本發(fā)明涉及微弱信號增強(qiáng)檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于互補(bǔ)隨機(jī)共振濾波器的微弱信號增強(qiáng)檢測方法。

背景技術(shù)：

軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的重要核心部件，軸承狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷對于保證旋轉(zhuǎn)機(jī)械的安全可靠運(yùn)行具有極其重要的意義。振動信號分析方法常用于軸承故障診斷中。首先在軸承座上安裝傳感器采集振動信號，分析信號可以獲得其時(shí)域、頻域、時(shí)頻域等特征，進(jìn)一步分析這些特征可以獲知軸承的運(yùn)行狀態(tài)。但在實(shí)際工況下，采集的振動信號容易受到環(huán)境背景噪聲、機(jī)器運(yùn)行噪聲、采集設(shè)備電噪聲等干擾，從而使得振動信號的信噪比降低，影響故障診斷的準(zhǔn)確度。

隨機(jī)共振濾波器是一種能夠利用噪聲增強(qiáng)微弱周期信號的非線性濾波器，該類型濾波器已經(jīng)被成功應(yīng)用于軸承微弱特征信號提取、增強(qiáng)和故障診斷。對于確定的輸入信號，可以通過調(diào)整合適的系統(tǒng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)濾波。傳統(tǒng)的隨機(jī)共振濾波器都是基于經(jīng)典的一維隨機(jī)共振模型，該模型是個(gè)單輸入單輸出的系統(tǒng)，當(dāng)輸入信號的信噪比較低時(shí)，其濾波效果不夠理想，不能很好地實(shí)現(xiàn)軸承微弱故障特征信號的檢測，從而影響故障診斷的準(zhǔn)確性，因此不適用于強(qiáng)噪聲背景下的軸承微弱信號增強(qiáng)檢測。

從以上分析可知，對于現(xiàn)有的基于隨機(jī)共振濾波器的微弱信號增強(qiáng)檢測技術(shù)而言，一維隨機(jī)共振濾波器具有局限性。如何改進(jìn)優(yōu)化隨機(jī)共振濾波器結(jié)構(gòu)、提高隨機(jī)共振濾波器的微弱信號增強(qiáng)效果、最終提高軸承故障診斷的準(zhǔn)確度仍需要進(jìn)一步探討。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明目的在于提供一種基于互補(bǔ)隨機(jī)共振濾波器的微弱信號增強(qiáng)檢測方法，并將其用于軸承故障診斷?；パa(bǔ)隨機(jī)共振濾波器具有主通道、互補(bǔ)通道共兩個(gè)輸入通道和對應(yīng)的兩個(gè)輸出通道，通過將輸入信號對半拆分成兩個(gè)子信號分別輸入兩個(gè)輸入通道，在合適的系統(tǒng)參數(shù)下，互補(bǔ)通道能夠利用相位差異噪聲去增強(qiáng)主通道的微弱周期信號，最終提高軸承故障診斷的準(zhǔn)確度。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于互補(bǔ)隨機(jī)共振濾波器的微弱信號增強(qiáng)檢測方法，該方法包括如下步驟：

步驟(1)、使用傳感器采集軸承故障信號，對信號進(jìn)行帶通濾波和共振解調(diào)預(yù)處理，隨后將預(yù)處理得到的長度為2N點(diǎn)信號對半拆分成兩個(gè)子信號S₁(t)和S₂(t)，每個(gè)子信號的長度為N點(diǎn)。S₁(t)和S₂(t)分別如下式所示：

式中A₁和A₂表示兩個(gè)子信號的幅值，ε_x和ε_y為噪聲強(qiáng)度值，dω_x(t)和dω_y(t)為獨(dú)立維納過程，f₀表示兩個(gè)同頻率的微弱周期信號的頻率，和分別為兩個(gè)輸入信號的相位。

步驟(2)、構(gòu)建互補(bǔ)隨機(jī)共振濾波器，如下式所示：

式中和分別為互補(bǔ)隨機(jī)共振濾波器的主通道和互補(bǔ)通道變量，T_R1和T_R2是時(shí)間尺度變換因子，S_R1和S_R2是空間尺度變換因子，δ₁和δ₂為兩個(gè)獨(dú)立的耦合參數(shù)。初始化濾波器6個(gè)參數(shù)S_R1,S_R2,T_R1,T_R2,δ₁和δ₂的尋優(yōu)范圍和步增間隔。

