量輸入板卡、多功能板卡等。 L A B V I E W 傳感器 數(shù)據(jù)采集卡 計算機 被測對象 五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 7 數(shù)據(jù)采集卡功能 數(shù)據(jù)采集卡無論在科學(xué)研究室還是在工業(yè)生產(chǎn)上，都具有不可忽視的分量。在工業(yè)現(xiàn)場和實驗室可以 實現(xiàn)多方面的測控，如溫度、濕度、壓力、振動、應(yīng)變電橋、脈沖、開關(guān)量、編碼器、加速度、角度、等輸出信號都可以用數(shù)據(jù)采集卡進行采集。數(shù)據(jù)采集還附帶有輸出功能，一般可以輸出電壓、電流、 PWM、脈沖、開關(guān)量（集電極開路輸出、繼電器輸出、 TTL 輸出）等信號用于現(xiàn)場設(shè)備儀器的驅(qū)動與控制。 LABVIEW 軟件簡介 LABVIEW（ Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench） 是 杰夫 考度斯基（ Jeff Kodosky） 是在 1986 年發(fā)明的。 LABVIEW 是 一種基于 G 語言的圖形化開發(fā)語言，這是一種 與 C 和 BASIC 一樣 的 ， LABVIEW 也是通用的編程系統(tǒng)，有一個完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫。 它 是一種面向儀器的圖形化編程環(huán)境，用來進行數(shù)據(jù)的采集和控制，數(shù)據(jù)分析和表達，測試和測量，實驗室自動化及監(jiān)控過程，其目的是簡化程序的開發(fā)工作。 LABVIEW 其實是一中虛擬儀器。 虛擬儀器實際上是一個按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。虛擬儀器的研究中涉及的基礎(chǔ)理論主要有計算機數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號處理。 電機加速度信號數(shù)據(jù)采集過程 本次對電機加速度信號數(shù)據(jù)的采集主要是利 用三相鼠籠式電動機來進行對數(shù)據(jù)信號的采集，其具體參數(shù)如圖 22 所示 圖 22 三相鼠籠式電動機 給電機加上電源，電機運轉(zhuǎn)，那么我們就能對電機信號采集了。在對信號進行采集的時候，由于器材不足，所以我們僅僅只能用幾臺好的電機進行測試，首先，我們要先對好五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 8 的電機進行采集，然后再通過各種人為因素造成電機發(fā)生各種故障，例如：電機前軸承故障、電機后軸承故障、電機異物故障等。如圖 23 所示 圖 23 人為制造電機故障 然后我們在利用計算機、 NI 數(shù)據(jù)采集卡和 LABVIEW 軟件組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對電機加 速度信號進行采集并保存。如圖 24 所示 圖 24 采集電機加速度數(shù)據(jù) 本章小結(jié) 本章簡單介紹了實驗的原理和實驗數(shù)據(jù)的采集過程，也對數(shù)據(jù)采集卡的定義、分類、功能進行了一個概括，對 LABVIEW 軟件作了一個簡介。 五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 9 第 3 章 時頻分析的基本理論 由于電機所處的環(huán)境都比較復(fù)雜，所提取的信號都是非常微弱的，所以有效的檢測和特征提取是一個重要的研究課題。一種好的信號分析方法可以使研究事半功倍。 自從時頻分析出現(xiàn)后，從一開始在設(shè)備上應(yīng)用，到現(xiàn)在為許多領(lǐng)域服務(wù)，其應(yīng)用潛力可見一斑。至今為止，時頻分析在很多地 方都有明顯的作用，例如故障信號分析、地震信號處理、語音信號處理、圖像處理、信號重建、聲吶處理等。 本章主要內(nèi)容首先講述了時域分析的基本概念以及闡述了時域分析的研究現(xiàn)狀。雖然傅里葉變換一直都是信號處理最簡單快捷，效果最好的一種分析手段，但對于日漸復(fù)雜的信號處理，傅里葉變換明顯已經(jīng)不能滿足現(xiàn)今的要求。傅里葉變換只是單純頻域的信號分析方法。而在時域方面，卻完全不能顯示出特性，所以需要其他更好的分析方法來對信號進行處理，例如 WignerVille 分布，小波變換等。 基本概念 信號分析的根本目的是從該 信號中提取其有關(guān)特征，根本手段就是通過對該信號進行某種變換，從而達到以求得效果。由于實踐已經(jīng)證明傅里葉變換只適合于頻域分析，分析出的結(jié)果也只能顯示出信號的正弦波的相對幅度以及個數(shù)，根本不能顯示出其具體的相位信息。而時頻分析指的是時間和頻率相結(jié)合，以顯示出信號所包含的演化特性及其頻率分量。