CN102353500B - 一种用于动平衡测量的不平衡信号提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种信号提取方法，属于动平衡测量领域。一种用于动平衡测量的不平衡信号提取方法，其特征在于包括以下步骤：(1)对振动传感器传来的振动信号进行调理和滤波，然后对滤波后的信号进行FFT运算，得到不同频率点上的信号幅值，然后在运算的结果中搜索不平衡信号频率附近的信号成分，判断信号是否含有近频干扰，如有近频干扰，则先根据FFT结果估算干扰后出现拍波现象的拍波周期；(2)用一个拍波周期内的数据作为样本，采用正弦逼近法提取不平衡信号；(3)若无拍波现象，则采用基于整周期数据采样的正交相关法来提取不平衡信号。采用本发明方法后提高了动平衡量测量的稳定性和可靠性以及动平衡测量系统的测量范围和测量精度。

Description

一种用于动平衡测量的不平衡信号提取方法

技术领域

本发明涉及一种信号提取方法，尤其涉及用于动平衡测量的不平衡信号提取方法。

背景技术

动平衡测量系统广泛用于旋转机械的生产和维护中，提高测量系统精度可以节省转子的平衡时间和降低转子平衡的成本。动平衡测量的原理是：当电机驱动转子旋转时，通过对安装在旋转机械机架支承处的振动传感器的信号的调理、滤波和分析得到动平衡中不平衡量的大小和相位。由于动平衡测量牵涉到驱动激励、信号转换、调理、传输以及分析处理等多个环节，有用信号除受电气干扰外，还受检测设备本身其他运动部件的振动串扰。因而，检测到的振动信号往往受到严重污染，尤其是在低转速、变频驱动等场合，信噪比恶化严重。因此，提高动平衡测量精度的核心是从含有噪声的信号中准确提取出不平衡信号。

为方便不平衡信号的准确提取，通常需要信号滤波技术来滤除噪声信号，提高信噪比，同时采用增益调整环节改变信号幅值以便减少AD采样的误差。近年来，基于开关电容的自动跟踪滤波技术在动平衡领域得到了广泛的应用，为降低硬件成本，增加可靠性，刘健提出了软件实现的数字跟踪滤波器，杨克已提出一种自适应滤波技术，成功应用到动平衡测量系统中。

不平衡信号的提取方法是影响动平衡测量精度的关键因素，常用的方法有快速傅立叶变换法(FFT)、正交相关法、正弦参数搜索法等，前两种方法的精度相当，且都需要对振动信号进行整周期采样，但二者的计算量不同。通过软件的方式实现准确的整周期测量具有成本低、可靠性高的优点，被广泛应用于信号提取中。正弦搜索法虽不需要整周期采样，但是运算时间较长，主要用于测量速度要求不太高的场合。

通过大量的现场试验，我们发现当不平衡较小时，由于机械或电测系统的原因，这些系统可能引起与不平衡振动信号频率相近的干扰信号，与不平衡振动信号二者合成在一起出现拍波现象，这给不平衡信号的幅值和相位的准确提取带来困难，使得采用上述常规的不平衡信号提取方法很难从发生拍波现象的振动信号中准确及稳定可靠地提取出不平衡信号。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于动平衡测量的不平衡信号提取方法，解决现在的不平衡信号提取方法很难从发生拍波现象的振动信号中准确及稳定可靠地提取出不平衡信号的缺陷。

技术方案

一种用于动平衡测量的不平衡信号提取方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)对振动传感器传来的振动信号进行调理和滤波，然后对滤波后的信号进行FFT运算，得到不同频率点上的信号幅值，然后在运算的结果中搜索不平衡信号频率附近的信号成分，判断信号是否含有近频干扰，如有近频干扰，则先根据FFT结果估算干扰后出现拍波现象的拍波周期；

