CN100557439C - 基于声卡的旋转机械叶片频率智能测试方法 - Google Patents

Abstract

基于声卡的旋转机械叶片频率智能测试方法主要用于对旋转机械叶片的固有频率进行测试，也可以应用于对其它结构部件的固有频率进行测试，主要应用领域包括：动力、石化、冶金、航空等，能准确、方便、低成本地实现旋转机械叶片固有频率的测量。该测试方法为：1.)对叶片施加冲击力；2.)振动传感器拾取振动信号；3.)信号衰减器；4.)设置声卡采样参数；5.)数字滤波器；6.)自动测频或手动测频；7.)自动测频；8.)手动测频；9.)对选取信号进行频谱分析；10.)确定频率；11.)自动确定频率；12.)手动确定频率。通过以上步骤即可获得所测叶片或结构部件的频率。

Description

基于声卡的旋转机械叶片频率智能测试方法

技术领域

本发明主要用于对旋转机械叶片的固有频率进行测试，也可以应用于对其它结构部件的固有频率进行测试。主要应用领域包括：动力、石化、冶金、航空等。

背景技术

传统测试方法分析：叶片频率测量大多采用锤击法和共振法。锤击法是指利用铁锤击打叶片，对叶片自由振动响应信号进行频谱分析，辨识出叶片的频率。共振法是指对叶片施加频率可调的激振力，根据叶片发生共振时的激振力频率，来测得其固有频率。实际使用过程中，共振法费时，所需要的方法器比较多，叶片是否处于共振状态需要人工判断，精度不高。本发明采用的是锤击法原理。振动信号分析处理有三种方法：

①李沙茹图形法。该法是将信号发生器产生的已知频率信号和叶片的振动信号同时接入示波器的X轴和Y轴。两个输入信号在示波器内合成，当X轴和Y轴输入信号的相位差和频率比不同时，在荧光屏上显示不同的图形，由信号发生器的频率和李沙茹图可以求得叶片频率。

②以微处理器为核心的叶片频率测试技术，通过频谱分析来测得频率。

③还有部分系统是以PC机为基础，配以数据采集卡和信号调理单元。在计算机中完成信号分析功能。

发明内容：

技术问题：本发明的目的是提供一种基于声卡的旋转机械叶片频率智能测试方法，该测试方法能准确、方便、低成本地实现旋转机械叶片固有频率的测量。

技术方案：本发明的基于声卡的旋转机械叶片频率智能测试方法为：

1.)对叶片施加冲击力：将传感器置于距离叶片根部2/3距离处，敲击叶片的顶部，捶击力度以使叶片有明显振动，

2.)振动传感器拾取振动信号：敲击叶片同时，通过振动传感器拾取叶片响应信号，

3.)信号衰减器：通过衰减器把叶片振动信号衰减至声卡允许范围内，

4.)设置声卡采样参数：在操作界面设置声卡的采样频率、采样位数、采样点数参数，其中，采样频率为所测叶片或结构部件频率的4-10倍，预先估计待测部件的频率，然后根据结果来判断是否需要重新设置采样频率；采样位数选取默认的16位数；默认的采样点数为1024，

5.)数字滤波器：利用滤波器的选频作用，滤除干扰噪声，确保所测叶片或结构部件的频率在带通范围内，默认值为600Hz，

6.)自动测频或手动测频：当需要对大量的叶片进行测频时，通常选择自动测频，执行步骤7.)；当测量少量或者对精度要求非常高的结构部件时，通常选择手动测频，执行步骤8.)，

7.)自动测频：敲击叶片，根据实时的振动波形，在控件Trigger And Gate.Vi(LabVIEW软件函数模板库中的标准控件)中设置采样触发值和采样点数，采样触发值默认为0.4V；根据信号衰减时间的长短来设置触发采样点数，可通过预览衰减信号图来判断衰减时间的长度，具体计算方法为：触发采样点数＝衰减时间×采样频率，默认值为512，设置完毕后，计算机依照所给条件自动截取衰减波形，

8.)手动测频：敲击叶片引起的振动响应信号，首先利用LabVIEW软件函数模板库中的标准控件(Sound File Write.Vi)进行存储，在敲击结束后，利用标准控件(Sound File Read Simple.Vi)调出所存储波形，在该波形图中，拖动鼠标来截取衰减波形，把光标移到波形刚开始衰减的地方，点下“记点”按钮，拖动鼠标到信号衰减完处，这样衰减信号即被截取下来，

