一種適用于在線動平衡的不平衡信號提取法制造技術

本發明專利技術公開了一種適用于在線動平衡的不平衡信號幅提取方法，具體步驟如下：(1)對振動傳感器傳來的振動信號調理、采樣，通過鍵相傳感器的鍵相脈沖設置振動信號和標準正弦信號的時間參考點，然后對振動信號進行兩級FIR濾波實現信號降噪。；(2)根據在濾波后振動信號的頻譜圖判斷是否含有大幅值干擾信號，如沒有大幅值干擾，采用減法運算去除大幅值干擾信號，如沒有，不做此步處理；(3)根據濾波后標準正弦信號與消噪后振動信號互相關運算結果采用改進互相關提取法計算不平衡信號的幅值和相位。采用本發明專利技術方法能夠在強噪聲背景下快速、準確地提取不平衡信號的幅值和相位，適用于旋轉機械在線動平衡裝置。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及信號提取方法，具體涉及用于在線動平衡測量的不平衡信號提取方法。
技術介紹
在線動平衡裝置作為在線故障診斷裝置的一部分，目前已提出置于各種高速旋轉機械內以提高機械的旋轉精度、穩定性、可靠性。在線動平衡的原理是當旋轉機械以工作速度旋轉時，通過對安裝在旋轉機械支撐結構上的傳感器采集的振動信號濾波消噪提取出不平衡信號，計算出不平衡量的大小和位置，通過在線不平衡補償裝置對旋轉機械進行平衡。由于引起旋轉機械振動的激勵源眾多以及振動信號采集裝置的電氣干擾，由傳感器所獲原始振動信號往往是摻雜大量污染信號的不平衡信號。因而，如何從強噪聲背景中精確地提取出不平衡信號直接關系平衡效果，是在線動平衡的一個關鍵技術。近年來，根據不平衡信號頻率與轉子轉頻相同的顯著特征，結合常用的信號處理方法，人們提出了一些適用旋轉機械不平衡信號提取的方法，主要有FFT法、互相關法和最小二乘參數擬合估計法。FFT法采用成熟的快速傅里葉變換得到信號頻譜圖，運算速度快，但由于泄露和柵欄效應提取精度較低，尤其相位誤差較大，需要進行較復雜的修正。最小二乘參數估計法是在最小二乘原理的基礎上對轉頻頻率的正弦信號進行參數估計，運算時間長，不適合于在線動平衡。互相關法通過與轉頻同頻正弦信號和振動信號互相關后即可計算出不平衡信號的幅值和相位，提取精度高。目前提出的一種間接運算法，先通過FFT計算信號的互譜，再作FFT逆變換得互相關函數，大大提高了互相關運算速度，更易滿足在線動平衡的實時性要求。郭俊華等2011年發表在機械與電子期刊的文獻轉子動平衡中振動信號幅值相位的提取方法研究中比較了傳統FFT變換法、整周期采樣DFT法、互相關法三種幅值和相位提取法，并通過結果指出，互相關法具有計算時間短，精度高的優點，在采樣長度足夠長時無需整周期采樣，能擺脫鎖相電路等硬件設備。然而所提方法由于缺少消噪處理，在強噪聲背景下幅值和相位提取精度會大大降低；同時該法需要與兩個正弦信號互相關，計算較復雜。中國專利公開號CN102353500 A,公開日2012年02月05號，專利技術創造的名稱一種用于動平衡測量的不平衡信號提取方法，該申請案公開了在對振動信號跟蹤濾波后根據有無近頻干擾分別采用正弦參數搜索法和互相關法提取不平衡信號。該專利所公開方法中正弦參數搜索法運算時間長，不能滿足在線動平衡對信號提取的高時效要求。事實上，由于各種機械、電氣干擾的存在，實驗中采集的原始振動信號往往噪聲非常大。尤其當旋轉機械不平衡質量很小時，質量不平衡引起的振動信號完全被噪聲信號所掩蓋。此外，不同工況下旋轉機械轉速是不同，不平衡信號的頻率也是不同，消噪處理和信號提取方法必須具有根據轉速調整參數的功能。在線動平衡對實時性要求高，所提出的信號提取法必須運算簡單，耗時短。
技術實現思路
本專利技術解決的技術問題是提供一種適用于在線動平衡的不平衡信號提取方法，以在旋轉機械在線狀態下從強噪聲背景中快速準確地提取出微弱的不平衡信號，為在線動平衡的質量不平衡量的測量提供依據。為解決上述技術問題，本專利技術是通過以下技術方案實現的一種適用于旋轉機械在線動平衡的不平衡信號提取法，具體步驟如下(I)對振動傳感器傳來的振動信號調理、采樣，通過鍵相傳感器的鍵相脈沖設置振動信號和標準正弦信號的時間參考點，然后對振動信號進行兩級FIR濾波實現信號降噪，對標準正弦信號進行完全相同的兩級濾波產生與振動信號相同的相位滯后；(2)判斷濾波后信號是否含有大幅值干擾信號，如有大幅值干擾信號，先對振動信號插值處理，然后采用互相關法獲得大幅值干擾信號的近似幅值和相位，然后根據各大幅值干擾成分的頻率、幅值和相位構造正弦信號，最后在濾波后信號中減去所述構造信號，如沒有大幅值干擾，不做此步處理；(3)對濾波后標準正弦信號插值處理后與步驟(2)后的振動信號進行互相關運算，采用改進互相關提取法由互相關信號計算出不平衡信號，即不平衡質量引起的振動信號的幅值和相位。