CN102638265A - 一种机械系统内部信号获取方法 - Google Patents

Abstract

一种机械系统内部信号获取方法，是按下列步骤进行：各路传感器分别输出信号到数据采集及存储器的各个A/D通道；各路采样点数据统一存储到所述数据采集及存储器；将所述数据采集及存储器的所有存储数据导出到电脑中，将各路A/D通道采样点数据分离，分别保存于一个文件中，每一个文件对应存放一路所述采样点数据；对每一路采样点数据进行“分段插值”处理， 将离散序列连接起来，组成每一路数据的分段数据线；将每段插值后的分段数据线连接起来，形成每一路数据的数据线。发明的显著效果是：具有“小体积”的优点，能够解决由于机械传动系统的特殊环境所引起的多路A/D信号同步获取困难。

Description

一种机械系统内部信号获取方法

技术领域

本发明属于一种传感器信号获取及处理技术，具体的是一种机械系统内部信号获取方法。

技术背景

机械系统关键点的信号监测系统能为提高机械设备运行的可靠性与安全性，避免各种灾难性事故，延长机电设备使用寿命，降低全寿命期维修费用等提供重要保障。因此，适用的智能化在线监测系统的民用和军事需求与日俱增。例如航空航天、核电站等一直坚持长期投入巨额资金开发机械装备保障信息化系统。但传统的监测系统一般是采用将用于分析和监测的传感器安装在机械传动系统箱体的轴承座上来进行诊断与分析的方法，由于远离所关心的信号源，所以存在强噪声干扰、微弱损伤信号能量的传递损失、信号的复杂强耦合等问题。为了解决上述的关键共性科学技术问题与难题，最佳的办法就是将传感器直接安装在所需检测和监测的位置，感知机械系统内部信号的变化。该方法的难点在于：特殊环境机械传动系统的箱体封闭、安装空间狭小、旋转、高温、高速、变速、变载、振动、润滑油、润滑油气、等因素，限制了常规监测技术的应用。

由于特殊环境机械传动系统的上述特点，要求内置于机械系统中的信号采集及处理设备具有“小体积”的特点，由于“小体积”要求设备电路尽可能精简，所以多采用单CPU中的多路A/D通道以“轮询”的方式完成多个关键点数据的采样，这就造成了多路A/D采样困难。

发明内容

本发明正是针对上述难题，提出了一种机械系统内部信号获取方法，具有“小体积”的优点，能够在封闭、狭小的机械传动系统中同步获得多路A/D信号。

Sinc插值原理

设有函数g(x)，采样定理表明，在满足以下两个条件时，就可以从g(x)的等间隔离散样本中无失真的重建原始信号：1)信号是带限的，即信号的最高频率有界；2)采样频率满足奈奎斯特采样率，即对信号的采样频率必须大于信号最高频率的两倍。当满足以上条件时，重建方程如(1)式：

$g\left(t\right)=\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}g\left(n\right)\sin c(t-n)---\left(1\right)$

上式可以看成是g(n)与sinc(n)的卷积，g(n)表示g(t)的第n个采样点，sinc函数定义式如(2)式所示：

$\sin c\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& n=0\\ \frac{\sin \left(\mathrm{\πn}\right)}{\mathrm{\πn}},& n\≠0\end{array}\right.---\left(2\right)$

理论上，对任何一个给定t值的插值点都可以由式(1)确定出其值，即实现原信号g(x)的精确重构。但实际应用中会发现，由于式中累加变量趋于正无穷，式(1)在实际应用中是不可行的。因此，在sinc插值算法中可以通过加窗的方法来实现累加变量n的最大值从正无穷到有限个数L的转变。于是，在采样周期为T的情况下，由插值公式(1)式变换得公式(3)：

$g\left(t\right)=\underset{n=0}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\ω}\left(\mathrm{nT}\right)g\left(\mathrm{nT}\right)\frac{\sin [\mathrm{\π}(t-\mathrm{nT})/T]}{\mathrm{\π}(t-\mathrm{nT})/T},$