(2)用一个拍波周期内的数据作为样本，采用正弦逼近法提取不平衡信号；

(3)若无拍波现象，则采用基于整周期数据采样的正交相关法来提取不平衡信号。

所述振动信号经过调理后，再经过数字带通跟踪滤波处理再进行FFT运算。

进一步，所述估算拍波周期的方法为在FFT运算的结果中搜索旋转频率f₀附近有无明显干扰信号，根据信号幅值与不平衡信号幅值比较确定干扰信号，并提取该干扰信号频率记作f₁，则拍波周期近似为

在FFT运算的结果中搜索旋转频率f₀正负5HZ内确认有无明显干扰信号。

若信号中含有多个近频干扰信号，则按照与转子旋转频率f₀最接近的干扰信号的频率来估算拍波周期。

进一步，所述提取不平衡信号采用的正弦逼近法指：信号作为正弦信号的表示式为

其中ω＝2πf，f是已知的不平衡信号的频率，对具有拍波现象的振动信号在一个拍波周期内进行采样并滤波处理后得到数据序列x_i(i＝0，1，2...N-1，N为采样序列的点数)，由xi通过最小二乘法拟合可得到正弦信号的表示式中的参数a，b，x₀，从而得到不平衡信号的幅值和相位为

进一步，所述振动信号的调理主要为模拟处理，包括前置处理电路、自动增益控制电路，模拟处理后的信号经过AD转换模块进入微处理器进行后续滤波处理。

有益效果

本发明通过数字带通滤波后进行运算来估算发生了拍波现象的振动信号的拍波周期和在拍波周期内采用正弦逼近法用于提取不平衡信号的幅值和相位，能够用于不平衡较小时很难确定不平衡信号的情况，采用本发明的信号处理方法后测试结果的一致性明显优于现有方案，尤其是相位的稳定性大大改善，提高了不平衡量测量的稳定性和可靠性，从而提高了动平衡测量系统的测量范围和测量精度。

附图说明

图1为本发明的信号处理系统组成示意图。

图2为本发明方法流程示意图。

图3为本发明实施例中带通滤波前振动信号波形图。

图4为本发明实施例中带通滤波后振动信号波形图。

图5为本发明实施例中经过FFT运算后不平衡信号频率附近的频谱图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明。

本发明提出一种估算发生拍波现象的振动信号中拍波周期的方法和采用正弦逼近法用于动平衡测量中提取不平衡信号幅值和相位的方法。

如附图1所示为本发明的信号处理系统组成，动平衡测量中振动信号处理系统由模拟处理和数字处理两部分组成，模拟处理部分包括针对左右两路振动传感器传来的振动信号分别进行处理的前置处理电路和自动增益控制电路，模拟处理后的信号经过AD转换模块进入微处理器，微处理器中由软件实现数字信号处理，数字信号处理包括带通跟踪滤波、运算判断是否有近频干扰、整周期或拍动周期内数据抽取以及幅值和相位提取模块。振动传感器一般选用性价比较高、安装较方便的压电传感器，前置处理部分主要完成电荷放大、积分处理和低通滤波的功能，其中积分环节起到消除转速对不平衡信号的影响，同时具有对高频信号的抑制作用。自动增益控制有利于拓宽测量范围和提高测量精度，通常采用微处理器输出开关信号控制电子开关切换电阻网络来实现不同放大倍数间的切换，通过一定的增益控制算法来实现档位的自动切换。

虽然基于开关电容的带通跟踪滤波技术在动平衡测量中广泛被采用，但对于高精度动平衡测量系统来说，该方法具有以下两个缺点：一是该方法需要时钟信号，一般为中心频率的50或100倍，不仅增加硬件成本，脉冲信号还会对模拟振动信号带来干扰，且可靠性也会降低；二是当信噪比较差时，滤波器输入和输出端的信号峰值相差较大，用滤波输出信号经AD采样后用来控制前端的增益控制模块会导致增益控制效果不佳，甚至会出现信号失真的情况。因此，本发明采用软件的方法实现数字带通跟踪滤波，不仅节省了硬件成本，提高了可靠性，也便于提高自动增益控制模块的性能。

