1、( 此文檔為 word 格式，下載后您可任意編輯修改！)電機故障加速度數據統計與分析摘要隨著科技的發展，越來越多的領域涉及到電機，例如交通、生產、建筑等。當然，電機的普及使用也使電機故障日益增多，其故障原因也日漸復雜。如何快速有效地檢測電機所發生的故障也成為了某些領域的研究熱點。電機運轉的振動信號包含了很多豐富的信息，這就是我們能獲得電機信息的最有效途徑。同時，這些信號也成為了我們評判一臺電機好壞的重要依據。本文主要對基于LABVIEW測控平臺所采集到的電機振動信號數據，然后結合MATLAB 仿真軟件對電機加速度信號進行處理和分析。 利用傅里葉變換，和時頻分析等方法進行對電機信號的分析，最終來

2、判斷電機的好壞和故障類型。關鍵詞電機故障；振動信號；MATLAB ；傅里葉變換；時頻分析AbstractWith the development of science and technology, more and more areas involved in motor, such as transportation, production, construction etc. Of course, the motor is widely used to increase motor fault, the fault reasons are complex. How to quickly

3、and effectively detect fault motor some areas.The vibration signal of motor contains a lot of rich information, the most effective way is that we can obtain the information of the motor. At the same time, these signals important basis for us to judge the quality of a motor. This paper focuseson the

4、motor vibration signal measurement and control platform based on the LABVIEW data collected, and then combined with MATLAB simulation software for processingand analyzing the motor acceleration signal. Using Fu Liye transform and time-domain analysis methods to analyze the electrical signal to judge

5、 the quality of the final or motor and fault type.Keywordsmotor fault the vibration signal MATLAB Fu Liye transform time domain analysis目錄摘要 .IAbstract.II第 1 章 緒論 .11.1本課題研究的背景和意義 .11.2電機故障常見類型 .11.3電機振動（測試與參數）的相關標準 .21.4電機故障特點與測試常用方法 .31.4.1 故障的特點 .31.4.2 故障測試常用方法 .41.5故障診斷技術的概況 .41.6設備故障診斷技術的局限性 .

6、51.7本文的主要工作 .5第 2 章 電機故障加速度數據的采集 .72.1實驗原理 .72.2數據采集卡簡介 .72.2.1數據采集卡名片 .72.2.2數據采集卡的分類 .72.2.3 數據采集卡功能 .82.3 LABVIEW 軟件簡介 .82.4電機加速度信號數據采集過程 .82.5本章小結 .10第 3 章 時頻分析的基本理論 .103.1基本概念 .113.2時頻分析的發展史.113.3測不準原理 .113.4時頻分析的性能評價 .123.5本章小結 .13第 4 章 時頻分析常用方法.144.1短時傅里葉變換 .144.1.1短時傅里葉變換的定義 .144.1.2短時傅里葉變換的

7、特性 .144.2Wigner-Ville 分布 .154.2.1Wigner-Ville 分布的定義 .154.2.2Wigner-Ville 分布的性質 .154.3小波變換 .164.4 本章小結 .17第 5 章 關于 MATLAB軟件的簡介 .185.1MATLAB 簡介 .185.1.1MATLAB軟件描述 .錯誤！未定義書簽。5.1.2MATLAB的主要功能 .185.2MATLAB 時頻分析工具箱 .195.3實驗基本步驟 .195.4 本章小結 .19第 6 章 信號數據統計分析 .206.1單個電機信號的分析 .206.1.1單個信號傅里葉變換 .206.1.2單個信號的時

8、頻分析 .216.2頻域分析 .236.3對數據平均值、標準差、峰度、偏度的處理分析 .266.3.1平均值、標準差、峰度和偏度 .266.3.2在 MATLAB 軟件上進行平均值、標準差、峰度和偏度的分析.276.4本章小結 .錯 誤！未定義書簽。結論與不足 .錯 誤！未定義書簽。參考文獻 .錯 誤！未定義書簽。致謝 .29附錄 1 單個信號讀取程序并進行傅里葉變換和時頻分析.30附錄 2程序設置 .31第1章緒論1.1 本課題研究的背景和意義電機，作為現代化生產必不可少的一個重要部分。我們的生活更是與之息息相關。家庭中的大部分電器內部都含有電機。而現代化生產或者流水線作業更是離不開電機，電