步驟(3)、將兩個(gè)子信號S₁(t)和S₂(t)分別輸入互補(bǔ)隨機(jī)共振濾波器的主通道和互補(bǔ)通道，調(diào)整6個(gè)系統(tǒng)參數(shù)，采用四階龍格庫塔數(shù)值計(jì)算方法分別得到兩個(gè)通道的輸出信號x(t)和y(t)，計(jì)算主通道輸出信號x(t)的加權(quán)譜峭度(weighted power spectrum kurtosis,WPSK)的值。WPSK計(jì)算公式如下所示：

WPSK＝|CC|×PSK

式中CC為輸入信號S₁(t)和濾波輸出信號x(t)的相關(guān)系數(shù)，由下式計(jì)算：

式中S₁[n]和x[n]分別為S₁(t)和x(t)的離散形式，和分別為S₁[n]和x[n]的均值。

PSK為輸出信號x[n]的功率譜峭度，由下式計(jì)算：

式中px[n],n＝1,2,3,…,M為x[n]通過快速傅里葉變換計(jì)算得到的功率譜；為px[n]的均值。

步驟(4)、在6維的加權(quán)譜峭度矩陣中搜索最大值，其對應(yīng)的輸出信號x(t)即為互補(bǔ)隨機(jī)共振濾波器最優(yōu)濾波輸出信號，對該信號做頻譜分析，即可根據(jù)軸承故障特征頻率判斷軸承故障類型。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果為：

(1)本發(fā)明所提供的微弱信號增強(qiáng)檢測方法采用更先進(jìn)的雙通道互補(bǔ)隨機(jī)共振濾波器，利用互補(bǔ)通道相位差異噪聲去增強(qiáng)主通道的微弱周期信號，從而提高了微弱信號的增強(qiáng)檢測效果。

(2)本發(fā)明的互補(bǔ)隨機(jī)共振濾波器采用加權(quán)譜峭度指標(biāo)自適應(yīng)地調(diào)整合適的系統(tǒng)參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)微弱周期信號頻率成分的自適應(yīng)增強(qiáng)。

(3)本發(fā)明的互補(bǔ)隨機(jī)共振濾波器用于軸承故障診斷，能夠?qū)崿F(xiàn)軸承微弱故障特征頻率自適應(yīng)增強(qiáng)，提高故障診斷的準(zhǔn)確度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)流程圖；

圖2為含噪聲正弦信號及其功率譜；

圖3為經(jīng)本發(fā)明濾波器處理含噪聲正弦信號之后得到的最優(yōu)輸出信號及其功率譜；

圖4為軸承內(nèi)圈故障包絡(luò)信號及其功率譜；

圖5為經(jīng)本發(fā)明濾波器處理軸承內(nèi)圈故障信號之后得到的最優(yōu)輸出信號及其功率譜；

圖6為軸承外圈故障包絡(luò)信號及其功率譜；

圖7為經(jīng)本發(fā)明濾波器處理軸承外圈故障信號之后得到的最優(yōu)輸出信號及其功率譜。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施方式進(jìn)一步說明本發(fā)明。

實(shí)施例一：

為了驗(yàn)證本發(fā)明提出的互補(bǔ)隨機(jī)共振濾波器的微弱信號增強(qiáng)檢測性能，首先對含噪聲正弦信號進(jìn)行分析，含噪聲正弦信號的參數(shù)設(shè)置為：A₁＝A₂＝1,f₀＝100Hz,其波形和頻譜如圖2所示。從時(shí)域波形可見，正弦信號完全被噪聲淹沒。從頻譜中可見驅(qū)動頻率f₀，但噪聲干擾十分明顯。把圖2的含噪信號對半拆分成兩個(gè)子信號S₁(t)和S₂(t)并輸入互補(bǔ)隨機(jī)共振濾波器的兩個(gè)輸入端，在最優(yōu)參數(shù)δ₁＝-1.0e6,δ₂＝-1.0e6,S_R1＝1.0e4,S_R2＝1.0e6,T_R1＝1.0e-1,T_R2＝1.1e-1下，互補(bǔ)隨機(jī)共振濾波器的最優(yōu)輸出如圖3所示。從頻譜中可見，高頻和低頻噪聲都被有效地抑制從而使得f₀更為明顯，結(jié)果驗(yàn)證了本發(fā)明濾波器的有效性。

