專利名稱：振動信號處理的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種振動信號處理的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明尤其涉及，但不局 限于，使用檢波處理的機械故障檢測的方法和系統(tǒng)，其用于獲得隱藏在正 常振動讀取中碰撞或者擠壓的情形。
技術(shù)背景檢波是振動分析過程，其用于獲取隱藏在正常振動讀取中特定機械問題 的情形，以防止過早的校正行為。通常，當(dāng)振動與碰撞或者擠壓情形相關(guān) 的時候，出現(xiàn)這種情形。該情形出現(xiàn)頻率較高但是持續(xù)時間不長。不幸的 是，當(dāng)開始振動讀取的時候，由于低頻率振動具有相當(dāng)長的持續(xù)時間，這 些振動情形得以掩蓋。在使用中，檢波首先使用高通濾波器濾去振動信號的低頻部分。為了使 得擠壓情形隨后更為顯著和更易于識別，高通濾波信號得以包絡(luò)檢測(envelope-detect)。如果包絡(luò)檢測信號是獨立探測的振動信號，那么接著處 理包絡(luò)檢測信號。檢波的一個缺陷是由于過濾步驟的數(shù)量，其數(shù)字實現(xiàn) 需要增強的信號處理。為了替代包絡(luò)檢測，高通濾波振動信號，被稱為PeakVue (在Robinson 等人的5895857號美國專利中公開)的技術(shù)得以存在，該技術(shù)通過信號處 理檢測到的振動信號的峰值以提取沖擊情形。為了提供對本發(fā)明所討論的 特征，可以參考Robinson等人的專利和其他專利說明書，公開文檔，或者 該專利說明書的引文。除非特別指明，對這些文件或者引文的參考并不意 味著認可這些文件或者弓I文在任何授權(quán)下構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)或者形成現(xiàn)有技術(shù) 中公知常識的一部分。本發(fā)明的目的在于或者提供一種實現(xiàn)檢波類型處理、具有較高信噪比 (SNR)、無需較強信號處理的方法和系統(tǒng)，或者至少向公眾提供一種有用 的選擇。 發(fā)明內(nèi)容一方面，本發(fā)明涉及一種振動信號處理方法，包括如下步驟獲得電振 動信號，該信號具有表示機器機械振動的振幅和頻率；將電振動信號轉(zhuǎn)換 成為數(shù)字振動樣本；將數(shù)字振動樣本劃分為等時間間隔；針對每個時間間 隔，檢測數(shù)字振動樣本的平均絕對振幅；生成包括檢測的平均振幅的時間 波形；和當(dāng)時間波形是獨立探測到的信號時，處理該時間波形。另一方面，本發(fā)明涉及一種振動信號處理方法，包括如下步驟使用一 個或者多個傳感器測量機器的振動水平，以獲得電振動信號；調(diào)整電振動 信號；對電振動信號高通濾波；將高通濾波電振動信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字振動 樣本；將數(shù)字振動樣本劃分為等時間間隔，和針對每個時間間隔，校正數(shù) 字振動樣本，和確定該校正數(shù)字振動樣本的算術(shù)平均值或者均方根(RMS); 緩沖該平均數(shù)字振動樣本，以生成表示平均數(shù)字振動樣本的時間波形；和 當(dāng)其是獨立探測到的信號時，處理該時間波形。優(yōu)選地，調(diào)整電振動信號的步驟包括緩沖電振動信號；調(diào)整緩沖電振 動信號的增益；和對增益調(diào)整的電振動信號進行低通濾波。優(yōu)選地，高通濾波步驟包括選擇感興趣的最低頻率Dmin的步驟。優(yōu)選地，將電振動信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字振動樣本的步驟包括 選擇感興趣的最高頻率Dm^和在典型的采樣率DmaxX2.56下，將濾波電振動信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字振動 樣本。優(yōu)選地，將數(shù)字振動樣本劃分為等時間間隔的步驟包括選擇感興趣的最大故障頻率DFmax;將數(shù)字振動樣本劃分為等時間間隔，每個間隔大致具有Dmax/DFmax 個樣本。