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[综合] 同步提取变换在桥梁信号\锤击模态信号\轴承故障信号分析及代码

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发表于 2018-1-21 17:49 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 g-123 于 2018-1-21 22:42 编辑

同步提取变换在桥梁信号\锤击模态信号\轴承故障信号分析及代码
       之前笔者发表了帖子一种新的时频分析方法—同步提取变换SET,其中介绍了一种新的信号处理方法。    SET算法相关文章下载地址,http://ieeexplore.ieee.org/document/7906573
       虽然在最后附有了该方法的代码包,但是依然有许多同学向我询问使用方法。故而,开此贴,以桥梁信号\锤击模态信号\轴承故障信号进行处理分析,并附有数据和代码,进一步介绍SET算法。综合而看,SET算法区别于之前的时频分析算法,主要是两点优势:一,能够提供高分辨率时频谱;二,能够重构信号。这两点,在分析工程中遇到的信号时,是十分有必要的,缺一不好。

一,桥梁信号。
        该信号取自帖子《对一实测信号的处理,希望大家参与讨论》。该信号一桥梁上实测位移信号进行分析,采样频率为5Hz,信号长度600秒,计3000个采样点。从版主之前的分析来看,这是一个带有噪声,并且伴有轻微调频的信号。该信号主要振动集中在0.07Hz左右。从bcyangbc 楼主的分析结果来看,STFT谱过于平稳,只是对幅值的变化有所体现。HHT谱振荡,过大,未必能反映该信号真实的调频特征。这里用SET算法对其处理,分析结果如下图。从上到下,分别命名为图a-图d。
        图a是测量的原始信号,包含有一部分的噪声。
        图b为SET时频谱,能明显看出,在前半段0s-300s,该信号幅值较低,并且伴有一定的调频现象。而在后半段300s-600s,调频现象明显减弱。说明,当桥梁本身振动较小时,可能会受到背景噪声引起的本身频率的变化。
        图c为SEO谱,即与信号幅值无关,仅与信号瞬时频率有关的时频谱,能够更加清晰地看到信号的调频变化。
        图d为SET算法恢复出来的信号,能够明显看到噪声分量基本都被剔除,留下了比较规整的振荡特征。
1.jpg
二、悬臂梁锤击模态信号。
         该信号取自帖子《基于时频分析(STFT,短时傅里叶分析)的模态参数提取》。模态参数提取,主要是频率、阻尼与振型。楼主yghit08主要是通过STFT谱得到这些参数。这里利用SET算法对其进行分析。信号长度为1761个点,采样频率为2560Hz,这里只取第一个传感器所采集的数据进行分析。结果如下图,从上到下,分别命名为图a-图d。
         图a是测量的原始信号。
         图b是信号的频谱,能够看出,有5个峰值,说明有5阶模态被激发出来。
         图c是SET时频谱,这里看的不是特别清楚,主要是各条谱线过于精细,不利于展示。可根据本贴最后所附代码,自行分析。在这个时频谱中,能够看到5条十分精细的时频线,分别对应的是5阶模态分量。与原贴中STFT谱对比,能够看到SET算法在提供高分辨率结果的优势。
        图d为对SET谱进行脊线提取后,得到的5条瞬时频率线。通过这个参数,能够很好地分离出5阶单分量模态信号。
2.jpg
        由SET算法分离得到的5阶单分量模态信号,见下图。这5个信号均为单频信号,根据单模态辨识算法,可以得到5阶模态的频率与阻尼参数。这一应用,说明了一个好的时频算法,必须要能够很好地重构信号。
3.jpg
三、轴承故障信号分析。
该信号取自西储大学的轴承实验台驱动端位置(DE)的故障信号,该轴承带有内圈故障。这已经是被多篇文献使用过的经典信号了,SET也来凑凑热闹,这里取0.1s的信号进行分析。分析结果见下图,从上到下,分别命名为图a-图d。
       图a为该信号的时域波形,能够明显看出瞬态冲击故障。
       图b为该信号频谱,反映出故障的主要频带,岱岳是2000Hz-4000Hz。大家心里应该清楚一个问题,主要能量为什么会集中在这一频带。轴承发生故障时,当转子经过缺陷位置时,是加在整个轴承上的一个delta敲击力,所激发出来的信号,反映的是该系统的固有频率,即2000-4000左右。
       图c是SET时频谱。这里面能够明显看出,故障信号除了发生调幅变化外,频率也具有着明显的波动。说明,轴承发生故障时,产生的信号是调幅与调频特征均有。简单地考虑这个问题,当转子经过缺陷位置时,缺陷会造成转子的瞬时转速的突然减小,而后又会由于电机功率输出,使得减小的一部分转速递增上来。从转速上看,每经过缺陷位置时,轴承转速会发生一个局部振荡。同时,振动信号的频率,很大程度上,与转子转速具有很大的关系。因此,转速的波动会造成信号频率的局部变化,反应到时频谱上,即信号的局部调频特征。这些特征信息均能够从SET谱中获得。
       图d是对该信号的包络进行SET处理,能够明显看出多阶故障特征频率。
4.jpg
为了方便大家进行更进一步的研究,附件中上传了SET代码包以及能够产生上述图片的数据与TXT代码。使用时,首先把SET代码包,放在MATLAB指定路径下,然后,将你要分析的数据直接拖进MATLAB,导入数据,然后将TXT文件中的代码拷贝到MATLAB中,回车执行即可。若有冒犯,大家轻虐。