9、機一停止運轉，意味著整條流水線幾乎處于癱瘓狀態，所以，電機是否發生故障直接影響著生產效率，當電機發生故障時，損壞的不僅是電機本身，還會危及人生安全，給社會造成極大的損失，因此，今年來，國家和社會都加大了關于電機故障這方面的研究，以求更快更有效地消除電機故障對社會生產的影響。從二十世紀六七十年代至今，電機故障診斷技術有了突飛猛進的進展，隨著計算機技術的進步，這電機的研究達到了智能化的階段，特別是對電機采集信號并對其信號進行多層次的分析處理已經成為了趨勢。但是由于我國的電機故障診斷技術起步較晚，而且很多大型的工廠等都沒有專門對電機故障研究的部門， 大部分都僅僅是從科研部門或者高等學院開始，再將所研

10、究得出的技術面向社會推廣，這已經是將維修電機故障的時間大大延長了。因此，我覺得我國的有實力的大型生產企業有必要加深對電機故障的研究。隨著科技的進步，現代化工業逐漸向自動化和高速化發展，為了降低生產成本，提高生產率，電機的轉速越來越高了，電機也越來越復雜了。當然，隨之而來的就是電機的磨損率，故障率也大大地提高了，這就大大地阻礙了生產率的發展。但是如果某些比較先進的設備的電機發生故障，造成經濟損失這方面事小，若是稍微不慎，就會給自身或者群眾帶來生命威脅。例如美國“航天者”號飛機失事，前蘇聯切爾諾貝利核電站爆炸等。但是無可厚非的是，電機不可能沒有故障，無論科技多么先進或者用料多么上乘，也總會有一定的

11、幾率發生故障。那么我們應該怎么做呢？我們必須要對設備的狀態無時無刻地監控，對設備所發生的異常及時地通過有效地手段進行收集，并對已經成形的故障進行診斷和分析，并通過信號的分析，有效地推斷出其故障的部位及其原因，快速地采取有效的措施。所以，對電機故障的研究具有重要的意義。1.2 電機故障常見類型電機故障類型通常為以下幾種：(1) 碰磨故障碰磨故障是電機常見的故障之一，這是由于電機運行中，電機組轉動部件和靜止部件發生碰磨。而動靜碰磨可分為徑向碰磨和軸向碰磨。電機碰磨故障發生前具有多種征兆，在發生碰磨故障時，其信號特征會發生較大變化，例如振動信號的時域波形會發生異變，振動幅值將逐漸減小等。 電機發生碰

12、磨故障的原因如下：(1)動靜部件的間隙過小； (2)電機轉軸振動過大。(2) 軸承故障軸承故障是由于某些原因造成電機軸承損壞而發生的故障。據了解，電機大多都是 “端蓋滑動軸承式”機構和“端蓋滾動軸承式”結構。所以超出預先固定值負載，非有效的密封，過度的配合而導致過小軸承間隙等都是造成軸承故障的原因。(3) 動不平衡故障電機動不平衡故障主要是由于力偶不平衡和靜不平衡所引起的，也就是說質量中心線與軸幾何中心線軸線既不平行也不相交的不平衡狀態。當電機旋轉時，轉子產生一定的離心力，使電機整體產生振動，當振動過大時，就會引起電機的動不平衡問題。電機動不平衡故障的振動特征就是過大，也可以歸結于轉子的質量偏

13、心。部件的脫落都會引起電機的動不平衡故障。動不平衡往往會導致電機組運行不穩定，從而導致機器容易損壞，我們應該努力避免這個問題。(4) 電機共振問題共振的原因就是當自振頻率和強迫振動頻率一致時所引發出的一系列問題，共振很容易造成機器過早地損壞。 那么我們該如何解決這個共振問題呢？有以下措施：1)改變剛性；2) 增加或減掉重量； 3) 采取隔振措施； 4) 安裝調諧阻尼器； 5) 要將動平衡調精確。1.3 電機振動（測試與參數）的相關標準電機振動標準表振動強度適用機器類別振動速度 V nmsIIIIIIIV(mms)0.28AAAA0.450.711.12B1.8B2.8CB4.5CB7.1C11