$t=m\frac{T}{k},m=\{\mathrm{1,2,3},...,L*k\},L,k\∈N---\left(3\right)$

式中g(nT)为由采样点组成的离散序列，其中T为采样周期；ω(nT)为所加时窗的离散采样序列，其长度为(L+1)；g(t)为sinc插值后的离散序列，t为该离散序列的时间下标，k为一路A/D信号中每两个采样点间的插值点个数，k的取值方式如下：k+1为通道数CN的整数倍，插值后，每2个采样点间插入(k-1)个点，m为从1到L*k的自然数。

本发明提供的一种机械系统内部信号获取方法，具有“小体积”的优点，能够解决由于机械传动系统的特殊环境所引起的多路A/D信号获取难题。

为达到上述目的，本发明所述的一种机械系统内部信号获取方法，其关键在于是按下列步骤进行：

步骤一：将数据采集及存储器和至少二个传感器固定于机械系统的旋转件内部，每个传感器和所述数据采集及存储器的一个A/D数据采集通道相连接；

各路传感器分别输出信号到数据采集及存储器的各个A/D通道；

步骤二：驱动机械系统工作，在旋转件旋转过程中，数据采集及存储器中各路A/D数据采集通道对各路传感器信号采样，各路采样点数据统一存储到所述数据采集及存储器；

步骤三：机械系统停止工作，将所述数据采集及存储器的所有存储数据导出到电脑中，将各路A/D通道采样点数据分离，分别保存于一个文件中，每一个文件对应存放一路所述采样点数据；

步骤四：对每一路采样点数据进行“分段插值”处理，即先将每一路数据分段，每一段数据包含32个采样点，采用sinc插值法对每段数据进行插值，插值公式如下：

$g\left(t\right)=\underset{n=0}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\ω}\left(\mathrm{nT}\right)g\left(\mathrm{nT}\right)\frac{\sin [\mathrm{\π}(t-\mathrm{nT})/T]}{\mathrm{\π}(t-\mathrm{nT})/T},$

$t=m\frac{T}{k},m=\{\mathrm{1,2,3},...,L*k\},L,k\∈N---\left(3\right)$

式中g(nT)为由采样点组成的离散序列，其中T为采样周期；ω(nT)为所加时窗的离散采样序列，其长度为(L+1)；g(t)为sinc插值后的离散序列，t为该离散序列的时间下标，k为一路A/D信号中每两个采样点间的插值点个数，k的取值方式如下：k+1为通道数CN的整数倍，插值后，每2个采样点间插入(k-1)个点，m为从1到L*k的自然数；

将离散序列连接起来，组成每一路数据的分段数据线；

步骤五：在取下一段采样点的时候，起始点为上一段的最后一个点，并按步骤四过程进行插值；之后，将每段插值后的分段数据线连接起来，下一段的起始点与上一段的末尾点重合，形成每一路数据的数据线。步骤五中，插值后，各路A/D采样信号在一定误差范围内得以重构，各数据点间，包括采样和插值点间的时间差缩短为T/k，即时间分辨率为ΔT_I＝T/k。

步骤六：在完成每一路数据线的描述和绘制后，再对各路数据线的起始时间进行一致性处理，获得各种传感信号在同一时间的对应波形，处理方法是：由于多路A/D采用“轮询”方式等间隔采样，需要将插值后各路A/D信号从T_c处截断，即：舍去T_c前的数据，将T_c作为新的时间0点。T_c计算公式如(4)式所示，式中T为采样周期，CN为参与采样的A/D通道数。Δt的计算如(5)式所示，其中T为采样周期：

T_c＝(CN-1)*Δt            (4)

