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
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。
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。
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。
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。
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。
SET算法相关文章下载地址，http://ieeexplore.ieee.org/document/7906573/
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？ 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。 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。。。 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 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？ 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。 能否适用暂态电流的特征提取 请问有没有变速的轴承数据？
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