电机故障加速度数据统计与分析本科毕业设计(编辑修改稿)

电机故障加速度数据统计与分析本科毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

电机故障诊断技术是设备诊断技术的其中之一。 电机故障诊断技术时至今天可分为三个阶段： 第一阶段：诊断结果是以人的经验为主，对电机信号只作简单的数据处理。 第二阶段：以动态测试技术和传感器技术为主要途径，利用信号处理软件对信号进行处理的现代化诊断技术，现今社会处于这一阶段。 这也在生产上得到了广泛的应用。 第三阶段：随着电机的复杂程度加深，随着计算机几人工智能技术的发展，利用高端技术对信号进行处理，这就是现代化的智能诊断技术。 设备故障诊断技术的局限性 从设备诊断技术问世至今，传统的诊断方法被广泛应用于工业的生产上，但时至今天，设备故障诊断技术都没有一套完整的理论体系和相关的诊断参考技术规范。 该技术都是具有单一性，是针对不同电机所产生的故障进行单对单诊断的，这没有代表性和规范性。 电机长期都是在环境恶劣下运行，其自身高速运转， 这就为电机设备诊断技术带来了一大难题，设备诊断技术的根本就是采集到电机的状态信息等，但由于电机自身原因或环境原因，在采集信息的时候就会收集到很多不利于分析的信息。 这为信号的提取造成了很大的困难。 诊断的准确性受到很大的考验，诊断结果也差强人意，往往会造成误诊或者是漏诊。 如今，国内外都对电机设备诊断技术这一课题加大了研究力度，因为建立一套完整齐全的故障诊断理论体系用以指导设备科学诊断是非常有必要的，尽管通过多源信息融合可以对信号进行有效的处理。 但由于诊断界限难定，使得研究理论模糊化，很多分析法都仅仅停 留在理论上，实际操作的可行性不大，电机故障诊断技术看似已经成熟，但后期的维修却没有行之有效的方法，因此，建立一套从采集 — 提取特征 — 判别 — 维修的成熟的诊断技术已经迫在眉睫。 本文的主要工作 本文主要利用 MATLAB 这个软件来对电机信号进行处理。 通过利用傅里叶变换，时频分析和频域分析等计算方法来进行对信号的处理，来建立电机信号的特征库，从而对电机故障作出总结和更好地进行诊断。 本设计在理论上对时频分析和频域分析有一定的认识，在进行对信号的仿真时，多采用的是对信号的频域分析。 本文主要工作如下： 第一章 绪论，介绍本课题的背景和意义，电机故障的常见类型和电机的振动 标准电机故障的特点和常用测试方法，设备诊断技术的概况。 第二章 对实验原理进行了描述，并对电机信号的采集过程进行了介绍。 第三章 对时频分析的定义和发展史作了简单的描述，并引出了测不准原理及 其性能评价 五邑大学本科毕业设计 5 第四章 描述了几个时频分析的方法，包括短时傅里叶变换， WignerVille 分布和小波变换。 第五章 对 MATLAB 软件的简介。 第六章 对信号进行统计分析，分别通过平均值、标准差、偏度、峰度等方面对信号进 行处理，得出不同故障信号数据之间的差异。 第七章 结论与不足。 五邑大学本科毕业设计 6 第 2 章 电机故障加速度数据的采集 实验原理 利用 加速度 传感器通过 NI9234 数据采集卡将好与坏的电机发出的振动信号，采集到PC机上并将该数据保存，便于后面的数据处理。 如图 21 所示 图 21 实验原理图 数据采集卡简介 数据采集卡名片 数据采集（简称 DAQ），指的是从传感器和其他待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集或产生信息的过程，然后送 到 PC 机中进行数据分析和处理。 数据采集系统是通过测试平台的软硬件产品来进行实现的。 数据采集卡，即实现数据采集 (DAQ)功能的计算机扩展卡。 数据采集卡的分类 由于 PC 总线的板卡种类非常多，所以其分类方法也是各式各样的。 根据板卡处理信号的不同，我们可以把数据采集卡分为模拟量输出板卡 (D/A 卡 )、模拟量输入板卡 (A/D卡 )、开关量输入板卡、开关量输出板卡、脉冲量输入板卡、多功能板卡等。 