$\mathrm{\Δt}=\frac{T}{\mathrm{CN}}---\left(5\right)$

ΔT_I小于Δt，Δt为ΔT_I的整数倍，各路A/D信号的数据点，包括采样和插值点。

只要步骤四中ΔT_I小于Δt，Δt为ΔT_I的整数倍，各路A/D信号的数据点，包括采样和插值点，则能在时间上以ΔT_I对齐，从而实现多路A/D的同步。

本发明的显著效果是：提供了一种机械系统内部信号获取方法，具有“小体积”的优点，能够解决由于机械传动系统的特殊环境所引起的多路A/D信号同步获取困难。保证实测多路信号达到时间同步，各路A/D信号平均绝对误差精度为10^-4V；在测试过程中机械信号的动态范围内，各路A/D信号间平均相对误差精度为0.01％。

附图说明

图1数据采集及存储器和传感器装配示意图

图2数据采集及存储器的结构框图

图3导出数据存放格式示意图

图4第0路信号采样点波形图

图5第0路信号插值后波形图

图6四路信号插值点的选取图

图7多路采样信号同步示意图

图84路A/D采样信号数据波形同步效果图

图9A/D0信号2小时测试波形图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

将数据采集及存储器和至少二个传感器固定于机械系统的旋转件内部，每个传感器和所述数据采集及存储器的一个A/D数据采集通道相连接；

各路传感器分别输出信号到数据采集及存储器的各个A/D通道；

实施例的测试对象为某机械传动系统发动机输出轴，其布局图如图1所示。测试关键点位于输出轴内壁，需采集信号为由输出轴内壁表面的变形而产生的应变信号，图中发动机输出轴为旋转件，4个传感器分别粘贴于输出轴内壁表面4个不同的关键点位置，每个传感器输出信号为幅值较小的电压模拟信号，通过导线连接至带有多路A/D数据采集通道的数据采集及存储设备，每一路A/D通道连接一路传感器输出。数据采集及存储器通过4路A/D数据采集通道对传感器电信号进行采样并存储数据。但在本实施例中，为了证明多路A/D信号数据在经过“分段插值”处理后达到了高精度同步，对传感器和A/D设备中的A/D数据通道输入端的连接做了改动。在本实施例中，特别将4路A/D输入连接到同一个传感器，以取同一信号源来观察及说明4路信号的同步效果。

数据采集及存储器主要由多路传感器信号输入接口、电源模块、数据存储模块、A/D采样模块、CPU、USB接口组成，其中A/D采样模块集成于CPU中，总体结构示意图如图2所示：

多路传感器信号输入接口电路主要包括输入信号放大、信号调节、滤波等单元电路，为CPU中的A/D采样模块提供满足要求的信号。电源模块负责为整个设备提供稳定的电源，主要由电池，电源转换电路，电源监测电路三部分组成。数据存储模块包括NANDFLASH存储芯片及其外围电路，NANDFLASH存储芯片采用三星公司生产的K9NBG08U5A芯片，其容量为2G Bytes。CPU为设备的核心微处理器，选用PHILIPS公司的LPC2146微处理器，主要负责：控制内部A/D采样模块、监控电源、读写数据存储模块并管理数据、控制USB接口以完成USB数据通信。

CPU中的A/D采样模块最多可提供14路信号采样通道，采样精度为12bit，可测量信号电压范围0-3.3V，各路A/D采用“轮询”的工作方式，即各路按时间先后依次交替进行采样，所以需要采用本发明中所提出方法来实现各路A/D采样信号同步。USB接口受CPU控制，实现A/D设备与电脑间的USB数据通信。

驱动机械系统工作，在旋转件旋转过程中，数据采集及存储器中各路A/D数据采集通道对各路传感器信号采样，各路采样点数据统一存储到所述数据采集及存储器；

机械系统停止工作，将所述数据采集及存储器的所有存储数据导出到电脑中，将各路A/D通道采样点数据分离，分别保存于一个文件中，每一个文件对应存放一路所述采样点数据；

传感器输出信号线与A/D设备连接好后，需要将数据采集及存储器安装并固定于发动机输出轴内部，并将其密封。安装数据采集及存储器后，使数据采集及存储器上电工作，之后即可开始测试。启动传动系统，发动机输出轴开始转动，在此过程中，数据采集及存储器实时地采集由各路A/D数据采集通道所或获得的信号，并通过A/D转换后将数据存储于数据存储模块中。在获取了希望得到的关键数据后，停止传动系统，打开密封盖。用USB数据线将数据采集及存储器的USB接口与上位机电脑相连接，把数据采集及存储器数据存储模块中记录的数据导出到电脑中。

