CN102183290B - 一种提高轴系扭振信号时频转换精度的方法 - Google Patents

一种提高轴系扭振信号时频转换精度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种提高轴系扭振信号时频转换精度的方法。测量轴系扭振，信号采集装置对轴旋转一周的时间tc及旋转过齿盘n个齿的时间tn进行采集，利用扭角公式计算出扭角值，得到扭角随齿数变化的数据，完成扭角信号的第一次采样；对扭角数据进行等时间线性插值，得到新的扭角数据即等时间采样的扭角数据，完成扭角信号的二次采样；先对二次采样的扭角数据进行加窗处理，再进行FFT处理。本发明利用等时间线性插值的方法将第一次采样的等角度采样转换为等时间采样的二次采样，提高采样频率和采样点数，通过等时间采样的数据做加窗后的FFT处理，更加准确可靠，提高轴系扭振信号时频转换精度。

Description

一种提高轴系扭振信号时频转换精度的方法
技术领域
本发明涉及的是一种轴系扭振信号的检测方法。具体地说是一种提高轴系扭振信号时频转换精度的方法。
背景技术
在扭振仪采集到扭振信号后，进行数据处理分析时，都会对所得数据进行FFT处理，用来进行频域分析。但标准的FFT处理，数据都应该是等时间采样得到的，而传统的扭振测试设备，都是通过在轴系上安装齿轮盘，用磁电式传感器进行脉冲信号的采集，进而计算脉冲宽度和轴系转速，也就是信号的产生是通过等角度的轮齿的触发得到的，因此采集到的数据点是等角度的。由于轴系扭振的存在，轴系转速不均匀，因此这种等角度采样过程必定不是等时间的，不利于FFT处理。
《航海技术》2003年第四期刊登的《扭振测试的影响因素及调整办法》，作者：刘妍，李玩幽，蔡振雄，陈历源。文章分析了目前船规中扭转振动的非接触测量仪器的原理及仪器结构特点，指出了影响测量精度的因素，最后给出了相应提高测量精度的方法，但此文提及的非接触测量仪器的采样方式是等角度的，这在数据频域分析中会带来误差。
《内燃机工程》2005年10月第26卷第5期刊登的《扭振测量误差分析及实用发动机高精度扭振测量仪的研制》，作者：周迅，俞小莉，李松和。此文主要内容是：从测量原理和误差分析的角度出发,提出了提高扭振测量精度的可行途径。在此基础上进行了实用扭振测量仪的研制和试验研究，但数据采样是等角度的，没有作等时间的处理。
《机械测试与研究》2007年专刊刊登的《基于Lab VIEW的扭振测试软件设计》，作者：陈玉华，沈韶华，房瑞明。其主要内容为：将目前国际上流行的虚拟仪器技术应用于扭振测试领域，开发出了一套基于虚拟仪器的转子扭振测试系统。扭振测试系统中的扭振测试仪采用塞于虚拟仪器的概念设计，数据采集硬件选用了高性能数据采集产品，扭振测试软件基于图形化编程语言LabVIEW开发，能够时扭振信号进行采集，并能快速高效的分析处理扭振数据，显示扭振时域与频域的波形曲线及添布图等功能。整个软件操作非常简单，在不同面板中进行切换也很方便，同时软件的功能强大，操作友好，界面美观。此文虽然采用性能数据采集产品，但是采样方法依然是等角度的采样，后续数据处理也没有作等时间的转化。
《振动、测试与诊断》2004年12月第24卷第4期刊登的《一种扭振测量新方法及其在故障诊断中的应用》，作者：闫兵，董大伟，华春蓉，王金诺。其内容主要是提出了对A/D采样信号进行拟合的扭转振动测量新方法,介绍了新方法的基本原理,开发了相应的虚拟仪器。此文中的采样依然是传统的采样方法，只是在传统采样方法的基础上采样新的方法达到工程所需的扭振测量精度，但依然不是等时间采样。
《机械设计与研究》2007年10月第23卷第5期刊登的《基于虚拟仪器的转子扭振特性测试系统研究》，作者：张晓玲，沈韶华，谷文港。其主要内容为：基于虚拟仪器技术应用于扭振测试领域,开发出一套转子扭振测试系统。扭振试验合同时具备转动轴和摆动轴,可用于对这两种轴的扭振问题进行研究,并可实现多种方式对扭振信号进行测试。数据采集硬件选用了高性能数据采集产品,扭振测试软件基于图形化编程语言LabVIEW开发,能够对扭振信号进行采集,并能快速高效地分析处理扭振数据,显示扭振时域与频域的波形曲线等功能。此文也是才用了高性能数据采集产品，但采集方式还是传统的等角度采集方式，数据处理时也并没有转化成等时间采样。
《机床与液压》2003.No.6刊登的《基于虚拟仪器的扭振测试仪设计》，作者：胡海刚，冯志敏，蒲龙云。文中提到硬件由光电传感器、信号调理电路、数据采集卡和PC机构成,软件采用VB和Matlab编写，很明显数据采集的方式也是等角度的。
《车用发动机》2010年2月第1期刊登的《内燃机轴系扭振测试方法研究》，作者：李玉梅，华春蓉，闫兵。文中采用A/D采样拟合法，较详细地分析了基准电平的取值范围、循环内平均次数及采样频率等因素对角振动测量精度的影响，并提出了一组适合工程实际需要的参数作为采集及信号预处理参数。通过与A/D高频计数法的分析结果相对比，结果表明：该组参数设定合理，既能降低测量仪器的硬件成本和测试数据的分析时间，又能满足工程应用所需的测量精度，便于现场的实际推广应用。但其在数据采集这里依旧是传统的采集方式，依然是等角度的。
