CN102095552B

CN102095552B - 一种消除信号相位随机误差的方法

Info

Publication number: CN102095552B
Application number: CN2010105729359A
Authority: CN
Inventors: 廖与禾; 郎根峰; 林京; 王琇峰; 赵明
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2010-12-03
Filing date: 2010-12-03
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2030-12-03
Also published as: CN102095552A

Abstract

本发明公开了一种消除信号相位随机误差的方法。该方法是以优化、估计、计算采集起始时刻与键相“零点”位置之间的真实相位偏移值为基础，以真实相位偏移值修正测试信号快速傅里叶变换(FFT)的相位值，进而消除采样随机误差对信号的影响。本发明提出的相位修正方法，在信号采集随机相位误差控制方面具有先验性，理论和实验证明，按照本发明方法操作，可以将测试信号的单次采样随机误差控制在满意的精度范围。相位是振动测试、分析、控制领域的重要参量，因此该方法的提出，在工业现场降振、消噪中，将有十分广泛的应用。

Description

一种消除信号相位随机误差的方法

技术领域

本发明属于信号测试技术领域，涉及振动的测试、分析和控制领域；特别是需要精确相位信息的测量、分析、控制领域，如：转子的动平衡。

背景技术

在信号的相位测试中，一般均需要基准相位传感器（以下称为键相传感器）——称由键相传感器测量获取的信号为键相信号——获取测试信号零时刻时，不同频率分量相对基准位置（以下称为键相点）之间的相位信息。传统的测试方法为：1）设置采样频率和采样长度，采集获取测试信号及其键相信号；2）分析键相信号，选择键相点；3）取测试信中键相点之后的数据（可以包含键相点）进行FFT变换，获取其频率、相位及其幅值信息；4）对步骤3）获取的频域信息进行频谱修正以获得更精确的频率、幅值和相位信息。

考虑信号采集的开始时间具有随机性、采集的数据信号具有离散性，如附图2所示，获得的键相信号键相点的位置在键相槽内是变化的；如果按照上述方法进行键相信号处理，不同采样时刻所获得的信号的初始相位具有一定的随机误差，如图3所示，该误差与采样频率、信号的频率和采样的起始时刻等参量相关；在对信号进行FFT变换时，键相点位置的选择，对于信号FFT变换的幅值影响很小，而键相点位置的随机误差将会累加至信号的FFT变换相位中。在主动降振、消噪操作过程中，精确的相位是操作成功的必要条件；如图附图4所示，在进行动平衡时，大的相位误差直接影响平衡后的残余振动量。

发明内容

鉴于上述方法测量获得的振动信号的相位具有一定的随机误差难于消除，本发明提供一种消除信号相位随机误差的方法（以下简称相位随机误差修正法）。

上述所示的信号分析方法，在信号相位分析中，容易受键相点的选择和采样的起始时间影响；虽然可以通过提高采样频率，减小工作频率下相邻采样点之间的相位差，来降低信号随机误差的影响，但是，增加采样频率的同时，信号采集的数据量也随之增加，导致后续信号处理的工作任务的增加；单一的提高采样频率，在控制随机误差影响方面是一个效率很低的方法。在对键相信号特点进行详细研究后，本发明提出了相位随机误差修正法。

相位随机误差修正法，该方法是在键相信号键相点相位随时间变化的理论研究基础上提出的，该方法中的采样频率和采样长度均是以控制采集的随机误差为目的选取的。相位随机误差修正法消除信号采集随机误差的具体的方案如下：

步骤一：设定工作频率的随机误差e，根据e值，计算、选择信号采样频率和采样长度；

步骤二：采集、获取测试信号及其键相信号；

步骤三：搜索并存储键相信号中各键相点的位置值；

步骤四：选择测试信号，对其进行FFT变换；

步骤五：确定测试信号的分析频率，对测试数据FFT变换结果进行频谱校正，获取准确的分析频率及其相位值；

步骤六：根据分析频率，采样频率，计算键相信号中各键相点的相位值；并对其进行分析、处理，确定分析频率相位修正值；

步骤七：根据测试信号的分析频率相位、相位修正值，对分析频率相位进行进一步修正计算；

步骤八：改变分析频率重复步骤五～步骤七，获取其它分析频率的相位；

步骤九：更换测试通道信号重复步骤四～步骤八，获取其它信号的分析频率信息；

采样频率和采样长度的选择皆以控制采样随机误差为目的选取的；假设：f_w为分析信号的工作频率；f_s为采样频率；le为采样长度；采样频率和采样长度选择方法如下：N_s为正整数，各参数满足以下条件：

