CN101271018A

CN101271018A - 振动信号处理的方法和系统

Info

Publication number: CN101271018A
Application number: CNA2008100041612A
Authority: CN
Inventors: 奈杰尔·利; 卡尔·奥姆德森
Original assignee: Commtest Instruments Ltd
Current assignee: Bently Nevada Inc; General Electric Co
Priority date: 2007-03-22
Filing date: 2008-01-23
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2028-01-23
Also published as: CN101271018B; NZ554049A

Abstract

本发明涉及一种振动信号处理的方法和系统，其用于通过低频和高频噪声来获取隐藏在正常振动读取中碰撞或者挤压事件的情形。在一个优选实施方式中，本发明方法包括步骤：获得电振动信号，该信号具有表示机器机械振动的振幅和频率；将电振动信号转换成为数字振动样本；将数字振动样本分割为等时间间隔；针对每个时间间隔，检测数字振动样本的平均绝对振幅；生成包括所检测的平均振幅的时间波形；以及当时间波形是独立探测到的信号时，处理该时间波形。本发明提供一种实现检波类型处理、具有较高信噪比(SNR)、无需较强信号处理的方法和系统，或者至少向公众提供一种有用的选择。

Description

振动信号处理的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种振动信号处理的方法和系统。本发明尤其涉及，但不局限于，使用检波处理的机械故障检测的方法和系统，其用于获得隐藏在正常振动读取中碰撞或者挤压的情形。

背景技术

检波是振动分析过程，其用于获取隐藏在正常振动读取中特定机械问题的情形，以防止过早的校正行为。通常，当振动与碰撞或者挤压情形相关的时候，出现这种情形。该情形出现频率较高但是持续时间不长。不幸的是，当开始振动读取的时候，由于低频率振动具有相当长的持续时间，这些振动情形得以掩盖。

在使用中，检波首先使用高通滤波器滤去振动信号的低频部分。为了使得挤压情形随后更为显著和更易于识别，高通滤波信号得以包络检测(envelope-detect)。如果包络检测信号是独立探测的振动信号，那么接着处理包络检测信号。检波的一个缺陷是：由于过滤步骤的数量，其数字实现需要增强的信号处理。

为了替代包络检测，高通滤波振动信号，被称为PeakVue(在Robinson等人的5895857号美国专利中公开)的技术得以存在，该技术通过信号处理检测到的振动信号的峰值以提取冲击情形。为了提供对本发明所讨论的特征，可以参考Robinson等人的专利和其他专利说明书，公开文档，或者该专利说明书的引文。除非特别指明，对这些文件或者引文的参考并不意味着认可这些文件或者引文在任何授权下构成现有技术或者形成现有技术中公知常识的一部分。

本发明的目的在于或者提供一种实现检波类型处理、具有较高信噪比(SNR)、无需较强信号处理的方法和系统，或者至少向公众提供一种有用的选择。

发明内容

一方面，本发明涉及一种振动信号处理方法，包括如下步骤：获得电振动信号，该信号具有表示机器机械振动的振幅和频率；将电振动信号转换成为数字振动样本；将数字振动样本划分为等时间间隔；针对每个时间间隔，检测数字振动样本的平均绝对振幅；生成包括检测的平均振幅的时间波形；和当时间波形是独立探测到的信号时，处理该时间波形。

另一方面，本发明涉及一种振动信号处理方法，包括如下步骤：使用一个或者多个传感器测量机器的振动水平，以获得电振动信号；调整电振动信号；对电振动信号高通滤波；将高通滤波电振动信号转换成为数字振动样本；将数字振动样本划分为等时间间隔，和针对每个时间间隔，校正数字振动样本，和确定该校正数字振动样本的算术平均值或者均方根(RMS)；缓冲该平均数字振动样本，以生成表示平均数字振动样本的时间波形；和当其是独立探测到的信号时，处理该时间波形。

