CN103196407B - 泵车臂架振动位移测量方法、设备、系统及工程机械设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泵车臂架振动位移测量方法、设备、系统及包含该系统的工程机械设备，该方法包括：采集所述臂架的加速度信号；对所述加速度信号进行基线修正，得到基线修正后的加速度信号；利用所述泵车的泵送频率，对所述基线修正后的加速度信号进行频域带通滤波，得到加速度频谱；对所述加速度频谱进行二次积分，得到位移频谱；以及对所述位移频谱进行傅立叶反变换，得到位移离散时域信号。本发明可使得所计算的位移信号不会因低频振动而发生畸变，提高了位移测量精度。

Description

泵车臂架振动位移测量方法、设备、系统及工程机械设备

技术领域

本发明涉及工程机械领域，具体地，涉及一种泵车臂架振动位移测量方法、设备、系统及包含该系统的工程机械设备。

背景技术

混凝土泵车是一种利用压力将混凝土沿管道连续输送的机械，广泛应用于道路工程、桥梁工程、地下工程、工业与民用建筑施工等各个领域。随着泵车臂架轻量化、超长化等发展趋势，臂架的振动性能成为考核臂架设计的一项重要指标。在振动系统分析评价和振动控制系统设计过程中，臂架结构在使用时的振动位移幅度等振动信息常常是设计者非常关心的重要参数。因此，如何准确地测量臂架的振动位移，已成为混凝土泵车振动测试中亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种泵车臂架振动位移测量方法、设备、系统及包含该系统的工程机械设备，其可准确计算臂架振动位移。

为了实现上述目的，本发明提供一种泵车臂架振动位移测量方法，该方法包括：采集所述臂架的加速度信号；对所述加速度信号进行基线修正，得到基线修正后的加速度信号；利用所述泵车的泵送频率，对所述基线修正后的加速度信号进行频域带通滤波，得到加速度频谱；对所述加速度频谱进行二次积分，得到位移频谱；以及对所述位移频谱进行傅立叶反变换，得到位移离散时域信号。

相应地，本发明还提供一种泵车臂架振动位移测量设备，该设备包括：信号采集装置，用于采集所述臂架的加速度信号；以及计算装置，与所述信号采集装置相连，用于：对所述加速度信号进行基线修正，得到基线修正后的加速度信号；利用所述泵车的泵送频率，对所述基线修正后的加速度信号进行频域带通滤波，得到加速度频谱；对所述加速度频谱进行二次积分，得到位移频谱；以及对所述位移频谱进行傅立叶反变换，得到位移离散时域信号。

相应地，本发明还提供一种泵车臂架振动位移测量系统，该系统包括：上述泵车臂架振动位移测量设备；以及臂架振动监测装置，安装于所述臂架上，与所述信号采集装置相连，用于检测所述臂架的加速度信号。

相应地，本发明还提供一种工程机械设备，该设备包括上述泵车臂架振动位移测量系统。

通过上述技术方案，在将臂架的加速度信号转换为位移信号之前，先对加速度信号进行基线修正，可有效去除因漂移、漏电、干扰和输出非线性等种种原因造成实测加速度波形的基线漂移，之后利用基线修正后的加速度信号计算位移信号，可使得所计算的位移信号不会因低频振动而发生畸变，提高了位移测量精度。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明提供的泵车臂架振动位移测量方法的流程图；

图2为本发明提供的泵车臂架振动位移测量方法所得到的位移信号与实测位移信号的对比图；

图3是本发明提供的泵车臂架振动位移测量系统的结构示意图；以及

图4为振动监测装置的结构示意图。

附图标记说明

100泵车臂架振动位移测量设备    110信号采集装置

120计算装置                    200臂架振动监测装置

201第一加速度传感器            202第二加速度传感器

204安装架                      203倾角传感器

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1为本发明提供的泵车臂架振动位移测量方法的流程图。如图1所示，本发明提供了一种泵车臂架振动位移测量方法，该方法包括：采集所述臂架的加速度信号；对所述加速度信号进行基线修正，得到基线修正后的加速度信号；利用所述泵车的泵送频率，对所述基线修正后的加速度信号进行频域带通滤波，得到加速度频谱；对所述加速度频谱进行二次积分，得到位移频谱；以及对所述位移频谱进行傅立叶反变换，得到位移离散时域信号。

其中，所述基线修正可为常量修正法、一次方修正法或二次方修正法，以下以常量修正法为例，对上述基线修正步骤进行详细说明。

令为所采集的加速度信号，为基线修正后的加速度信号，为所对应的速度信号(该速度信号可通过对所述加速度信号进行一次积分获得)，为对进行基线修正后的速度信号，x₀(t)为所对应的位移信号(该位移信号可通过对所述加速度信号进行二次积分获得)，x(t)为对x₀(t)进行基线修正后的位移信号，则可得出以下公式：

$\stackrel{\·\·}{x}\left(t\right)={\stackrel{\·\·}{x}}_0\left(t\right)-\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i{t}^{(i-1)}---\left(1\right)$