9.)对搬信号进行频谱分析：被截取下来的衰减信号都送到LabVIEW软件函数模板库中的标准控件(FFT.Vi)中进行频谱分析，并将结果传递给LabVIEW软件控件模板库中的标准控件Graph，从而以图形化的格式表现出来。在傅立叶变换中，选择了加Hanning窗，使旁瓣明显减低，具有抑制泄露的作用，并且在截断随机信号时，能够减小泄露；同时采用了平均的手段来减小噪声的影响，

10.)确定频率：当采用自动测频时选用自动确定频率方法，执行步骤11)；当采用手动测频时如果需要在频谱图标示出非最高点所对应的频率则采用手动确定频率的方法，执行步骤12)，

11.)自动确定频率：通过LabVIEW软件函数模板库中的标准控件(PeakDetector.Vi)来自动识别出频谱图中幅值最高处所对应的频率，

12.)手动确定频率：通过光标标出频谱图中幅值最高处的频率，同时可以标出图中任何一点的频率与幅值，

通过以上步骤即可获得所测叶片或结构部件的频率。

本方法的可行性分析：

计算机声卡实际上就是一个A/D、D/A的转化装置，其价格较低，性能稳定。现从采样频率、采样精度、信号处理等方面来分析其可行性。

(1)采样频率：目前普通计算机声卡的最高采样频率一般是44.1KHz。由信号分析理论可知，采样频率通常为最高分析频率的4-10倍，所以声卡可以对频率小于10K的信号进行采集。叶片固有叶片频率一般不会超过1KHz，所以声卡的采样频率满足需要。

(2)采样位数：将声音从模拟信号转化为数字信号的二进制位数。一般笔记本计算机声卡的采样位数为16位，也就是相当于把信号的大小分为2¹⁶＝65536个量化等级来实施转换。以声卡的量程±1V为例，采样精度为 $\frac{2}{2^{16}}=\frac{1}{2^{15}}=0.0305\mathrm{mV},$ 因此声卡可以相当精确地表达原始的模拟信号。

(3)LabVIEW是美国National Instruments(简称NI)公司推出的一个图形化软件开发环境。LabVIEW是非常优秀的虚拟方法器软件开发平台，它包含丰富的用于数据采集、分析表达及数据存储的库函数，可以用于开发本测试方法。

(4)信号溢出处理：一般声卡的量程为±1V。如果敲击力过大，传感器采集到的电压信号可能超过±1V，产生溢出。本方法器可选用2种处理方法：①信号直接进入计算机：由于是对衰减信号进行分析处理，所以选取衰减到±1V以下的波形，溢出的那部分对测试结果并无影响；②传感器与声卡之间接入衰减器：该衰减器的最大衰减系数可达到10倍，即传感器采集的信号电压最大可达到±10V，完全满足需要。

有益效果：本发明与传统测试方法的区别：

本发明是以计算机声卡为基础，在LabVIEW软件平台下开发出的虚拟叶片频率智能测试方法。

与目前的测试方法相比，该测试方法的优点体现在：

1.结构简单：本系统只需要配备振动传感器和衰减器。因此比起传统的测试方法器成本较低。

2.成本低：硬件上只需要一个振动传感器和衰减器，价格在800元左右，比以往的测试方法成本都要低。

3.速度快：本发明是利用计算机来自动完成信号分析，测试一个叶片平均只需要1、2秒钟。比起李沙茹图形等方法操作简单，速度快。

4.精度高：频谱分析的分辨率可达到0.1Hz。在信号处理过程中，采用了巴特沃兹型数字滤波器，有利于滤除干扰噪声；在频谱分析中，选择了加窗处理，具有抑制泄露的作用；同时采用了平均的手段来减小噪声的影响，从而保证了测试的精度。

5.该测试方法提供了两种测试方法：

①智能测试：该方法是把信号处理模块化，计算机自动对采集来的信号进行分析与处理，直接显示出测试结果。这种方法避免了烦琐的操作过程，缩短了测试时间，降低了测试人员的工作强度。本测试方法适用于测试数量众多的叶片。

②精细测试：该方法是通过人工操作来进行信号的分析与处理，测试出叶片的频率。在操作过程中，通过手工选取衰减波形，使得测试精度更高，同时记录下了叶片的振动波形，可以对其进行细化研究。本测试方法适用于测试少量但精度要求更高的结构部件。

附图说明

图1是本发明测试方法流程图。

具体实施方式

当叶片受到冲击激励后，其振动响应为一衰减振动过程。对该衰减振动作频谱分析，可以发现其具有连续的频谱。在频谱图上，幅值最高处的点所对应的频率就是叶片系统的固有频率。