优选地，调整电振动信号的步骤包括：缓冲电振动信号；调整缓冲电振动信号的增益；和对增益调整的电振动信号进行低通滤波。

优选地，高通滤波步骤包括选择感兴趣的最低频率D_min的步骤。

优选地，将电振动信号转换为数字振动样本的步骤包括：

选择感兴趣的最高频率D_max；和

在典型的采样率D_max×2.56下，将滤波电振动信号转换为数字振动样本。

优选地，将数字振动样本划分为等时间间隔的步骤包括：

选择感兴趣的最大故障频率DF_max；

将数字振动样本划分为等时间间隔，每个间隔大致具有D_max/DF_max个样本。

优选地，处理时间波形的步骤包括步骤：

将时间波形进行开窗处理(window)；

将开窗处理的时间波形转换成为频率频谱；和

确定频率频谱的平均值。

另一方面，本发明涉及一种振动信号处理系统，包括：一个或者多个振动传感器，其被构造成用以感测机械振动，并且以电振动信号表示感测的机械振动；一调整电路，其用于调整电振动信号；一高通滤波电路；和一模数转换器(ADC)，其将来自高通滤波电路的电振动信号转换成为数字振动样本；均衡电路(averaging circuit)，其被构造成用以将数字振动样本划分为等时间间隔，该均衡电路包括在每个时间间隔校正数字振动样本的整流器和在每个时间间隔确定校正数字振动样本的算术平均值或者均方根(RMS)的平均器；和缓冲器，其用于接收每个时间间隔的校正数字振动样本的平均值并且以时间波形的形式输出该样本以便于进一步分析。

优选地，均衡电路和缓冲器以处理器的形式实现。

优选地，该处理器被构造成用以将时间波形进行开窗处理；将开窗处理的时间波形转换成为频率频谱；和确定频率频谱的平均值。这些步骤也可以作为另一个处理器上的另一个处理机制的一部分加以执行。

优选地，调整电路包括缓冲器，增益调整器和低通滤波器。

优选地，该系统包括输入装置，用户用以选择感兴趣的最低频率(D_min)用于高通滤波器。

优选地，该系统包括输入装置，用户用以选择感兴趣的最高频率(D_max)在设定ADC的采样率典型地为D_max×2.56中使用。

优选地，系统包括输入装置，用户用以选择感兴趣的最大故障频率(DF_max)在设置每个时间间隔为大约D_max/DF_max的长度中使用。

本说明书中的术语“包括”是指“至少部分包括”，也就是说，当解释说明书中包含该术语的语句时，在任何语句中以该术语开头的特征都需要具备，但是也可以具备其他特征。例如“包含”和“具有”的类似术语以类似的方式加以解释。

“开窗处理”是本领域技术人员熟知的术语。正如在本说明书中使用，该术语指对信号的开窗处理函数的应用。在信号处理过程中，开窗处理函数是将一些选中的间隔之外的数值设定为零。当另一个函数或者信号与开窗处理函数相乘的时候，在中间隔之外的乘积数值也设定为零。

此处使用的术语“(们)”是指名词的复数形式和/或名词的单数形式。

此处使用的术语“和/或”是指“和”或者“或”，或者结合上下文二者皆可。

对于本发明所属领域的技术人员而言，在不脱离本发明所附权利要求的范围的情况下，可以在构造上进行很多改变，并且可以提出本发明的很多不同的实施例和应用。此处公开的内容和描述的内容仅仅是阐释性的，并非有意做出任何形式的限制。

本发明包括前述内容，也包括下述仅仅用于示例的实施例的内容。

附图说明

现在参考附图对本发明方法和系统的优选方式加以描述，其中：

图1显示本发明系统的简化处理流程，

图2A显示测试信号的最差情况，该测试信号用于测试某些现有技术与本发明技术，

图2B显示在图2A的测试信号上执行检波处理的现有技术的结果，

图2C显示在图2A的测试信号上执行检波处理的另一现有技术的结果，和

图2D显示在图2A的测试信号上采用本发明技术得到的结果。

具体实施方式

本发明涉及振动信号分析，其能够被用来说明由低频振动和高频噪音读取的隐藏在正常振动中碰撞或者挤压的情形。通过使用本发明的噪音振动信号技术，能够获得较高的信噪比(SNR)。增强的信噪比使得感兴趣的频谱峰值与底噪(noise floor)容易区分，可以较早地探测到出现的机器故障。

