非平穩(wěn)轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)子動不平衡信號的提取方法
【專利摘要】本發(fā)明一種非平穩(wěn)轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)子動不平衡信號的提取方法，涉及電子測量【技術(shù)領(lǐng)域】。包括步驟：瞬時頻率的估計，振動信號的濾波，轉(zhuǎn)速無關(guān)化處理，提取不平衡信號幅值A(chǔ)和相位從理論分析到實施例的驗證，說明本發(fā)明具有步驟簡捷，系統(tǒng)裝置簡單，效果明顯，易于工程中應(yīng)用推廣等特點。
【專利說明】非平穩(wěn)轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)子動不平衡信號的提取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電子測量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體指一種非平穩(wěn)轉(zhuǎn)速情況下轉(zhuǎn)子動不平衡信號提取方法。
【背景技術(shù)】
[0002]不管是轉(zhuǎn)子的離線平衡、現(xiàn)場平衡，還是轉(zhuǎn)子自動平衡技術(shù)，準確提取由轉(zhuǎn)子不平衡量引起的振動信號都是提高平衡精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子不平衡量的測量是假定轉(zhuǎn)速恒定的情況下進行的，此時的轉(zhuǎn)子振動是平穩(wěn)信號，采用整周期等時間間隔采樣的振動數(shù)據(jù)，進行傅立葉變換或相關(guān)分析等方法得到轉(zhuǎn)子不平衡信號的幅值和相位。但在工程實踐中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速波動或變速轉(zhuǎn)子是大量存在的，當轉(zhuǎn)子加速度較低、阻尼較大且轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不在共振區(qū)時，由轉(zhuǎn)子切線加速度引起的響應(yīng)與由轉(zhuǎn)子不平衡量引起的振動響應(yīng)相比要小得多，轉(zhuǎn)子的不平衡響應(yīng)的占主導(dǎo)地位，此時仍可以通過同頻振動信號來獲取不平衡量。但在非平穩(wěn)轉(zhuǎn)速情況下，同頻振動信號的瞬時頻率和瞬時幅值都為瞬時變量(振動幅值與頻率平方成正比)，因此采用傳統(tǒng)的等時間間隔采樣數(shù)據(jù)進行傅立葉變換或相關(guān)分析等獲取不平衡信號的幅值和相位，會產(chǎn)生較大誤差。目前，絕大部分動平衡測量都要求在轉(zhuǎn)速相對穩(wěn)定的條件下進行，當轉(zhuǎn)速有小的波動時，通常將此時的振動信號近似為平穩(wěn)信號處理，給測量的精度和穩(wěn)定性帶來不利的影響。
[0003]在轉(zhuǎn)子動平衡測量系統(tǒng)中，通常采用光電傳感器用于產(chǎn)生鍵相信號和測量轉(zhuǎn)速，因每周只產(chǎn)生一個脈沖，只能測量數(shù)周或一周內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在一周內(nèi)的瞬時變化無法測量，而當轉(zhuǎn)速波動時，轉(zhuǎn)子在完成一轉(zhuǎn)運動過程中在時域上是不平穩(wěn)的，根據(jù)每轉(zhuǎn)內(nèi)的瞬時轉(zhuǎn)速對振動信號進行轉(zhuǎn)速無關(guān)化處理，然后采用最小二乘法識別不平衡信號的幅值和相位，此方法能夠克服轉(zhuǎn)速波動的影響。如果采用光電碼盤可以獲得轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)內(nèi)的瞬時轉(zhuǎn)速，但會增加硬件成本，且給安裝帶來極大麻煩，不適合工程應(yīng)用。有文獻(《機電工程》2011年第02期)“基于FPGA的轉(zhuǎn)子振動信號整周期等相位采樣控制方法”，提出采用轉(zhuǎn)速脈沖的倍頻信號觸發(fā)采樣來實現(xiàn)等相位采樣，該方法的實質(zhì)是在每轉(zhuǎn)內(nèi)采用平均轉(zhuǎn)速，與采用碼盤脈沖觸發(fā)采樣是不同的，不能從根本上解決等相位采樣問題。又比如文獻(《振動、測試與診斷》2012年第4 Si)的“弱非平穩(wěn)轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子動平衡方法”，提出通過對振動信號進行時頻分析得到轉(zhuǎn)子瞬時頻率，該方法雖然在理論上是可行的，但沒有利用鍵相信號中包含的轉(zhuǎn)速信息，因此很難穩(wěn)定、準確提取出每轉(zhuǎn)內(nèi)(短時間隔)的瞬時頻率，且計算量較大，也不太適合于工程應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺失和不足，提出一種非平穩(wěn)轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)子動不平衡信號的提取方法。
