基于数学形态学的旋转机械振动信号降噪方法木.PDF

维普资讯 第42卷第4期 机 械 工 程 学 报 v。1．42No．4 2006年 4月 CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERING Apr． 2006 基于数学形态学的旋转机械振动信号降噪方法木 胡爱军 唐贵基 安连锁2 (1．华北电力大学机械工程学院 保定 0710031 2．华北电力大学动力工程学院 保定 071003) 摘要：基十数学形态学实现振动信号降噪。研究了数学形态滤波器对振动信号在不同类型、 同强度噪声干扰下 的降噪能力，提出了采用开一闭和闭一开组合数学形态滤波器实现旋转机械振动信号降噪处理的方法。通过仿真 计算及实例，检验了形态滤波器的滤波效果，表明数学形态滤波器可以有效剔除脉冲、降低随机噪声干扰，提高 振动信号的信噪比。对强烈噪声干扰采用傅里叶变换与形态滤波器结合的处理方法可以取得明显的滤波效果。并 具有算法简单、运算速度快的特点。 关键词：数学形态学 旋转机械 滤波器 振动 噪声 中图分类号：TN911 征，要比传统的线性滤波更为有效。利用构成数学 0 前言 形态滤波 ，即使原始信号伴随较强的噪声，甚 至发生了严重的畸变，其基本形状仍可以被识别和 振动信号分析是旋转机械状态监测与故障诊断 重构及增强。数学形态学在图像处理引【、形状分析、 中应用最广泛的方法。在实际工程测量中，现场采 模式识别和计算机视觉等方面己得到广泛应用，在 集的振动数据往往被各种噪声污染，在某些情况下 电力系统的信号分析l5J中也得到了一定应用，而应 噪声干扰甚至大于实际的真实信号，信号降噪成为 用于振动信号处理有待深入研究。 动态信号测试和设备故障诊断研究的重要内容。近 根据旋转机械振动信号的特点，引入形态学方 年来基于小波分析等对信号奇异性特征提取llJ的故 法，采用数学形态滤波器处理含噪声的振动信号， 障早期诊断取得了一定进展，然而这些研究多是在 消除振动信号噪声，提取出信号特征，重构原始信 无噪声情况下进行的，由于小波对噪声和微弱信号 号。研究了数学形态滤波器对含有不同类型、不同 同样敏感，降噪也成为其工程应用的重要内容。 强度噪声信号的降噪能力，使数学形态滤波器对旋 数字滤波器是振动信号预处理的常用手段，大 转机械振动信号处理取得了较好的滤波效果。 多数场合已代替了传统的模拟滤波器。常用的数字 滤波器有时域平均法、IIR／FIR 滤波器及小波滤波 1 数学形态滤波的基本原理 器 J等。时域平均方法在具体实施过程中需要对大 量的数据进行处理，且要求有时标信息的支持，小 1．1 数学形态基本变换 波降噪技术的降噪效果则在很大程度上取决于滤波 数学形态学是一种非线性图像(信号)处理和分 器性能的优劣，即选择不同的滤波器所得的降噪效 析工具。数学形态学以集合来描述 目标信号，其思 果也有所区别。另外，数字滤波器由于基于时域、 想是设计一个称作结构元素的“探针”(相当于滤波 频域或时频域(如小波)构建，存在着诸如时滞、相 窗1，收集信号的信息，通过该探针在信号中不断移 移等缺点：对于信号频率和噪声干扰的频率重叠在 动，对信号进行匹配，以达到提取信号、保持细节 一 起的情况，常用滤波器都无法将两者区分开米。 和抑制噪声的目的。形态变换一般分为二值形态变 数学形态学 (Mathematicalmorphology)是基 换和多值形态变换(灰度变换)。全