L A B V I E W 传感器 数据采集卡 计算机 被测对象 五邑大学本科毕业设计 7 数据采集卡功能 数据采集卡无论在科学研究室还是在工业生产上，都具有不可忽视的分量。 在工业现场和实验室可以 实现多方面的测控，如温度、湿度、压力、振动、应变电桥、脉冲、开关量、编码器、加速度、角度、等输出信号都可以用数据采集卡进行采集。 数据采集还附带有输出功能，一般可以输出电压、电流、 PWM、脉冲、开关量（集电极开路输出、继电器输出、 TTL 输出）等信号用于现场设备仪器的驱动与控制。 LABVIEW 软件简介 LABVIEW（ Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench） 是 杰夫 考度斯基（ Jeff Kodosky） 是在 1986 年发明的。 LABVIEW 是 一种基于 G 语言的图形化开发语言，这是一种 与 C 和 BASIC 一样 的 ， LABVIEW 也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。 它 是一种面向仪器的图形化编程环境，用来进行数据的采集和控制，数据分析和表达，测试和测量，实验室自动化及监控过程，其目的是简化程序的开发工作。 LABVIEW 其实是一中虚拟仪器。 虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。 虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。 电机加速度信号数据采集过程 本次对电机加速度信号数据的采集主要是利 用三相鼠笼式电动机来进行对数据信号的采集，其具体参数如图 22 所示 图 22 三相鼠笼式电动机 给电机加上电源，电机运转，那么我们就能对电机信号采集了。 在对信号进行采集的时候，由于器材不足，所以我们仅仅只能用几台好的电机进行测试，首先，我们要先对好五邑大学本科毕业设计 8 的电机进行采集，然后再通过各种人为因素造成电机发生各种故障，例如：电机前轴承故障、电机后轴承故障、电机异物故障等。 如图 23 所示 图 23 人为制造电机故障 然后我们在利用计算机、 NI 数据采集卡和 LABVIEW 软件组成的数据采集系统对电机加 速度信号进行采集并保存。 如图 24 所示 图 24 采集电机加速度数据 本章小结 本章简单介绍了实验的原理和实验数据的采集过程，也对数据采集卡的定义、分类、功能进行了一个概括，对 LABVIEW 软件作了一个简介。 五邑大学本科毕业设计 9 第 3 章 时频分析的基本理论 由于电机所处的环境都比较复杂，所提取的信号都是非常微弱的，所以有效的检测和特征提取是一个重要的研究课题。 一种好的信号分析方法可以使研究事半功倍。 自从时频分析出现后，从一开始在设备上应用，到现在为许多领域服务，其应用潜力可见一斑。 至今为止，时频分析在很多地 方都有明显的作用，例如故障信号分析、地震信号处理、语音信号处理、图像处理、信号重建、声呐处理等。 本章主要内容首先讲述了时域分析的基本概念以及阐述了时域分析的研究现状。 虽然傅里叶变换一直都是信号处理最简单快捷，效果最好的一种分析手段，但对于日渐复杂的信号处理，傅里叶变换明显已经不能满足现今的要求。 傅里叶变换只是单纯频域的信号分析方法。 而在时域方面，却完全不能显示出特性，所以需要其他更好的分析方法来对信号进行处理，例如 WignerVille 分布，小波变换等。 基本概念 信号分析的根本目的是从该 信号中提取其有关特征，根本手段就是通过对该信号进行某种变换，从而达到以求得效果。 由于实践已经证明傅里叶变换只适合于频域分析，分析出的结果也只能显示出信号的正弦波的相对幅度以及个数，根本不能显示出其具体的相位信息。 而时频分析指的是时间和频率相结合，以显示出信号所包含的演化特性及其频率分量。 对于连续稳定的正弦波，可以用傅里叶变换进行简单的研究，但现在的信号大部分都是非连续，非线性，非平稳的信号，故我们需要一个以一维的时间信号以二维的时间 — 频率密度函数形式表达出来的时域分析方法。 