CN104034407B - 减小旋转机械扭振信号脉冲测量法中周期性误差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减小旋转机械扭振信号脉冲法测量时周期性误差的方法，包括以下步骤：A：在转轴测量截面处安装标示装置并安装检测设备，使检测设备能够稳定的输出正确的波形；B：利用高频计数器进行信号采样，记录由检测设备输出的任意两个连续脉冲信号之间的时间间隔；C：根据瞬时扭振角速度计算公式计算任意点处的瞬时扭振角速度；D：根据脉冲信号计算标示装置转动一周过程中的周期时延平均函数；E：通过周期时延平均函数拓展出任意点处的周期时延平均函数；F：从检测设备输出的实测扭转振动信号中扣除周期时延平均函数，即可得到误差补偿后的扭振信号。本发明能够避免现有旋转机械扭振信号脉冲测量法中的缺陷，有效降低分度误差和弯曲振动对扭振测量结果的影响，提高扭振测量结果的准确度。

Description

减小旋转机械扭振信号脉冲测量法中周期性误差的方法

技术领域

本发明涉及一种旋转机械转轴扭转振动信号分析方法，尤其涉及一种能够减小旋转机械扭振信号脉冲测量法中周期性误差的方法。

背景技术

扭转振动是汽轮机、发电机、风机等旋转机械经常发生的一类振动故障。在大幅扭转振动冲击或长期扭转振动作用下，转轴表面会出现与截面成45°夹角的“麻花式”裂纹，容易造成转轴疲劳损坏。与转轴弯曲振动测试不同的是，扭转振动的测试要更为复杂，测试结果所受到的影响因素也比较多，测试技术远没有弯曲振动测试技术那么成熟。开展扭转振动测试技术研究，对提高扭振测试信号准确度和可靠性具有重要意义。

扭转振动测试分为接触式和非接触式两大类。接触式测量方法包括：盖格尔法、动态应变法和加速度传感器法等。非接触式测量方法包括：激光法和脉冲法等。相对于接触式测量方法而言，非接触测量方法中的脉冲法原理简单，在现场容易实现，是目前比较通用的一种测量方法。本发明主要针对脉冲法进行研究，以达到降低测量误差、提高测量结果准确度的效果。

在使用脉冲法进行测量时，需要在转轴测量部位安装设置有采样点的标示装置，如齿轮盘或黑、白反光条，并配套安装对应的检测设备，如各类检测传感器。例如，在转轴测量部位安装齿轮盘时，需要配套安装涡流传感器或磁阻传感器。当齿轮盘上的齿顶或齿隙转过传感器时，传感器感受到其前端与齿轮盘之间的间隙变化，进而输出系列脉冲信号。在转轴测量部位安装黑、白反光条时，需要配套激光、红外等形式的光电传感器。当黑条和白条分别转过光电传感器时，光电传感器感受到的反光信号强弱不同，进而输出系列脉冲信号。转轴没有转速波动和扭转振动时，输出脉冲波形间隔均匀；转轴发生扭振时，输出脉冲波形间隔不均匀。根据脉冲之间间隔非均匀程度，可以从输出波形中提取出扭振信号。

脉冲法测量扭振时，对齿轮盘或黑白反光条分度是否均匀有严格要求。在没有扭振的情况下，分度误差也会造成传感器输出一个非均匀间隔的系列脉冲波形，导致将分度误差错误识别为扭振信号，致使扭振测量结果不够准确。旋转机械转轴扭振角位移幅度很小，通常在0.1°以内，而分度误差往往大于0.1°。受打印机走纸速度不均匀、打印机分辨率、转轴周长测量误差、周长与反光条之间无法整数倍划分等因素的影响，采用黑、白反光条获取脉冲信号中产生的分度误差比采用齿轮盘获取脉冲信号中产生的分度误差更大；并且在反光条对接部位，由于无法准确度对接，将会导致分度误差加大，远大于扭振幅值。

因此，如何减小脉冲法测量扭转振动时分度误差的影响，一直是人们所关心的内容。目前的做法是：(1)在没有扭转振动的状态下测量和记录传感器输出信号，以此作为基准信号；(2)测量运行状态下的扭振信号；(3)从实际测量扭振信号中扣除基准信号，获得真实信号。虽然这种误差补偿方法最容易被想到，但实际应用中存在以下缺陷：(1)受工作条件限制，很难获得没有扭转振动时的基准脉冲信号；(2)受热膨胀等因素的影响，不同工作状态下的基准脉冲信号可能不完全相同；(3)分度误差补偿时，基准脉冲信号和实测脉冲信号之间必须一一对应，即：两个信号必须是同一个起点。否则无法补偿。这就要求配备额外的传感器，如：键相传感器等，来帮助确定脉冲起点；或者改变某一个齿或反光条的宽度，以此作为误差补偿时的基准标记，但这种做法在实际操作中非常不便。

