基于提升小波包和神经网络的结构损伤检测

提出一种提升小波包分解、多传感器特征融合和神经网络模式分类相结合的结构损伤诊断方法.首先,对多个传感器采集的振动响应信号进行提升格式小波包分解,定义标准化相对能量并计算每个频带上的相对能量;然后,把这些传感器信号的小波包相对能量融合作为神经网络分类器的输入特征向量,实现损伤的诊断和评价.数值仿真结果表明,提升小波包分解的频带能量分布能够较好地反映结构的损伤特征;特征融合能够使不同传感器的信息相互补充,减小了损伤检测信息的不确定性,使诊断信息具有较高的精度和可靠性.     

基于小波神经网络的RC梁损伤识别试验研究

简要阐述了小波包分析及BP神经网络理论，利用小波包变换对获得的加速度信号进行分解和重构，求解各频带内的信号能量，将其作为神经网络输入参数，对神经网络进行训练，然后利用该网络进行损伤检测。按上述方法，通过有限元分析对RC梁进行损伤模拟，建立了结构损伤识别神经网络。按同样的构造制作了RC试件，并进行了损伤试验研究，对试验中在不同损伤情况下采集的加速度信号进行小波包分解和重构，将得到的能量向量输入已建网络判断结构的损伤。从试验结果可以看出诊断误差很小，能够满足实际工程要求。     

钢筋混凝土梁损伤的小波包识别方法

基于小波包能量特征向量的损伤识别是一种对损伤非常敏感的方法.为了更有效地选择特征频带,从频带分解的角度分析了基于小波包分解能量特征向量的结构损伤识别方法.将结构响应信号进行小波包分解,提取各频带的能量.通过分析结构响应频率和小波包分解各频带频率范围,选取信号主要频率所在频带及其相邻频带的能量构成特征向量.当信号频率有微小改变时,特征能量向量的变化远远大于信号频率的变化.当结构出现损伤时,脉冲激励下其动力响应信号的频率有所降低,因此可以通过特征能量向量的变化来识别损伤.通过一根钢筋混凝土梁的试验验证了该方法的有效性.     

采用EEMD和WPT的结构损伤特征提取方法

为了解决传统小波或小波包变换方法对结构损伤振动信号频率分辨率不高、易受邻近谐波交叠影响的问题,提出了一种基于聚类经验模式分解(EEMD)和小波包变换(WPT)的结构损伤特征提取方法.首先对原始信号进行EEMD分解,提取包含结构损伤信息的固有模式分量(IMF),再对其进行正交小波包分解,并计算小波包相对能量分布.该方法用于美国土木工程师学会(ASCE)提出的钢结构框架的损伤特征提取,结果表明:EEMD方法具有白噪声的剔除特性,可避免模式混叠的发生;不同检测节点处不同损伤工况的IMF小波包相对能量分布有显著的差异,可以作为一种理想指标表征结构损伤特征.     

基于小波包变换的支持向量机损伤诊断方法

针对结构损伤识别中缺少实际损伤样本的问题,提出基于小波包特征提取的支持向量机结构损伤诊断方法.该方法将结构振动信号小波包分解后的频带能量,经过多传感器数据融合后作为特征向量,输入到多分类的支持向量机中,实现了结构多损伤的识别和定位.应用该方法对IASC-ASCE模型进行了分析,试验结果表明,小波包分解频带能量能够较好地反映结构的损伤特征.多传感器数据融合能够使不同传感器的信息相互补充,减小了损伤检测信息的不确定性,提高了损伤诊断准确率.     

改进的小波包能量指标在结构损伤识别中的应用

小波包分析采用时域和频域结合的方法对振动信号进行分析,在时频两域都具有表征信号局部特征的能力。大量研究成果表明小波包能量和模态柔度都对局部损伤变化非常敏感,通过离散小波包分解对冲击荷载作用下结构振动响应加速度信号进行各频带的分解与重构,在模态柔度曲率差思想的基础上,定义相对小波能量柔度曲率差损伤指标,对损伤进行定位。通过连续梁的数值模拟及连续梁的试验验证,并与仅基于相对小波包能量曲率差的方法进行比较,进一步说明该方法的可行性。     

基于小波分析的简支梁桥损伤识别

提出了基于小波子带信号能量曲率变化的损伤识别方法。分别对完好和损伤状态下结构的振动响应进行二进离散小波变换,通过信号子带分解与重构将响应分解到不同频带,使叠加的模态响应分离。定义了信号相对能量曲率差损伤指标,利用该指标对结构的损伤进行识别定位。应用此方法对一简支梁桥进行损伤数值分析,结果表明:二进离散小波变换可以对结构振动响应中叠加的多阶模态信息进行有效分离;信号相对能量曲率差指标可以对损伤进行有效识别,且不受激励位置及荷载大小影响。最后通过模型实验验证了该方法的正确性及可行性。     

