Hilbert包络解调原理及噪声影响分析
摘自：《齿轮和滚动轴承故障的振动诊断》.西北工业大学硕士学位论文.陈刚
4.2.2包络分析
包络分析法是利用包络检波和对包络谱的分析，根据包络谱峰来识别故障的方法，亦称包络解调。包络解调把与故障有关的信号从高频调制信号中解调出来，从而避免与其它低频干扰的混淆，故有很高的诊断可靠性和灵敏度。
4.2.2.2 噪声对包络解调的影响很大：
（1）理论分析
（2）数字仿真验证噪声对包络解调的影响
（3）实验信号验证
《齿轮和滚动轴承故障的振动诊断》. 西北工业大学硕士学位论文. 陈刚 P36~P39
包络解调法及其诊断
包络解调法及其诊断 包络解调法是故障诊断中较常用的一种方法，它可非常有效地识别某些冲击振动。从而找到该冲击振动的振源。例如，当轴承或齿轮表面因疲劳或应力集中而产生剥落和损伤时，会产生周期性的冲击振动信号，如图4—25所示。 从图4—25个可以看出，信号包括两部分：—部分是载频信号，即系统的自由振荡信号及各种随机干扰信号的频率，是图形中频率成分较高的信号；第二部分是调制信号，即包络线所包围的信号。它的频率较低，多为故障信号。 因此．若要对故障源进行分析，就必须把低频信号(或调制信号)从高频信号(或载频信号)中分离出来。这一信号分离、提取过程，被称为信号的包络解调。对分离提取出来的包络信号进行特征频率和幅度分析，就能准确可靠地诊断出如轴承和齿轮的疲劳、切齿、剥落等故障。
目前分析高频冲击的有效方法之一是共振解调(包络处理)，即取振动时域波形的包络线，然后对包络线进行频谱分析。由于包络线处理可找出反复发生振动的规律，根据轴承的特征频率，就可诊断出轴承或齿轮故障的部位。研究表明，当轴承或齿轮无故障时，在共振解调频谱中没有高阶谱线;有故障时，共振解调频谱中出现高阶谱线。 当齿轮发生疲劳裂纹时，齿轮刚度的变化会引起齿轮振动噪声信号瞬时频率(相位)和幅值的变化。但裂纹由于只影响齿轮刚度，齿形无大变化，故振动噪声信号在频域中无明显征兆，因此频谱分析对裂纹诊断基本无效。可采用时域平均法分析。如果齿轮同时存在其它类型的故障，则时域平均法的可靠性不高。此时可试用希尔伯特变换或自适应滤波技术提取相位信息，也可试用共振解调分析技术即包络谱分析法。 一、包络分析法进行故障诊断的原理 当轴承或齿轮某一元件表面出现局部损伤时，在受载运行过程中
什么是包络频谱
什么是包络频谱？ 假设旁边的时间信号是由啮合齿轮的振动引起的。 这个信号是传送力引起的。它从一个齿轮牙传到另一个齿轮牙。 如果牙与牙的传送力是一样，那么整个周期的振动值就是想同的。 正常振动的频谱只会有一种频率，那就是啮合频率 啮合频率(F)=转频(T)X 牙数(N) 如果齿轮节径和轴的中心不在同一位置。那么牙与牙之间的距离就会改变，相应的传送力也会改变。 齿轮啮合频率 F 该谱显示两种频率，一是啮合频率，二是轴的转频 它会产生啮合频率的幅值波动
什么是包络分析 该信号包含一个稳定的啮合频率， 还有一个由轴转速引起的波动信号 如果我们使用只测量波动信号的仪器，那么就会产生旁 边的信号 这个频谱强调了波动信号，使稳定信号 影响最小。在新的频谱中轴的波动是支配信号，而不是在正常振动的啮合频率 信号。 这就是包络频谱 。 我们要看到高频振动的波动最好使用加 速度，单位是 “g”,当频率增加，加速度的信号值就会增加。 包络信号由自己的单位 “gE” (包络加速度). 包络信号值是由多少个产生原始信号的波动故障决定的，而不是由故障的严重程度决定。所以不同测点进行比较就会很困难，而同一测点的包络频谱可以进行比较。 齿轮啮合 轴转速波动 轴转速波动 轴转速波动 F
“包络” 谱图的术语不是对信号处理过程的确切描述，但仍是我们为了简化时所用的术语。 包络谱和传统的频谱在外观上(振幅和频率)并没有区别只是表示不同的信息 包络谱图对正弦运动不敏感–而不象FFT图能用位移，速度和加速度参数确定简单正弦运动产生的复杂信号。 包络谱对与冲击力相关的事件敏感。 量化冲击频率和强度对振动分析是非常有帮助的。尽管有些机器会产生冲击能量(如往复设备), 但大多数机器不会。冲击力是破坏性的，通常表明会发生故障。最典型的包络谱图应用是检测轴承缺陷。 什么是包络信号，如何得到? （1）测量的振幅单位是加速度但信号的处理区别于传统的加速度信号。 （2）振幅单位由厂商自己定–每一个都有自己的名字，或是单位的首写字母。 例如: CSI (Emerson) 使用峰值；Entek (Rockwell Automation)使用gSE (脉冲能–缩略为IRD) ；SKF 使用HFD (高频域) 和ESP (包络信号处理–缩略为DI) （3）使用滤波器处理信号，强调可能发生的每一种冲击力。 滤波器有两个等级： 包络滤波器–这种类型的滤波器设置包络的频率，包括了高频(Fmax)和低频(Fmin)。发生的任一振动超出此范围都会被过滤掉。 高通滤波器–这种类型的滤波器取消了高频Fmax限制，但仍有Fmin限制，过滤低于它的振动频率。 每一个厂商设置自己的信号处理和滤波器。因此, 尽管它们都提供类似的信息, 但在振幅范围内是不能直接相比的。 （4）信号处理集中在短时冲击信号上(时域信号的脉冲)，在这种情况下FFT处理往往“失效” (更准确的说是“更难发现”) 因为它适合处理平稳信号。