$\stackrel{\·}{x}\left(t\right)={\stackrel{\·}{x}}_0\left(t\right)-\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{i}{C}_i{t}^{(i+1)}-v_0---\left(2\right)$

$x\left(t\right)=x_0\left(t\right)-\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{i(i+1)}{C}_i{t}^{(i+1)}-v_{0}t-d_0---\left(3\right)$

上式中，d₀＝x₀(0)-x(0)。该v₀为初始速度条件，可根据实际情况取一数值较小的值，例如为0；该d₀为初始位移条件，亦可根据实际情况取一数值较小的值，例如为0。

速度的均方为： ${\∫}_0^T{\stackrel{\·}{x}}^2\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(4\right)$

其中，T为采样时间。

使(4)式最小，可得到：

$\frac{\∂}{\∂C_j}{\∫}_0^T{\stackrel{\·}{x}}^2\left(t\right)\mathrm{dt}=0,j=\mathrm{1,2,3}---\left(5\right)$

根据(1)、(2)、(3)、(5)式，可得到：

$\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{C}_j\frac{T^{(i-1)}}{i^{(i+j+1)}}=\frac{1}{T^{(j+2)}}{\∫}_0^T{t}^j{\stackrel{\·}{x}}_0\left(t\right)\mathrm{dt}-\frac{v_0}{(j+1)T}---\left(6\right)$

取i＝1，j＝1，可得到 $C_1=\frac{3}{T^3}{\∫}_0^{T}t{\stackrel{\·}{x}}_0\left(t\right)\mathrm{dt}-\frac{3v_0}{2T},$

之后，可计算出 $\stackrel{\·\·}{x}\left(t\right)={\stackrel{\·\·}{x}}_0\left(t\right)-C_1={\stackrel{\·\·}{x}}_0\left(t\right)-\frac{3}{T^3}{\∫}_0^{T}t{\stackrel{\·}{x}}_0\left(t\right)\mathrm{dt}+\frac{3v_0}{2T}.$

对于一次方修正法而言，可取i＝1，2；j＝1，2，根据方程组(6)，可以得到C1和C2，之后可计算出

对于二次方修正法而言，可取i＝1，2，3；j＝1，2，3，根据方程组(6)，可以得到C1、C2和C3，之后可计算出

以下对本发明提供的泵车臂架振动位移测量方法的整个过程进行描述。

(a)利用上述基线修正方法对加速度时域离散信号进行基线修正，得到基线修正后的加速度时域离散信号a(n)。这里的是上述的离散化表示，a(n)是的离散化表示。

(b)对基线修正后的加速度时域离散信号a(n)进行频域带通滤波，具体为：

首先，根据泵送频率f(该泵送频率f可通过采集泵送油缸的电磁阀换向信号得到，或可通过采集泵送油缸上接近开关的信号得到)可以确定对加速度的频域信号进行频域滤波的上限截止频率f1和下限截止频率f2，之后可得到f1对应的谱线序号n1，f2对应的谱线序号n2(n1＝f1/fs*N，n2＝f2/fs*N，fs为采样频率，N为FFT分析数据点数)。

之后，可得到进行频域带通滤波后的加速度频谱

$\stackrel{\‾}{A}\left(k\right)=\underset{n=n1}{\overset{N-1-n2}{\mathrm{\Σ}}}a\left(n\right)e^{-j(2\mathrm{\πnk}/N)}$

(c)对频域带通滤波后的加速度频谱进行二次积分，得到对应的位移频谱

$\stackrel{\‾}{D}\left(k\right)=\underset{n=n1}{\overset{N-1-n2}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{A}\left(k\right)/{(2\mathrm{\πnk}/N)}^2{e}^{-j(2\mathrm{\πnk}/N)}$

(d)通过上述进行傅立叶反变换变换，可以从位移频谱得到位移离散时域信号

$\stackrel{\‾}{d}\left(n\right)=\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{D}\left(k\right)e^{j(2\mathrm{\πnk}/N)}.$

从而，得到了泵车臂架的振动位移随时间的变化情况。

图2为本发明提供的泵车臂架振动位移测量方法(基线修正采用常量修正法)所得到的位移信号与实测位移信号的对比图。如图2所示，通过泵车臂架振动位移测量方法得到的位移信号与实测位移信号非常吻合，本发明的测量方法可准确地测量出臂架振动位移信号，达到了很好的效果。

相应地，如图3所示，本发明还提供了一种泵车臂架振动位移测量系统，该系统包括泵车臂架振动位移测量设备100以及臂架振动监测装置200。

所述泵车臂架振动位移测量设备100包括：信号采集装置110，用于采集所述臂架的加速度信号；以及计算装置120，与所述信号采集装置110相连，用于：对所述加速度信号进行基线修正，得到基线修正后的加速度信号；利用所述泵车的泵送频率，对所述基线修正后的加速度信号进行频域带通滤波，得到加速度频谱；对所述加速度频谱进行二次积分，得到位移频谱；以及对所述位移频谱进行傅立叶反变换，得到位移离散时域信号。需要说明的是，所述计算装置120可为单片机、PLC、FPGA等。

