Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych. Podstawy pomiaru i analizy sygnałów wibroakustycznych wykorzystywanych w diagnostyce

Transkrypt

1 ĆWICZEIE 1 Podstwy pomiru i nlizy sygnłów wibrokustycznych wykorzystywnych w dignostyce Cel ćwiczeni Poznnie podstwowych, mierzlnych wrtości procesów wibrokustycznych wykorzystywnych w dignostyce, metod przetwrzni i nlizy sygnłów, wpływu prmetrów pomirowych n dokłdność wyników. Przebieg ćwiczeni 1.1 Anliz przebiegów czsowych, proste pomiry cłkowe. 1. Anliz widmow sygnłów wibrokustycznych. 1.3 Anliz mplitudowo-fzow. Zdnie 1.1 Pomir podstwowych prmetrów sygnłów towrzyszących prcy różnych urządzeń, oprócz śledzeni procesu technologicznego, może służyć również celom dignostycznym, np. pomir prądu, prędkości, przepływu, itp. Pondto wiele mszyn m wbudowne dodtkowe czujniki (przetworniki) pozwljące monitorowć np. temperturę, drgni. Dne uzyskne w ten sposób zwykle służą do porównni z wrtościmi grnicznymi i zpobieżenie ewentulnym wriom. Mogą również wskzywć n pogorszenie stnu mszyn i konieczność konserwcji lub remontu. Odczyt wyników pomirów tkich prmetrów, njczęściej odbyw się przy pomocy prostych mierników podjących pojedynczą wrtość mierzonego sygnłu. Znjomość metod przetwrzni orz prmetrów pomiru zstosownych w tych miernikch m duże znczenie dl oceny dokłdności i istotności uzyskiwnych informcji Podstwowe informcje Sygnły dignostyczne mją zwykle złożony przebieg czsowy chrkteryzujący się wielom prmetrmi. Który z tych prmetrów mierzymy i monitorujemy zleży od rodzju sygnłu. Podstwowymi prmetrmi cłkowymi wykorzystywnymi w dignostyce są: wrtość skuteczn (Root Men Squre RMS) 1 A ( t) T t 0 wrtość średni (Men/Averge) 1 A ( t) T t 0 wrtość średni wyprostown (Rectified Men/Averge) 1 A ( t) T t 0 Dr inż. Witold Kubik 1

2 wrtość szczytow (Pek) ( t) A mx lub A mx n poziom (Level) A 10 log Pomir podstwowych prmetrów cłkowych rożnych przebiegów czsowych Wykorzystując genertor sygnłów orz wbudowne funkcje pomirowe wygenerowć jeden okres sygnłów o różnych ksztłtch sinusoidy, trójkąt, prostokąt. Obserwowć wskzni mierników wrtości skutecznej, średniej, średniej wyprostownej orz szczytowej. Porównć stosunki poszczególnych wskzń w zleżności od ksztłtu przebiegu. Znleźć przykłdy zstosowń poszczególnych prmetrów w dignostyce Wykorzystując genertor sygnłów orz wbudowne funkcje pomirowe wygenerowć szum (imitcj hłsu). Zmienić mplitudę sygnłu obserwując wskzni mierników wrtości skutecznej orz poziomu. Określić jki musi być przyrost mocy sygnłu, by uzyskć zminę poziomu o 3 db Bdnie wpływu prmetrów pomiru n dokłdność uzyskiwnych wyników Wykorzystując genertor sygnłów orz wbudowne funkcje pomirowe wygenerowć sygnł sinusoidlny o przypdkowej fzie początkowej i różnej długości (czsie pomiru). Obserwowć wskzni mierników wrtości skutecznej, średniej, średniej wyprostownej orz szczytowej. Określić minimlną ilość okresów bdnego sygnłu wymgną do zmniejszeni błędu przypdkowego poniżej 0,5 % Bdnie wpływu zkłóceń n dokłdność uzyskiwnych wyników Wykorzystując genertor sygnłów orz wbudowne funkcje pomirowe wygenerowć sygnł sinusoidlny o przypdkowej fzie początkowej i liczbie okresów równej, co njmniej, wyznczonej w punkcie Zsumowć ten sygnł z szumem (zkłóceniem). Zmienić mplitudy sygnłów obserwując wskzni mierników wrtości skutecznej orz poziomu. Określić stosunek sygnłu sinusoidlnego do szumu dl którego błąd wyznczeni poziomu jest mniejszy niż 0,5 db. Zdnie 1. W dignostyce konstrukcyjnej orz eksplotcyjnej stosuje się brdziej złożone metody nlizy sygnłów niż określenie prostych prmetrów stosownych w dignostyce kontrolnej wytwrzni i procesu produkcji. Ocenie jkości konstrukcji, w późniejszym okresie eksplotcji, stnu technicznego, mogą służyć testy i pomiry wykorzystujące nlizę widmową (częstotliwościową) sygnłów wibrokustycznych Podstwowe informcje Sygnły dignostyczne mją zwykle złożony przebieg czsowy chrkteryzujący się zwrtością sygnłów skłdowych, np. sinusoidlnych o różnych mplitudch i fzch Dr inż. Witold Kubik

