CN105547932A - 一种发动机滑油金属颗粒在线监测的信号检波方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种发动机滑油金属颗粒在线监测的信号检波方法，其金属颗粒监测传感器的左右通道中的一个对铁信号敏感，而另一个对非铁信号敏感，包括以下步骤：步骤1、从金属颗粒监测传感器的左右通道同步获取监测信号，从中提取一段输入数据，其代表监测信号的幅值；步骤2、计算左通道输入信号的能量分布；步骤3、按顺序遍历能量数据，并判断每对相邻的递增索引值与递减索引值之间的距离是否大于第一距离阈值，如果判断为是，则将该对递增索引值与递减索引值，作为潜在有效信号的起止参考位置。

Description

一种发动机滑油金属颗粒在线监测的信号检波方法

技术领域

本发明属于数字信号处理技术领域，涉及一种油液金属颗粒在线监测的信号检波方法，适用于发动机滑油系统的油液金属颗粒在线监测系统。

背景技术

现有的滑油系统油液金属颗粒在线监测系统主要用于发动机滑油系统健康状态的在线监测，通过检测油液中金属颗粒的数量、性质、大小等参数反映发动机健康状态。

如图2所示，一种油液金属颗粒在线监测系统主要由金属屑传感器探头、信号传输电缆和信号处理单元组成。传感器探头安装在发动机从滑油增压泵至滑油滤的供油管路上，供油液从传感器探头通径通过，以便检测金属颗粒。由于油液中含有不同性质与粒径的金属颗粒，根据电磁感应原理，在输出端会产生正弦或余弦信号，分别代表性质不同的金属颗粒信息。信号检波则是其中对有效信号的判别及解析。

作为滑油系统油液金属颗粒在线监测系统软件的重要环节，信号检波的结果直接影响到系统监测结果的准确度及精度，因而检波方法本身应具有较高的准确性及可靠性。

发明内容

滑油系统油液金属颗粒在线监测系统进行信号检波的数据源来自两个通道，表述为左右通道，分别对铁信号和非铁信号敏感，当有铁磁性颗粒通过传感器时，左右通道在相同的位置分别产生同相位信号(均为正弦信号)且左通道幅值明显大于右通道幅值；当有非铁磁性颗粒通过传感器时，左右通道在相同的位置分别产生反相位信号(左通道为正弦信号，右通道为余弦信号)且右通道幅值明显大于左通道幅值。基于该种信号特征，能够根据左右通道的相位关系及信号幅值关系对信号进行检波。

有鉴于此，本申请的发明人构思了油液金属颗粒在线监测的信号检波方法，其针对在线监测系统产生的信号特征，采用双重判断的方式确定金属颗粒信号所在位置，依据信号波形趋势及跨度特征判别信号有效性，依据信号相位差异关系鉴别金属颗粒性质，依据信号幅值大小及半波比例鉴别颗粒大小，利用非线性拟合方式进行金属颗粒粒径标定。

本发明提出的油液金属颗粒在线监测的信号检波方法，能够对颗粒信号进行有效识别与提取，因而为准确监测发动机健康状况起着关键作用。

针对滑油系统油液金属颗粒在线监测系统中的信号特征，本发明提出一种用于发动机滑油系统油液颗粒在线监测系统的信号检波方法。

根据本发明的实施例，提供了一种发动机滑油金属颗粒在线监测的信号检波方法，其金属颗粒监测传感器的左右通道中的一个对铁信号敏感，而另一个对非铁信号敏感，包括以下步骤：步骤1、从金属颗粒监测传感器的左右通道同步获取监测信号，从中提取一段输入数据，其代表监测信号的幅值；步骤2、利用以下公式，计算左通道输入信号的能量分布 其中，lx(n)为左通道的输入数据的值，n表示输入数据在监测信号中的位置的索引值，n＝1～N，N为输入数据的总数；步骤3、按顺序遍历能量数据找到小于能量阈值且大于能量阈值的一个或多个递增索引值、以及大于能量阈值且小于能量阈值的一个或多个递减索引值，并判断每对相邻的递增索引值与递减索引值之间的距离是否大于第一距离阈值，如果判断为是，则将该对递增索引值与递减索引值，作为潜在有效信号的起止参考位置。

本发明提出的信号检波方法有以下几点优势：

1、由于采用双重判断的方式确定金属颗粒有效信号所在位置，因而能够准确获取位置信息而不造成误判，保证结果的可靠性。

2、依据信号幅值大小及半波比例鉴别颗粒，保证只有在波形幅值超过既定阈值且波形上下部分差异在偏差范围内时，才被认为是有效波形，因而能够有效排除噪声干扰引入的突变峰值干扰。

3、利用非线性拟合方式进行金属颗粒粒径标定，将检测到的信号幅值对应金属颗粒真实粒径，保证解析结果误差小，精度高。

4、本发明提出的信号检波方法，应用于发动机滑油系统油液金属颗粒在线监测系统，能够有效进行颗粒信息的判别及解析。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的信号检波方法的流程图；

图2是现有技术的滑油系统油液金属颗粒在线监测系统的连接框图；

图3和图4是根据本发明的实施例的信号检波方法的测试结果，其中，图3示出了铁磁性金属颗粒的测试结果，图4示出了非铁磁性金属颗粒的测试结果。

具体实施方式

下面，结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。

本领域的技术人员能够理解，尽管以下的说明涉及到有关本发明的实施例的很多技术细节，但这仅为用来说明本发明的原理的示例、而不意味着任何限制。本发明能够适用于不同于以下例举的技术细节之外的场合，只要它们不背离本发明的原理和精神即可。