基于小波包变换的梁体损伤识别

由于小波包变换在分析非平稳信号方面较傅立叶变换更为有效，提出了基于小波包变换的能量变化率指标进行损伤识别的方法。首先，将得到的结构响应信号进行小波包分解，然后通过小波包能量变化率指标来进行损伤定位。通过3种不同损伤工况的梁体室内试验证明．损伤指标可以准确地识别损伤位置。     

基于随机森林的建筑结构损伤识别方法

针对利用分类器对建筑结构进行损伤识别的问题,引入一种新的组合分类器算法——随机森林,提出基于小波包分解和随机森林的结构损伤识别方法。首先,采用小波包对结构在不同损伤程度和位置上的振动加速度信号进行分解,得到各个频带上的总能量;然后,利用各频带上能量值存在着差异性作为输入到分类器的特征向量;最后,训练随机森林模型并对建筑结构的损伤位置和损伤程度进行识别。应用该方法对一座8层剪切型钢框架结构进行损伤判别,并与BP神经网络和支持向量机方法进行对比,结果表明该方法具有较好的识别精度与稳定性。     

压电柔性梁裂缝损伤识别实验

针对压电柔性悬臂梁裂缝损伤检测与损伤程度识别问题,采用小波包分析和小波神经网络相结合的方法进行裂缝深度识别实验研究.利用小波包频带能量谱构造柔性悬臂梁裂缝损伤指标,即能量比相对变化量的H2范数,并建立压电柔性梁裂缝损伤实验装置.激励柔性梁的振动,记录两路压电传感器采集的振动信号,进行小波包分解并计算损伤指标.将这些损伤指标进行组合,作为小波神经网络的输入特征参数,进行裂缝深度即损伤程度的识别.实验结果表明:能量比相对变化量的H2范数对柔性梁的裂缝损伤敏感,对测试噪声不敏感;采用的小波神经网络可以精确识别柔性梁的裂缝深度.     

基于小波包变换的回转窑托轮轴承故障诊断

针对回转窑对象给出了水泥回转窑故障诊断框图。说明了水泥回转窑工艺流程和常见的水泥回转窑设备故障及原因。阐述了小波包分解方法和小波包分解的优缺点。阐述了基于小波包变换的水泥回转窑故障诊断算法,给出了基于小波包变换的轴承故障诊断流程图。对正常状态、外圈故障状态和内圈故障状态的轴承小波包变换进行分析。得到经小波包分解1~4层细节进行重构后的波形图,得到经4层小波包分解后各频带的能量分布以及重构信号的包络图。将正常状态下小波包分解后的能量频谱信号与故障状态下的进行比照,通过能量频谱信号的不同,确定正常状态和故障状态的特征信息。文中对采集到的振动信号进行小波包分解,对分解后不同频带上的信号进行功率谱计算,通过能量的改变表示某一种特征信号,再对提取到的特征信号进行Hilbert谱分析。最终,通过对特征信号的Hilbert谱分析来区分出不同的故障。     

基于完全抗混叠DTCWPT和包络谱熵的轴承故障诊断

针对经典小波包和双树复小波包(dual tree complex wavelet package transform,DTCWPT)能量泄漏和频率混叠的缺陷,提出完全抗混叠的DTCWPT改进算法,该算法解决了经典小波包存在负频率以及经典小波包和DTCWPT滤波器频率不完全截止问题。根据高斯白噪声频率充满整个频带的特性,通过小波包变换对高斯白噪声进行分解,利用频带能量泄漏的定量分析方法,验证了改进DTCWPT具有完全的抗频带能量泄漏特性。将改进DTCWPT方法和包络谱熵引入到轴承故障诊断中,该方法的核心是:对轴承振动信号进行改进DTCWPT变换得到不同尺度的分解信号,分别计算各分解信号的包络谱熵,合并熵值较小的几个分量信号的包络谱,最后根据合并的包络谱来检测轴承故障。该方法在消除经典小波包变换和DTCWPT频率混叠和能量泄漏的同时还解决了小波包分量选择盲目的问题。最后应用轴承故障试验数据对该方法进行试验验证,结果表明:改进DTCWPT结合包络谱熵选择的方法能够很好提取出轴承故障特征频率的基频、倍频,提高了轴承故障的诊断效果。     

基于小波包自适应Teager能量谱的滚动轴承早期故障诊断

针对滚动轴承早期故障特征信息难以识别以及从小波包分解后的频带不能有效确定并自适应提取共振带的问题,提出了频带幅值熵的概念。在此基础上,将小波包变换和Teager能量谱结合,提出了基于小波包变换自适应Teager能量谱的早期故障诊断方法。该方法首先利用小波包对采集到的振动信号进行分解,并计算各子带的频带幅值熵。然后将熵值按升序排列后依次作为阈值,提取频带幅值熵大于阈值的子带,依据峭度指标确定最佳熵阈值以及小波包最佳分解层数,从而自适应并且有效地提取出共振带。最后对共振带进行Teager能量谱分析,即可从中准确地识别出轴承的故障特征频率。通过信号仿真与实验数据分析验证了该方法的有效性。     