1 > \frac{f_{s}}{f_{w}} - N_{s} > 0;

采样频率与随机误差关系：

e \leq \min {(360 - \frac{f_{w} \times 360}{f_{s}} \times N_{s}), (\frac{f_{w} \times 360}{f_{s}} \times (N_{s} + 1) - 360)};

采样长度与随机误差关系：

le > \frac{360}{e} .

本发明是以平稳信号采样时间与键相点误差关系研究为基础，以统计学参量预估理论为依据，对测试信号的随机误差进行消除的。本发明提供的相位随机误差修正法在获取信号的精确相位信息方面，开辟了新的思路，主要创新点在于：

1、本发明提供了相位随机误差修正法的完整操作方法及其步骤；

2、为了能将分析频率信息的随机误差控制在一个精确的频率范围内，本发明公开了基于随机误差控制精度的数据采样频率的计算方法。

3、为了能将分析频率信息的随机误差控制在一个精确的频率范围内，本发明公开了基于随机误差控制精度的最小采样长度计算方法。

4、为了能获取准确的键相点相位修正值，本发明公开了多种相位修正值估计方法。

相位随机误差修正法是基于对键相位置相位随时间的变化关系分析的基础上提出的，理论和实践证明该方法可以将采集的随机误差控制在精确的范围内。

附图说明

图1“相位随机误差修正法”的操作流程图。

图2键相信号在轴键相点位置采集点的随机波动示意图；图中，P为键槽边缘即键相“零”相位点位置，X1、X2、X3为不同时刻键相信号采集得到的键相点示意位置。

图3键相误差波动示意图，X1、X2、X3、X4、X5，为不同时刻键相点相位相对于“零”相位的误差值，δ为相邻采样点之间的相位差值。

图4相位误差对主动降噪和消噪结果影响示意图。

具体实施方式

为了更清楚的理解本发明，以下结合附图作进一步的详细说明。

本发明公开的相位随机误差修正法，是基于对键相位置相位随时间的变化关系分析的基础上提出的。其具体实施步骤如下：

步骤二：采集、获取测试信号及其键相信号；

步骤三：搜索并存储键相信号中各键相点的位置值；

步骤四：选择测试信号，对其进行FFT变换；

发明人对本发明方法进行过多次实验数据验证，以下是发明人给出的两个具体实施例。需要说明的是，这些实例仅为证明本发明方法的有效性的实例，本申请不限于这些实施例。

实例1：

实验介绍：

该实验是对一组模拟信号进行随机采集，以确定信号的初始相位。

模拟信号为：y=30×cos(2×π×f_w×(st+t_i))。

实验中：信号频率f_w取149.54Hz；采样频率f_s取10000；数据长度le取1024；st为信号的起始时刻（实验过程中，以10为单位，以0为起始时刻，90为终止时刻，改变st的值模拟信号采集的随机性）；t_i为采样时间序列（起始时刻为0，时间间隔为采样时间间隔）。

假设信号的初始相位prim_ang为30°，则模拟生成的键相信号为：

模拟信号修正方法选择权利要求3中相位估计的极值估计法，本实验仅说明修正方法的有效性，其它修正值估计法的结果仍然有效，再此不做介绍。表一中列出了模拟信号不同方案的实验结果。

表一模拟信号传统方法与修正法获得的工频初始相位值对比结果。

st	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90
											传统法	32.42	31.75	30.4	35.12	33.7	32.42	31.75	30.4	35.12	33.77
修正法	30.44	30.46	30.4	30.42	30.44	30.45	30.46	30.4	30.49	30.44