最初导出到电脑的数据存放格式如图3所示，图3中每格表示一个字节。4路A/D通道所采集的数据依次交错存放，每个采样点数据前会加上通道号C_n作为标识，在本实施例中下标n＝0，1，2，3。由于每路A/D通道采样精度为12bit，所以一个采样点结果用二进制存放需要16bit，即需用两个字节表示，高字节DH_m存放在前，低字节DL_m存放在后，下标m为采样点先后序号。

电脑将各路数据分离，分别保存于各个文件中，每一个文件对应存放一路信号的数据。文件中每个采样点数据经过转换后以十进制数表示，文件中每行存放一个采样点数据，各个数据按采集时间先后存放，以表示文件对应信号在不同时间点时的大小。高字节DH_m和低字节DL_m到十进制数的转换按公式6进行，式中V_ref为外部输入的参考电压，本实施例中为3.3V，n为A/D采样精度位数，本实施例中为12bit，V_dec为转换后的十进制数。

$V_{\mathrm{dec}}=\frac{{\mathrm{DH}}_m\×256+{\mathrm{DL}}_m}{2^n}\×V_{\mathrm{ref}}---\left(6\right)$

原始信号最高频率f_M＝1KHz，为满足奈奎斯特采样定理，选采样频率f_s＝4KHz，令使用的sinc函数时窗长度(L+1)为32个点，即采用32点的sinc函数对原始数据进行“分段插值”。

在f_s＝4KHz且sinc窗取32的情况下，加上起始点，一路信号为32个采样点，对应时间长度为7.75ms，每2个采样点间时间间隔为ΔT＝250μs，下面以第0路信号数据为例进行说明。由第0路信号的32个采样点直接连线所绘制的波形如图4所示，图中坐标横轴为时间，单位为毫秒(ms)，纵轴为信号的电压幅值，单位为毫伏(mv)。

对每一路采样点数据进行“分段插值”处理，即先将每一路数据分段，每一段数据包含32个采样点，采用sinc插值法对每段数据进行插值；

这32个采样点形成序列g(nT)，现根据插值公式用sinc插值法恢复原信号。在每2个样点间内插7个点，使得插值后波形在保证实际信号频域成分不变的情况下时间分辨率提高，即插值后每两点时间间隔ΔT_I更小，按上述情况ΔT_I＝31.25μs。

$g\left(t\right)=\underset{n=0}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\ω}\left(\mathrm{nT}\right)g\left(\mathrm{nT}\right)\frac{\sin [\mathrm{\π}(t-\mathrm{nT})/T]}{\mathrm{\π}(t-\mathrm{nT})/T},$

$t=m\frac{T}{k},m=\{\mathrm{1,2,3},...,L*k\},L,k\∈N---\left(3\right)$

式中g(nT)为由采样点组成的离散序列，其中T为采样周期；ω(nT)为所加时窗的离散采样序列，其长度为(L+1)；g(t)为sinc插值后的离散序列，t为该离散序列的时间下标，k和插值点数有关，插值后，每2个采样点间插入(k-1)个点，m为从1到L*k的自然数。

将离散序列连接起来，组成每一路数据的分段数据线；

插值后的数据线波形如图5所示。对比图4和图5可见，通过sinc插值处理后，第0路信号插值后波形更加圆滑，根据Sinc插值原理，插值后波形为重构波形，接近于真实波形。

在依次处理完4路A/D采样信号数据后，各路信号波形比插值前接近于真实波形，且时间分辨率为ΔT_I＝31.25μs。时间分辨率的提高为多路A/D采样信号同步提供了必要条件。

在取下一段采样点的时候，起始点为上一段的最后一个点，并按步骤四过程进行插值；之后，将每段插值后的分段数据线连接起来，下一段的起始点与上一段的末尾点重合，形成每一路数据的数据线。