由振动理论可知，弯曲振动和扭转振动是两种不同形式的振动，两者之间并不关联。但是在采用脉冲法测量扭振时，转轴弯曲振动对扭转振动测量结果也会带来影响。以扭振传感器安装在水平位置为例进行分析，在没有扭振的情况下，垂直方向上转轴弯曲振动会导致转轴上下移动，从而导致水平方向上扭振传感器输出扭振信号，造成测量误差。旋转机械工作状态下转轴弯曲振动无处不在，弯曲振动对扭转振动测量结果的影响必须要考虑。目前所采取的消除弯曲振动影响的误差补偿方法是：首先在转轴相对180°的方向各布置一组传感器；由于弯曲振动对这两组传感器输出扭振信号的影响是幅值相等，角度相反；因此将两组传感器输出信号相加，抵消弯曲振动的影响。这种补偿方法需要配置两组传感器，不仅增加了传感器费用和检测仪器测量通道，而且还会受到结构条件限制，导致传感器安装不便。

综上所述，分度误差和弯曲振动对扭振信号测量结果准确性产生了很大影响。虽然人们已经意识到这两类误差对测试结果的影响，也有种种方法可以补偿这两类误差，但现有的补偿方法使用不便、测量误差大，无法满足提高扭振测量结果准确度的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种减小旋转机械扭振信号脉冲法测量时周期性误差的方法，能够避免现有旋转机械扭振信号脉冲测量法中的缺陷，有效降低分度误差和弯曲振动对扭振测量结果的影响，提高扭振测量结果的准确度。

本发明采用下述技术方案：

一种减小旋转机械扭振信号脉冲法测量时周期性误差的方法，包括以下步骤：

A：在转轴测量截面处安装设置有采样点的标示装置，并安装配套的检测设备，调整检测设备与转轴之间的距离和角度，使检测设备能够稳定的输出正确的波形；

B:利用高频计数器进行信号采样，并记录由检测设备输出的任意两个连续脉冲信号之间的时间间隔△t_i,i＝1,2,...,N，其中N为总采样点数；

C:设标示装置上设置的采样点个数为n，标示装置每转动一周，检测设备将输出n个脉冲，根据瞬时扭振角速度计算公式计算任意点处的瞬时扭振角速度x(i),总采样点数N与采样点个数n、测量总周期数n_s之间的关系为N＝n×n_s；

D:根据所采集到的检测设备输出的脉冲信号，计算标示装置转动一周过程中的周期时延平均函数R_xx(i)，周期时延平均函数R_xx(i)为：

$R_{\mathrm{xx}}\left(i\right)=\frac{1}{n_s}\underset{j=1}{\overset{n_s}{\mathrm{\Σ}}}x[i+(j-1)n],i=\mathrm{1,2},\·\·\·,n$ ，其中，n_s为测量总周期数，j代表第j个周期，n代表一个周期内采样点的个数；

E：由于分度和弯曲振动所带来的误差具有等同于转动周期的周期性特点，可通过周期时延平均函数R_xx(i)拓展出任意点处的周期时延平均函数τ_xx，τ_xx[i+(j-1)n]＝R_xx(i),i＝1,2,...,n,j＝1,2,...,n_s；

F：求出任意点处的周期时延平均函数τ_xx后，从检测设备输出的实测扭转振动信号中扣除周期时延平均函数τ_xx，即可得到误差补偿后的扭振信号y(i)，y(i)＝x(i)-τ_xx(i),i＝1,2...,N。

所述的步骤B中，在进行高频计数器测量时，信号采样时间为转动周期的10倍以上；高频计数器的晶振频率≥20MHz。

所述的设置有采样点的标示装置采用齿轮盘，与齿轮盘配套的检测设备采用涡流传感器或磁阻传感器。

所述的设置有采样点的标示装置采用黑、白反光条，与黑、白反光条配套的检测设备采用激光或红外形式的光电传感器。

由于因齿轮盘或黑、白反光条分度不均所带来的扭振测试误差，以及因转轴弯曲振动所带来的扭振测试误差均具有周期性、且周期与转轴的转动周期相同的特点，本发明通过引入周期时延平均函数来提取这两类具有典型周期性特点的测量误差，最终通过周期时延平均函数对这两种测量误差进行消除，能够有效降低分度误差和弯曲振动对扭振测量结果的影响，提高扭振测量结果的准确度。本发明与现有技术相比，还具有以下有益效果：