震动测试第9章 包络分析
包络谱分析?什么是“包络”谱图??如何区别对待? ?轴承缺陷模拟放大器?“冲击能”是这样产生的??冲击能如何影响FFT ??包络谱能提供什么信息??轴承缺陷之外“冲击源" ??警语
什么是“包络谱”图? Y-轴单位: 振幅 X-轴单位: 频率(cpm or Hz)
“包络”谱图的术语不是对信号处理过程的确切描述，但仍是我们为了简化时所用的术语。 包络谱和传统的频谱在外观上(振幅和频率)并没有区别-只是表示不同的信息 包络谱图对正弦运动不敏感–而不象FFT图能用位移，速度和加速度参数确定简单正弦运动产生的复杂信号。 包络谱对与冲击力相关的事件敏感。 量化冲击频率和强度对振动分析是非常有帮助的。尽管有些机器会产生冲击能量(如往复设备), 但大多数机器不会。冲击力是破坏性的，通常表明会发生故障。最典型的包络谱图应用是检测轴承缺陷。
包络谱图的处理过程? 什么是包络信号，如何得到? （1）测量的振幅单位是加速度但信号的处理区别于传统的加速度信号。 （2）振幅单位由厂商自己定–每一个都有自己的名字，或是单位的首写字母。 例如: CSI (Emerson) 使用峰值；Entek(Rockwell Automation)使用gSE(脉冲能– 缩略为IRD)；SKF 使用HFD (高频域) 和ESP (包络信号处理–缩略为DI)（3）使用滤波器处理信号，强调可能发生的每一种冲击力。 滤波器有两个等级： 包络滤波器–这种类型的滤波器设置包络的频率，包括了高频(Fmax)和低频(Fmin)。发生的任一振动超出此范围都会被过滤掉。 高通滤波器–这种类型的滤波器取消了高频Fmax限制，但仍有Fmin限制， 过滤低于它的振动频率。 每一个厂商设置自己的信号处理和滤波器。因此, 尽管它们都提供类似的信息, 但在振幅范围内是不能直接相比的。 （4）信号处理集中在短时冲击信号上(时域信号的脉冲)，在这种情况下FFT处理往往“失效”(更准确的说是“更难发现”) 因为它适合处理平稳信号。 （5）如果冲击间隔一致(如冲击力有规律地发生), 那么这段时间间隔就会转化 成理想的频率单位(Hz or cpm)。 （6）可以估算冲击强度，这与冲击脉冲信号和背景噪声之比有关。 （7）相应频率的振幅峰值显示在频谱上。 包络谱提供给我们一种位移、速度和加速度谱不可能比是的有价值的信息，它为分析专家提供了另一种有力工具。
EMD包络谱故障分析
EMD 分解后的原始信号及频谱 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 010002000 3000 4000 5000 6000 0.050.1 0.15 0.2 原始信号频谱 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 -0.4 -0.200.20.4原始信号时域波形 0.02 0.04 0.06原始信号频谱 从时域图中可以看到较为明显的周期性冲击，但是故障特征不明显。在频谱当中，亦存在较为明显的边频带以及很多共振频率，这些冲击大都是电机转数的倍频。
原始信号的包络 1000 2000 3000 4000 5000 6000 00.010.020.03 0.04原始信号包络谱 100 200 300 400 500 600 求信号的包络谱，明显看出转速及其二倍频。 EMD 分解 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50.6 0.7 0.8 0.9 -0.200.2IMF1时域波形图 00.10.20.30.4 0.50.60.70.80.9 -0.200.2IMF2时域波形图00.10.20.30.4 0.50.60.70.80.9 -0.200.2IMF3时域波形图00.10.20.3 0.40.50.60.70.80.9 -0.200.2IMF4时域波形图00.10.20.3 0.40.50.60.70.80.9 -0.100.1IMF5时域波形图00.10.2 0.30.4 0.5 0.60.70.80.9 -0.05 00.05IMF6时域波形图
