CN102980722B - 一种适用于在线动平衡的不平衡信号提取法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于在线动平衡的不平衡信号幅提取方法，具体步骤如下：(1)对振动传感器传来的振动信号调理、采样，通过键相传感器的键相脉冲设置振动信号和标准正弦信号的时间参考点，然后对振动信号进行两级FIR滤波实现信号降噪；(2)根据在滤波后振动信号的频谱图判断是否含有大幅值干扰信号，如没有大幅值干扰，采用减法运算去除大幅值干扰信号，如没有，不做此步处理；(3)根据滤波后标准正弦信号与消噪后振动信号互相关运算结果采用改进互相关提取法计算不平衡信号的幅值和相位。采用本发明方法能够在强噪声背景下快速、准确地提取不平衡信号的幅值和相位，适用于旋转机械在线动平衡装置。

Description

一种适用于在线动平衡的不平衡信号提取法

技术领域

本发明涉及信号提取方法，具体涉及用于在线动平衡测量的不平衡信号提取方法。

背景技术

在线动平衡装置作为在线故障诊断装置的一部分，目前已提出置于各种高速旋转机械内以提高机械的旋转精度、稳定性、可靠性。在线动平衡的原理是：当旋转机械以工作速度旋转时，通过对安装在旋转机械支撑结构上的传感器采集的振动信号滤波消噪提取出不平衡信号，计算出不平衡量的大小和位置，通过在线不平衡补偿装置对旋转机械进行平衡。由于引起旋转机械振动的激励源众多以及振动信号采集装置的电气干扰，由传感器所获原始振动信号往往是掺杂大量污染信号的不平衡信号。因而，如何从强噪声背景中精确地提取出不平衡信号直接关系平衡效果，是在线动平衡的一个关键技术。

近年来，根据不平衡信号频率与转子转频相同的显著特征,结合常用的信号处理方法，人们提出了一些适用旋转机械不平衡信号提取的方法,主要有FFT法、互相关法和最小二乘参数拟合估计法。FFT法采用成熟的快速傅里叶变换得到信号频谱图，运算速度快，但由于泄露和栅栏效应提取精度较低，尤其相位误差较大，需要进行较复杂的修正。最小二乘参数估计法是在最小二乘原理的基础上对转频频率的正弦信号进行参数估计，运算时间长，不适合于在线动平衡。互相关法通过与转频同频正弦信号和振动信号互相关后即可计算出不平衡信号的幅值和相位，提取精度高。目前提出的一种间接运算法，先通过FFT计算信号的互谱,再作FFT逆变换得互相关函数，大大提高了互相关运算速度，更易满足在线动平衡的实时性要求。

郭俊华等2011年发表在机械与电子期刊的文献转子动平衡中振动信号幅值相位的提取方法研究中比较了传统FFT变换法、整周期采样DFT法、互相关法三种幅值和相位提取法，并通过结果指出，互相关法具有计算时间短，精度高的优点，在采样长度足够长时无需整周期采样，能摆脱锁相电路等硬件设备。然而所提方法由于缺少消噪处理，在强噪声背景下幅值和相位提取精度会大大降低；同时该法需要与两个正弦信号互相关，计算较复杂。中国专利公开号CN102353500 A,公开日2012年02月05号，发明创造的名称一种用于动平衡测量的不平衡信号提取方法，该申请案公开了在对振动信号跟踪滤波后根据有无近频干扰分别采用正弦参数搜索法和互相关法提取不平衡信号。该专利所公开方法中正弦参数搜索法运算时间长，不能满足在线动平衡对信号提取的高时效要求。

事实上，由于各种机械、电气干扰的存在，实验中采集的原始振动信号往往噪声非常大。尤其当旋转机械不平衡质量很小时，质量不平衡引起的振动信号完全被噪声信号所掩盖。此外，不同工况下旋转机械转速是不同，不平衡信号的频率也是不同，消噪处理和信号提取方法必须具有根据转速调整参数的功能。在线动平衡对实时性要求高，所提出的信号提取法必须运算简单，耗时短。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种适用于在线动平衡的不平衡信号提取方法，以在旋转机械在线状态下从强噪声背景中快速准确地提取出微弱的不平衡信号，为在线动平衡的质量不平衡量的测量提供依据。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种适用于旋转机械在线动平衡的不平衡信号提取法，具体步骤如下：

(1)对振动传感器传来的振动信号调理、采样，通过键相传感器的键相脉冲设置振动信号和标准正弦信号的时间参考点，然后对振动信号进行两级FIR滤波实现信号降噪,对标准正弦信号进行完全相同的两级滤波产生与振动信号相同的相位滞后；