3 początkowych ze względu n różne źródł ich pochodzeni. Sygnły te nie muszą być powiązne ze sobą, jk np. hrmoniczne przebiegów okresowych. Dodtkowo, zwykle występują zkłóceni, okresowe i nieokresowe (szum). Podstwowym nrzędziem wykorzystywnym do nlizy tkich sygnłów jest przeksztłcenie Fourier, przetwrzjące sygnł czsowy n widmo częstotliwościowe, dostrczjące nm informcji o zwrtości energetycznej sygnłu w poszczególnych psmch częstotliwości: F ( f ) f ( t) + - jπft e dt F f πkn j lub ( ) ( ) k 1 f t W prktyce wykorzystuje się szczególny przypdek dyskretnego przeksztłceni Fourier (Discret Fourier Trnsform - DFT) wykorzystujące liczbę próbek będącą potęgą liczby dw (Fst Fourier Trnsform - FFT). Uprszcz to i przyspiesz lgorytmy obliczeń cyfrowych. 1.. Pomir widm częstotliwościowych podstwowych przebiegów czsowych Wykorzystując genertor sygnłów orz wbudowną funkcję nliztor FFT wygenerowć jeden okres sygnłów o różnych ksztłtch sinusoidy, trójkąt, prostokąt. Obserwowć widm częstotliwościowe bdnych przebiegów. Ocenić ilość, częstotliwość i stosunek mplitud poszczególnych hrmonicznych Wykorzystując genertor sygnłów orz wbudowną funkcję nliztor FFT wygenerowć szum. Obserwowć widmo częstotliwościowe bdnego przebiegu. Porównć wrtości skuteczne w poszczególnych psmch z wrtością skuteczną cłego sygnłu Powtórzyć punkty orz 1... zmienijąc sklę mplitudy z liniowej n logrytmiczną (poziom). Ocenić przydtność skli logrytmicznej w nlizie rożnych sygnłów dignostycznych Bdnie wpływu prmetrów pomiru n dokłdność uzyskiwnych wyników Wykorzystując genertor sygnłów orz wbudowną funkcję nliztor FFT wygenerowć sygnł sinusoidlny o przypdkowej fzie początkowej. Zmienić nstwy prmetrów pomiru: częstotliwość próbkowni, od dużo większej niż częstotliwość przebiegu, do równej i mniejszej niż częstotliwość bdn; liczbę próbek (czs pomiru); okno czsowe, Hnning lub prostokątne; liczbę uśrednień. Obserwowć widm częstotliwościowe bdnego przebiegu. Ocenić wpływ poszczególnych prmetrów n jkość uzyskiwnych wyników, szczególnie n rozdzielczość, zkres częstotliwości, lising orz n liczbę prążków i dokłdność pomiru mplitudy bdnego sygnłu Bdnie wpływu zkłóceń n dokłdność uzyskiwnych pomiru Wykorzystując genertor sygnłów orz wbudowną funkcję nliztor FFT wygenerowć dowolny sygnł o przypdkowej fzie początkowej. Zsumowć ten sygnł z szumem (zkłóceniem). Zmienić mplitudy sygnłów obserwując wskzni mierników wrtości skutecznej orz poziomu. Zmienić liczbę uśrednień. Zsynchronizowć pomir z sygnłem użytecznym. Ocenić możliwość wyodrębnieni użytecznego sygnłu z szumu zkłóceń. Ocenić przydtność liniowej i logrytmicznej skli mplitudy. e Dr inż. Witold Kubik 3