IMF 分量的频谱 00.05 IMF1频谱 00.01 0.02IMF2频谱 0100020003000400050006000 00.005 0.01IMF3频谱 00.01 0.02IMF4频谱 00.005 0.01IMF5频谱 0100020003000 400050006000 0.005 0.01IMF6频谱 IMF 分量的包络 100 200 300 400500600700 800 900 1000 00.05IMF1包络谱 01002003004005006007008009001000 00.010.02IMF2包络谱 01002003004005006007008009001000 00.005 0.01IMF3包络谱 01002003004005006007008009001000 00.010.02IMF4包络谱 0100 2003004005006007008009001000 0.005 0.01IMF5包络谱 100 200300400 500 600 7008009001000 05-3IMF6包络谱 从上图可以看出，也有电机转速的及其倍频处的冲击。
基于LabVIEW的包络谱分析在齿轮箱故障诊断中的研究
龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/ae3326198.html, 基于LabVIEW的包络谱分析在齿轮箱故障诊断中的研究 作者：李旗朱成俊 来源：《中国科技博览》2017年第25期 [摘要]齿轮箱在运行时的故障振动信号往往表现出非线性与非平稳性并且以调制的形式存在，基于此本文结合LabVIEW强大的信号处理功能和包络谱分析在处理调制信号的优点，将其应用到齿轮箱的故障诊断中，通过实验结果表明：基于LabVIEW的包络谱分析能够有效的辨别出齿轮箱的故障信息。 [关键词]故障诊断；包络谱；LabVIEW；齿轮箱 中图分类号：TH165.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）25-0127-01 齿轮箱是机械设备的重要组成部件，如果发生故障，往往会产生不可逆转的破坏，因此对其进行故障监测具有重要的价值。但是由于齿轮箱在运行时环境的复杂性，其振动信号往往表现出非线性和非平稳性，很难对其进行直接分析判断，而传统的傅里叶变换只适合应用于处理平稳信号，已经不适合用于对齿轮箱进行监测。因此需要找到其它的适合处理非平稳信号的算法，基于此刘自然提出了先用EMD将信号进行分解后，提取出表示齿轮箱故障特征的IMF，然后进行倒频谱分析，该方法准确的判断出了齿轮箱的故障信息。本文以LabVIEW为开发环境，设计了包络谱分析的齿轮箱故障诊断系统，将其应用到齿轮箱的故障诊断中。 1 包络谱分析基本原理 包络谱分析是针对非平稳调制信号的处理算法。对比传统的傅里叶变换，包络谱分析算法不仅改进在处理信号方式的算法，而且在处理的过程中有所加强。在包络谱分析之前对所需处理的信号进行带通滤波可以消除低频成分对信号分析时候的影响，有利于提取出所需的低频调制信号。对经过包络谱分析变换处理后得到的包络谱分析图进行分析可以诊断机械的故障类别。对信号进行包络谱分析时需先对进行Hilbert变换，其公式为 包络谱分析是诊断机械设备零件损伤的一种有效方法，经常把它应用到对轴承故障检测，现将其应用到齿轮箱诊断中。先通过数据采集卡采集齿轮箱振动信号，对其进行高通或带通滤波处理，对处理后信号进行包络谱分析，判断齿轮箱故障（图1）。 2 包络谱分解的LabVIEW实现 LabVIEW是NI公司开发的图形化编程语言，包含很多信号处理工具包，为信号处理提供了很大帮助。LabVIEW在工程上的应用越来越突出，本文结合LabVIEW编写关于包络谱分析
包络线和包络谱计算程序
%一个求包络线和包络谱的程序 %现代希尔伯特变换解调分析： %带通滤波；希尔伯特变换获得信号时域的包络线；用fft变换获得包络谱 %如何获得包络线？ %信号经希尔伯特变换不能直接得到包络，设信号x的希尔伯特变换为y，则平方和 %x.^2+y.^2(或者再开根号，直接取平方和的效果为好)才是信号x的包络。 %构造实验数据 clear all;close all; t=0:0.005:1*pi; fs=10000; s=4*sin(2*200*pi*t).*(sin(2*4500*pi*t))+25*(sin(2*4500*pi*t)); figure(1); subplot(211);plot(t,s);title('原始信号'); %运用小波方法滤波 [c,l]=wavedec(s,1,'db10'); d1=wrcoef('d',c,l,'db10'); a1=0; subplot(212);plot(d1);title('滤波后重构的高频信号'); %希尔伯特变换求包络线 y=hilbert(d1); y1=abs(d1+y*j); %这是取得包络线的三种方程。看一看哪种效果好。 %y1=abs(y); %或者z=x.^2+y.^2; 有的取得是abs(y),但是不推荐用。%y1=d1.^2+y.^2; %通过分析，该方程在包络谱中的效果最好，即取二者平方和。 figure(2); subplot(211); hold on plot(t,s); plot(t,y1,'r');title('包络线'); hold off %FFT求包络谱 N=1024; p=abs(fft(y1,N)); subplot(212); plot((0:N/2-1)/N*fs,p(1:N/2));%只需取到半频，即fs/2 %f=(0:N-1)*fs/N; plot(f,p); %横坐标是在fs上，其中以fs/2为轴中心对称。 title('包络谱');xlabel('频率');ylabel('功率谱'); %对比信号直接的傅里叶变换功率谱与包络谱
