时域同步平均在振动信号分析中的应用

2014-10-10孙美玲朱春吉岳晓峰谷文超

长春工业大学学报 2014年4期

孙美玲，朱春吉，岳晓峰，谷文超

（长春工业大学机电工程学院，吉林长春 130012）

0 引言

时域同步平均可以消除那些与转动频率无关的振动信号分量，即干扰噪声，它能够从整体中提取出具有周期性的振动信号，便于对机械的运行状态进行分析。作为一种提高信噪比的工具，能够加强与旋转频率有关的振动信号，这样就把干扰噪声很大程度的减小。与普通的信号增强方法不同的是时域同步平均不仅需要得到振动信号，还需要得到测量转速的脉冲信号，这样就能够确保每段数据的点数相等［2］。

1 时域同步平均的原理

对式（1）做Z变换得到：

由于Z变换具有时移的性质，所以式（2）可以化为：

令Z＝ej2πfΔ，就能够得到时域平均的频率响应函数：

因为

所以

最后可以得到振动信号经过时域平均技术以后的幅频、相频特性，公式为［4］：

随着经济全球化的发展，自由主义由英美等传统资本主义国家迅速向世界各地蔓延，主张私有化、自由化、市场化和全球一体化，并引发了世界性的自由主义改革。[6]在现代自由主义的影响之下，世界各国交往密切，相互合作，构成了一个整体的世界，以国际组织为核心的非国家行为体在国际间贸易争端、军事冲突、政治纠纷等方面发挥着越来越重大的影响，国际法限制了国际中潜在化的暴力冲突，国家间的制度被用于国际之中，成为全球化之中协调国际关系的有效机制。

经过时域同步平均技术的振动信号可以比喻为一个梳形滤波器［5］，它的通带的中心频率是旋转频率f0的整数倍，即kf0（k＝0，1，2，3，…）。梳形滤波器如图1所示。

图1 梳形滤波器

增益｜H（kf0）｜＝1，所以半功率带宽约等于f0／P。由这个式子可以看出，在平均次数P增大时，通带宽度就变得很窄。由此可知，时域同步平均能够把频率为f0有关的周期性信号提取出来，这一作用就达到了提高信噪比、消除噪声和跟f0无关的干扰信号。只要能够选择合适的平均次数P，就能够提取到f0有关的周期性信号降低噪声干扰。

假设干扰噪声的功率谱是一个常数Sx，那么在时域同步平均下的功率谱Sx（f）就可以表示为［6］：

则一个频域周期内的Sx（f）总能量为：

所以信噪比为：

代入时域平均后的幅频式（4）～式（10）中得到：

2 实验实例

实验选用一级直齿齿轮箱，用电机带动齿轮箱进行旋转。实验选用的软件为B＆K公司PULSE系统下的Labshop软件。电机转速为1 600r／min，频率为28Hz。

在实际中，要把经过时域平均后的信号和普通信号的时域谱图和做FFT变换后的谱图做具体对比，首先通过设置信号的触发开关来决定振动信号的采集，以编码器发出的脉冲信号作为触发开关，编码器发出的脉冲信号如图2所示。

图2 编码器发出的脉冲信号

在深色线条部分为脉冲保持的区域，在这个时间内即使还检测到脉冲信号也是不被识别的。黄色区域表示的是预延迟阶段，这一时间内的信号也是被记录下来的。

经过时域平均的振动信号的时域频谱如图3所示。

图3 时域平均后的波形

由于动态信号每次起止点都是由脉冲信号的触发电压控制，所以谱图中的相位是固定的。经过平均时后信号中的与基频无关的信号会被过滤掉。图中所显示的谱图相位明显清晰，符合实验要求。还没有经过时域平均的振动信号如图4所示。

图4 没有经过时域平均的时域波形

经过对比可以发现，振动信号的相位不够明显，里面包含很多的杂质，对这种信号进行分析处理后所得结果不够准确。

把两种时域波形同时进行FFT分析处理，得到结果如图5所示。

图5 时域平均前后对比波形

图中上曲线表示没有进行时域平均的信号经过快速傅里叶变换后的结果，下曲线表示振动信号经过时域平均后做FFT处理得到的结果。我们可以观察到是否经过时域平均对信号的基频没有任何影响，而在其它区域，上曲线的值都要比下曲线高出很多，也就是说，如果有故障发生，其振动特点更能在时域同步平均后的曲线中被发现，而如果没有进行时域同步平均处理，故障就很容易被较高频率的噪声淹没掉。所以经过时域平均处理能够很好地去除高频的干扰和噪声对整体的影响。