14、.2C18D28DD45D注： (1)類為小型電機（小于15kW 的電動機等）；類為中型機器（ 15kW75kW的電動機等）；類為大型原動機（硬基礎） ； 類為大型原動機（彈性基礎） 。(2) A、B、C、 D 為振動級別。 A 級好， B 級滿意， C 級不滿意， D 級不允許。測量速度 RMS 值應在軸承殼的三個正交方向上。1.4 電機故障特點與測試常用方法故障的特點電機的故障類型有很多種， 但其故障現象多數都有隨機特性， 因為設備在運行過程中，不同時刻所產生的信號數據也是不同的， 這就為我們對檢測到的數據來判斷出準確的數據是非常困難的。世上沒有相同的兩個人或者兩片樹葉，電機也是一樣，即使

15、是同一型號同一參數的電動機，但在裝配的時候不同和工作條件的不同，其動態特性模型參數也會有較大的差異。電機的內部零件繁多，一個部件的損壞很大幾率會導致另一部件發生故障，這就決定了電機故障的并發性和多層次性。這為電機維修帶來了很大的難度。除了隨機性和并發性外，電機故障還有連續性、離散性、模糊性等特點。故障測試常用方法古中醫中，醫師一般都是使用“望、聞、問、切。”來治療病人。那么在檢測電機故障時，我們怎么辦呢？一開始時，研究人員一般都是“耳聽、眼看、手摸”來直觀地得出電機到底發生了什么樣的故障。在設備診斷技術問世后，這種低效率，繁瑣的情況得到了根本的改善。至今，根據信號類型的不同，診斷技術可大致分為

16、：溫度診斷、光譜診斷、聲振診斷等。但由于受到當時技術條件的限制，在初期，人都要親力親為，經過儀器處理后的信號都要人自己去分析，因此，這帶來了許多的限制，只有經驗豐富的專家和技術人員才能準確地判別出故障類型。但經過這些年的研究，人工智能日益發達。電機診斷技術以設備故障機理為基礎，科學技術為輔，經過準確采集出能反映設備狀態的各種信息，并利用各種各樣的計算方法或者變換來處理這些信息，從而有效地得出其故障類型。1.5 故障診斷技術的概況在六十年代中期，設備診斷技術就已經在美國出現，起初的目的是用于航天事業，軍事設備等檢測。但隨著時間的變遷，工業在近幾十年得到了空前的發展，而對設備的要求也越來越高，這要

17、求也是設備的構造越來越復雜。其造價也日漸昂貴。那么，一旦設備損失，就會造成不可挽救的后果。由此，開始了設備診斷技術。這是在工作環境下，根據機械設備在運行過程中所產生的各種信息來判斷機械設備是否發生故障， 并由此判別出設備所產生故障的原因和部位。診斷的過程主要是以下幾個步驟：一，檢測設備的信號，如噪聲、振動、溫度等；二，從特征信號中提取特征；三，進行特征信號的分析；四，得出結論。而電機故障診斷技術是設備診斷技術的其中之一。電機故障診斷技術時至今天可分為三個階段：第一階段：診斷結果是以人的經驗為主，對電機信號只作簡單的數據處理。第二階段：以動態測試技術和傳感器技術為主要途徑，利用信號處理軟件對信號

18、進行處理的現代化診斷技術，現今社會處于這一階段。這也在生產上得到了廣泛的應用。第三階段：隨著電機的復雜程度加深，隨著計算機幾人工智能技術的發展，利用高端技術對信號進行處理，這就是現代化的智能診斷技術。1.6 設備故障診斷技術的局限性從設備診斷技術問世至今， 傳統的診斷方法被廣泛應用于工業的生產上，但時至今天，設備故障診斷技術都沒有一套完整的理論體系和相關的診斷參考技術規范。 該技術都是具有單一性，是針對不同電機所產生的故障進行單對單診斷的，這沒有代表性和規范性。電機長期都是在環境惡劣下運行，其自身高速運轉，這就為電機設備診斷技術帶來了一大難題，設備診斷技術的根本就是采集到電機的狀態信息等，但由

