CN103791999A - 一种平动机构振动信号识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平动机构振动信号识别方法，通过采用振动加速度传感器拾取平动机构的振动信号，采用光栅位移传感器采集设备平移过程中的位移脉冲信号，经抗混叠滤波器滤波后，通过数据采集卡生成数字信号，然后根据位移信号来控制采样频率对振动信号进行第二次采样，采用插值算法求出等位移间隔的振动加速度信号，经FFT变换后获得位移阶次谱。本发明有效克服了传统频率分析中平动机构变速运动导致频率分析模糊的缺点，很好的解决了平动机构频域特征信号提取的技术问题，为平动机构振动噪声测试分析提供了一种分析方法。

Description

一种平动机构振动信号识别方法

技术领域

本发明涉及的是一种信号处理技术领域的方法，具体是一种针对平动机构振动信号的识别方法。

背景技术

平动机构，如齿轮齿条、滚珠丝杆，滚柱丝杆、滑轨、导轨等机构，由于加工或安装精度误差，在运行过程中由于多种原因往往会出现振动和噪声，影响设备运行的平稳性和现场操作人员的舒适性，有时甚至引发设备故障。随着技术水平的不断发展，设备控制的精度要求不断提高，对平动机构振动噪声研究的相关文献也不断出现。经过对现有技术的检索发现，文献《汽车座椅电动滑轨的振动信号分析与特征提取》（噪声与振动控制，2011年6月第3期）从汽车座椅电动滑轨产品检测得到的振动信号中提取影响产品舒适性的特征信号，并以其对应的功率密度作为产品质量评判的标准之一。利用二阶循环统计量循环谱密度函数的解调特性，对产品振动信号的循环谱密度函数切片图进行分析，得到隐含在其中的特征调制信号，并根据影响人体舒适感的频率范围找出缺陷频率点，依据缺陷频率点的功率密度，可以较好的评价产品的性能。文献《SC型齿轮齿条式施工升降机振动噪声分析》（数字化用户，2013年第10期）分别从齿轮齿条啮合安装精度误差、运行部件之间的间隙和动力驱动不平衡等几个方面论述了引起齿轮齿条式施工升降机振动噪声的几个因素。然而平动机构瞬态运动过程中得到的振动信号属于非平稳信号，在这些状态下并不直接满足傅立叶变换对信号的平稳性要求，如果人为地将这类信号假定为平稳信号进行处理，结果将产生严重的“频率模糊”现象，如图1所示。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种平动机构振动信号识别方法，该方法克服了致命的“泄漏效应”，等位移域采样后的信号是以采样阶比做周期延拓，可避免信号FFT转换时的泄漏，大大提高了系统的分析精度。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种平动机构振动信号识别方法，该方法包括如下步骤：

1）采用振动加速度传感器以恒定的时间间隔对平动机构的振动信号进行第一次采样，得到振动信号的时域采样波形；同时采用光栅位移传感器以相同的采样速率对平动机构平移过程中的位移信号进行同步采样；再将振动信号和位移信号经抗混叠滤波器滤波后，通过数据采集卡生成数字信号；

2）根据位移脉冲信号来控制采样频率对平动机构的振动信号进行第二次采样，把等时间间隔的振动信号转变为等位移间隔；

3）然后把等位移采样间隔的振动信号进行FFT变换，得到位移空间的阶次谱，从而拾取任意位置上的振动变化量。

作为本发明的一种优选方案，在步骤2）中，插值算法采用的是二次曲线拟合，根据输入的三个脉冲时刻值(t₁,t₂,t₃)和其对应的位移(S₁,S₂,S₃)，求出二次曲线的系数（b₀,b₁,b₂），得到二次曲线方程，进而得到位移所对应的时刻；然后根据位移所对应的时刻对原始振动信号重采样，就可以得到等位间隔的振动信号；平动机构在短时间内是作匀加或减速度运动，平动机构行驶的位移S(t)表示为:

S(t)=b₂t²+b₁t+b₀    （1）

式中,b₀,b₁,b₂为待定系数,t为时间点；将三个依次到达的脉冲时间点(t₁,t₂,t₃)代入(1)式,由于设定的位移重采样间隔△s是固定的,求解可得任意位移S_i，S₁≤S_i≤S₃,S₁为t₁所对应的位移，S₃为t₃所对应的位移，且且S_i=k△s,k为正整数，所对应的时刻:

$t_i=\frac{1}{2b_2}[\sqrt{4b_2(S_i-b_0)+b_1^2}-b_1]---\left(2\right).$

针对平动机构运行过程中的振动噪声问题，结合机构运行的特点，本发明提出采用等位移重采样的方法克服了传统频率分析中平动机构变转速运动“频率模糊”的缺点，很好的解决了平动机构频域特征信号提取的技术问题，具有以下优点：

