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化工技术之小波降噪与FFT降噪比较

发布日期: 2019-11-30

来源: www.qdf0605.com

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  • 资料类别: 水利水电
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  • 更新时间: 2019-11-30
  • 发布者: 清道夫环保网

基本简介

化工技术之小波降噪与FFT降噪比较

小波降噪与FFT降噪比较

过比较小波降噪和FFT降噪对信号分析的结果及其对降噪后的轴心轨迹图,可知小波降噪对消除噪声对信号的影响有良好效果,进而对诊断机组故障提供依据,所以小波降噪对工程实践中信号分析与处理起到了定作用。

1 小波降噪的原理和方法

降噪是小波分析在信号处理领域的主要用途之一。由于在正交小波中,正交基的选取比传统方法更接近实际信号本身,通过小波变换可以更容易地分离出噪声部分。传统降噪方法的不足之处在于使信号变换后的熵增高,无法刻画信号的非平稳特性并且无法得到信号的相关性

振动信号的噪声一般可以分为有色噪声和白噪声两类。在降噪过程中,对于有色噪声的消除,般采用首先对有色噪声白色化,然后再按照白噪声的消噪方式进行处理。因此,消噪研究的重点是如何消除信号中的白噪声。个含有噪声的维信号的模型可以表示成如下的形式

s(t)=f(t)+σ·e(t)t=0…,n-1 1)

式中:f(t)为真实信号;e(t)为噪声;σ为噪声强度s(t)为含噪声的信号。

认为e(t)为高斯白噪声,则噪声等级为1。在实际工程应用中,有用的信号通常表现为低频信号或是一些比较平稳的信号,而噪声信号则通常表现为高频信号。所以消噪过程可按如下方法进行处理首先对信号进行小波分解,根据小波分解的特点,将信号分为低频段和高频段则噪声部分通常包含在高频段中,因此对高频段以门限域值等形式对小波系数进行处理,这种处理符合噪声在高频部分均匀密集的特点。最后对信号进行重构,实现消噪的目的。对信号s(t)的消噪的目的就是要消除信号中的噪声部分σ·e(t)s(t)中恢复出真实信号f(t)。维信号利用小波进行除噪的步骤如图1

 

1 小波降噪的步骤

Fig.1 Steps of wavelet denoise process

2 小波降噪与FFT降噪比较

在对信号的降噪过程中,由于傅里叶分析是将信号完全在频域中进行分析,信号在时间轴上的任何个突变,都会影响信号的整个频谱,不能给出信号在某个时间点的变化情况。小波分析由于能同时在时频域中对信号进行分析,具有多分辨分析的功能,所以能在不同的分阶层上有效地区分信号的突变部分和噪声,从而实现信号的降噪。

MATLAB的含噪信号noisdopp为例,分别以小波分析的方法和快速傅里叶变换(FFT)的方法对其降噪,并对结果进行定量对比分析。同时为了比较两种不同的阈值降噪的结果,进行小波分析降噪采用默认阈值和给定阈值两种方法。小波降噪后的结果如图2所示,FFT 降噪后的结果如图3所示。

 

2 小波变换下两种方法的小波降噪结果

Fig.2 Wavelet transform results of the two methods of wavelet denoise

 

3 FFT对信号降噪的结果

Fig.3 FFT result of the signal denoise

从图3中可以看出,在这个例子中原始信号noisdopp的初始发展阶段振荡频率很高,但经过FFT变换后的低通滤波把这些高频成分过滤掉了,同时很多有用的信号成分也可能丢失掉。而在图2中,默认阈值和给定阈值方法降噪的信号都很好地保留了信号发展初期的高频特性,且性能参数给定消噪处理后的信号较为光滑。从直观上显示了小波降噪较FFT降噪的优越性,下面对其降噪结果进行定量对比。对两种方法降噪后的信号计算能量比例和标准差,这两个数据体现了在信号降噪准则下的降噪效果,结果见表1

1 降噪后的信号能量百分比和标差

Tab.1 After noise reduction and standard deviation of the percentage of signal energy

 

默认阈值降噪

给定阈值降噪

FFT方法降噪

占原信号的能量百分比(%)

97.74

96.45

96.45

与原信号的标准差

28.0714

31.0548

34.8462

使用小波变换进行噪声抑制时,降噪后的能量比例(97.74 %96.45%)均不低于FFT消噪的结果(96.45 %),这反映了小波降噪后的信号光滑性较好而前两种消噪方法的标准差(28.071431.0548)则小于FFT消噪后的标准差,这体现了小波降噪后的信号与原信号保持了更高的相似度。

3 实例及结果分析

试验采用美国本特利公司生产的ADRE forWindows208DAIU8通道振动数据采集分析系统。键相信号及振动信号均取自机组配置的3300系统,本系统采用非接触式电涡流传感器测量轴径振动,轴振测点分X方向和Y方向布置,两方向夹角为90°。某电厂11号机组定速3000r/min时测得数据经降噪处理后,图4为原信号与各层分解后波形,图5为降噪前轴心轨迹图,图6为降噪后轴心轨迹图。

 

4 原信号与各层分解后波形

Fig.4 Layers of the original signal waveform decomposition

 

5 降噪前轴心轨迹图

Fig.5 Orbit before denoise

 

6 降噪后轴心轨迹图

Fig.6 Orbit after denoise

该机于2009310日凌晨大修后首次冲车,2040r/min暖机之前机组振动未见异常,刚至2040r/min时各瓦轴振动数据如表2所示。

2 各轴瓦振动数据

Tab.2 Bearing vibration data

轴瓦位置

基频/(μm)

相位/(°)

通频/(μm)

1号轴瓦X

37

279

45

2号轴瓦X

3

0

19

3号轴瓦X

7

241

22

4号轴瓦X

20

52

32

5号轴瓦X

25

9

36

6号轴瓦X

5

307

32

7号轴瓦X

76

51

82

8号轴瓦X

16

148

41

随着2040r/min暖机时间的延长,1X,2X方向振动开始爬升,引起变化主振频率是基频,但基频相位较稳定,其中1X方向振动爬升较快,当1X方向振动爬到132μm时,运行人员打闸停机当转速降至1650r/min时,1X方向振动最大到,330μm转速降到500r/min1X方向振动和升速至500r/min的振动基本一样。鉴于以上振动特征,认为造成1X2X方向振动异常的原因是1号轴瓦处转子和轴端汽封发生了碰摩,使高中压转子产生了热弯,进而带动2号轴瓦振动爬升。带负荷后,4X方向振动出现爬升的原因是4号轴瓦处转子与汽封发生了碰摩,可能碰摩部位是轴端汽封,使转子产生了热弯。

4 结论

通过比较小波降噪和FFT降噪对信号分析的结果及其对降噪后的轴心轨迹图,可知小波降噪对消除噪声对信号的影响有良好效果,进而对诊断机组故障提供依据,所以小波降噪对工程实践中信号分析与处理起到了定作用。

 

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