[0005]如所周知，采用動平衡測量系統(tǒng)中存在每轉(zhuǎn)一個鍵相脈沖，可以用于測量每轉(zhuǎn)的平均轉(zhuǎn)速，以此轉(zhuǎn)速為基礎(chǔ)，用采樣插值技術(shù)可以快速測得轉(zhuǎn)子的瞬時轉(zhuǎn)速。同時，根據(jù)瞬時轉(zhuǎn)速可以對振動信號進行轉(zhuǎn)速無關(guān)化處理，并根據(jù)已知瞬時頻率構(gòu)造不平衡信號，然后通過最小二乘法識別出動不平衡信號的幅值和相位。
[0006]據(jù)此，本發(fā)明非平穩(wěn)轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)子動不平衡信號的提取方法，通過四個步驟實現(xiàn)(如附圖1所示):
[0007]首先，根據(jù)每轉(zhuǎn)一個鍵相脈沖采用采樣插值技術(shù)得到每個振動信號采樣點對應(yīng)的瞬時頻率，記作LJ1…L ；
[0008]然后，采用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EMD)對原始振動信號進行濾波處理，濾除各種噪聲干擾，取出代表不平衡振動信號的本征模態(tài)函數(shù)，此時的離散信號記作x(ti) (i=0，l，2…M-1)；
[0009]再根據(jù)瞬時轉(zhuǎn)速對振動信號進行轉(zhuǎn)速無關(guān)化處理；
[0010]最后，根據(jù)已知瞬時頻率構(gòu)造不平衡信號，并通過最小二乘法識別出不平衡信號的幅值A(chǔ)和相位0。
[0011]如上所述，本發(fā)明非平穩(wěn)轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)子動不平衡信號的提取方法，具有步驟簡捷，系統(tǒng)裝置簡單，效果明顯，易于工程中應(yīng)用推廣?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明非平穩(wěn)轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)子動不平衡信號的提取流程框圖；
[0013]圖2為本發(fā)明兩種方法檢測不平衡信號的幅值和相位對比曲線圖(SNR=30)；
[0014]圖3為本發(fā)明兩種方法檢測不平衡信號的幅值和相位對比曲線圖(SNR=IO)；
[0015]圖4為本發(fā)明兩種方法測量不平衡量結(jié)果對比圖。
【具體實施方式】
[0016]以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的描述
[0017]本發(fā)明非平穩(wěn)轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)子動不平衡信號的提取方法，主要包括:瞬時頻率的估計，振動信號的濾波，轉(zhuǎn)速無關(guān)化處理，等相位重采樣，提取不平衡信號幅值A(chǔ)和相位0。
[0018]具體實現(xiàn)方法:
[0019]一、瞬時頻率的估計
[0020]設(shè)通過鍵相脈沖測得的轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)內(nèi)的平均頻率為&，，其中k為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)數(shù)，對應(yīng)的時間為τκ。振動信號采樣頻率為fs(fs=l/Ts)，在Tk內(nèi)的采樣點數(shù)為M,由于轉(zhuǎn)速是瞬時變的，每個采樣點對應(yīng)的瞬時頻率是不同的，通過三次樣條插值的方式得到，記作
[0021]具體步驟如下:
[0022]I)在按照采樣頻率4對振動信號進行等時間間隔采樣，每個采樣時刻分別h，t1...tM_i ;
[0023]2)根據(jù)幾個連續(xù)鍵相脈沖計算每轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率&，fV..f^，并確定每轉(zhuǎn)頻率對應(yīng)的時刻，記作Uci,，這里將相鄰兩個脈沖上升沿中間位置對應(yīng)的采樣時刻作為fo，斤..^的對應(yīng)時刻；
[0024]3)以(tt0, f0)，(tt1； f\)...(ttk_1； U為基礎(chǔ)，采用三次樣條插值方法得到M個采樣點對應(yīng)的瞬時頻率(tQ，if0)，(t1； If1)…(V1，If^1)。