其中，所述计算装置采用常量修正法、一次方修正法或二次方修正法对所述加速度信号进行基线修正。

其中，所述基线修正后的加速度信号为其中，为所采集的加速度信号，为基线修正后的加速度信号，为对进行一次积分得到的速度信号，为对进行基线修正后的速度信号，v₀为初始速度条件且满足T为采样时间。

所述臂架振动监测装置200安装于所述臂架上，与所述信号采集装置110相连，用于检测所述臂架的加速度信号。所述臂架振动监测装置200可为加速度传感器，用于检测所述臂架的加速度信号。

优选地，如图4所示，所述臂架振动监测装置200包括第一加速度传感器201、第二加速度传感器202和倾角传感器203(例如可为单轴的倾角传感器)，其中第一加速度传感器201与第二加速度传感器202所检测的加速度方向彼此正交，倾角传感器203用于检测臂架与水平面之间的夹角；所述信号采集装置110采集所述臂架于一预定方向上的加速度信号。通过所述第一加速度传感器所检测的加速度信号、所述第二加速度传感器所检测的加速度信号以及所述倾角传感器所检测的倾角，可计算出臂架于任意方向上的加速度信号，例如重力加速度方向或水平方向。藉此可根据所欲分析的方向上的位移，确定臂架于该方向上的加速信号，之后采用本发明的泵车臂架振动位移测量，对该方向上的加速信号进行转换，得到该方向上的位移随时间的变化情况。

为了便于安装上述第一加速度传感器201和第二加速度传感器202以使得二者正交，该臂架振动监测装置200还包括安装架204，该安装架204为彼此正交的两块板，第一加速度传感器201和第二加速度传感器202分别安装在其中一块板上，以保证检测的加速度方向彼此正交，倾角传感器203安装在其中一块板上。

为了保护各传感器，优选情况下，该臂架振动监测装置200还可以包括保护罩205，上述第一加速度传感器201、第二加速度传感器202、倾角传感器203和安装架204均置于保护罩205中，并且安装架204与保护罩205固定连接，保护罩205具有一开口，用于将第一加速度传感器201、第二加速度传感器202、倾角传感器203的输出线引出。

相应地，本发明还提供了一种工程机械设备，该设备包括上述泵车臂架振动位移测量系统。

通过上述技术方案，在将臂架的加速度信号转换为位移信号之前，先对加速度信号进行基线修正，可有效去除因漂移、漏电、干扰和输出非线性等种种原因造成实测加速度波形的基线漂移，之后利用基线修正后的加速度信号计算位移信号，可使得所计算的位移信号不会因低频振动而发生畸变，提高了位移测量精度。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (9)

1.一种泵车臂架振动位移测量方法，该方法包括：

采集所述臂架的加速度信号；

对所述加速度信号进行基线修正，得到基线修正后的加速度信号；

利用所述泵车的泵送频率，对所述基线修正后的加速度信号进行频域带通滤波，得到加速度频谱；

对所述加速度频谱进行二次积分，得到位移频谱；以及

对所述位移频谱进行傅立叶反变换，得到位移离散时域信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述对所述加速度信号进行基线修正为采用常量修正法、一次方修正法或二次方修正法对所述加速度信号进行基线修正。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述基线修正后的加速度信号为其中，为所采集的加速度信号，为基线修正后的加速度信号，为对进行一次积分得到的速度信号，为对进行基线修正后的速度信号，v₀为初始速度条件且满足T为采样时间。

4.一种泵车臂架振动位移测量设备，该设备包括：

信号采集装置，用于采集所述臂架的加速度信号；以及

计算装置，与所述信号采集装置相连，用于：

对所述加速度信号进行基线修正，得到基线修正后的加速度信号；

利用所述泵车的泵送频率，对所述基线修正后的加速度信号进行频域带通滤波，得到加速度频谱；

对所述加速度频谱进行二次积分，得到位移频谱；以及

对所述位移频谱进行傅立叶反变换，得到位移离散时域信号。

5.根据权利要求4所述的设备，其中所述计算装置采用常量修正法、一次方修正法或二次方修正法对所述加速度信号进行基线修正。

6.根据权利要求4所述的设备，其中所述基线修正后的加速度信号为其中，为所采集的加速度信号，为基线修正后的加速度信号，为对进行一次积分得到的速度信号，为对进行基线修正后的速度信号，v₀为初始速度条件且满足T为采样时间。

7.一种泵车臂架振动位移测量系统，该系统包括：

根据权利要求4-6中任一项权利要求所述的泵车臂架振动位移测量设备；以及

臂架振动监测装置，安装于所述臂架上，与所述信号采集装置相连，用于检测所述臂架的加速度信号。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，

所述臂架振动监测装置包括第一加速度传感器、第二加速度传感器和倾角传感器，其中所述第一加速度传感器与所述第二加速度传感器所检测的加速度方向彼此正交，所述倾角传感器用于检测臂架与水平面之间的夹角；

所述信号采集装置采集所述臂架于一预定方向上的加速度信号。

9.一种工程机械设备，该设备包括根据权利要求7或8所述的泵车臂架振动位移测量系统。