取时间长度为1ms的一段波形，以同一时间为横轴分别用4个坐标轴来说明4路A/D采样点的位置，4路采样点的选取分别如图6(a)，(b)，(c)，(d)所示。图6中各路采样点均用小圆点表示，可以看到，各路采样点在时间上都没有对齐，原因在于：采样频率为f_s＝4KHz，则采样间隔为ΔT＝250μs；又由于四路A/D采用“轮询”方式等间隔采样，故每相邻两路A/D采样点在同一“轮询”周期ΔT内的间隔应为

图6中a、b、c、d四个点分别为四路采样点的起始点，由于第二、三、四路的采样起始点相对第一路分别有Δt、2Δt、3Δt的延迟，无法通过插值恢复之前的信号。因为在该实施例中Δt在us级，而需要测试的机械传动系统发动机输出轴内部关键信号的产生时间段在机械传动系统启动后1小时，故完全可以从d点截断，将4路数据d点对应时间之前部分舍弃。d点对应时间为截取时间T_c，T_c计算公式如(4)式所示。式中f_s采样频率为，CN为参与采样的A/D通道数。Δt的计算如(5)式所示，其中T为采样周期。

T_c≥(CN-1)*Δt            (4)

$\mathrm{\Δt}=\frac{T}{\mathrm{CN}}---\left(5\right)$

只要步骤四中ΔT_I小于Δt，Δt为ΔT_I的整数倍，各路A/D信号的数据点，包括采样和插值点，则能在时间上以ΔT_I对齐，从而实现多路A/D的同步。如前文所述，时间分辨率的提高为多路A/D采样信号同步提供了必要条件，为了便于详细说明，取时间轴的0～312.5us段，将各采样点及插值点位置直接标于时间轴上，如图7所示。图7中各路采样点用小圆点表示，由于四路A/D采用“轮询”方式等间隔采样，故A/D0第一个采样点在0us处，A/D1第一个采样点在62.5us处，A/D2第一个采样点在125us处，A/D3第一个采样点在187.5us处，即每相邻两路A/D采样点在同一“轮询”周期ΔT内的间隔应为

以A/D0为例，其位于0us和250us的2个采样点间时间间隔为ΔT＝250μs，在两个采样点之间通过sinc插值后插入7个点，插值点分别位于：31.25us、62.5us、93.75us、125us、156.25us、187.5us、218.75us处，即插值后每两点时间间隔ΔT_I＝31.25μs。可见，ΔT/ΔT_I＝8，即插值后每路信号时间分辨率提高到插值前的8倍。

在本实施例中，由于A/D0～A/D3采集的是同一信号源，且4路信号通过sinc插值后时间分辨率精确到了ΔT_I＝31.25μs，各插值点幅值也接近于真实值，所以在每一路A/D信号的采样点对应时间点上，都能在其他3路A/D信号找到对应插值点与之对齐，从而最终实现了4路A/D信号的同步。同步效果可由图7中垂直于横轴的红色虚线出看到，在时间点62.5us、125us、187.5us、250us、312.5us处，各路A/D信号采样点和插值点都实现了对齐。

综上，经过步骤四和步骤五的处理，4路A/D采样信号数据波形达到同步，如图8(a)、(b)、(c)、(d)所示。

图8中每一路A/D信号对应一个坐标轴，横轴为时间轴，起始时间是步骤五中的截断时间，时间长度为7.75ms，纵轴为波形幅值。在恢复较长段原始信号波形后，四路信号波形几乎完全重叠，同步效果明显。

为了说本发明中多路A/D信号同步方法的可行性，同时也为了便于信号的后期分析和处理等工作，所以有必要分析各路信号之间在同步后的绝对误差和相对误差。误差分析对象为4路A/D信号，时间长度为77.5ms。