基于EMD包络功率谱滚动轴承故障诊断
基于EMD的包络功率谱滚动轴承故障诊断
摘要 本文简要介绍了滚动轴承的故障特征及判定方法，并基于经验模态分解EMD(Empirical Mode Decomposition)与功率谱相结合的方法。将原始信号分解成不同尺度的固有模态函数IMF(Intrinsic Mode Function),求取IMF分量的包络,计算其包络功率谱,得到轴承的故障特征频率，进行诊断。 关键词：滚动轴承；故障诊断；EMD；包络功率谱
Abstract This paper briefly introduces the method of judging and fault features of rolling bearing, and based on empirical mode decomposition EMD (Empirical Mode Decomposition) method combined with power spectrum. The original signal is decomposed into different scales of intrinsic mode function IMF (Intrinsic Mode Function), the envelop take IMF components, calculate the envelope power spectrum, get the fault characteristic frequency of bearing, diagnosis. Keywords: rolling bearing; fault diagnosis; EMD; envelope power spectrum
EMD包络谱故障分析
基于EMD 的包络谱进行故障诊断 故障频率介绍： 轴承故障的频率f=a*fr(a 是上表系数，fr 是电机转数) 正常信号 对正常信号分别观察原始信号和频谱，原始信号的包络，EMD 分解，EMD 分解后的IMF 分频谱和包络。 原始信号及频谱 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 -2-1012 原始信号时域波形 010002000 3000 4000 5000 6000 0.05 0.1 0.15 0.2 原始信号频谱 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 -0.4 -0.200.20.4原始信号时域波形 0100020003000400050006000 0.02 0.04 0.06X: 358.9Y: 0.01467 原始信号频谱 X: 164.8 Y: 0.01828 X: 1036Y: 0.0564 X: 2102Y: 0.02123
从时域图中可以看到较为明显的周期性冲击，但是故障特征不明显。在频谱当中，亦存在较为明显的边频带以及很多共振频率，这些冲击大都是电机转数的倍频。 原始信号的包络 1000 2000 3000 4000 5000 6000 00.010.020.03 0.04原始信号包络谱 100 200 300 400 500 600 求信号的包络谱，明显看出转速及其二倍频。
EMD 分解 0.1 0.2 0.3 0.40.50.6 0.7 0.8 0.9 -0.200.2IMF1时域波形图 00.10.20.30.40.50.60.70.80.9 -0.200.2IMF2时域波形图 00.10.20.30.40.50.60.70.80.9 -0.200.2IMF3时域波形图 00.10.20.30.40.50.60.70.80.9 -0.200.2IMF4时域波形图 00.10.20.30.40.50.60.70.80.9 -0.100.1IMF5时域波形图 00.10.20.30.4 0.5 0.60.70.80.9 -0.05 00.05IMF6时域波形图 IMF 分量的频谱 00.05 IMF1频谱 00.01 0.02IMF2频谱 0100020003000400050006000 00.005 0.01IMF3频谱 00.01 0.02IMF4频谱 00.005 0.01IMF5频谱 0100020003000 400050006000 0.005 0.01IMF6频谱 IMF 分量的包络