本帖代码数据.rar (1.48 MB, 下载次数: 89)
SET_Y.zip (223.64 KB, 下载次数: 68)
SET算法相关文章下载地址,http://ieeexplore.ieee.org/document/7906573/












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发表于 2018-1-28 18:22 | 显示全部楼层
本帖最后由 kevin19821 于 2018-1-28 19:20 编辑

楼主,大好人。想问三个问题:(1)SET变换于老师给的程序用的是高斯窗,窗的长度对分析结果影响很大,如何确定窗长?(2) 用brevridge_mult重构出的信号边缘效应比较明显,有没有什么好的办法?
 楼主| 发表于 2018-1-28 19:32 | 显示全部楼层
kevin19821 发表于 2018-1-28 18:22
楼主,大好人。想问三个问题:(1)SET变换于老师给的程序用的是高斯窗,窗的长度对分析结果影响很大,如何 ...

建议使用高斯窗,可以换换高斯窗的参数。对于强调频信号,建议使用短时间窗。但是窗长过短,可能会造成多模态信号中相邻模态之间出现混叠。这个长度,还是得自己把握,选择最合适的。
边缘效应,可以考虑镜像延拓。

点评

就怕写出的文章,专家会提这样的问题。。。  详情 回复 发表于 2018-1-29 18:31
发表于 2018-1-29 18:31 | 显示全部楼层
g-123 发表于 2018-1-28 19:32
建议使用高斯窗,可以换换高斯窗的参数。对于强调频信号,建议使用短时间窗。但是窗长过短,可能会造成多 ...

就怕写出的文章,专家会提这样的问题。。。
发表于 2018-3-26 17:18 | 显示全部楼层
楼主,我想请问下用SET算法重构信号的程序是哪一个,例子里的程序只有三个,万分感谢
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发表于 2018-3-28 19:27 | 显示全部楼层
楼主请问SET变换,窗的长度如何确定?随经验不断尝试?这个算法的重构是只能对模拟的简单信号重构吧?对文中的西储大学信号重构得出的是怎样的信号?
 楼主| 发表于 2018-4-17 08:29 | 显示全部楼层
sandy-lu 发表于 2018-3-28 19:27
楼主请问SET变换,窗的长度如何确定?随经验不断尝试?这个算法的重构是只能对模拟的简单信号重构吧?对文 ...

长度可以多试几次,复杂信号也可以重构,只是脊检测算法需要稳定一些。
发表于 2018-8-18 16:56 | 显示全部楼层
能否适用暂态电流的特征提取
发表于 2019-3-27 10:50 | 显示全部楼层
请问有没有变速的轴承数据?
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