19、于電機自身原因或環境原因，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。診斷的準確性受到很大的考驗，診斷結果也差強人意，往往會造成誤診或者是漏診。如今，國內外都對電機設備診斷技術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設備科學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，電機故障診斷技術看似已經成熟，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已經迫在眉睫。1.7 本文的主要工

20、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和更好地進行診斷。本設計在理論上對時頻分析和頻域分析有一定的認識，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準電機故障的特點和常用測試方法，設備診斷技術的概況。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展史作了簡單的描述，并引出了測不準原理及其性能評價第四章描述了幾個時頻分析的方法，包

21、括短時傅里葉變換，Wigner-Ville 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計分析，分別通過平均值、標準差、偏度、峰度等方面對信號進行處理，得出不同故障信號數據之間的差異。第七章結論與不足。第 2 章 電機故障加速度數據的采集2.1 實驗原理利用加速度傳感器通過NI9234 數據采集卡將好與壞的電機發出的振動信號，采集到PC機上并將該數據保存，便于后面的數據處理。如圖2-1 所示圖 2-1 實驗原理圖2.2 數據采集卡簡介數據采集卡名片數據采集（簡稱 DAQ ），指的是從傳感器和其他待測設備等模擬和數字被測單元中自動采集或產生信息的過程，然后送到PC 機中

22、進行數據分析和處理。數據采集系統是通過測試平臺的軟硬件產品來進行實現的。數據采集卡，即實現數據采集(DAQ) 功能的計算機擴展卡。數據采集卡的分類由于 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。根據板卡處理信號的不同，我們可以把數據采集卡分為模擬量輸出板卡( DA 卡) 、模擬量輸入板卡 ( AD 卡) 、開關量輸入板卡、開關量輸出板卡、脈沖量輸入板卡、多功能板卡等。數據采集卡功能數據采集卡無論在科學研究室還是在工業生產上，都具有不可忽視的分量。在工業現場和實驗室可以實現多方面的測控，如溫度、濕度、壓力、振動、應變電橋、脈沖、開關量、編碼器、加速度、角度、等輸出信號都可以用數據

23、采集卡進行采集。數據采集還附帶有輸出功能，一般可以輸出電壓、電流、PWM 、脈沖、開關量（集電極開路輸出、繼電器輸出、 TTL 輸出）等信號用于現場設備儀器的驅動與控制。2.3 LABVIEW軟件簡介LABVIEW （Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench ）是杰夫·考度斯基（ Jeff Kodosky）是在 1986 年發明的。 LABVIEW 是一種基于 G 語言的圖形化開發語言，這是一種與C 和 BASIC 一樣的， LABVIEW也是通用的編程系統，有一個完成任何編程任務的龐大函數庫。它是一種面向儀器的圖形化編程

24、環境，用來進行數據的采集和控制，數據分析和表達，測試和測量，實驗室自動化及監控過程，其目的是簡化程序的開發工作。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據采集系統。 虛擬儀器的研究中涉及的基礎理論主要有計算機數據采集和數字信號處理。2.4 電機加速度信號數據采集過程本次對電機加速度信號數據的采集主要是利用三相鼠籠式電動機來進行對數據信號的采集，其具體參數如圖2-2 所示圖 2-2 三相鼠籠式電動機給電機加上電源，電機運轉，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，我們要先對好的電機進行采集

25、，然后再通過各種人為因素造成電機發生各種故障，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2-3 所示圖 2-3 人為制造電機故障然后我們在利用計算機、NI 數據采集卡和LABVIEW軟件組成的數據采集系統對電機加速度信號進行采集并保存。如圖2-4 所示圖 2-4 采集電機加速度數據2.5 本章小結本章簡單介紹了實驗的原理和實驗數據的采集過程，也對數據采集卡的定義、分類、功能進行了一個概括，對LABVIEW軟件作了一個簡介。第 3 章 時頻分析的基本理論由于電機所處的環境都比較復雜，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

26、使研究事半功倍。自從時頻分析出現后，從一開始在設備上應用，到現在為許多領域服務，其應用潛力可見一斑。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，但對于日漸復雜的信號處理，傅里葉變換明顯已經不能滿足現今的要求。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Wigner-Ville 分布，小波變換等。3.1 基本