上述不平衡信號提取法中，所述在振動信號和標準正弦信號間設置時間參考點具體方法是，鍵相脈沖信號在采集命令作用下經觸發器產生的觸發信號在上升沿同時觸發A/D轉換器采樣和數字信號發生器產生信號。上述不平衡信號提取法中，所述兩級濾波由兩級數字濾波器完成，第一級濾波器為單個數字低通FIR濾波器，第二級濾波器為單個數字帶通濾波器，由控制器根據旋轉機械轉頻從預置數字FIR濾波器組中選擇，兩級濾波器之間插入一個采樣整數倍抽取過程。上述不平衡信號提取法中，所述預置數字FIR濾波器組包含多個帶通FIR濾波器，在幅頻圖上，相鄰濾波器的上、下限截止頻率首尾相接，預置數字FIR濾波器組在信號處理前設計并預置到信號處理裝置。上述不平衡信號提取法中，讓標準正弦信號經過與振動信號完全相同的兩級FIR濾波器處理，產生相同的相位滯后。上述不平衡信號提取法中，對濾波后信號FTT變換得到信號幅頻圖，在第二級濾波器通帶內搜索有無幅值大于轉頻處信號幅值的80%的干擾信號確定有無大幅值干擾。上述不平衡信號提取法中，所述改進互相關提取法指濾波和去大幅值干擾后的振動信號與濾波后標準正弦信號互相關計算后得到互相關信號Rxy (r)，在振動延遲r取值[-fs Ji /ω ,仁31/(0)范圍內搜索1^(1·)的最大值,得到互相關信號最大幅值A和延遲r的取值λ，數字信號發生器產生的標準正弦信號表達式為X=XciSin(GU)，則不平衡信號幅值為2Α/Χ(Ι，相位為ω ；λ，其中ω為角頻率，與旋轉機械旋轉角頻率相同，fs為采樣頻率。上述不平衡信號提取法中，所述振動傳感器安裝在旋轉機械轉子支撐件上獲取振動信號，鍵相傳感器固定在旋轉機械轉子支撐件上，鍵相傳感器的標記固定在轉子上，鍵相傳感器在標記每次經過其時產生一個脈沖信號。與現有技術相比，本專利技術的有益效果是(I)本專利技術采用兩級FIR濾波器和去大幅值干擾減法運算對振動信號消噪在消除大量噪聲的同時保證不平衡信號不受影響，有益于提高不平衡信號的提取精度。(2)本專利技術中第二級濾波器由微控制器從預置濾波器組選擇，不但使提取方法對機械的轉速沒有特殊要求，通用性強，還減少了設計濾波器的時間，有利于節省信號提取時間更好地滿足在線裝置的時效性。(3)本專利技術通過使標準振動信號經過和原始振動信號相同的濾波過程保證了標準正弦信號和不平衡信號濾波后的相位移動相同，消除了濾波相位滯后對不平衡信號相位提取的不利影響，省去了濾波器設計中保證無相位移動的繁瑣工作。(4)本專利技術采用的改進互相關提取法，只需一次互相關運算后尋找最值，與傳統互相關法的兩次互相關運算相比，減少了運算時間。附圖說明圖1為本專利技術的信號處理系統組成示意圖。圖2為本專利技術的微控制器中的數字信號處理流程圖。圖3為本專利技術的第二級濾波器所需的預置濾波器組各濾波器通帶分布圖。圖4為本專利技術中兩級濾波和去大幅值干擾處理過程中振動信號的幅頻圖，其中子圖a)為原始振動信號幅頻圖，子圖b)為a)的局部放大圖，子圖c)為兩級濾波后振動信號的幅頻圖，子圖d)為去大幅值干擾后振動信號的幅頻圖。具體實施例方式下面結合附圖與具體實施方式對本專利技術作進一步詳細描述如圖1所示為本專利技術的信號處理系統組成示意圖。本專利技術所述適用于旋轉機械在線動平衡的不平衡信號提取法包括傳感器模塊、數字正弦信號模塊、數字信號處理本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種適用于旋轉機械在線動平衡的不平衡信號提取法，其特征在于包括以下步驟：(1)對振動傳感器傳來的振動信號調理、采樣，通過鍵相傳感器的鍵相脈沖在振動信號和標準正弦信號間設置時間參考點以在時間上關聯兩信號，然后對振動信號進行兩級FIR濾波實現信號降噪，對標準正弦信號進行完全相同的兩級濾波產生與振動信號相同的相位滯后；?(2)判斷濾波后信號是否含有大幅值干擾信號，如有大幅值干擾信號，先對振動信號插值處理，然后采用互相關法獲得大幅值干擾信號的近似幅值和相位，然后根據各大幅值干擾成分的頻率、幅值和相位構造正弦信號，最后在濾波后信號中減去所述構造信號，如沒有大幅值干擾，不做此步處理；(3)對濾波后標準正弦信號插值處理后與步驟(2)后的振動信號進行互相關運算得到互相關信號，采用改進互相關提取法由互相關信號計算出不平衡信號，即不平衡質量引起的振動信號的幅值和相位。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：韓江洪，徐娟，張建軍，張利，羅軼超，魏振春，王躍飛，
申請(專利權)人：合肥工業大學，
類型：發明
國別省市：