把传感器固定在叶片上，同时用小铁锤敲击叶片，利用振动传感器拾取叶片的衰减波形，从麦克风输入端进入计算机(或加入衰减器)，通过声卡转换成数字信号，并以波形的方式表现出来，同时显示出叶片频率。

信号处理

(a)滤波：首先要对声卡转换后的数字信号进行滤波。在此选用的是巴特沃兹型低通滤波器，该滤波器具有较好的幅频特性，设置默认的低通频率为600Hz，可调。

(b)截取信号方法：该方法是对叶片的振动衰减信号作处理，并非波形图中的所有信号都有意义，因此只需要截取其中衰减比较理想的一段信号来进行信号处理与分析。智能法与手工截取法在截取信号的方式上各不相同。

①智能法：采用的是触发截取。设置一个触发值，当叶片振动信号大于这个值时开始采样，同时设置采样点数，来确定触发后采样的时间长度，从而得到一段衰减信号。触发值为0.4V，采样点数为512，可调。

②手工截取法：在波形图中发现需要的衰减信号时，用鼠标截取该段信号。

(c)频谱分析：对截取下来的衰减信号作快速傅立叶变换，在频率域进行分析。在傅立叶变换中，选择了加Hanning窗，使旁瓣明显减低，具有抑制泄露的作用，并且在截断随机信号时，能够减小泄露；同时采用了平均的手段来减小噪声的影响。

实施例：

(1)连线：依次连接振动传感器、衰减器，通过麦克风接口进入计算机。

(2)初始设置：打开测频系统，在操作界面设置声卡的采样频率、采样位数、采样点数，数字滤波器的带通滤波范围，以及触发值与触发采样点数。

①采样频率一般为所测叶片或结构部件频率的4-10倍。通常预先估计待测部件的频率，然后根据结果来判断是否需要重新设置采样频率，保证其满足信号处理的要求。默认值为2048Hz。

②采样位数一般选取默认的16位数，可以保证采样的精度。

③采样点数与采样频率有关。默认的值为1024个点，在采样频率变化较大的情况下，依照一定比例提高或减小采样点数。一般情况下要求为2的整数倍。

④带通滤波：确保所测叶片或结构部件的频率在带通范围内。默认值为600Hz。

⑤触发采样点数：根据信号衰减时间的长短来设置该参数，确保在采样点数内，信号能完成衰减。可通过预览衰减信号图来判断衰减时间的长度。具体计算方法为：触发采样点数＝衰减时间×采样频率。默认值为512。

(3)开始测频：

①按照需要选择测频方式。实时测频：该方法适用于测试数量众多的叶片，速度快，具有实时性；精细测频：该方法适用于测试少量但精度要求更高的结构部件。

②点击执行键，用手将传感器置于距离叶片根部2/3距离处，用铁锤敲击叶片的顶部，捶击力度以使叶片有明显振动为宜，同时力度也不能太大，防止信号溢出。

③测频操作。

(a)实时测频：敲击叶片的同时，该叶片的频率即显示出来。

(b)精细测频：待敲击完叶片以后，在波形图中手动选取衰减信号，把光标移到波形刚开始衰减的地方，点下“记点”按钮，拖动鼠标到信号衰减完处，这样衰减信号即被截取下来，同时对该信号作FFT，在频谱图上幅值最高处所对应的频率即是叶片频率。可以通过光标标出该频率，也可以通过计算机自动识别。测频完毕。

具体测试方法流程图如图1所示。

①对叶片施加冲击力：将传感器置于距离叶片根部2/3距离处，敲击叶片的顶部，捶击力度以使叶片有明显振动，

②振动传感器拾取振动信号：敲击叶片同时，通过振动传感器拾取叶片响应信号，

③信号衰减器：通过衰减器把叶片振动信号衰减至声卡允许范围内，

④设置声卡采样参数：在操作界面设置声卡的采样频率、采样位数、采样点数等参数，

采样频率一般为所测叶片或结构部件频率的4-10倍。通常预先估计待测部件的频率，然后根据结果来判断是否需要重新设置采样频率，保证其满足信号处理的要求。默认值为2048Hz。

采样位数一般选取默认的16位数，可以保证采样的精度。

采样点数与采样频率有关。默认的值为1024个点，在采样频率变化较大的情况下，依照一定比例提高或减小采样点数。一般情况下要求为2的整数倍。

⑤数字滤波器：利用滤波器的选频作用，滤除干扰噪声。确保所测叶片或结构部件的频率在带通范围内。默认值为600Hz。

⑥自动测频或手动测频：两者区别在于对衰减波形的截取方法上。

自动：敲击叶片，根据实时的振动波形，在控件Trigger And Gate.Vi中设置采样触发值和采样点数。采样触发值默认为0.4V；根据信号衰减时间的长短来设置触发采样点数，可通过预览衰减信号图来判断衰减时间的长度。具体计算方法为：触发采样点数＝衰减时间×采样频率。默认值为512。设置完毕后，计算机依照所给条件自动截取衰减波形。