如附图2所示为本发明不平衡信号提取方法的流程示意图。上述经过数字带通跟踪滤波后的信号中主要成分是不平衡量引起的振动信号，同时还可能含有由于机械或电测系统引起的与不平衡振动信号频率相近的信号成分，二者合成在一起会出现拍波现象，这将给不平衡信号的幅值和相位的准确提取带来困难。本发明提出的不平衡信号提取方法如附图2流程图所示，首先进行FFT运算，作用是得到不同频率点上的信号幅值，然后在运算的结果中搜索不平衡信号频率附近的信号成分，从而判断是否存在明显的近频干扰，若不存在则采用现在常用的正交相关法提取幅值和相位；若存在则根据干扰信号的频率估算拍波现象的拍波周期，然后选一个拍波周期内的数据作为样本，采用正弦逼近的方法提取不平衡信号的幅值和相位。上述处理流程中的关键技术有三点：一是拍波周期的估算；二是软件整周期采样技术；三是幅值和相位的提取方法。

1.拍波周期估算

因为经过带通跟踪滤波后的信号中只含有旋转频率f₀附近的信号成分，所以在FFT运算的结果中只搜索f₀左右5HZ内的有无明显干扰信号(根据信号幅值与不平衡信号幅值做比较确定)，并提取干扰信号频率记作f₁，则拍波周期近似为：

此估算的误差来源于f₁的误差，因为f₁受到FFT运算点数的影响，其频率分辨率影响f₁的精度，这里可以采用增加运算点数来提高频率测量的精度。若信号中含有多个近频干扰(此现象不常见)，则按照与转子旋转频率最接近的干扰信号的频率来估算拍波周期。

2.整周期采样方法

为了获得不平衡信号准确的相位信息，通常需要对振动信号进行整周期采样。整周期采样的实现方法通常有三种：一是硬件上采用倍频锁相信号控制采样频率，二是软件中对转速信号进行预测来控制采样频率，三是软件上对采样信号进行整周期插值处理。硬件方式实现整周期采样的精度较高，但是成本较高，且锁相环电路存在滞后，也会存在同步误差。本发明采用软件方法实现高精度整周期采样。

采用固定采样频率对左右两路振动信号和键相信号同时高速采样，将键相信号相邻两个上升沿间对应的两路振动信号数据取出放入数组中，每路信号的编号从0到M-1共M个数据，记作X₀，X₁，ΛX_M-1，采用抽取和插值相结合的方法从中得到N(通常取2ⁿ)个等间隔的整周期数据，记作Y₀，Y₁，ΛY_N-1，供不平衡信号提取环节使用。抽取方法如下：

$\left\{\begin{array}{c}{Y}_0=X_0\\ Y_i=X_{j-1}+\frac{X_j-X_{j-1}}{T_0/M}(\frac{(i-1)T_0}{N}-\frac{(j-1)T_0}{M}),i\≥1\end{array}\right.$

式中

ceil(x)为取大于x的最小整数；T₀为转子旋转周期。

当M＞＞N时，上述方法的精度足以满足动平衡测量系统的要求。当前的AD采样器件的采样频率大于100K的比较常见，很容易做到M/N＞500。

3.不平衡信号的提取方法

常用的不平衡信号提取方法有FFT、正交相关法和正弦逼近法。FFT算法和正交相关法虽然推导过程不同，但结论是一致的，由于FFT在蝶形运算过程中不可避免的计算出动平衡测量中无用的高次谐波分量，因此在采样点数N大于16时，它的计算量远大于正交相关法。同时二者都需要整周期采样数据，以避免相位泄露。对比上述两种方法，当信噪比较好时采用正交相关法提取不平衡信号的幅值和相位速度较快。

当不平衡量很小，且不平衡信号的波形出现拍波现象时，拍波周期与不平衡信号的周期不一定存在倍数关系，此时无法在一个拍波周期内得到整周期数据，如果采用FFT或正交相关法将会出现相位泄露情况，因此，此时采用正弦逼近法提取不平衡信号的幅值和相位，该方法的原理如下：

正弦信号表示为：

其中ω＝2πf，f是已知的不平衡信号的频率。对含有噪声的振动信号进行采样并滤波处理后得到数据序列x_i(i＝0，1，2...N-1，N为采样序列的点数)，由x_i通过最小二乘法拟合可估计出参数a，b，x₀。则不平衡信号的幅值和相位为

