转子振动信号消噪方法研究精.docx

1、转子振动信号消噪方法研究精转子振动信号消噪方法研究!王成栋朱永生张优云西安交通大学润滑理论及轴承研究所 西安 #$%& (摘要针对转子振动信号周期性强而噪声信号 具 有 随 机 性 的 特 点 #本 文 将 时 域 平 均 法 和 小 波 软 阈 值 消 噪 法 相 结合 #先对振动信号进行时域平均 #再对平均后的结果进行小波软阈值消噪处理 *实验结果表明 #这两种方法相结合 #可以有效地去除振动信号的干扰噪声 #提高信号的信噪比 #取得良好的降噪效果 *关键词时域平均小波变换软阈值消噪中图分类号+, (%-$引 言对信号进行有效的分析必须在信噪比尽可能高的情况下进行 #如果测试信号的信噪比较

2、低 #就必须 设法对信号进行消噪处理 #提高信噪比 *在实际工程 应用中 #常常存在噪声干扰很严重的信号 *因此 #如 何提高信号的信噪比就成为一个基本问题 *西安交 通大学润滑理论及轴承研究所自行开发研制的 . 小 型多功能转子试验台 /#是为开展振动测试 0故障诊 断和转子动力学等方面的研究而研制的一个多功能 平台 #目前已在上面实现 了 基于 12345243的远 程 实 验 6%7#基本实现了远程试验台控制 0数据采集和数据 分析功能 #初步建立了一个多功能网上实验室 *由于 转子试验台的测试信号中存在相当大的干扰噪声 #转子的振动信号几乎被噪声淹没 #为此本文对如何 提高转子振动信号

3、的信噪比进行了深入研究 #提出 采用时域平均和小波软阈值消噪相结合的方法对振 动信号进行消噪处理 *8测试系统简介及其噪声来源分析小型多功能转子试验台主要由转子试验台 0电 机转速控制器和测控系统构成 #图 %为转子试验台测试系统示意图 *脉冲宽度调制 9:; ? 3AB? C :; D 34? #简写为 9=A 控 制 器 用于 控 制直 流 电 动 机 的启停和转速 #既可手动控制也可由计算机控制 *在 质量圆盘的圆周上安装有两个互相垂直的电涡流传图 %转子试验台示意图感器 #用于测量转子的径向振动位移信号 *转子的一 端安装有一个采样触发圆盘 #圆盘上有一个小孔 *在 垂直于采样圆盘并对

4、准小孔的圆周位置处安装有一 个电涡流传感器 #用于产生采样触发信号 #使得每次 采样开始时转子处于相同的位置 #从而保证采样信 号 具 有 相 同 的 初 始 相 位 *传 感 器 的 输 出 信 号 经 由 9E 1C (%F G H 数据采集卡进入计算机 *9=A控制器是一个利用大功率电子元件的开 关特性来调制固定电压的直流电源 #它以一个固定 的频率接通和断开 #通过改变一个周期内 . 接通 /和 .断开 /时间的长短 #改变直流电动机电枢上电压的 . 占 空 比 /#从 而 改 变 电 压 的 大 小 #控 制 电 动 机 的 转 速 *在本试验台中 #9=A控制器给测试信号带来了 很

5、大的电磁干扰 *在实验中发现 #只要给 9=A控制 器接通电源 #在测试系统中就会出现很强的干扰信 号 *图 I 所示为 9=A控制器电源接通但转子还没 有转动时振动传感器的输出信号 在本文中 #如无特 别说明 #信号采样频率皆为 I &J K L*由于此时转子 第 I M 卷第 期 I &M 年 %I 月振动 0测试与诊断N B :52D ; B O P Q 5D 3B 2#A4D D T 2B (其中 ! 低通滤波器 8作用在一个序列 ? ? +A +,-的效果为&8? (B *+,-C+0$B ? +&D (高通滤波器 9的作用效果为&9? (B *+,-E+0$B ? +&F (其 中

6、 ! C +A +,-和 E +A +,-是由给定的多分辨率分析确 定的镜象滤波器 6在按照 GH I I H J 算 法 将 %&(分 解 之 后 1如 果 能 够根据先验知识将分解系数的信号部分和噪声部分 区分开来 1就可以对分解系数进行处理 1将对应噪声 部分的分 解系 数置零 1形 成 新 的 小波 系 数 . K #$和 2K 3L 3L #$(1然后再按 GH I I H J 重建算法 . K 305 8M . 379M 2K 3&3 #$1#$051=1#575(&N (得到消噪后的信号%O& ( #5%O& (*+,-.K#5+/#5+& (&P (其 中 ! %O& (表 示

7、消 噪后 的 信 号 Q 8M 和 9M分别 表 示 低通滤波器 8和高通滤波器 9的共轭算子 6小波阈值法消噪的基本步骤如下 ! &5(小波分解 Q &$(阈值估计和阈值处理 Q&(信号重构 6小波阈值法消噪中 1最简单的是硬阈值法 1即把 小波系数中小于和等于阈值的系数全部置零 1大于 阈值的系数则保持不变 1即R K S 13 T U R S 13U L V R S 13U R S 13U W V S , X &Y (其中 ! R K S 13表示经过硬阈值处理后的小波尺度 3上的 第 S 个小波系数 Q V 表示阈值 Q X 表示整个下标集 6硬阈值消噪的缺点是 1经过阈值化处理的系数

8、 幅值分布是不连续的 1这使得消噪信号会出现相应 的 噪 声 成 分 6因 此 1Z 提 出 了 软 阈 值 消 噪 方法 F _1除了将小于阈值的系数置零外 1还将那些大于 阈值的系数向零缩减 1即R K S 13 a &R S 13(&U R S 13U 0V (7S , X &b (其中 ! a &(表示取符号操作 1操作符 &c(7表示& (7 W TT L T&5T (软阈值消噪有效地克服了硬阈值消噪的不连续问题 1得到了广泛的应用 6小波阈值法消噪中 1阈值的正确估计是一个十 分重要的问题 6一般有以下 D 种常用的阈值估计方法 !&5(基 于 无 偏 似 然 估 计 原 理 的

9、自 适 应 阈 值 估 计 6&$(固 定 阈值估计 1即 V 其 中 e 表示小波分解系数的长度 6&(启发 式 最 优 阈 值 估 计 1实 际 上 是 将 前 面 两 种阈值估计综合起来考虑 6当信噪比较大时 1用固定 阈值 Q 当信噪比较小或扰动较大时 1用无偏似然估计 原理确定阈值 6&D (极大极小值原理估计 6对于不同性质的信号 1应该选用不同的阈值估 计方法 6经过比较 1本文采用启发式最优阈值估计方 法对每一尺度下的小波分解系数分别确定阈值 1不 同尺度下的小波系数具有不同的阈值 6f 消噪结果分析在基于小波技术的消噪过程中 1小波基函数的 选择和分解尺度的确定是两个比较关键的问题 6不 同性质的信号应该选择不同的小波基函数 1才能取 得更好的消噪效果 6经过分析比较 1发现对于转子的 振动信号 1采用 Z H g h i j k i Y 小波基比较合适 1其滤 波器系数参见文献 D _6在小波分解时 1边界数据采 用周期延拓方式 1将信号分解到尺度 $D6图 F 为图 D卷万方数据 所示信号的小波分解结果 ! 图中 #! $! %! &表示 分解信号的细节部分 ! &表示分解到尺度 $&后信号 的近似部分 (图 为小波系数 *仅细节部分 + 经过软 转子振动信号消噪方法研究万方数据