(1)不需要在低转速下或在无扭振情况下测试分度误差所引起的基准脉冲信号；

(2)无需配备额外的传感器来确定脉冲起点；

(3)在减小分度误差的同时，可以减小弯曲振动的影响，无需在转轴相对180°的方向各布置一组传感器；

(4)可以对测量误差进行实时补偿。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为脉冲法测试原理图；

图3是无扭振信号时检测设备输出的脉冲示意图；

图4是有扭振信号时检测设备输出的脉冲示意图；

图5是弯曲振动对扭转振动影响分析图；

图6是设定的120齿随机分度误差分布；

图7是模拟的弯曲振动信号；

图8是设定的扭振信号；

图9是含随机分度误差、弯曲振动误差和扭振信号的模拟信号；

图10是采用本发明法得到的一周内周期时延平均函数；

图11是采用本发明法得到的任意点处周期时延平均函数；

图12是含误差的扭振信号和采用本发明降噪后的扭振信号。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的减小旋转机械扭振信号脉冲法测量时周期性误差的方法，包括以下步骤：

A：在转轴3测量截面处安装设置有采样点的标示装置1，并安装配套的检测设备2。设置有采样点的标示装置1可采用齿轮盘或黑、白反光条。当采用齿轮盘时，配套的检测设备2可采用涡流传感器或磁阻传感器，并将涡流传感器或磁阻传感器对准安装在转轴3上的齿轮盘。当采用黑、白反光条时，配套的检测设备2可采用激光或红外形式的光电传感器，并将光电传感器对准黏贴在转轴3上的黑、白反光条。如图2所示，调整检测设备2与转轴3之间的距离和角度，使检测设备2能够检测到标示装置1，并稳定的输出正确的波形。

在没有扭振信号、分度误差和弯曲振动时，检测设备2输出的脉冲间隔均匀，图3为无扭振信号时检测设备2输出的脉冲示意图；而当存在扭振信号、分度误差和/或弯曲振动时，检测设备2输出的脉冲间隔不均匀，图4为有扭振信号时检测设备2输出的脉冲示意图。

在转轴3转动过程中，弯曲振动对转轴3的影响如图5所示，a为转轴3所发生的弯曲振动，b为不存在弯曲振动情况下相邻两个脉冲之间的实际弧长，c为弯曲振动影响后相邻两个脉冲之间的实际弧长。从图5中可以很明显看出，转轴3弯曲振动直接影响到相邻两个脉冲之间弧长的准确测量，将会导致测量误差。假设本实施例中采用的齿轮盘有120个齿，设定的120齿随机分度误差模拟信号图和弯曲振动引起的误差模拟信号图，分别如图6和图7所示。设定的扭振模拟信号如图8所示。对于120个齿而言，齿间平均分度值为3゜，随机分度误差设为平均分度值的10％。为了考虑接头处分度误差大的影响，特设定某一齿的分度误差达到40％。弯曲振动引起的误差在一周中呈现三角函数变化，幅度为0.008rad，即0.459゜，达到平均分度值的15％。扭振角速度幅值为48rad/s，频率为15Hz。

B:利用高频计数器进行信号采样，并记录由检测设备2输出的任意两个连续脉冲信号之间的时间间隔△t_i,i＝1,2,...,N，其中N为总采样点数。由于采样时间越长，参与平均的样本组数越多，按周期平均后，非周期分量的平均值越小，抑噪效果越好。因此，为了提高本发明的抑噪能力，在进行高频计数器测量时，信号采样时间为转动周期的10倍以上。由于脉冲间隔一定时，晶振频率越高，两个脉冲之间的计数值越精确，计数误差越小，测量精度和分辨率越高。因此，本发明中，为了提高测量精度和分辨率，高频计数器的晶振频率≥20MHz。

C:设标示装置1上设置的采样点个数为n，即齿轮盘上的齿或黑、白反光条的个数为n，标示装置1每转动一周，检测设备2将输出n个脉冲，根据瞬时扭振角速度计算公式计算任意点处的瞬时扭振角速度x(i),包含随机分度误差和弯曲振动误差的扭振角速度信号图如图9所示。由图9可以看出，图9在设定扭振角速度信号(图8)基础上，叠加了随机分度误差信号(图6)和弯曲振动误差(图7)。设ns为测量总周期数，则总采样点数N与每周期内采样点个数n、测量总周期数n_s之间的关系为N＝n×n_s；

D:由于齿轮盘或黑、白反光条分度不均所带来的扭振测试误差具有周期性，其周期与转轴3的转动周期相同；同时，转轴3弯曲振动所带来的扭振测试误差同样具有周期性，其周期也与转轴3的转动周期相同。因此，由齿轮盘或黑、白反光条分度不均所带来的测试误差，以及由转轴3弯曲振动所带来的测试误差具有共同性，即测试误差具有周期性，且测试误差的周期与转轴3转动周期相同。因而，这两类测试误差可以根据误差周期性特点，通过相同的方法来消除。