基于小波包变换的轴承外圈超声检测信号处理研究

为进一步提高铁路货车轴承外圈超声检测质量,将小波包变换理论应用于轴承外圈超声检测信号处理,构建水浸探伤特征扫描成像系统,将铁路货车轴承外圈应用于水浸探伤特征扫描系统中,对水浸系统采集到的轴承外圈超声信号进行小波包变换,用于缺陷信号的降噪处理,提高超声信号的信噪比。并以小波包分解频带的能量作为缺陷信号特征值,根据小波包不同空间能量谱中能量的大小及分布判断轴承外圈内部缺陷程度。     

基于改进经验小波变换及互谱相位差谱的供水管道泄漏声振动定位方法

针对供水管道泄漏声振动信号的信噪比较低导致用于时延估计泄漏定位误差大的问题,提出基于改进经验小波变换及互谱相位差谱的供水管道泄漏定位方法。首先采用小波包分解得到不同尺度的信号能量谱,根据小波包能量谱局部极小值的分布自适应确定频带分割区间,解决了传统经验小波变换中频谱划分问题;然后基于频带分割区间构建正交小波滤波器组对信号进行经验小波变换分解得到多个分量,根据相关系数选取有效分量,同时利用有效分量的互谱相位差谱呈水平变化的频带对有效分量信号进行带通滤波,滤除干扰噪声;最后对滤波后的信号进行互相关时延估计来确定泄漏位置。仿真及实验结果表明,该方法能够有效的实现供水管道泄漏定位,并与互相关、VMD与互谱分析相结合的泄漏定位方法相比,平均相对定位误差分别减少6.7倍和1.5倍。     

小波包能量谱在滚动轴承故障诊断中的应用

提出了基于小波包能量谱的滚动轴承故障诊断方法。首先,以6406轴承为例采集不同工况的振动信号,然后对试验数据进行小波包变换,振动信号被分解到独立的频段,不同频带内的信号能量变化反映了运行状态的改变,提取各频带小波包能量谱为特征向量,最后应用基于模糊聚类的故障诊断方法。经对大量实测数据的处理和分析,能够比较准确地诊断出轴承的故障。     

基于双树复小波包变换的钢丝绳断丝损伤信号特征信息提取研究北大核心CSCD

针对钢丝绳断丝损伤信号特征信息难以有效提取的问题,提出一种基于双树复小波包变换与奇异值分解相结合的时频域特征信息提取方法。首先将钢丝绳断丝损伤信号采用双树复小波包变换为等长的频带子信号,构造时频域空间状态矩阵,然后采用奇异值方法提取各频带子信号的奇异值,组成表征各类损伤状态的特征向量,得到钢丝绳断丝损伤信号的特征信息矩阵。采用距离可分离性判据与传统时域特征信息提取方法相比较,结果表明双数复小波包变换与奇异值分解相结合的特征信息提取方法具有更强的分类能力。     

刀具磨损声发射信号处理中小波基选取的研究

通过对小波基性质和刀具磨损声发射（AE）信号特点的研究,从理论上分析了小波变换中刀具磨损AE信号处理中小波基选取的方法。在试验验证过程中,根据小波包信号分解遵循能量守恒原理,用四种小波基对刀具磨损AE信号进行三层小波包分解;以AE信号经小波包分解后各频带上的能量为特征参数,比较四种情况下特征参数的变化,验证了理论分析的正确性。     

随机森林算法在柴油机故障诊断中的应用

针对基于单一分类器的柴油发动机常见故障识别效果不够理想,泛化性较差等问题,结合实验数据探索了一种随机森林(Random Forest,RF)分类器,提出小波包分解和随机森林相结合的柴油发动机故障诊断方法。首先,对缸盖振动信号进行小波包分解,并利用分解所得的小波包重构系数计算各频带能量特征;然后,对小波包频带能量特征进行归一化处理,得到特征向量;最后,特征向量作为输入参数输入到随机森林算法中,训练得到分类模型,对柴油机常见故障进行识别。实验结果表明,随机森林方法相比于单一分类器可以更准确的识别出柴油机的运行状态,该方法在柴油发动机在线监测与故障诊断领域中具有良好的应用前景。     

基于小波包样本熵的连续梁桥损伤识别

为了减少现行桥梁检测中所需布置传感器数量,将小波包分解和样本熵有机结合起来,对利用单点动力响应数据检测识别连续梁桥结构损伤的新方法进行了研究,笔者提出了连续梁桥结构的损伤识别指标和方法。利用小波包变换对移动荷载作用下桥梁的加速度响应进行分解和重构,计算重构信号的样本熵值,建立了对数加速度能量差小波包样本熵损伤识别指标;并通过三跨变截面连续梁桥的动力仿真分析,验证了指标和方法的适用性与噪声鲁棒性。研究结果表明,笔者所提出指标和方法仅利用桥上一个测点的加速度响应就能够很好地识别连续梁桥的损伤位置和损伤程度,且对噪声不敏感。