[0025]三次樣條插值避免了欠光滑性與劇烈振蕩，具有精度高、平滑性好等優(yōu)點，且計算量小，易于實現(xiàn)。
[0026]二、基于EMD的振動信號濾波方法
[0027]是一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的自適應(yīng)非線性時變信號分解方法。主要思想是把一個時間序列的信號通過經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解，表示為不同時間尺度的本征模態(tài)函數(shù)(IMF)。其中，本征模態(tài)函數(shù)必須滿足以下2個條件:
[0028](I)該函數(shù)的極值點和過零點數(shù)目必需相等或者至多相差一點。
[0029](2)由局部極大點構(gòu)成的包絡(luò)線和局部極小點構(gòu)成的包絡(luò)線在任意點的平均值等于零。
[0030]進一步，該算法的實現(xiàn)步驟如下:
[0031]I)、計算出振動信號x[n]的全部局部極值點；
[0032]2)求出所有極大值點構(gòu)成的上包絡(luò)線和所有極小值點構(gòu)成的下極值點，分別記作emax[n]和 ejn]；
[0033]3)計算上、下包絡(luò)線的均值，記作:
【權(quán)利要求】
1.一種非平穩(wěn)轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)子動不平衡信號的提取方法，其特征在于，包括步驟: A.瞬時頻率的估計；B.振動信號的濾波；C.根據(jù)瞬時頻率對振動信號進行轉(zhuǎn)速無關(guān)化處理；D.不平衡信號幅值和相位的提取。
2.如權(quán)利要求1所述的非平穩(wěn)轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)子動不平衡信號的提取方法，其特征在于，所述步驟A.由鍵相脈沖得到每轉(zhuǎn)內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速，采用三次樣條插值得到每轉(zhuǎn)內(nèi)的瞬時頻率估計值，包括步驟: 將通過鍵相脈沖測得的轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)的頻率記作4，； 其中，k為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)數(shù),每轉(zhuǎn)對應(yīng)的時刻記作tty tivttj=1 ； 設(shè)定k轉(zhuǎn)所需時間為Τκ，振動信號采樣頻率為fs(fs =&)時，Tk內(nèi)的采樣點數(shù)為Μ，對應(yīng)的M個采樣時刻記作V t=1.V1 ； 以(ttQ, f0), (tt1； fj…(ttkH, U為基礎(chǔ),通過三次樣條插值的方式得到(tQ, if。)，(t1； If1)…(V1, If^1)，即M點對應(yīng)的瞬時頻率為
3.如權(quán)利要求1所述的非平穩(wěn)轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)子動不平衡信號的提取方法，其特征在于，所述步驟B.采用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EMD)對原始振動信號進行濾波處理，濾除各種噪聲干擾，分離出代表不平衡振動信號的本征模態(tài)函數(shù)，設(shè)定此時的離散信號記作XUi) (1=0，1，2吣)。
4.如權(quán)利要求1所述的非平穩(wěn)轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)子動不平衡信號的提取方法，其特征在于，所述步驟C.轉(zhuǎn)速無關(guān)化處理，包括:假設(shè)EMD濾波后的振動信號為XUi) (1=0，1，2吣11)，每個采樣點對應(yīng)的瞬時頻率為ifo，ifr-1fn，為克服轉(zhuǎn)速對振動幅值的影響的轉(zhuǎn)速無關(guān)化處理后振動信號為
5.如權(quán)利要求1所述的非平穩(wěn)轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)子動不平衡信號的提取方法，其特征在于，所述步驟D.不平衡信號幅值和相位提取，首先根據(jù)瞬時頻率估計值構(gòu)造不平衡信號
【文檔編號】G01M1/16GK103913271SQ201410052317
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年2月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月14日
【發(fā)明者】李傳江, 張自強, 陳佳佳, 張崇明, 周鳴 申請人:上海師范大學(xué)