優(yōu)選地，處理時間波形的步驟包括步驟 將時間波形進行開窗處理(window);將開窗處理的時間波形轉(zhuǎn)換成為頻率頻譜；和 確定頻率頻譜的平均值。 另一方面，本發(fā)明涉及一種振動信號處理系統(tǒng)，包括 一個或者多個振 動傳感器，其被構(gòu)造成用以感測機械振動，并且以電振動信號表示感測的機械振動； 一調(diào)整電路，其用于調(diào)整電振動信號； 一高通濾波電路；和一 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，其將來自高通濾波電路的電振動信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字振 動樣本；均衡電路(averaging circuit),其被構(gòu)造成用以將數(shù)字振動樣本劃 分為等時間間隔，該均衡電路包括在每個時間間隔校正數(shù)字振動樣本的整 流器和在每個時間間隔確定校正數(shù)字振動樣本的算術(shù)平均值或者均方根 (RMS)的平均器；和緩沖器，其用于接收每個時間間隔的校正數(shù)字振動 樣本的平均值并且以時間波形的形式輸出該樣本以便于進一步分析。優(yōu)選地，均衡電路和緩沖器以處理器的形式實現(xiàn)。優(yōu)選地，該處理器被構(gòu)造成用以將時間波形進行開窗處理；將開窗處理 的時間波形轉(zhuǎn)換成為頻率頻譜；和確定頻率頻譜的平均值。這些步驟也可 以作為另一個處理器上的另一個處理機制的一部分加以執(zhí)行。優(yōu)選地，調(diào)整電路包括緩沖器，增益調(diào)整器和低通濾波器。優(yōu)選地，該系統(tǒng)包括輸入裝置，用戶用以選擇感興趣的最低頻率(Dmin) 用于高通濾波器。優(yōu)選地，該系統(tǒng)包括輸入裝置，用戶用以選擇感興趣的最高頻率(DmaJ在設(shè)定ADC的采樣率典型地為DmaxX2.56中使用。優(yōu)選地，系統(tǒng)包括輸入裝置，用戶用以選擇感興趣的最大故障頻率 (DFmax)在設(shè)置每個時間間隔為大約Dm^DF,的長度中使用。本說明書中的術(shù)語"包括"是指"至少部分包括"，也就是說，當(dāng)解釋 說明書中包含該術(shù)語的語句時，在任何語句中以該術(shù)語開頭的特征都需要 具備，但是也可以具備其他特征。例如"包含"和"具有"的類似術(shù)語以 類似的方式加以解釋。"開窗處理"是本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的術(shù)語。正如在本說明書中使用， 該術(shù)語指對信號的開窗處理函數(shù)的應(yīng)用。在信號處理過程中，開窗處理函 數(shù)是將一些選中的間隔之外的數(shù)值設(shè)定為零。當(dāng)另一個函數(shù)或者信號與開 窗處理函數(shù)相乘的時候，在中間隔之外的乘積數(shù)值也設(shè)定為零。此處使用的術(shù)語"(們)"是指名詞的復(fù)數(shù)形式和/或名詞的單數(shù)形式。此處使用的術(shù)語"和/或"是指"和"或者"或"，或者結(jié)合上下文二者 皆可。對于本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明所附權(quán)利要求的 范圍的情況下，可以在構(gòu)造上進行很多改變，并且可以提出本發(fā)明的很多 不同的實施例和應(yīng)用。此處公開的內(nèi)容和描述的內(nèi)容僅僅是闡釋性的，并 非有意做出任何形式的限制。本發(fā)明包括前述內(nèi)容，也包括下述僅僅用于示例的實施例的內(nèi)容。


現(xiàn)在參考附圖對本發(fā)明方法和系統(tǒng)的優(yōu)選方式加以描述，其中 圖1顯示本發(fā)明系統(tǒng)的簡化處理流程，圖2A顯示測試信號的最差情況，該測試信號用于測試某些現(xiàn)有技術(shù)與 本發(fā)明技術(shù)，圖2B顯示在圖2A的測試信號上執(zhí)行檢波處理的現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)果， 圖2C顯示在圖2A的測試信號上執(zhí)行檢波處理的另一現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)果，和圖2D顯示在圖2A的測試信號上采用本發(fā)明技術(shù)得到的結(jié)果。