實(shí)施例二：

為進(jìn)一步驗(yàn)證本發(fā)明在微弱信號增強(qiáng)檢測方面的優(yōu)越性，對軸承故障內(nèi)圈信號進(jìn)行分析。內(nèi)圈故障軸承型號如表1所示：

表1 內(nèi)圈故障軸承參數(shù)及故障信息

軸承內(nèi)圈具有局部故障時(shí)，運(yùn)動的滾子會依次通過內(nèi)圈故障部位并碰撞產(chǎn)生沖擊振動，沖擊振動進(jìn)一步引起機(jī)器共振，因此軸承故障信號由一系列共振頻率調(diào)制的衰減沖擊信號構(gòu)成。另一方面，在一定轉(zhuǎn)速下，兩個(gè)相鄰沖擊信號的時(shí)間間隔(其倒數(shù)即為故障特征頻率)能夠反映軸承不同的故障類型。由于故障信號是調(diào)幅信號，因此共振解調(diào)技術(shù)常用于解調(diào)故障信號從而能夠在解調(diào)(包絡(luò))譜中發(fā)現(xiàn)故障特征頻率。信號經(jīng)過帶通濾波和包絡(luò)解調(diào)后，其包絡(luò)信號和包絡(luò)譜如圖4所示。時(shí)域的包絡(luò)信號反應(yīng)了沖擊振動序列的輪廓，從輪廓中可見伴有明顯噪聲干擾的一系列的沖擊脈沖。從包絡(luò)譜中可以辨認(rèn)出旋轉(zhuǎn)頻率f_r和內(nèi)圈故障頻率f_i，但其它噪聲分量十分明顯，從而影響軸承故障的精確診斷。隨后，采用本發(fā)明提出的互補(bǔ)隨機(jī)共振濾波器對包絡(luò)信號進(jìn)行處理。利用加權(quán)譜峭度作為參數(shù)調(diào)節(jié)指標(biāo)得到最優(yōu)的參數(shù)為δ₁＝8.0e6,δ₂＝10,S_R1＝9.0e5,S_R2＝10,T_R1＝1.0,T_R2＝1.0，和最優(yōu)輸出信號及頻譜如圖5所示。在互補(bǔ)隨機(jī)共振濾波器的框架下，互補(bǔ)通道的相位差異噪聲有效地增強(qiáng)了主通道的微弱周期信號，因此故障特征頻率f_i在頻譜中十分突出，相比之下噪聲分量則十分微弱，從而能夠確認(rèn)軸承存在內(nèi)圈故障。

實(shí)施例三：

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本發(fā)明提出方法的優(yōu)越性和有效性，對軸承外圈故障信號進(jìn)行分析，軸承型號如表2所示：

表2 外圈故障軸承參數(shù)及故障信息

分析結(jié)果如圖6和圖7所示，從圖6中可見，軸承外圈故障特征頻率f_o周圍的噪聲十分明顯，干擾對軸承故障的精確診斷。互補(bǔ)隨機(jī)共振濾波器的結(jié)果輸出如圖7所示，最優(yōu)參數(shù)為：δ₁＝-7.9e4,δ₂＝1.0e9,S_R1＝4.0e4,S_R2＝1.0e7,T_R1＝1.0,T_R2＝1.0。頻譜中高頻和低頻噪聲能量降低，故障特征頻率f_o得到有效增強(qiáng)，從而能夠明確判斷軸承外圈存在故障。通過以上兩個(gè)工程應(yīng)用案例，本發(fā)明提出的互補(bǔ)隨機(jī)共振濾波器展現(xiàn)出了良好的微弱信號增強(qiáng)檢測效果，從而利于軸承故障類型的精確診斷。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。

盡管為說明目的公開了本發(fā)明的實(shí)施例和附圖，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換、變化和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于本發(fā)明實(shí)施例和附圖所公開的內(nèi)容。