时频分析的发展史 20 世纪 40 年代 ， poter 和 koening 等人提出了 Spectrogram(声谱图 )方法，也称为 STFT方法。 其基本原理是：若非平稳信号在分析窗函数的一个比较短的时间间隔内是平稳的，然后 沿时间轴移动窗函数，计算出每个时刻的功谱图。 由于这是使用一个固定的短时窗函数，是一种较为单一分辨率的信号分析方法。 到 1932 年，物理学家 Wigner分布，在 1947 年的时候， Ville 将 Wigner分布引入到信号处理分析中，从而发展到现在著名的一种时域分析技术 — Wignr— Ville 分布。 这是描述时频分布比较有力的计算方法。 到 1966 年， 发现所有 WVD 的时频二维都能被二次时频分布卷积得到，这称为 Cohen 类时频分布。 历经了半个世纪，都是在原基础上不断完善时频分析在信号中的作用，以求更全面地把信号诠释出来。 五邑大学本科毕业设计 10 测不准原理 时间一带宽乘积定理，就是测不准原理，也称之为不确定原理。 这是关于傅里叶变换对的描述。 测不准原理是由 在 1927 年于论文“ On the Conceptual Conteng of Quanturn Theoretical Kinematics and Mechanics” 中首次提出，并且推导出不确定式，之后由 Weyl 用标准偏差来定义不确定性，并且给出了 Schwarz 不定式作为其不确定原理的依据，后来 ，在 1930 年， Schrdinger 推导出任意变量的不确定原理。 信号 s(t)是一个具有有限能量的零均值多重信号， s(t)的有限宽度 T=Δt和频谱 S(f)的有限宽度 B=Δf分别成为该信号的时宽和带宽，并且定义为以下 2 2 2 222 ( ) ( ) | ( ) | dtt t t s t ttT           和 2 2 2 2 22 ( ) ( ) | ( ) | dtt t f s f f fB            在不改变信号幅值的基础上沿时间拉伸 s(t)。 若 ( ) ( )k t s kts  表示为后续的信号，其中 k 为拉伸比。 由时宽的定义可以看出，拉伸信号是原信号时宽的 k 倍，也就是说 sk skTT ，那么拉伸信号的傅立叶变换就是 1( ) ( )k ffSkks ， 0k .由带宽的定义可以看出，拉伸信号是原信 号带宽的 1( ) ( ) , 0k ff S kkks ，也就是说是原信号的 1k 倍。 由此可见，无论怎样，拉伸后的信号与原信号的时宽 — 带宽的乘积都会相等，而且这也表达了一个信号的带宽 — 时宽之间的乘积恒是常数。 时宽 — 带宽乘积 =TB= 14tf   时频分析的性能评价 时频具有很多的优点 : (1)它能同时兼顾时间和频率这两个方面的性能，并且将其联系起来分析。 (2)对于非平稳信号的分析，时频分析是有效地工具，这 是在时间和频率这两方面的一个创新。 (3)在时频相平面上，可以准确地找到相应的对应关系。 (4)通过对核函数附加约束条件，就可以设计出符合预期希望的时频分析，来更好地对信号进行处理。 五邑大学本科毕业设计 11 除了上述的优点，时频分析还有以下缺点： (1)时频分析不能用信号的“瞬时能量”来解释某一时刻或某一频率处的时频分析。 只能从总体大概把握时间和频率的关系。 (2)由于双线性时频分布是非线性的，使得两个信号和的时频分布存在交叉项，也就是说信号处理后已不再是两个信号各自分布的和。 本章小结 本章主要简要地描述了时频 分析的基本理论和其发展史，通过人们不断对时频分析这种信号分析方法的完善，至今已经比较成熟，本章最后对时频分析的性能作了一个简短的分析和概括。 五邑大学本科毕业设计 12 第 4 章 时频分析常用方法 如果可以有一个函数可以同时用时间和频率来描述信号，那么就能计算出某一确定时间和频率范围内能量所占的百分比，这就是今天的时频分析。 而根据时频分析这本质特征，我们可以将各种各样的时频分析归纳大致如。