CN103278235A - 一种新的瞬态振动信号角域阶比跟踪采样和分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新的瞬态振动信号角域阶比跟踪采样和分析方法，包括以下几个步骤：采用固定的采样频率，同步采集旋转机械振动信号和键相脉冲信号；识别转速键相脉冲；计算角域采样样本时间序列；原始信号过采样；信号数字重采样；角域信号处理。本发明的一种新的瞬态振动信号角域阶比跟踪采样和分析方法，本发明的一种新的瞬态振动信号角域阶比跟踪采样和分析方法，具有精度高、实时性强、谱线清晰、具有较强的自适应和鲁棒性等优点。

Description

一种新的瞬态振动信号角域阶比跟踪采样和分析方法

技术领域

本发明涉及一种新的瞬态振动信号角域阶比跟踪采样和分析方法。

背景技术

离散傅里叶变换（DFT）和它的快速算法FFT是一种有效的稳态振动信号处理分析方法，但是对于非平稳的瞬态振动信号，比如旋转机械的升降速阶段振动信号，直接采用FFT会导致频率模糊，无法得到准确的频谱信息。

阶比跟踪是解决非稳态振动信号的一种有效的方法，其关键在于如何准确实现振动信号的等角度采样。传统的阶比跟踪方法是基于硬件方式实现的，需要有锁相环、倍频电路以及截止频率实时可调的抗混叠滤波器等，电路设计复杂，制造成本高，并且在升、降速速率较高时，阶比跟踪会出现大的误差，导致分析结果错误。

发明内容

本发明是为避免上述已有技术中存在的不足之处，提供一种新的瞬态振动信号角域阶比跟踪采样和分析方法，以获得准确的频谱信息、实现高精度地转速振动信号阶比跟踪采集和阶比分析。

本发明为解决技术问题采用以下技术方案。

一种新的瞬态振动信号角域阶比跟踪采样和分析方法，其包括以下步骤：

步骤1：采用固定的采样频率，同时采集旋转机械振动信号和键相脉冲信号，模拟抗混叠滤波器截止频率设置为采样频率的1/2；

步骤2：识别转速键相脉冲，计算转子的瞬时转速和频率；

步骤3：计算角域采样样本时间序列；根据振动信号的特征，采用级联积分梳状插值滤波器，对步骤2得到的键相脉冲进行I倍插值，得到角域信号每一样本对应的时间序列；

步骤4：对采集的原始振动信号进行L倍过采样插值，并对过采样信号进行低通滤波；

步骤5：对步骤4中的过采样振动信号进行数字抗混叠滤波和重采样，得到角域的等角度采样信号；

步骤6：对步骤4中得到的角域均角振动信号进行快速傅里叶变换，得到旋转机械振动阶比谱；采用弗德卡曼（Vold-Kalman）滤波器方法，提取各个谐波分量。

本发明的一种新的瞬态振动信号角域阶比跟踪采样和分析方法的特点也在于：

所述步骤2中，首先对键相脉冲信号进行阈值检波，由设定的键相脉冲阈值，准确识别和记录键相脉冲信号上升沿（或下降沿）的到达时刻t₀、t₁、t₂…t_N；然后计算两个脉冲间的时间差，dt₀=t₁-t₀，dt₁=t₂-t₁，…，dt_N-1=t_N-t_N-1，由数字微分方法计算得到转速rpm和瞬时转动频率f。

步骤3中的级联积分梳状插值滤波器包括梳状器、I倍插值器和积分器；

所述梳状器是对称的FIR滤波器，其状态方程表示为：y[n]=x[n]-x[n-M]；其中：y[n]是当前状态的输出，x[n]是当前状态的输入，x[n-M]是[n-M]时刻时的输入；M是延时因子；梳状器传输函数为：H_C=1-z^-M；

所述积分器都是单极点的IIR滤波器，反馈系数是1，状态方程为：y[n]=y[n-1]+x[n]；y[n]表示当前状态的输出，y[n-1]表示上一次的输出，x[n]表示当前状态的输入；积分器的传输函数为： $H_I=\frac{1}{1-z^{-1}}.$