手动：敲击叶片引起的振动响应信号，首先进行存储(Sound File Write.Vi)，在敲击结束后，利用控件(Sound File Read Simple.Vi)调出所存储波形。在该波形图中，拖动鼠标来截取衰减波形。把光标移到波形刚开始衰减的地方，点下“记点”按钮，拖动鼠标到信号衰减完处，这样衰减信号即被截取下来。

⑦对选取信号进行频谱分析：被截取下来的衰减信号都送到控件(FFT.Vi)进行频谱分析。在傅立叶变换中，选择了加Hanning窗，使旁瓣明显减低，具有抑制泄露的作用，并且在截断随机信号时，能够减小泄露；同时采用了平均的手段来减小噪声的影响。

⑧确定频率：同样分为自动与手动两种方法。

自动：通过控件(Peak Detector.Vi)来自动识别出频谱图中幅值最高处所对应的频率。

手动：通过光标标出频谱图中幅值最高处的频率，同时可以标出图中任何一点的频率与幅值。

在实时测频中只采用自动识别频率，目的是为了提高测试速度；在精细测频中即采用自动识别频率的方法，也采用了手动标出频率的方法。

通过以上步骤即可获得所测叶片或结构部件的频率。

Claims (1)

1.一种基于声卡的旋转机械叶片频率智能测试方法，其特征在于该测试方法为：

1)对旋转机械叶片施加冲击力：将振动传感器置于距离旋转机械叶片根部2/3距离处，敲击旋转机械叶片的顶部，捶击力度以使旋转机械叶片有明显振动，

2)振动传感器拾取振动响应信号：敲击旋转机械叶片同时，通过振动传感器拾取旋转机械叶片响应信号，

3)信号衰减：通过衰减器把旋转机械叶片振动响应信号衰减至声卡允许范围内，

4)设置声卡采样参数：在操作界面设置声卡的采样频率、采样位数、采样点数参数，其中，采样频率为所测旋转机械叶片频率的4-10倍，预先估计待测旋转机械叶片的频率，然后根据结果来判断是否需要重新设置采样频率；采样位数选取默认的16位数；默认的采样点数为1024，

5)数字滤波：利用滤波器的选频作用，滤除干扰噪声，确保所测旋转机械叶片的频率在带通范围内，默认值为600Hz，

6)自动测频或手动测频：当需要对大量的旋转机械叶片进行测频时，选择自动测频，执行步骤7.)；

7)自动测频：敲击旋转机械叶片，根据实时的振动波形，在控件Trigger And Gate.Vi中设置采样触发值和采样点数，采样触发值默认为0.4V；根据信号衰减时间的长短来设置触发采样点数，可通过预览衰减信号图来判断衰减时间的长度，具体计算方法为：触发采样点数＝衰减时间×采样频率，默认值为512，设置完毕后，计算机依照所给条件自动截取衰减波形，

8)手动测频：敲击旋转机械叶片引起的振动响应信号，首先利用标准控件“Sound File Write.Vi”进行存储，在敲击结束后，利用控件“Sound File Read Simple.Vi”调出所存储振动响应信号的波形，在该波形图中，拖动鼠标来截取衰减信号，把光标移到波形刚开始衰减的地方，点下“记点”按钮，拖动鼠标到振动响应信号的波形衰减完处，这样振动响应信号的衰减信号即被截取下来，

9)对选取信号进行频谱分析：被截取下来的振动响应信号的衰减信号都送到控件“FFT.Vi”中进行频谱分析，并将结果传递给控件Graph，从而以图形化的格式表现出来，在傅立叶变换中，选择了加Hanning窗，同时进行平均处理，

10)确定频率：当采用自动测频时选用自动确定频率方法，执行步骤l1)；当采用手动测频时如果需要在频谱图标示出非最高点所对应的频率则采用手动确定频率的方法，执行步骤12)，

11)自动确定频率：通过控件“Peak Detector.Vi”来自动识别出频谱图中幅值最高处所对应的频率，

12)手动确定频率：通过光标标出频谱图中幅值最高处的频率，同时可以标出图中任何一点的频率与幅值，

通过以上步骤即可获得所测叶片的频率。

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