系统的优选实施例

参考图1，优选的系统的简化处理流程总体上显示为100。用于振动信号处理的系统100包括一个或者多个振动传感器102，用以生成表示感测到的机械振动的电子振动信号。传感器102典型地是过载传感器(accelerometer)，但也可以使用能够感测机械振动并以电子振动信号表示该振动的其他传感器。

一旦获得振动信号，其在调整电路104中得以调整。在优选的方式下，调整电路104包括缓冲器、放大器和抗混叠滤波器(即低通滤波器)。在调整之后，在106对信号进行高通滤波。这使得只有高于用户选择的最低频率(D_min)的信号能够被允许通过滤波器106。D_min数值优选通过输入装置加以选择，该输入装置可以是一个或者多个按钮、开关、旋钮和类似的，或者采用硬件形式或者软件形式。

本领域技术人员能够得知，将高通滤波器106与调整电路104分离并非必然的要求。在必要的情况下或者在希望的情况下，高通滤波器106能够成为调整电路的一部分，例如将高通滤波器106和调整电路104的低通滤波器加以结合，从而提供了带通滤波器(band-pass filter)。

高通滤波器106输出的信号接着被模数转换器(ADC)108加以采样，以产生数字振动样本。在优选的方式下，用户借助输入装置选择感兴趣的最大频率(D_max)，其用于为ADC选择适宜的尼奎斯特采样率(Nyquistsampling rate)，典型的采样率为D_max×2.56。

一旦获得数字振动样本，该样本被送到均衡电路110。均衡电路110将样本划分或破裂为相等的时间间隔。在该间隔中样本的数量大致为用户选择的感兴趣的最高频率(D_max)与用户选择的感兴趣的最大故障频率(DF_max)的比值：

间隔中样本≈D_max/DF_max (1)

尽管没有示出，均衡电路110包括用以在每个时间间隔校正样本的整流器。还具有平均器，用于在每个时间间隔确定校正样本的算术平均值或者均方根(RMS)。样本算术平均值的确定有助于区分感兴趣的信号峰值和多余的噪声峰值。一旦加以计算，算术平均值被保存在波形缓冲器112中。缓冲器112收集一段时间的数字样本，并且以时间波形114的形式输出收集到的样本。随后处理仅仅由平均值构成的时间波形114，就如同该时间波形是独立探测的振动信号一样。举例而言，时间波形被传送通过116的开窗处理和快速傅立叶变换(FFT)处理以及在118的均值处理，以在120产生振动的频率频谱。

典型地，均衡电路110、波形缓冲器112、在116的开窗处理和快速傅立叶变换(FFT)处理和118处的均值处理均是使用微处理器加以执行。为了减轻微处理器的计算量，在理想的情况下，高通滤波器106采用模拟硬件的方式实现。但是，本领域技术人员能够理解，高通滤波器也能够以微处理器采用数字滤波器加以实现。

方法的优选实施例

在一种优选方式中，本发明方法以获得电振动信号的步骤开始，该电振动信号具有表示机器机械振动的振幅和频率。该信号典型地直接由一个或者多个传感器获得。然而，在特定情况下，该信号可以从存储以前感测到的信号的存储装置中获得。

信号得以高通滤波并且接着划分成时间间隔，每一时间间隔具有根据前面提出的等式(1)设定的间隔长度。对每个间隔而言，该方法接着确定数字振动样本的平均绝对(校正)振幅。每个间隔的平均振幅被然后用于生成时间波形，从而该波形包括确定的平均振幅。然后处理该时间波形，就如同该时间波形是独立探测的信号一样。

在另一方式中，上述优选方法可以包括调整电振动信号的步骤，该电振动信号通过使用振动传感器得以获得。该步骤包括：(i)缓冲电振动信号；(ii)调整信号的增益；和(iii)对信号低通滤波以抗混叠。

示例

本发明上述方法可以模仿，并且与传统的检波处理和现有技术中的PeakVue处理加以比较。该模仿基于测试信号的最差状况进行，如图2A所示。特别地，信号包括500Hz处的1V低频噪音、1dB白噪音和模拟60Hz冲击信号。模拟冲击信号是1V，5KHz正弦信号，其以5ms的周期通过Blackman-Harris开窗处理。