具體實施方式
本發(fā)明涉及振動信號分析，其能夠被用來說明由低頻振動和高頻噪音讀 取的隱藏在正常振動中碰撞或者擠壓的情形。通過使用本發(fā)明的噪音振動 信號技術(shù)，能夠獲得較高的信噪比(SNR)。增強的信噪比使得感興趣的頻 譜峰值與底噪(noise floor)容易區(qū)分，可以較早地探測到出現(xiàn)的機器故障。 系統(tǒng)的優(yōu)選實施例參考圖1，優(yōu)選的系統(tǒng)的簡化處理流程總體上顯示為100。用于振動信 號處理的系統(tǒng)100包括一個或者多個振動傳感器102，用以生成表示感測到 的機械振動的電子振動信號。傳感器102典型地是過載傳感器 (accelerometer)，但也可以使用能夠感測機械振動并以電子振動信號表示該 振動的其他傳感器。一旦獲得振動信號，其在調(diào)整電路104中得以調(diào)整。在優(yōu)選的方式下， 調(diào)整電路104包括緩沖器、放大器和抗混疊濾波器(即低通濾波器)。在調(diào) 整之后，在106對信號進行高通濾波。這使得只有高于用戶選擇的最低頻 率(Dmin)的信號能夠被允許通過濾波器106。 Dmin數(shù)值優(yōu)選通過輸入裝置加以選擇，該輸入裝置可以是一個或者多個按鈕、開關(guān)、旋鈕和類似的， 或者采用硬件形式或者軟件形式。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠得知，將高通濾波器106與調(diào)整電路104分離并非 必然的要求。在必要的情況下或者在希望的情況下，高通濾波器106能夠 成為調(diào)整電路的一部分，例如將高通濾波器106和調(diào)整電路104的低通濾 波器加以結(jié)合，從而提供了帶通濾波器(band-pass filter)。高通濾波器106輸出的信號接著被模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 108加以采樣， 以產(chǎn)生數(shù)字振動樣本。在優(yōu)選的方式下，用戶借助輸入裝置選擇感興趣的 最大頻率(Dmax)，其用于為ADC選擇適宜的尼奎斯特采樣率(Nyquist sampling rate),典型的采樣率為DmaxX2.56。一旦獲得數(shù)字振動樣本，該樣本被送到均衡電路110。均衡電路110將 樣本劃分或破裂為相等的時間間隔。在該間隔中樣本的數(shù)量大致為用戶選 擇的感興趣的最高頻率(Dm3j與用戶選擇的感興趣的最大故障頻率(DFm^)的比值間隔中樣本"D加狀/DFm収 (1)盡管沒有示出，均衡電路110包括用以在每個時間間隔校正樣本的整流器。還具有平均器，用于在每個時間間隔確定校正樣本的算術(shù)平均值或者均方根(RMS)。樣本算術(shù)平均值的確定有助于區(qū)分感興趣的信號峰值和多 余的噪聲峰值。 一旦加以計算，算術(shù)平均值被保存在波形緩沖器112中。 緩沖器112收集一段時間的數(shù)字樣本，并且以時間波形114的形式輸出收 集到的樣本。隨后處理僅僅由平均值構(gòu)成的時間波形114，就如同該時間波 形是獨立探測的振動信號一樣。舉例而言，時間波形被傳送通過116的開 窗處理和快速傅立葉變換(FFT)處理以及在118的均值處理，以在120產(chǎn) 生振動的頻率頻譜。典型地，均衡電路110、波形緩沖器112、在116的開窗處理和快速傅 立葉變換(FFT)處理和118處的均值處理均是使用微處理器加以執(zhí)行。為 了減輕微處理器的計算量，在理想的情況下，高通濾波器106采用模擬硬 件的方式實現(xiàn)。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解，高通濾波器也能夠以微 處理器采用數(shù)字濾波器加以實現(xiàn)。