通过文献检索发现，文献中提及或研制的扭振测量仪都是采用齿盘(或者角标器)传感器输出脉冲信号来测量所需数据，进而计算扭角的，也就是都是等角度采样的，而后续的数据处理也是用这种方法采集到的数据进行频域分析的。这在大多数工程测量中虽然是可以满足精度要求的，但对于高精度故障诊断，特别是早期故障发现，这种等角度采样就不能满足精度要求，影响测试分析的准确性。
发明内容
本发明的目的在于提供能提高扭振信号时频转换的精度的提高轴系扭振信号时频转换精度的方法。
本发明的目的是这样实现的：
轴系扭振通过齿盘式测量装置测量，信号采集装置对轴旋转一周的时间tc及总齿数为N的齿盘旋转过齿盘n个齿的时间tn进行采集，利用扭角公式计算出扭角值，得到扭角随齿数变化的数据，完成扭角信号的第一次采样；
利用线性插值的方法，选定好插值时间间隔，在每相邻两个齿间的扭角值间进行插值，并且不丢失原始数据即每个齿处的扭角值，得到新的扭角数据即等时间采样的扭角数据，完成扭角信号的二次采样；
选择矩形窗或三角窗或汉宁窗或海明窗或指数窗等窗函数，对二次采样的扭角数据进行加窗处理，再进行FFT处理。
本发明还可以包括：
第一次采样的扭角计算公式为：
其中，θ为扭角值，ω为瞬时角速度，tc为最终输出信号的周期，为平均角速度，N为齿轮齿数，tn为输出n个方波信号的时间，n为方波个数，dt为时间微元。
本发明的主要特点是：
利用线性插值的方法将第一次采样的等角度采样转换为等时间采样的二次采样，提高采样频率和采样点数，通过等时间采样的数据做加窗后的FFT处理，更加准确可靠，提高轴系扭振信号时频转换精度。
与现有技术相比，本发明的突出优点在于：
1.通过等角度采样到等时间采样的转换，利于FFT处理的精确性；
2.这种扭振数据处理方式，既提高轴系扭振信号时频转换精度，又无需改变原有扭振测试装置；
3.在等角度采样到等时间采样的转换中，提高了采样频率，而且不丢失原有的采样数据点。
附图说明
附图是本发明的框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更详细的描述：
本发明通过对已得扭角数据的等时间线性插值来实现二次采样。
首先，轴系扭振通过齿盘式测量装置测量，信号采集装置对轴旋转一周的时间tc及旋转过齿盘n个齿(齿盘总齿数为N)的时间tn进行采集；根据信号采集装置测得的信号计算出扭角值，公式如下：
其中，θ为扭角值，ω为瞬时角速度，tc为最终输出信号的周期，为平均角速度，N为齿轮齿数，tn为输出n个方波信号的时间，n为方波个数，dt为时间微元。
其次，对扭角数据进行等时间的线性插值，二次采样得到新的扭角数据。在这里插值的步长即为插值的时间间隔，为了实现等时间插值并且不丢失原有数据点，采用如下方法确定插值的时间间隔：如有N个扭角数据，计算出这N个扭角数据每相邻两个数据间的时间间隔，把这N-1个时间间隔数据记为数组M，为了使数组M的数据都是正整数，我们将数组M的所有数据扩大x倍，得到新的数组K，再求出数组K里所有数据的最大公约数，然后将这个最大公约数缩小x倍，记为数值g，最后以数值g为插值的时间间隔进行插值，即从第一个数值开始每隔g时间插一个值，如果把每相邻两个扭角值间插值的点数记为n，那么：
这一过程也就是以g为采样的时间间隔对已有的扭角数据进行二次采样，进而得到新的扭角数据。而且通过这样的插值得到的新的扭角数据，既做到了等时间采样，又没用丢失原有数据点，数据准确可靠。
最后，选择矩形窗或三角窗或汉宁窗或海明窗或指数窗等窗函数对二次采样得到的扭角数据进行加窗处理，再进行频域分析。
本发明的提高轴系扭振信号时频转换精度方法，对等角度采样得到的扭角数据先进行等时间的线性插值再进行二次采样，来实现等时间采样。二次采样过程中不丢失原有采样点，保证二次采样得到的数据的有效性，实现了等角度采样到等时间采样的转化，提高了轴系扭振信号时频转换精度。
传统的扭振测试是采用齿盘(或者角标器)传感器输出脉冲信号，对疏密不均的脉冲信号进行模拟或数字处理就可以得到扭振时域信号。在数字式扭振仪中，传统的方法是对脉冲宽度进行计数，并采用上升沿或下降沿得到该角度时刻的扭振幅值。这种等角度采样过程必定不是等时间的，时频转换采用的傅立叶变换原理要求数据是等时间采样得到的，这样就必定会造成误差。为了提高轴系扭振信号时频转换精度，本发明采用对扭角数据先进行等时间的线性插值再进行二次采样的方法来满足等时间采样的要求，要求二次采样过程中不丢失原有采样点，保证了二次采样得到的数据的有效性，实现了等角度采样到等时间采样的转化，提高了轴系扭振信号时频转换精度。