27、概念信號分析的根本目的是從該信號中提取其有關特征，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。由于實踐已經證明傅里葉變換只適合于頻域分析，分析出的結果也只能顯示出信號的正弦波的相對幅度以及個數，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。對于連續穩定的正弦波，可以用傅里葉變換進行簡單的研究，但現在的信號大部分都是非連續，非線性，非平穩的信號，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形式表達出來的時域分析方法。3.2 時頻分析的發展史20 世紀 40 年代，poter和 koening等人提出了 Spec

28、trogram( 聲譜圖 ) 方法，也稱為 STFT方法。其基本原理是：若非平穩信號在分析窗函數的一個比較短的時間間隔內是平穩的，然后沿時間軸移動窗函數，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，是一種較為單一分辨率的信號分析方法。到 1932 年，物理學家提出了 Wigner 分布，在 1947 年的時候， Ville 將Wigner 分布引入到信號處理分析中，從而發展到現在著名的一種時域分析技術Wignr Ville 分布。這是描述時頻分布比較有力的計算方法。到 1966 年， L.Cohen 發現所有 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

29、頻分布。歷經了半個世紀， 都是在原基礎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。3.3 測不準原理時間一帶寬乘積定理，就是測不準原理，也稱之為不確定原理。這是關于傅里葉變換對的描述。測不準原理是由W.Heisenberg在 1927 年于論文“ On the Conceptual Contengof Quanturn Theoretical Kinematics and Mechanics”中首次提出，并且推導出不確定式，之后由Weyl 用標準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，后來C.G.達爾文把傅里葉變換對和測不準原理聯系在一起，

30、在 1930 年，Schrdinger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=t和頻譜 S(f)的有限寬度 B=f分別成為該信號的時寬和帶寬，并且定義為以下T2( t)2t22t22(t) |s(t)| dtt和222222B( t)(tf ) |s( f )| dtff在不改變信號幅值的基礎上沿時間拉伸 s(t)。若sk()() 表示為后續的信號，其中k為ts kt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 T skkT s ，那么拉伸信號的傅立葉變換就是 sk( f )1f0 . 由帶寬的定義可以看出，拉伸信k S( k ) ，

31、k號是原信號帶寬的 sk( f )1f0 ，也就是說是原信號的1倍。由此可見，無論k S(k ), kk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。時寬帶寬乘積 =TB = tf143.4 時頻分析的性能評價時頻具有很多的優點 :(1)它能同時兼顧時間和頻率這兩個方面的性能，并且將其聯系起來分析。(2)對于非平穩信號的分析， 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新。(3)在時頻相平面上，可以準確地找到相應的對應關系。(4)通過對核函數附加約束條件， 就可以設計出符合預期希望的時頻分析， 來更好地對信號進行處理。除了

32、上述的優點，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。3.5 本章小結本章主要簡要地描述了時頻分析的基本理論和其發展史，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。第 4 章 時頻分析常用方法如果可以有一個函數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能量所占的百分比，這就是今天的時頻分析

33、。 而根據時頻分析這本質特征，我們可以將各種各樣的時頻分析歸納大致如下：(1) 線性時頻分析； (2) Cohen 類雙線性時頻分析。4.1 短時傅里葉變換為了處理時域和頻域的局部化矛盾， D.Gabor 在 1946 年提出了短時傅里葉變換。其基本理論就是把信號劃分成許多較小的時間間隔， 然后用傅里葉變換來對每個時間間隔分析，即得到該時間間隔這一特定時刻的頻率分量。這是時頻分析中是最常用的方法。短時傅里葉變換的定義短時傅里葉變換的定義為：用窗函數w(t)抽取一段信號，并且對其做傅里葉變換，移動該窗函數，重復上述過程，就可得到短時傅里葉變換：STFTs (t , f )s( )w* (t )e j 2 f d短時傅里葉變換的特性從定義上可以看出，窗函數w(t) 同時具有時間移位和頻率調制作用，這就使得STFT具有了局部特性， 當某一信號與窗函數不匹配時