方法的優(yōu)選實施例在一種優(yōu)選方式中，本發(fā)明方法以獲得電振動信號的步驟開始，該電振 動信號具有表示機器機械振動的振幅和頻率。該信號典型地直接由一個或 者多個傳感器獲得。然而，在特定情況下，該信號可以從存儲以前感測到 的信號的存儲裝置中獲得。信號得以高通濾波并且接著劃分成時間間隔，每一時間間隔具有根據(jù)前 面提出的等式(1)設(shè)定的間隔長度。對每個間隔而言，該方法接著確定數(shù) 字振動樣本的平均絕對(校正)振幅。每個間隔的平均振幅被然后用于生 成時間波形，從而該波形包括確定的平均振幅。然后處理該時間波形，就 如同該時間波形是獨立探測的信號一樣。在另一方式中，上述優(yōu)選方法可以包括調(diào)整電振動信號的步驟，該電振 動信號通過使用振動傳感器得以獲得。該步驟包括(i)緩沖電振動信號； (ii)調(diào)整信號的增益；和(iii)對信號低通濾波以抗混疊。示例本發(fā)明上述方法可以模仿，并且與傳統(tǒng)的檢波處理和現(xiàn)有技術(shù)中的 PeakVue處理加以比較。該模仿基于測試信號的最差狀況進行，如圖2A所 示。特別地，信號包括500Hz處的IV低頻噪音、ldB白噪音和模擬60Hz 沖擊信號。模擬沖擊信號是IV， 5KHz正弦信號，其以5ms的周期通過 Blackman-Harris開窗處理。傳統(tǒng)檢波結(jié)果在圖2B中顯示，PeakVue處理的結(jié)果在圖2C中顯示， 而本發(fā)明方法的結(jié)果在圖2D中顯示。盡管所有的處理采用60Hz沖擊信號， 但是與PeakVue的12dB SNR和傳統(tǒng)檢波的10dB SNR相比，本發(fā)明的方法 提供大約15dB的最佳SNR。前面描述了包括優(yōu)選實施方式的本發(fā)明。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，明 顯的變更和修飾包含在所附權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種振動信號處理方法，包括獲得電振動信號，該信號具有表示機器機械振動的振幅和頻率；將電振動信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字振動樣本；將數(shù)字振動樣本分割為等時間間隔；針對每個時間間隔，檢測數(shù)字振動樣本的平均絕對振幅；生成包括所檢測的平均振幅的時間波形；以及當(dāng)時間波形是獨立探測到的信號時，處理該時間波形。
2、 一種振動信號處理方法，包括步驟使用一個或者多個傳感器測量機器的振動狀況，以獲得電振動信號；調(diào)整電振動信號；對調(diào)整信號高通濾波；將高通濾波電振動信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字振動樣本；將數(shù)字振動樣本劃分為等時間間隔，針對每個時間間隔，校正數(shù)字振 動樣本，和確定該校正數(shù)字振動樣本的算術(shù)平均值；緩沖該平均數(shù)字振動樣本，以生成表示平均數(shù)字振動樣本的時間波形； 以及當(dāng)時間波形是獨立探測到的信號時，處理該時間波形。
3、 如權(quán)利要求2所述的方法，其中調(diào)整電振動信號的步驟包括 緩沖電振動信號；調(diào)整緩沖的電振動信號的增益；和 對增益調(diào)整的電振動信號低通濾波。
4、 如權(quán)利要求2或者3所述的方法，其中高通濾波步驟包括選擇感興趣的最低頻率Dmin的步驟。
5、 如上述任一項權(quán)利要求所述的方法，其中將電振動信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字 振動樣本的步驟包括選擇感興趣的最高頻率Dmax;和在典型的采樣率DmaxX2.56下，將電振動信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字振動樣本。
6、 如上述任一項權(quán)利要求所述的方法，其中將數(shù)字振動樣本劃分為等 時間間隔的步驟包括選擇感興趣的最大故障頻率DFmax;將數(shù)字振動樣本劃分為等時間間隔，每個間隔大致具有Dm^/DFm^個 樣本。