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

本发明的一种新的瞬态振动信号角域阶比跟踪采样和分析方法，具有以下4个优点。

1）由于采用的是数字信号处理技术，省去了传统的硬件阶比跟踪方式必需的锁相环、频率可变的抗混叠滤波器等复杂的硬件电路，成本更低，结构更加简单。

2）由于瞬时频率的估计是在获取原始采样数据的基础上进行，因此具有比硬件阶比跟踪更高的精度。传统的硬件阶比跟踪需要以上一次的瞬时频率作为参考，对下一个瞬时频率做出估计，并以此调整采样频率和抗混叠滤波频率。

3）本方法具有实时性强，精度高，谱线清晰等特点，适合各种变转速工况下的瞬态振动信号采集和分析，具有较强的自适应和鲁棒性。

4）采样本发明方法，可以使用任意一块普通的同步数据采集卡，开发出一套高端的具有阶比跟踪功能的振动信号分析系统。

本发明的一种新的瞬态振动信号角域阶比跟踪采样和分析方法，具有精度高、实时性强、谱线清晰、具有较强的自适应和鲁棒性等优点。

附图说明

图1为本发明的瞬态振动信号角域阶比跟踪采样和分析方法的流程图。

图2为本发明的瞬态振动信号角域阶比跟踪采样和分析方法的原始振动信号的波形图。

图3为本发明的瞬态振动信号角域阶比跟踪采样和分析方法的原始键相脉冲信号的波形图。

图4为本发明的瞬态振动信号角域阶比跟踪采样和分析方法的原始振动信号的频谱图。

图5为本发明的瞬态振动信号角域阶比跟踪采样和分析方法的键相信号脉冲时间的图。

图6为本发明的瞬态振动信号角域阶比跟踪采样和分析方法的原始振动信号过采样后得到的时域信号的波形图。

图7为本发明的瞬态振动信号角域阶比跟踪采样和分析方法的角域的等角度角域信号的波形图。

图8为本发明的瞬态振动信号角域阶比跟踪采样和分析方法的等角度角域信号的阶比谱图。

图9为本发明的瞬态振动信号角域阶比跟踪采样和分析方法的级联积分梳状插值滤波器的结构框图。

以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。

具体实施方式

参见附图1～9，一种新的瞬态振动信号角域阶比跟踪采样和分析方法，包括以下步骤：

步骤1：采用固定的采样频率，同时采集旋转机械振动信号和键相脉冲信号，模拟抗混叠滤波器截止频率设置为采样频率的1/2；

步骤2：识别转速键相脉冲，计算转子的瞬时转速和频率；

步骤3：计算角域采样样本时间序列；根据振动信号的特征，采用级联积分梳状插值滤波器，对步骤2得到的键相脉冲进行I倍插值，得到角域信号每一样本对应的时间序列；

步骤4：对采集的原始振动信号进行L倍过采样插值，并对过采样信号进行低通滤波；

步骤5：对步骤4中的过采样振动信号进行数字抗混叠滤波和重采样，得到角域的等角度采样信号；

步骤6：对步骤4中得到的角域均角振动信号进行快速傅里叶变换，得到旋转机械振动阶比谱；采用Vold-Kalman滤波器方法，提取各个谐波分量。

所述步骤2中，首先对键相脉冲信号进行阈值检波，由设定的键相脉冲阈值，准确识别和记录键相脉冲信号上升沿（或下降沿）的到达时刻t₀、t₁、t₂…t_N；然后计算两个脉冲间的时间差，dt₀=t₁-t₀，dt₁=t₂-t₁，…，dt_N-1=t_N-t_N-1，由数字微分方法计算得到转速rpm和瞬时转动频率f。

步骤3中的级联积分梳状插值滤波器包括梳状器、I倍插值器和积分器；

所述梳状器是对称的FIR滤波器，其状态方程表示为：y[n]=x[n]-x[n-M]；其中：y[n]是当前状态的输出，x[n]是当前状态的输入，x[n-M]是[n-M]时刻时的输入；M是延时因子；梳状器传输函数为：H_C=1-z^-M；

所述积分器都是单极点的IIR滤波器，反馈系数是1，状态方程为：y[n]=y[n-1]+x[n]；y[n]表示当前状态的输出，y[n-1]表示上一次的输出，x[n]表示当前状态的输入；积分器的传输函数为： $H_I=\frac{1}{1-z^{-1}}.$