4 Zdnie 1.3 W dignostyce konstrukcyjnej często niezbędne jest znlezienie źródeł, czyli przyczyn, niepożądnych drgń i/lub hłsu. Do tego celu wykorzystuje się nlizę mplitudowo fzową. Opier się n wieloknłowej nlizie częstotliwościowej. Jednoczesny pomir wielu sygnłów pozwl n wyodrębnienie z nich konkretnych częstotliwości pomiędzy którymi zchodzą związki przyczynowo skutkowe. Możn określić stosunek mplitud i przesunięcie fzowe pomiędzy sygnłem wymuszjącym i sygnłem odpowiedzi Podstwowe informcje Podstwowym nrzędziem wykorzystywnym do nlizy mplitudowo częstotliwościowej są wieloknłowe nliztory FFT (minimln liczb knłów wynosi dw). Przy jednoczesnym pomirze przebiegu czsowego w dwu knłch możliwe jest, oprócz wyznczeni widm jednokrotnych (zwierjących informcje mplitudowe i fzowe) w poszczególnych knłch, tkże, widm skrośnego: * SAB( f ) A ( f ) B( f ) gdzie: A * ( f ) - jednokrotne zespolone widmo sprzężone sygnłu z knłu A, B ( f ) - jednokrotne zespolone widmo sygnłu z knłu B. Uwg: w rzeczywistości stosowne są uśrednione, jednostronne postcie widm. W przypdku widm skrośnego zchown zostje informcj o przesunięciu fzowym pomiędzy sygnłmi, pomimo uśrednieni. Amplitud spektrum skrośnego jest iloczynem obu mplitud fz różnicą fz liczoną od A do B, odpowiednio dl kżdej częstotliwości. Dodtkowymi prmetrmi wyzncznymi przy nlizie wieloknłowej (w oprciu o spektrum skrośne) są: funkcj odpowiedzi częstotliwościowej (Frequency Response Function FRF) AB ( ) H1 k k gdzie: AB, AA, ( ) H AA BB BA ( ) BA - uśrednione, jednostronne widmo skrośne, odpowiednio od A do B lub od B do A (wzjemnie sprzężone), BB k - uśrednione, jednostronne widmo, odpowiednio A i B. Funkcj odpowiedzi częstotliwościowej wyrż wzmocnienie i przesunięcie fzowe wprowdzone przez ukłd liniowy wzbudzny sygnłem A, odpowidjący sygnłem B. Estymty H 1 lub H dją inne wyniki w zleżności od ilości zkłóceń n wejściu i wyjściu bdnego ukłdu liniowego. Wrtość oczekiwn mieści się pomiędzy tymi estymtmi. koherencj AB γ AB AA BB gdzie: AB AA, BB - uśrednione, jednostronne widmo, odpowiednio A i B. Koherencj wyrż wrtość liniowej zleżności pomiędzy sygnłem A i B. Dr inż. Witold Kubik 4

5 korelcj skrośn (zespolon) 1 R AB( n) F [ AB ] gdzie: AB Korelcj skrośn wyrż wrtość zleżności czsowej pomiędzy sygnłem A i B. stosunek sygnłu do szumu S AA AB gdzie: AB AA, BB - uśrednione, jednostronne widmo, odpowiednio A i B Pomir funkcji odpowiedzi częstotliwościowej Wykorzystując genertor sygnłów orz wbudowną funkcję dwuknłowego nliztor FFT wygenerowć n wejściu do bdnego ukłdu filtr sygnł szumu szerokopsmowego. Obserwowć funkcje odpowiedzi częstotliwościowej H 1 i H (mplitudę i fzę) orz koherencję. Znotowć wrtości bezwzględne i względne (poziomy) w rezonnsie i ntyrezonnsie wyjściu bdnego ukłdu filtr dodć sygnł zkłóceń. Obserwowć funkcje odpowiedzi częstotliwościowej H 1 i H (mplitudę i fzę) orz koherencję. Porównć wrtości bezwzględne i względne (poziomy) w rezonnsie i ntyrezonnsie z wrtościmi znotownymi poprzednio Dl obu przypdków wyświetlić stosunek sygnłu do szumu Wyłączyć sygnł zkłóceń, wprowdzić dodtkowe przesunięcie czsowe. Porównć funkcje odpowiedzi częstotliwościowej H 1 z przesunięciem czsowym i bez dl mplitudy orz fzy. Porównć wrtości korelcji skrośnej Pokz postci odksztłceń obliczonych n podstwie pomirów dwuknłowych i nlizy mplitudowo fzowej BB AB Osttni edycj 8 mj 01 Dr inż. Witold Kubik 5