1.平均绝对误差

以ΔT_I＝31.25μs为时间间隔取点，按公式7，求各路信号之间的平均绝对误差MAD(Mean Aosolute Difference)。

$\mathrm{MAD}(I,J)=\frac{1}{S}\underset{j=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}|I_j-J_j|---\left(7\right)$

公式7中，I，J表示两路不同的A/D信号，j为以ΔT_I＝31.25μs为时间间隔取得的数据点下标，I_j和J_j两路不同的A/D信号在同一时间点的幅值，S为取得的总点数。因为图9中时间长度为77.5ms，所以总点数S＝249。

四路A/D信号同步后MAD如表1所示。

表1四路A/D信号同步后MAD

2.相对误差

相对误差RE是指各路信号间平均绝对误差相对于A/D信号在整个测试时间内动态范围的大小，计算方法如式8所示：

$\mathrm{RE}(I,J)=\frac{\mathrm{MAD}(I,J)}{(V_{\mathrm{MAX}}-V_{\mathrm{MIN}})}---\left(8\right)$

本实施例中，测试时间长度为2小时，因为多路A/D信号源相同，所以可由A/D0波形确定信号总的动态变化范围，其整波形如图9所示，

由图9可见，V_MAX＝2140mv，V_MIN＝1525mv，则按式X计算出各路A/D信号间相对误差如表2所示。

表2四路A/D信号间RE

结论：多路A/D信号同步后，各路A/D信号间平均绝对误差精度为10^-4V，在测试过程中机械信号的动态范围内，各路A/D信号间平均相对误差精度为0.01％。

Claims (3)

1.一种机械系统内部信号获取方法，其特征在于是按下列步骤进行：

步骤一：将数据采集及存储器和至少二个传感器固定于机械系统的旋转件内部，每个传感器和所述数据采集及存储器的一个A/D数据采集通道相连接；

各路传感器分别输出信号到数据采集及存储器的各个A/D通道；

步骤二：驱动机械系统工作，在旋转件旋转过程中，数据采集及存储器中各路A/D数据采集通道对各路传感器信号采样，各路采样点数据统一存储到所述数据采集及存储器；

步骤三：机械系统停止工作，将所述数据采集及存储器的所有存储数据导出到电脑中，将各路A/D通道采样点数据分离，分别保存于一个文件中，每一个文件对应存放一路所述采样点数据；

步骤四：对每一路采样点数据进行“分段插值”处理，即先将每一路数据分段，每一段数据包含32个采样点，采用sinc插值法对每段数据进行插值，插值公式如下：

$g\left(t\right)=\underset{n=0}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\ω}\left(\mathrm{nT}\right)g\left(\mathrm{nT}\right)\frac{\sin [\mathrm{\π}(t-\mathrm{nT})/T]}{\mathrm{\π}(t-\mathrm{nT})/T},$

$t=m\frac{T}{k},m=\{\mathrm{1,2,3},...,L*k\},L,k\∈N$

式中g(nT)为由采样点组成的离散序列，其中T为采样周期；ω(nT)为所加时窗的离散采样序列，其长度为(L+1)；g(t)为sinc插值后的离散序列，t为该离散序列的时间下标，k为一路A/D信号中每两个采样点间的插值点个数，k的取值方式如下：

k+1为通道数CN的整数倍，插值后，每2个采样点间插入(k-1)个点，m为从1到L*k的自然数；

将离散序列连接起来，组成每一路数据的分段数据线；

步骤五：在取下一段采样点的时候，起始点为上一段的最后一个点，并按步骤四过程进行插值；之后，将每段插值后的分段数据线连接起来，下一段的起始点与上一段的末尾点重合，形成每一路数据的数据线。

2.根据权利要求1所述的一种机械系统内部信号获取方法，其特征在于：在步骤五中，插值后，各路A/D采样信号在一定误差范围内得以重构，各数据点间，包括采样和插值点间的时间差缩短为T/k，即时间分辨率为ΔT_I＝T/k。

3.根据权利要求1所述的一种机械系统内部信号获取方法，其特征在于：在完成每一路数据线的描述和绘制后，再对各路数据线的起始时间进行一致性处理。

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