1、克服了致命的“泄漏效应”。等位移域采样后的信号是以采样阶比做周期延拓，可避免信号FFT转换时的泄漏，大大提高了系统的分析精度。

2、保证历史数据的可比性以及测试结果的重复性。为了保证每次信号采集的起始点基准相同，系统往往采用鉴相信号的上升沿触发采集信号，从而使所有历史数据具有纵向可比性。

3、可在采样序列中将变化的工频成分分离出来。应用阶次谱分析，即可获取与平动机构的工频及其谐波分量密切相关的信息。

附图说明

图1为现有技术中等时间间隔采样频谱分析图；

图2为等位移采样频谱分析图；

图3为平动机构振动信号采样与处理原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

一种平动机构振动信号识别方法，该方法包括如下步骤，如图2所述：

1）采用振动加速度传感器以恒定的时间间隔对平动机构的振动信号进行第一次采样，得到振动信号的时域采样波形；同时采用光栅位移传感器以相同的采样速率对平动机构平移过程中的位移信号进行同步采样；再将振动信号和位移信号经抗混叠滤波器滤波后，通过数据采集卡生成数字信号，如图3所述。

2）采用插值算法求出位移振动波形，然后根据位移振动波形信号来控制采样频率对平动机构的振动信号进行第二次采样，即重采样，得到稳定的位移空间的采样信号，把等时间间隔的振动信号转变为等位移间隔，从而拾取任意位置上的振动变化量。

3）然后把等位移采样间隔的振动信号进行FFT变换，得到位移空间的阶次谱，从而克服了传统频率分析中平动机构变转速运动“频率模糊”的缺点，这样有利于对平动机构在运动过程中对振动信号进行重复测量和比较分析。

在步骤2）中，基于等位移间隔的振动信号重采样技术，根据平动机构运行的具体情况，可以采用一次线性插值、二次曲线拟合和三次样条插值的方法。本发明以二次曲线拟合为例来说明插值的具体方法，另外两种方法可以根据其插值理论类推。

二次曲线拟合的理论基础是平动机构在短时间内是近似匀加速运动或匀减速运动，根据输入的三个脉冲时刻值(t₁,t₂,t₃)和其对应的位移(S₁,S₂,S₃)，求出二次曲线的系数（b₀,b₁,b₂），得到二次曲线方程，进而得到位移所对应的时刻，即阶次重采样时刻；然后根据位移所对应的时刻对原始振动信号重采样，就可以得到等位间隔的振动信号；平动机构在短时间内是匀加速度运动或匀减速运动，平动机构行驶的位移S(t)表示为:

S(t)=b₂t²+b₁t+b₀    （1）

式中,b₀,b₁,b₂为待定系数,t为时间点；将三个依次到达的脉冲时间点(t₁,t₂,t₃)代入(1)式,由于设定的位移重采样间隔△s是固定的,求解可得任意位移S_i，S₁≤S_i≤S₃,S₁为t₁所对应的位移，S₃为t₃所对应的位移，且且S_i=k△s,k为正整数，所对应的时刻:

$t_i=\frac{1}{2b_2}[\sqrt{4b_2(S_i-b_0)+b_1^2}-b_1]---\left(2\right).$

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种平动机构振动信号识别方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1）采用振动加速度传感器以恒定的时间间隔对平动机构的振动信号进行第一次采样，得到振动信号的时域采样波形；同时采用光栅位移传感器以相同的采样速率对平动机构平移过程中的位移信号进行同步采样；再将振动信号和位移信号经抗混叠滤波器滤波后，通过数据采集卡生成数字信号；

2）根据位移脉冲信号来控制采样频率对平动机构的振动信号进行第二次采样，把等时间间隔的振动信号转变为等位移间隔；

3）然后把等位移采样间隔的振动信号进行FFT变换，得到位移空间的阶次谱，从而拾取任意位置上的振动变化量。

2.根据权利要求1所述的一种平动机构振动信号识别方法，其特征在于，在步骤2）中，插值算法采用的是二次曲线拟合，根据输入的三个脉冲时刻值(t₁,t₂,t₃)和其对应的位移(S₁,S₂,S₃)，求出二次曲线的系数（b₀,b₁,b₂），得到二次曲线方程，进而得到任意位移所对应的时刻；然后根据位移所对应的时刻对原始振动信号重采样，就可以得到等位间隔的振动信号；平动机构的运动在短时间内作匀加或减速度运动，则平动机构行驶的位移S(t)可表示为:

S(t)=b₂t²+b₁t+b₀    （1）

式中,t为时间点，将三个依次到达的脉冲时间点(t₁,t₂,t₃)代入(1)式,由于设定的位移重采样间隔△s是固定的,求解可得任意位移S_i，S₁≤S_i≤S₃,S₁为t₁所对应的位移，S₃为t₃所对应的位移，且且S_i=k△s,k为正整数，所对应的时刻:

$t_i=\frac{1}{2b_2}[\sqrt{4b_2(S_i-b_0)+b_1^2}-b_1]---\left(2\right).$

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