传统检波结果在图2B中显示，PeakVue处理的结果在图2C中显示，而本发明方法的结果在图2D中显示。尽管所有的处理采用60Hz冲击信号，但是与PeakVue的12dB SNR和传统检波的10dB SNR相比，本发明的方法提供大约15dB的最佳SNR。

前面描述了包括优选实施方式的本发明。对于本领域技术人员而言，明显的变更和修饰包含在所附权利要求的范围之内。

Claims

1、一种振动信号处理方法，包括：

获得电振动信号，该信号具有表示机器机械振动的振幅和频率；

将电振动信号转换成为数字振动样本；

将数字振动样本分割为等时间间隔；

针对每个时间间隔，检测数字振动样本的平均绝对振幅；

生成包括所检测的平均振幅的时间波形；以及

当时间波形是独立探测到的信号时，处理该时间波形。

2、一种振动信号处理方法，包括步骤：

使用一个或者多个传感器测量机器的振动状况，以获得电振动信号；

调整电振动信号；

对调整信号高通滤波；

将高通滤波电振动信号转换成为数字振动样本；

将数字振动样本划分为等时间间隔，针对每个时间间隔，校正数字振动样本，和确定该校正数字振动样本的算术平均值；

缓冲该平均数字振动样本，以生成表示平均数字振动样本的时间波形；

以及当时间波形是独立探测到的信号时，处理该时间波形。

3、如权利要求2所述的方法，其中调整电振动信号的步骤包括：

缓冲电振动信号；

调整缓冲的电振动信号的增益；和

对增益调整的电振动信号低通滤波。

4、如权利要求2或者3所述的方法，其中高通滤波步骤包括选择感兴趣的最低频率D_min的步骤。

5、如上述任一项权利要求所述的方法，其中将电振动信号转换为数字振动样本的步骤包括：

选择感兴趣的最高频率D_max；和

在典型的采样率D_max×2.56下，将电振动信号转换为数字振动样本。

6、如上述任一项权利要求所述的方法，其中将数字振动样本划分为等时间间隔的步骤包括：

选择感兴趣的最大故障频率DF_max；

7、如上述任一项权利要求所述的方法，其中处理时间波形的步骤包括：

对时间波形进行开窗处理；

将开窗处理的时间波形转换成为频率频谱；和

确定频率频谱的平均值。

8、一种振动信号处理系统，包括：

一个或者多个振动传感器，其被构造成用以感测机械振动，并且以电振动信号表示感测到的机械振动；

一调整电路，用于调整电振动信号；

一高通滤波电路；

一模数转换器(ADC)，将高通滤波电振动信号转换成为数字振动样本；

一均衡电路，其被构造成用以将数字振动样本分割为等时间间隔，该均衡电路包括在每个时间间隔校正数字振动样本的整流器，和在每个时间间隔确定校正的数字振动样本的算术平均值或者均方根值(RMS)的平均器；和

缓冲器，其用于接收每个时间间隔的校正数字振动样本的平均值并且以时间波形的形式输出该样本以便于进一步分析。

9、如权利要求8所述的系统，其中均衡电路和缓冲器以处理器的形式实现。

10、如权利要求8或者9所述的系统，其中处理器被构造成用以：

将时间波形进行开窗处理；

将开窗处理的时间波形转换成为频率频谱；和

确定频率频谱的平均值。

11、如权利要求8到10中的任一项权利要求所述的系统，其中调整电路包括缓冲器，放大器，低通滤波器和高通滤波器。

12、如权利要求11所述的系统，其中所述系统包括用于用户选择感兴趣的最低频率(D_min)以用于高通滤波器的输入装置。

13、如权利要求8到12中的任一项权利要求所述的系统，其中所述系统包括输入装置，用户用以选择感兴趣的最高频率(D_max)在设定ADC的采样率典型地为D_max×2.56中使用。

14、如权利要求13所述的系统，其中所述系统包括输入装置，用户用以选择感兴趣的最大故障频率(DF_max)在设定每个时间间隔为具有大约D_max/DF_max的长度中使用。

15、一种振动信号处理方法，在此参照图1所述。

16、一种振动信号处理系统，在此参照图1所述。