本发明提出周期时延平均概念，通过引入周期时延平均函数来提取具有典型周期性特点的测量误差。时延平均指的是将本时刻和其后若干周期内对应时刻点的值综合平均起来考虑。

根据所采集到的检测设备2输出的脉冲信号，计算标示装置1转动一周过程中的周期时延平均函数R_xx(i)，采样信号的周期时延平均函数公式R_xx(i)为：

$R_{\mathrm{xx}}\left(i\right)=\frac{1}{n_s}\underset{j=1}{\overset{n_s}{\mathrm{\Σ}}}x[i+(j-1)n],i=\mathrm{1,2},\·\·\·,n$ ，其中，n_s为测量总周期数，j代表第j个周期，n代表一个周期内采样点的个数。

图10是采用本发明法所得到的一周内周期时延平均函数。比较图10与图6和图7可知，周期时延平均函数信号中包含了与图7相对应的弯曲振动信号和与图6相对应的随机分度误差信号。

E：由于分度和弯曲振动所带来的误差具有等同于转动周期的周期性特点，可通过周期时延平均函数R_xx(i)拓展出任意点处的周期时延平均函数τ_xx，τ_xx[i+(j-1)n]＝R_xx(i),i＝1,2,...,n,j＝1,2,...,n_s；图11是采用本发明法得到的任意点处周期时延平均函数，随机分度误差影响、脉冲分度误差影响和弯曲振动影响如图中a、b和c所示。

F：求出任意点处的周期时延平均函数τ_xx后，从检测设备2输出的实测扭转振动信号中扣除周期时延平均函数τ_xx，即可得到误差补偿后的扭振信号y(i)，y(i)＝x(i)-τ_xx(i),i＝1,2...,N。图12是含噪的扭振信号和采用本发明降噪后的扭振信号。真实的扭振信号完全被掩盖在含噪扭振信号中，而采用本发明方法后所提取的的扭振信号的幅值和周期与设定的扭振信号(图8)相近。

本发明通过引入周期时延平均函数来提取这两类具有典型周期性特点的测量误差，最终通过周期时延平均函数对这两种测量误差进行消除，能够有效降低分度误差和弯曲振动对扭振测量结果的影响，提高扭振测量结果的准确度。

Claims (4)

1.一种减小旋转机械扭振信号脉冲法测量时周期性误差的方法，其特征在于，包括以下步骤：

A：在转轴测量截面处安装设置有采样点的标示装置，并安装配套的检测设备，调整检测设备与转轴之间的距离和角度，使检测设备能够稳定地输出正确的波形；

B:利用高频计数器进行信号采样，并记录由检测设备输出的任意两个连续脉冲信号之间的时间间隔△t_i,i＝1,2,...,N，其中N为总采样点数；

C:设标示装置上设置的采样点个数为n，标示装置每转动一周，检测设备将输出n个脉冲，根据瞬时扭振角速度计算公式计算任意点处的瞬时扭振角速度x(i),i＝1,2,...,N，总采样点数N与采样点个数n、测量总周期数n_s之间的关系为N＝n×n_s；

D:根据所采集到的检测设备输出的脉冲信号，计算标示装置转动一周过程中的周期时延平均函数R_xx(i)，周期时延平均函数R_xx(i)为：

i＝1,2,...,n，其中，n_s为测量总周期数，j代表第j个周期，n代表一个周期内采样点的个数；

E：由于分度和弯曲振动所带来的误差具有等同于转动周期的周期性特点，通过周期时延平均函数R_xx(i)拓展出任意点处的周期时延平均函数τ_xx，τ_xx[i+(j-1)n]＝R_xx(i),i＝1,2,...,n,j＝1,2,...,n_s；

F：求出任意点处的周期时延平均函数τ_xx后，从检测设备输出的实测扭转振动信号中扣除周期时延平均函数τ_xx，即可得到误差补偿后的扭振信号y(i)，y(i)＝x(i)-τ_xx(i),i＝1,2...,N。

2.根据权利要求1所述的减小旋转机械扭振信号脉冲法测量时周期性误差的方法，其特征在于：所述的步骤B中，在进行高频计数器测量时，信号采样时间为转动周期的10倍以上；高频计数器的晶振频率≥20MHz。

3.根据权利要求2所述的减小旋转机械扭振信号脉冲法测量时周期性误差的方法，其特征在于：所述的设置有采样点的标示装置采用齿轮盘，与齿轮盘配套的检测设备采用涡流传感器或磁阻传感器。

4.根据权利要求2所述的减小旋转机械扭振信号脉冲法测量时周期性误差的方法，其特征在于：所述的设置有采样点的标示装置采用黑、白反光条，与黑、白反光条配套的检测设备采用激光或红外形式的光电传感器。