从实验结果中可以看出：修正后的相位值与真实相位之间的误差很小，小于0.5°，而修正前的相位误差最大达到3.77°，修正后各次采样后信号相位的波动范围明显变小，此时以修正后任何一次结果的值作为真值的估计值都能大大减少采样时间的随机性引入的误差。

实例2：

本实验对bently RK4转子模拟实验台上采集获取的数据进行修正分析对比。实验转速4930转/分，采样频率为8000，采样长度8192。同上实验，相位修正方法仍选择权利要求3中相位估计的极值估计法。本实验仅说明修正方法的有效性，其它修正值估计法的结果仍然有效，再此不做介绍。表二中列出了RK4转子实验台数据不同方案的实验结果。

实验结果分析：相对于模拟信号，在RK4转子实验台上获得的数据，我们并不知道其真实的相位值，但从修正后的相位值中我们可以明显的看出，修正后各次采样获得的相位值的波动范围明显减小，即采样的随机误差明显减小，其随机误差在2°左右，而传统方法获得的相位，其随机误差大于6°，这样，以修正后任何一次结果的值作为真值的估计值都能大大减少采样时间的随机性引入的误差。

表一 RK4转子实验台数据传统方法与修正法获得的工频初始相位值对比结果。

文件号	1	2	3	4	5	6	7	8
									传统法	240.57	237.38	241.84	237.84	235.82	237.89	240.25	239.88
修正法	236.42	235.88	235.07	235.62	234.37	234.82	235.6	235.47

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims

1.一种消除信号相位随机误差的方法，其特征在于，该方法的采样频率和采样长度的设置是基于信号分析频率对应的相位的随机误差进行选取的；该方法是以优化、估计、计算采集起始时刻与键相“零点”位置之间的真实相位偏移值为基础，对分析信号快速傅里叶变换所得分析频率对应的相位值进行修正，控制采样随机误差对分析频率对应的相位的影响量；

所述方法包含步骤：

步骤一：根据工作基准频率随机误差控制量e，选择信号采样频率和采样长度；

步骤二：采集并获取测试信号及其键相信号；

步骤三：获取键相信号中各键相位置序列；

步骤四：测试信号快速傅里叶变换；

步骤五：确定分析频率，并根据分析频率，对测试数据快速傅里叶变换的变换结果进行频谱校正，获取准确的分析频率及其相位值；

步骤六：根据分析频率，采样频率，计算键相位置序列中各键相位置的相位值；并分析、处理键相位置相位信息，确定分析频率对应的相位修正值；

步骤七：根据测试信号的分析频率相位、相位修正值，对分析频率对应的相位进行修正计算；

步骤八：如果需要改变分析频率重复步骤五～步骤七；

步骤九：如果需要更换测试通道信号重复步骤四～步骤八；

所述步骤一中：采样频率和采样长度的选择皆以控制采样随机误差为目的选取的；假设：f_w为分析信号的工作频率；f_s为采样频率；le为采样长度；采样频率和采样长度选择方法如下：N_s为正整数，各参数满足以下条件：

1 > \frac{f_{s}}{f_{w}} - N_{s} > 0;

采样频率与随机误差关系：

e \leq \min {(360 - \frac{f_{w} \times 360}{f_{s}} \times N_{s}), (\frac{f_{w} \times 360}{f_{s}} \times (N_{s} + 1) - 360)};

采样长度与随机误差关系：

le > \frac{360}{e} .

2.如权利要求1所述消除信号相位随机误差的方法，其特征在于，所述步骤六中，假设：n_i为键相信号中第i个键相点的位置值；fg_k为待分析信号的频率，fg_k为f_w的倍频；αk_i为计算频率为fg_k时，第i键相点相位偏移值；相位修正值的计算步骤如下：

步骤（一）：计算αk_i，其中

步骤（二）：将相位αk_i变换至0～360区间；

步骤（三）：估计相位修正值。

3.如权利要求2所述消除信号相位随机误差的方法，其特征在于，所述步骤（三）的相位估计方法为：(1)以αk_i的最大值或者最小值作为相位修正值；(2)统计估计αk_i波动区间的中间值为相位修正值；(3)统计估计αk_i波动区间的中间值及其波动区间长度，以波动区间中间值和波动区间半长作为αk_i的极值估计相位修正值。