Claims (1)

1.一种提高轴系扭振信号时频转换精度的方法，其特征是：
首先，轴系扭振通过齿盘式测量装置测量，信号采集装置对轴旋转一周的时间tc及旋转过齿盘n个齿的时间tn进行采集，齿盘总齿数为N；根据信号采集装置测得的信号计算出扭角值，计算公式为：
其中，θ为扭角值，ω为瞬时角速度，tc为最终输出信号的周期，为平均角速度，N为齿盘总齿数，tn为输出n个方波信号的时间，n为方波个数，dt为时间微元；
其次，对扭角值进行等时间的线性插值，二次采样得到新的扭角数据；插值的步长即为插值的时间间隔，为了实现等时间插值并且不丢失原有数据点，采用如下方法确定插值的时间间隔：如有P个扭角数据，计算出这P个扭角数据每相邻两个数据间的时间间隔，把这P-1个时间间隔数据记为数组M，为了使数组M的数据都是正整数，将数组M的所有数据扩大x倍，得到新的数组K，再求出数组K里所有数据的最大公约数，然后将这个最大公约数缩小x倍，记为数值g，最后以数值g为插值的时间间隔进行插值，即从第一个数值开始每隔g时间插一个值，把每相邻两个扭角值间插值的点数记为n，则：
这一过程也就是以g为采样的时间间隔对已有的扭角数据进行二次采样，进而得到新的扭角数据，而且通过这样的插值得到的新的扭角数据，既做到了等时间采样，又没用丢失原有数据点，数据准确可靠；
最后，选择矩形窗或三角窗或汉宁窗或海明窗或指数窗对二次采样得到的扭角数据进行加窗处理，再进行FFT处理。
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