本发明的瞬态振动信号角域阶比跟踪采样和分析方法包括以下步骤：1）采用固定的采样频率，经过ADC模块同步采集旋转机械振动信号和键相脉冲信号，模拟抗混叠滤波器截止频率设置为采样频率的1/2；2）识别转速键相脉冲。根据设定的键相脉冲阈值，识别并记录键相脉冲信号的脉冲到达时间，通过数字微分计算转子的瞬时转速和频率。3）计算角域采样样本时间序列。根据振动信号的特征，采用级联积分梳状（Cascade Integrator Comb）插值滤波器，对步骤2）得到的键相脉冲进行I倍插值（Interpolate），得到角域信号每一样本对应的时间序列。4）原始信号过采样。对采集的原始振动信号进行L倍过采样插值，并对过采样信号进行低通滤波。5）信号数字重采样。对步骤4中的过采样振动信号进行数字抗混叠滤波和重采样，得到角域等角度采样信号。降采样抽取可以采用线性插值、多项式插值、样条插值或者正弦插值方法。6）角域信号处理。对4）中得到的角域均角振动信号进行FFT，得到旋转机械振动阶比谱；采用Vold-Kalman滤波器方法，提取各个谐波分量。

本方法具有实时性强，精度高，谱线清晰等特点，适合各种变转速工况下的瞬态振动信号采集和分析，具有较强的自适应和鲁棒性。

具体实施时，本发明的瞬态振动信号角域阶比跟踪采样和分析方法的实施步骤如下：

1）采用固定的采样频率，经过ADC模块同步采集旋转机械的一路键相脉冲信号（如图3）和多路振动信号（如图2），模拟抗混叠滤波器截止频率设置为采样频率的1/2。

2）识别转速键相脉冲。对键相脉冲信号进行阈值检波，由设定的键相脉冲阈值，准确识别和记录键相脉冲信号上升沿（或下降沿）的到达时刻t₀、t₁、t₂…t_N。

3）计算两个脉冲间的时间差，dt₀=t₁-t₀，dt₁=t₂-t₁，…，dt_N-1=t_N-t_N-1，由数字微分方法计算得到转速rpm和瞬时转动频率f。

4）计算角域采样样本时间序列。根据振动信号分析需要，采用级联积分梳状（CIC）滤波器作为插值滤波器，对键相脉冲进行I倍插值，得到角域等角度振动信号每一样本对应的时间序列。为了便于后续的FFT运算，I可以取2的n次方，n取4、5、6、7、8等。

CIC滤波器是一种可以实现抽取或者插值的高效滤波器。它主要用于降低或提高采样率。CIC滤波器具有实现简单,处理速度快、占用资源少的特点,最大的优点是不需要进行乘法运算。

CIC滤波器由积分器、插值器（抽取器）和梳状滤波器组成，积分器都是单极点的IIR滤波器，反馈系数是1，状态方程如下

y[n]=y[n-1]+x[n]

y[n]表示当前状态的输出，y[n-1]表示上一次的输出，x[n]表示当前状态的输入。积分器的传输函数为：

$H_I=\frac{1}{1-z^{-1}}$

梳状器是对称的FIR滤波器，其状态方程表示为：

y[n]=x[n]-x[n-M]

y[n]是当前状态的输出，x[n]是当前状态的输入，x[n-M]是[n-M]时刻时的输入。M是延时因子，是滤波器的一个重要参数，可以用来控制滤波器的频率响应。

梳状器传输函数为：

H_C=1-z^-M

一阶I倍CIC插值滤波器由梳状滤波器、插值器和积分器组成。

5）原始信号过采样。对原始采集得到的振动信号进行过采样插值，插值系数为L，以提高原始振动信号采样频率，提高信号分析精度。再对过采样后的信号进行数字低通滤波，除去过采样可能带来的虚假频率。

6）数字跟踪滤波。对步骤5）得到的过采样振动信号进行数字抗混叠滤波，目的是除去阶比跟踪频率以外的频率成分，防止重采样中出现频率混迭现象。低通滤波器的截止频率根据转子瞬时转动频率计算，具体为重采样频率的1/2，也即步骤4）中的插值系数I的1/2乘以瞬时转动频率f。数字抗混叠滤波器采用Kaiser窗FIR低通滤波器。

7）信号数字重采样。对经过步骤6）得到的信号进行插值重采样，得到角域等角度采样信号（如图7），具体插值算法采用线性插值算法。线性插值与其他插值方法相比，具有非常高的运算速度，适合用于信号的实时分析。