(2)判断滤波后信号是否含有大幅值干扰信号，如有大幅值干扰信号，先对振动信号插值处理，然后采用互相关法获得大幅值干扰信号的近似幅值和相位，然后根据各大幅值干扰成分的频率、幅值和相位构造正弦信号，最后在滤波后信号中减去所述构造信号，如没有大幅值干扰，不做此步处理；

(3)对滤波后标准正弦信号插值处理后与步骤(2)后的振动信号进行互相关运算，采用改进互相关提取法由互相关信号计算出不平衡信号，即不平衡质量引起的振动信号的幅值和相位。

上述不平衡信号提取法中，所述在振动信号和标准正弦信号间设置时间参考点具体方法是，键相脉冲信号在采集命令作用下经触发器产生的触发信号在上升沿同时触发A/D转换器采样和数字信号发生器产生信号。

上述不平衡信号提取法中，所述两级滤波由两级数字滤波器完成，第一级滤波器为单个数字低通FIR滤波器，第二级滤波器为单个数字带通滤波器，由控制器根据旋转机械转频从预置数字FIR滤波器组中选择，两级滤波器之间插入一个采样整数倍抽取过程。

上述不平衡信号提取法中，所述预置数字FIR滤波器组包含多个带通FIR滤波器，在幅频图上，相邻滤波器的上、下限截止频率首尾相接，预置数字FIR滤波器组在信号处理前设计并预置到信号处理装置。

上述不平衡信号提取法中，让标准正弦信号经过与振动信号完全相同的两级FIR滤波器处理,产生相同的相位滞后。

上述不平衡信号提取法中，对滤波后信号FTT变换得到信号幅频图，在第二级滤波器通带内搜索有无幅值大于转频处信号幅值的80%的干扰信号确定有无大幅值干扰。

上述不平衡信号提取法中，所述改进互相关提取法指：滤波和去大幅值干扰后的振动信号与滤波后标准正弦信号互相关计算后得到互相关信号R_xy(r)，在振动延迟r取值[-f_sπ/ω, f_sπ/ω）范围内搜索R_xy(r)的最大值，得到互相关信号最大幅值A和延迟r的取值λ，数字信号发生器产生的标准正弦信号表达式为x=x₀sin(ωt)，则不平衡信号幅值为2A/x₀,相位为ωf_sλ，其中ω为角频率，与旋转机械旋转角频率相同，f_s为采样频率。

上述不平衡信号提取法中，所述振动传感器安装在旋转机械转子支撑件上获取振动信号，键相传感器固定在旋转机械转子支撑件上，键相传感器的标记固定在转子上，键相传感器在标记每次经过其时产生一个脉冲信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明采用两级FIR滤波器和去大幅值干扰减法运算对振动信号消噪在消除大量噪声的同时保证不平衡信号不受影响，有益于提高不平衡信号的提取精度。

(2)本发明中第二级滤波器由微控制器从预置滤波器组选择，不但使提取方法对机械的转速没有特殊要求，通用性强，还减少了设计滤波器的时间，有利于节省信号提取时间更好地满足在线装置的时效性。

(3)本发明通过使标准振动信号经过和原始振动信号相同的滤波过程保证了标准正弦信号和不平衡信号滤波后的相位移动相同，消除了滤波相位滞后对不平衡信号相位提取的不利影响，省去了滤波器设计中保证无相位移动的繁琐工作。

(4)本发明采用的改进互相关提取法，只需一次互相关运算后寻找最值，与传统互相关法的两次互相关运算相比，减少了运算时间。

附图说明

图1为本发明的信号处理系统组成示意图。

图2为本发明的微控制器中的数字信号处理流程图。

图3为本发明的第二级滤波器所需的预置滤波器组各滤波器通带分布图。

图4为本发明中两级滤波和去大幅值干扰处理过程中振动信号的幅频图，其中子图a）为原始振动信号幅频图，子图b）为a）的局部放大图，子图c）为两级滤波后振动信号的幅频图，子图d）为去大幅值干扰后振动信号的幅频图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示为本发明的信号处理系统组成示意图。本发明所述适用于旋转机械在线动平衡的不平衡信号提取法包括传感器模块、数字正弦信号模块、数字信号处理微控制器。