對于連續(xù)穩(wěn)定的正弦波，可以用傅里葉變換進行簡單的研究，但現(xiàn)在的信號大部分都是非連續(xù)，非線性，非平穩(wěn)的信號，故我們需要一個以一維的時間信號以二維的時間 — 頻率密度函數(shù)形式表達出來的時域分析方法。 時頻分析的發(fā)展史 20 世紀(jì) 40 年代 ， poter 和 koening 等人提出了 Spectrogram(聲譜圖 )方法，也稱為 STFT方法。其基本原理是：若非平穩(wěn)信號在分析窗函數(shù)的一個比較短的時間間隔內(nèi)是平穩(wěn)的，然后 沿時間軸移動窗函數(shù)，計算出每個時刻的功譜圖。由于這是使用一個固定的短時窗函數(shù)，是一種較為單一分辨率的信號分析方法。 到 1932 年，物理學(xué)家 Wigner分布，在 1947 年的時候， Ville 將 Wigner分布引入到信號處理分析中，從而發(fā)展到現(xiàn)在著名的一種時域分析技術(shù) — Wignr— Ville 分布。這是描述時頻分布比較有力的計算方法。 到 1966 年， 發(fā)現(xiàn)所有 WVD 的時頻二維都能被二次時頻分布卷積得到，這稱為 Cohen 類時頻分布。歷經(jīng)了半個世紀(jì)，都是在原基礎(chǔ)上不斷完善時頻分析在信號中的作用，以求更全面地把信號詮釋出來。 五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 10 測不準(zhǔn)原理 時間一帶寬乘積定理，就是測不準(zhǔn)原理，也稱之為不確定原理。這是關(guān)于傅里葉變換對的描述。測不準(zhǔn)原理是由 在 1927 年于論文“ On the Conceptual Conteng of Quanturn Theoretical Kinematics and Mechanics” 中首次提出，并且推導(dǎo)出不確定式，之后由 Weyl 用標(biāo)準(zhǔn)偏差來定義不確定性，并且給出了 Schwarz 不定式作為其不確定原理的依據(jù)，后來 ，在 1930 年， Schrdinger 推導(dǎo)出任意變量的不確定原理。 信號 s(t)是一個具有有限能量的零均值多重信號， s(t)的有限寬度 T=Δt和頻譜 S(f)的有限寬度 B=Δf分別成為該信號的時寬和帶寬，并且定義為以下 2 2 2 222 ( ) ( ) | ( ) | dtt t t s t ttT ????? ? ? ? ? ?? ? ? ? ??? 和 2 2 2 2 22 ( ) ( ) | ( ) | dtt t f s f f fB ????? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? 在不改變信號幅值的基礎(chǔ)上沿時間拉伸 s(t)。若 ( ) ( )k t s kts ? 表示為后續(xù)的信號，其中 k 為拉伸比。由時寬的定義可以看出，拉伸信號是原信號時寬的 k 倍，也就是說 sk skTT? ，那么拉伸信號的傅立葉變換就是 1( ) ( )k ffSkks ?， 0k? .由帶寬的定義可以看出，拉伸信號是原信 號帶寬的 1( ) ( ) , 0k ff S kkks ??，也就是說是原信號的 1k 倍。由此可見，無論怎樣，拉伸后的信號與原信號的時寬 — 帶寬的乘積都會相等，而且這也表達了一個信號的帶寬 — 時寬之間的乘積恒是常數(shù)。 時寬 — 帶寬乘積 =TB= 14tf ??? ? 時頻分析的性能評價 時頻具有很多的優(yōu)點 : (1)它能同時兼顧時間和頻率這兩個方面的性能，并且將其聯(lián)系起來分析。 (2)對于非平穩(wěn)信號的分析，時頻分析是有效地工具，這 是在時間和頻率這兩方面的一個創(chuàng)新。 (3)在時頻相平面上，可以準(zhǔn)確地找到相應(yīng)的對應(yīng)關(guān)系。 (4)通過對核函數(shù)附加約束條件，就可以設(shè)計出符合預(yù)期希望的時頻分析，來更好地對信號進行處理。 五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 11 除了上述的優(yōu)點，時頻分析還有以下缺點： (1)時頻分析不能用信號的“瞬時能量”來解釋某一時刻或某一頻率處的時頻分析。只能從總體大概把握時間和頻率的關(guān)系。 (2)由于雙線性時頻分布是非線性的，使得兩個信號和的時頻分布存在交叉項，也就是說信號處理后已不再是兩個信號各自分布的和。 本章小結(jié) 本章主要簡要地描述了時頻 分析的基本理論和其發(fā)展史，通過人們不斷對時頻分析這種信號分析方法的完善，至今已經(jīng)比較成熟，本章最后對時頻分析的性能作了一個簡短的分析和概括。五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 12 第 4 章 時頻分析常用方法 如果可以有一個函數(shù)可以同時用時間和頻率來描述信號，那么就能計算出某一確定時間和頻率范圍內(nèi)能量所占的百分比，這就是今天的時頻分析。而根據(jù)時頻分析這本質(zhì)特征，我們可以將各種各樣的時頻分析歸納大致如