6）对等角度采样信号进行FFT，得到旋转机械振动阶比谱（图8），对等角度采样信号进行Vold-Kalman滤波，得到各阶谐波分量波形。

实施例1

以原始采样频率sf为128Hz模拟产生一个旋转机械振动信号和键相脉冲信号，振动信号的频率从1Hz线性增加至10Hz，如图2所示（全部信号长度为8秒，即1024个样本点，为了图片更加清晰，只显示了前2秒种数据），键相脉冲信号为转子每转动一周发出一个脉冲，如图3所示。图4为该振动数据直接进行快速傅里叶变换时得到的频谱，可以看出该频谱图在1-10Hz内相互重叠，表现为连续谱，无法正确反映出该信号的频谱特征。

利用本发明方法，设定键相脉冲的阈值电压为0.42V，由阈值检波得到的键相脉冲信号上升沿时间见图5所示。对键相脉冲时间应用CIC插值滤波，插值倍数选为128，即转子每一转采集128个等角度点，得到角域等角度采样时间序列。

对原始振动数据进行过采样，过采样倍数为8，并对过采样信号进行低通滤波，滤波频率为4*sf即512Hz，得到新的采样频率为1024Hz的信号见图6所示。

根据插值得到的采用时间序列，对过采样信号进行线性插值得到角域等角度信号，插值之前对信号进行抗混叠滤波，滤波截至频率为转子瞬时转动频率乘以64。得到的角域信号如图7所示。对角域信号进行快速傅里叶变换，得到振动信号阶比谱，如图8所示，从图8中可以清楚看出，振动信号中只含有一个与转速同频的振动信号，其余都为噪声，即振动信号阶比系数为1。

进一步对角域等角度振动信号进行Vold-Kalman滤波，可以提取各个谐波成分波形。本例中只有一个基频成分，因此无需进行提取。

采用本方法，使用美国NI公司的24位数据采集卡-USB4432，无需添加任何其他硬件（如锁相环、倍频电路等），即构成了一个高精度振动信号采集分析系统，实现变转速振动信号阶比跟踪采集和阶比分析功能。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种新的瞬态振动信号角域阶比跟踪采样和分析方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1：采用固定的采样频率，同时采集旋转机械振动信号和键相脉冲信号，模拟抗混叠滤波器截止频率设置为采样频率的1/2；

步骤2：识别转速键相脉冲，计算转子的瞬时转速和频率；

步骤3：计算角域采样样本时间序列；根据振动信号的特征，采用级联积分梳状插值滤波器，对步骤二得到的键相脉冲进行I倍插值，得到角域信号每一样本对应的时间序列；

步骤4：对采集的原始振动信号进行L倍过采样插值，并对过采样信号进行低通滤波；

步骤5：对步骤4中的过采样振动信号进行数字抗混叠滤波和重采样，得到角域的等角度采样信号。

步骤6：对步骤4中得到的角域均角振动信号进行快速傅里叶变换，得到旋转机械振动阶比谱，然后提取各个谐波分量。

2.根据权利要求1所述的一种新的瞬态振动信号角域阶比跟踪采样和分析方法，其特征是，所述步骤二中，首先对键相脉冲信号进行阈值检波，由设定的键相脉冲阈值，准确识别和记录键相脉冲信号的上升沿（或者下降沿）的到达时刻t₀、t₁、t₂…t_N；然后计算两个脉冲间的时间差：dt₀=t₁-t₀，dt₁=t₂-t₁，…，dt_N-1=t_N-t_N-1，由数字微分方法计算得到转速rpm和瞬时转动频率f。

3.根据权利要求1所述的一种新的瞬态振动信号角域阶比跟踪采样和分析方法，其特征是，步骤3中的级联积分梳状插值滤波器包括梳状器、I倍插值器和积分器；

所述梳状器是对称的FIR滤波器，其状态方程表示为：y[n]=x[n]-x[n-M]；其中：y[n]是当前状态的输出，x[n]是当前状态的输入，x[n-M]是[n-M]时刻时的输入；M是延时因子；梳状器传输函数为：H_C=1-z^-M。

所述积分器都是单极点的IIR滤波器，反馈系数是1，状态方程为：y[n]=y[n-1]+x[n]；y[n]表示当前状态的输出，y[n-1]表示上一次的输出，x[n]表示当前状态的输入；积分器的传输函数为： $H_I=\frac{1}{1-z^{-1}}.$

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