传感器模块包括键相传感器、振动信号传感器、相应的信号调理装置和A/D转换器。键相传感器产生键相脉冲作为转频计算信号和不平衡信号相位参考，要求反应迅速、精度高、干扰少，选用光电传感器。键相光电传感器获得的原始脉冲因不易分辨而不利于计数，需经过脉冲整形后再送入计数器和触发器。振动信号传感器采用安装方便的压电传感器。振动传感器获得的振动信号传入前置处理装置，完成信号放大、抑制趋势项、积分等处理，再经A/D转换器采样、量化、编码转换成数字信号后送入数字信号处理微控制器。为准确提取不平衡信号的相位，必须在振动信号和标准正弦信号间设置时间参考点以建立二者的相位联系。如图所示，本发明由触发器根据整形后脉冲信号和采集命令产生触发信号触发A/D转换器采集振动信号和数字信号发生器产生标准正弦信号，以建立两信号的相位联系。触发器的作用是在微控制器发出采集命令的一段时间允许脉冲信号通过形成触发信号。

数字正弦信号模块包括计数器和数字信号发生器。计数器在信号采集前根据传感器模块传来的脉冲信号计算转频，信号采集时根据脉冲信号计算信号采集长度。数字正弦信号发生器是基于FPGA和DAC信号调制方式的直接数字合成（DDS）数字信号发生器，频率、幅值、相位都是可调制的。信号采集阶段，数字信号发生器根据计算转频，由触发脉冲触发产生幅值固定且已知、频率为转频的标准正弦信号。去大幅值干扰阶段，数字正弦信号发生器先根据微控制器传来的大幅值干扰频率产生幅值、相位固定的干扰频率正弦信号送入微控制器，然后根据微控制器计算的干扰频率成分信号的幅值和相位，构造具有相同的频率、幅值、相位的干扰成分正弦信号。此两信号产生时，调用前面存储的计数器数值保证两正弦信号长度与振动信号相同。

数字信号处理模块由微控制器和相应程序组成，需要进行两级FIR滤波、大幅值干扰判断、去大幅值干扰、互相关计算、幅值和相位计算等过程。微控制器的设计兼顾资源节省和运算速度，使装置符合在线装置速度快、结构简单的要求，并便于嵌入到旋转机械中。

如图2所示是本发明数字信号处理微控制器的信号处理流程图。该流程图是对两级FIR滤波、大幅值干扰判断、去大幅值干扰、互相关计算、幅值和相位计算等基本过程的细化步骤，详细过程如下：对振动信号，首先进行第一级低通滤波、采样抽取和第二级带通滤波，滤除大量高频、低频干扰信号，然后FFT变换得到幅频图，从中搜索大幅值干扰成分，从而判断滤波后信号是否还存在大幅值干扰，若存在，则先插值运算，再通过互相关法近似获得大幅值干扰的幅值和相位，然后根据干扰频率、近似幅值、相位构造近似干扰信号，最后采用减法运算减去该构造信号以衰减大幅值干扰信号，若不存在则不做处理。对标准正弦信号，进行相同的两级FIR滤波和相应的抽取、插值处理，产生与不平衡信号滤波时相同的相位移动。将经过以上处理的正弦信号和振动信号进行互相关，根据互相关结果计算不平衡信号的幅值和相位。上述信号处理流程有三个关键技术：两级FIR滤波，去大幅值干扰，改进互相关提取法。

1、两级FIR滤波

两级FIR滤波由一个两级滤波器完成，其第一级滤波器为FIR低通滤波器，只为消除远大于转频的高频干扰，转频变化时该滤波器的各参数可以不做调整，其第二级滤波器的主要作用是尽量滤除转频周围干扰信号，由于旋转机械工作转速分布较广，需要根据转速情况调整滤波器类型和参数。为保证滤波效果，第二级滤波器的采样频率不能太高，而为保证信号处理精度传感器信号采样频率又不能太低，故在两级滤波器间的加一个采样整数倍抽取过程，使两级滤波器采样频率与信号相匹配。另外，设置采样频率时需保证第一级滤波器的截止频率略大于第二级滤波器的采样频率。

关于第二级滤波器，考虑到采用跟踪滤波器不但提高软硬件要求，还会因滤波器参数调整需要时间而延长信号处理时间，本发明中提出由程序从预先设计好的一组滤波器中选择合适的滤波器来适应不同转速下的滤波要求。具体实施方法是先根据滤波精度要求在MATLAB中预设计出一组FIR滤波器，然后将这组滤波器预载入微控制器，由程序根据转频选择滤波器使转频位于选择的滤波器通带范围内。