7、 如上述任一項權(quán)利要求所述的方法，其中處理時間波形的步驟包括 對時間波形進行開窗處理； 將開窗處理的時間波形轉(zhuǎn)換成為頻率頻譜；和 確定頻率頻譜的平均值。
8、 一種振動信號處理系統(tǒng)，包括一個或者多個振動傳感器，其被構(gòu)造成用以感測機械振動，并且以電 振動信號表示感測到的機械振動；一調(diào)整電路，用于調(diào)整電振動信號； 一高通濾波電路；一模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，將高通濾波電振動信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字振動樣本； 一均衡電路，其被構(gòu)造成用以將數(shù)字振動樣本分割為等時間間隔，該 均衡電路包括在每個時間間隔校正數(shù)字振動樣本的整流器，和在每個時間 間隔確定校正的數(shù)字振動樣本的算術(shù)平均值或者均方根值(RMS)的平均 器；禾口緩沖器，其用于接收每個時間間隔的校正數(shù)字振動樣本的平均值并且 以時間波形的形式輸出該樣本以便于進一步分析。
9、 如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中均衡電路和緩沖器以處理器的形式 實現(xiàn)。
10、 如權(quán)利要求8或者9所述的系統(tǒng)，其中處理器被構(gòu)造成用以 將時間波形進行開窗處理； 將開窗處理的時間波形轉(zhuǎn)換成為頻率頻譜；和 確定頻率頻譜的平均值。
11、 如權(quán)利要求8到10中的任一項權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中調(diào)整電 路包括緩沖器，放大器，低通濾波器和高通濾波器。
12、 如權(quán)利要求ll所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)包括用于用戶選擇感興 趣的最低頻率(Dmin)以用于高通濾波器的輸入裝置。
13、 如權(quán)利要求8到12中的任一項權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述系 統(tǒng)包括輸入裝置，用戶用以選擇感興趣的最高頻率(Dmax)在設(shè)定ADC的 采樣率典型地為DmaxX2.56中使用。
14、 如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)包括輸入裝置，用戶用 以選擇感興趣的最大故障頻率(DFmax)在設(shè)定每個時間間隔為具有大約 D皿/DF皿的長度中使用。
15、 一種振動信號處理方法，在此參照圖1所述。
16、 一種振動信號處理系統(tǒng)，在此參照圖1所述。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種振動信號處理的方法和系統(tǒng)，其用于通過低頻和高頻噪聲來獲取隱藏在正常振動讀取中碰撞或者擠壓事件的情形。在一個優(yōu)選實施方式中，本發(fā)明方法包括步驟獲得電振動信號，該信號具有表示機器機械振動的振幅和頻率；將電振動信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字振動樣本；將數(shù)字振動樣本分割為等時間間隔；針對每個時間間隔，檢測數(shù)字振動樣本的平均絕對振幅；生成包括所檢測的平均振幅的時間波形；以及當(dāng)時間波形是獨立探測到的信號時，處理該時間波形。本發(fā)明提供一種實現(xiàn)檢波類型處理、具有較高信噪比(SNR)、無需較強信號處理的方法和系統(tǒng)，或者至少向公眾提供一種有用的選擇。
文檔編號G01H1/00GK101271018SQ20081000416
公開日2008年9月24日 申請日期2008年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月22日
發(fā)明者卡爾·奧姆德森, 奈杰爾·利 申請人:克門塔斯特儀器有限公司