上述数据序列x_i为一个拍波周期内的数据，且数据序列的起始处由键相信号的上升沿决定，以此来确定不平衡信号的相位。

根据本发明的信号处理方法设计了基于PC机的动平衡测量系统，采用上述整周期采样方法和不平衡信号提取方法，与原测量系统进行对比(原测量系统采用硬件带通滤波，采用软件预估整周期采样和FFT不平衡信号提取方法)。

实验中采用160kg标准转子，平衡转速为600rpm，将初始不平衡量校正至150mg以下，在左校正面45°位置加385mg的试重，测得左侧振动信号的波形如附图3所示，带通滤波的Q值取15，经过数字带通滤波后的波形如附图4所示，带通滤波不仅消除了直流分量，还对高低频干扰以及随机干扰起到了很好的抑制作用，波形的前10个周期为动态过程，计算不平衡信号使用第10个周期后的数据。将带通滤波后的数据作FFT运算，不平衡信号频率附近的频谱如附图5所示，除了在10HZ附近幅值为0.09的不平衡信号外，还有9.5HZ附近幅值为0.02的干扰信号，此时拍动的周期约为2秒。采用本发明方案和原方案的方法分别连续测量5次得到的结果对比如下表所示。

从表中的实验结果可以看出，采用本发明的信号处理方法后测试结果的一致性明显优于原方案，尤其是相位的稳定性大大改善，提高了不平衡量测量的稳定性和可靠性，从而提高了动平衡测量系统的测量范围和测量精度。

表：5次测量结果对比

Claims (6)

1.一种用于动平衡测量的不平衡信号提取方法，其特征在于:用于提高动平衡测量的精度和准确度，包括以下步骤：

（1）对振动传感器传来的振动信号进行调理和滤波，然后对滤波后的信号进行FFT运算，得到不同频率点上的信号幅值，然后在运算的结果中搜索不平衡信号频率附近的信号成分，判断信号是否含有近频干扰，如有近频干扰，则先根据FFT结果估算干扰后出现拍波现象的拍波周期，所述估算拍波周期的方法为在FFT运算的结果中搜索旋转频率f。附近有无明显干扰信号，根据信号幅值与不平衡信号幅值比较确定干扰信号，并提取该干扰信号频率记作f_l，则拍波周期近似为

（2）用一个拍波周期内的数据作为样本，采用正弦逼近法提取不平衡信号；

（3）若无拍波现象，则采用基于整周期数据采样的正交相关法来提取不平衡信号。

2.如权利要求1所述的用于动平衡测量的不平衡信号提取方法，其特征在于：所述振动信号经过调理后，再经过数字带通跟踪滤波处理再进行FFT运算。

3.如权利要求1所述的用于动平衡测量的不平衡信号提取方法，其特征在于：在FFT运算的结果中搜索旋转频率f。正负5HZ内确认有无明显干扰信号。

4.如权利要求1所述的用于动平衡测量的不平衡信号提取方法，其特征在于：若信号中含有多个近频干扰信号，则按照与转子旋转频率f。最接近的干扰信号的频率来估算拍波周期。

5.如权利要求1或2所述的用于动平衡测量的不平衡信号提取方法，其特征在于：所述提取不平衡信号采用的正弦逼近法指：信号作为正弦信号的表示式为

其中ω＝2πf，f是已知的不平衡信号的频率，对具有拍波现象的振动信号在一个拍波周期内进行采样并滤波处理后得到数据序列x_i（i=0,1,2…N-1,N为采样序列的点数），由x_i通过最小二乘法拟合可得到正弦信号的表示式中的参数a,b,x₀，从而得到不平衡信号的幅值和相位为

6.如权利要求1或2所述的用于动平衡测量的不平衡信号提取方法，其特征在于：所述振动信号的调理为模拟处理，包括前置处理电路、自动增益控制电路，模拟处理后的信号经过AD转换模块进入微处理器进行后续滤波处理。

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