2、去大幅值干扰

为去除大幅值干扰成分，本发明通过信号减法运算从原信号中减去大幅值干扰成分，该技术的关键在于大幅值干扰成分的判断、干扰成分幅值、相位和频率的估算、干扰成分的构造。

判断大幅值干扰，先对滤波后振动信号进行FFT运算获得信号的幅频分布情况，然后在第二级滤波器的通带范围内搜索幅值大于转频信号成分幅值的80%的大幅值干扰成分。由于FFT变换的泄露效应使单频率信号在频谱图的频带也具有一定的宽度，搜索结果可能将一个幅值较大的干扰成分误认为是两个或更多频率相近的干扰信号，故搜索结果中若存在间隔小于1Hz的多个大幅值干扰就只取幅值最大的作为干扰信号。

大幅值干扰的频率由搜索过程直接获得，干扰的幅值和相位采用与后面计算不平衡信号幅值、相位相同的方法（简称互相关法）估算。振动信号经过滤波中的抽取过程采样频率较低，为提高幅值和相位估计精度，在干扰幅值和相位估算之前需要对振动信号做插值处理回到最初的采样频率。此处互相关运算所需的正弦信号由信号发生器产生，频率为干扰信号频率，幅值和相位已知。

根据各干扰成分幅值、相位和频率的估算值，数字信号发生器调制产生与振动信号等长的构造干扰正弦信号，然后在滤波后振动信号中依次减去这些构造信号，就衰减了大幅值干扰。

3、改进互相关提取法

传统的互相关提取法是先将含噪不平衡信号分别与正弦信号、余弦信号互相关得到各自的互相关信号，然后根据两互相关信号在时间延迟为0时的两幅值计算不平衡信号的幅值和相位。 改进互相关提取法一次互相关后寻找最值就可计算出不平衡信号的幅值和相位。

根据互相关的定义，可得频率相同的两个正弦信号互相关运算：

频率不同的两个正弦信号互相关运算：

振动信号与正弦信号互相关时，振动信号中与正弦信号异频的信号成分互相关后衰减为0，而与正弦信号同频的信号成分互相关后会保留一定的值，在互相关的结果中搜索出最大值A和取最值时τ=a，而根据频率相同的两个正弦信号互相关公式理论上推导最大值为,取最大值时，如果x₀sin(ωt)为标准正弦信号，为振动信号的不平衡信号成分，则不平衡信号幅值和相位的公式为

而互相关的数字化表示是

$R_{\mathrm{xy}}\left(r\right)=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}x\left(n\right)y(n+r);r=\mathrm{0,1,2}...,m<N$

所以不平衡信号的幅值公式不变，相位公式为

其中λ是取最值时一个信号相对于原信号的滞后点数r的取值，f_s是采样频率。

以上改进互相关幅值、相位提取法在不平衡信号的整周期长度内进行，但当互相关的两信号足够长时，matlab中仿真表明两信号长度达到100转频周期时，非整周期采样提取精度也能满足要求，本发明通过加大数据长度来避免整周期采样的繁琐。

振动信号经过滤波器滤波后会产生一定的相位滞后，这对信号相位的提取精度有影响。但如果互相关的两信号产生相同的相位移动，从如下互相关计算

可知相位移动对信号相位的提取无影响。而根据FIR滤波器的线性相位特性，频率相同的正弦信号经同一个滤波器后相位滞后相同。可见，只要使振动信号和标准正弦信号通过同样的滤波器，再用互相关处理提取相位，滤波器的相位滞后的影响就可消除。

如图3（图中相邻滤波器采用粗细不同的线条表示以示区分）所示是第二级滤波器所需的预置滤波器组各滤波器通带分布图。如图所示，n个滤波器根据通带区间从左到右依次编号，除1号滤波器是低通滤波器外，其余都为带通滤波器，通带分布图中前一号滤波器的通带上限频率和后一号滤波器的通带下限频率相同。滤波器的具体选择方法是：如果各滤波器通带宽相同，则由转频除以通带宽的商加1确定滤波器的编号；如果各滤波器通带宽不定，则微控制器以依次查询方式确定转频所在滤波器通带区间，确定滤波器编号。

FIR滤波器设计方法有多种，但考虑到滤波器需要良好的通、阻带衰减特性以及确定的边缘频率，本发明中第二级滤波器所需的FIR滤波器组采用等纹波逼近滤波器设计法。FIR滤波器的离散传递函数为：

$H\left(z\right)=\underset{n=0}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_n{z}^{-n}$

从公式可知由一组系数就可确定一个FIR滤波器。在MATLAB中专用FDA工具箱中输入滤波器类型、通带上、下限频率，阻带上、下限频率，以及阶次就可得到一组滤波器系数，将系数载入微控制器就获得一个滤波器。滤波器的阶次直接影响通带、阻带波纹大小，设计中合理的阶次可根据以下公式确定:

$N=\frac{2}{3}\lg \left(\frac{1}{10{\mathrm{\&delta;}}_1{\mathrm{\&delta;}}_2}\right)\frac{1}{b}$

式中δ₁是通带纹波，δ₂是阻带纹波，b=(ω_s－ω_p)/2π，为归一化过渡带宽。

为检验所提方法的滤波消噪效果，采用电动机搭建的实验平台和MATLAB仿真进行滤波消噪实验。实验平台由具有不平衡质量的电动机和信号采集系统组成，用于采集电动机转轴的振动信号。MATLAB可以进行滤波器设计并对信号进行滤波消噪处理。实验中电动机转频为25Hz，实验信号的处理效果如图4所示，对比b）和c）可知经两级滤波器后振动信号的频率分布在转频25Hz附近的窄带内，对比c）和d）可知减法器将50Hz的大幅值衰减了一大半，远小于25Hz处的幅值。

通过测量电动机外壳的振动信号了解信号频率组成，选择几个代表性频率给定幅值和相位，构造一个频率组成类似的信号，构造信号频率组成如表1，其中频率25Hz、幅值10、相位pi的信号是由质量不平衡引起的振动信号。在MATLAB中用本发明方法和传统互相关法从构造信号中提取幅值和相位，提取结果对比如下表2所示。对比结果表明，本发明方法幅值和相位提取精度有明显提高。

表1：构造信号频率组成情况

表2：两种方法处理结果对比。

Claims (6)

1.一种适用于旋转机械在线动平衡的不平衡信号提取法，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调理、采样，通过键相传感器的键相脉冲在振动信号和标准正弦信号间设置时间参考点以在时间上关联两信号，然后对振动信号进行两级FIR滤波实现信号降噪，对标准正弦信号进行完全相同的两级滤波产生与振动信号相同的相位滞后； 

(2)判断滤波后振动信号是否含有大幅值干扰信号，如有大幅值干扰信号，先对振动信号插值处理，然后采用互相关法获得大幅值干扰信号的近似幅值和相位，然后根据各大幅值干扰成分的频率、幅值和相位构造正弦信号，最后在滤波后振动信号中减去所述构造信号，如没有大幅值干扰，则只做插值处理；

(3)对滤波后标准正弦信号插值处理后与步骤(2)后的振动信号进行互相关运算得到互相关信号，采用改进互相关提取法由互相关信号计算出不平衡信号，即不平衡质量引起的振动信号的幅值和相位；所述改进互相关提取法指：滤波和去大幅值干扰后的数字振动信号与滤波后数字标准正弦信号互相关计算后得到数字互相关信号R(r)，在振动延迟r取值                                                范围内搜索R(r)的最大值，得到互相关信号最大幅值A和最大幅值处振动延迟的取值λ；若数字信号发生器产生的标准正弦信号表达式为，则不平衡信号幅值为2A /x ₀ ，相位为ωf _s λ，其中ω为角频率，与旋转机械旋转角频率相同，f _s 为采样频率。

2.如权利要求1所述的适用于旋转机械在线动平衡的不平衡信号提取法，其特征在于：所述在振动信号和标准正弦信号间设置时间参考点具体方法是，键相脉冲信号在采集命令作用下经触发器产生的触发信号在上升沿同时触发A/D转换器采样和数字信号发生器产生信号。 

3.如权利要求1所述的适用于旋转机械在线动平衡的不平衡信号提取法，其特征在于：所述两级滤波由两级数字滤波器完成，第一级滤波器为单个数字低通FIR滤波器，第二级滤波器为单个数字带通滤波器，由控制器根据旋转机械转频从预置数字FIR滤波器组中选择，两级滤波器之间插入一个采样整数倍抽取过程。

4.如权利要求3所述的适用于旋转机械在线动平衡的不平衡信号提取法，其特征在于：所述预置数字FIR滤波器组包含多个带通FIR滤波器，在幅频图上，相邻滤波器的上、下限截止频率首尾相接，预置数字FIR滤波器组在信号处理前设计并预置到信号处理装置。

5.如权利要求1所述的适用于旋转机械在线动平衡的不平衡信号提取法，其特征在于：对滤波后振动信号FFT变换得到信号幅频图，在第二级滤波器通带内搜索有无幅值大于转频处信号幅值的80%的干扰信号确定有无大幅值干扰。

6.如权利要求1所述的适用于旋转机械在线动平衡的不平衡信号提取法，其特征在于：振动传感器安装在旋转机械转子支撑件上获取振动信号，键相传感器固定在旋转机械转子支撑件上，键相传感器的标记固定在转子上，键相传感器在标记每次经过其时产生一个脉冲信号。