另外，为了避免使本说明书的描述限于冗繁，在本说明书中的描述中，可能对可在现有技术资料中获得的部分技术细节进行了省略、简化、变通等处理，这对于本领域的技术人员来说是可以理解的，并且这不会影响本说明书的公开充分性。

根据本发明的实施例，针对发动机滑油系统油液金属颗粒在线监测系统产生的信号特征，采用双重判断的方式确定金属颗粒有效信号所在位置，依据信号波形趋势及跨度特征判别信号有效性，依据信号相位差异关系鉴别金属颗粒性质，依据信号幅值大小及半波比例鉴别颗粒大小，利用非线性拟合方式进行金属颗粒粒径标定。

图1是根据本发明的实施例的信号检波方法的流程图。如图1所示，根据本发明的实施例的信号检波方法主要包括初步判断和精确判断两个阶段。这里将左通道数据描述为lx(n)，右通道数据描述为rx(n)，其中n为数据索引值，n＝1～N，N为每个通道的数据个数，即输入信号的被采样数。其中，左右通道分别对铁信号和非铁信号敏感。

一、通过以下步骤1至4来实现对铁磁性金属颗粒的检测。

1、检测铁磁性金属颗粒，这通过处理左通道信号数据实现。利用以下公式，计算左通道输入信号的能量分布

由于金属颗粒位置处，左通道信号能量较大，因此可以通过设置阈值的方法初步筛选出磨粒(铁磁性金属颗粒)的位置。根据上述信号能量的均值，可将阈值T设定为：

式中，C为经验常数，在滑油系统油液金属颗粒在线监测系统中，根据大量实验数据验证，C优选取为1～4。

以T为阈值，对从n＝1～N(这里，N＝2048)进行遍历，当小于T且大于T时，记录下当前数据索引值n，令index_up＝n；当大于T且小于T时，记录下当前数据索引值n，令index_down＝n，并将相邻的index_up与index_down进行比较，若两者相距(差值)小于100(距离阈值)，则认为此信号为尖峰噪声引入的干扰，不作为有效信号，需舍弃，否则(两者相距(差值)不小于100)认为信号有效，保留数据索引值index_up和index_down，作为初步判断有效的信号的两端参考位置，并将记录波形个数(有效信号个数)的变量cnt加1。

遍历完成后，得到该组N个数据点的波形个数cnt及每个有效信号对应的有效数据索引值index_up和index_down(对于包含大于1个有效信号波形的数据，可用数组记录索引值，这里，为了描述简明，以包含一个有效信号波形的情况为例)，至此完成双重判断之中的初步判断，保留的各个数据索引值作为后续处理的参考位置。也就是说，通过上述步骤，从在线监测产生的连续信号中初步提取出了多个潜在的有效信号。

2、根据滑油系统油液金属颗粒在线监测系统有效信号特征，在步骤1的结果的基础上，对记录的每个有效信号的参考位置index_up和index_down分别前后延拓50点，得到index_up-50和index_down+50作为后续查找的起止位置，并在(index_up-50，index_down+50)的范围内，查找数据(信号幅度)的最大值valmax、最小值valmin，并记录对应索引值indmax和indmin。由于金属颗粒在线监测系统对检测油液流量的限制，要求信号最大值与最小值之间的跨度，即|indmax-indmin|大于28，因而先将不满足该要求的信号剔除。

3、依据步骤2中得到的结果，继续进行判断。由于左右通道对铁磁性金属颗粒产生的是同步(每个有效信号的极点的索引值一样)的正弦信号、且两通道信号的幅值有差异，以此为依据，先判断是否满足indmax<indmin且|lx(indmax)-lx(indmin)|>|rx(indmax)-rx(indmin)|。

若满足上述条件，则继续判断该信号波形的半波比例，即valmax/valmin的结果，若结果不在(-2，-0.5)之间，则认为信号是由毛刺噪声引起的，不作为最终的有效信号，故需舍弃，反之保留。

接下来，令val_pp＝valmax-valmin，比较保留信号的val_pp与既定阈值threshold，若val_pp>threshold，则认为信号有效，保留该valmax和valmin作为步骤4中的检测所需的数据。这里的既定阈值可选取系统长时间测试后获取的噪声水平的1.2倍作为初始数值，一般约为几十毫伏，其具体数值在信号标定后重新设置。至此完成了双重判断的精确判断，得到最终的有效信号。

4、根据步骤3中检测到的有效信号的最大值与最小值的数值(峰谷值，valmax和valmin)，标定对应金属颗粒的粒径大小(即颗粒等效直径)，在本发明中，利用在matlabCurveFitting环境下的非线性拟合进行。将经过计量鉴定的标准颗粒通过系统，利用步骤1～3中的方法检测有效信号峰谷值并记录，以此作为标定数据源。例如，系统油液中通过一个178μm标准铁磁性金属颗粒时，左通道产生信号的峰谷值之差为67毫伏，这组数据即可作为一组标定的数据源。利用通过事先标定得到的金属颗粒粒径dia与x之间的函数关系，确定金属颗粒粒径：

dia＝a*x^b+c

其中，x为在步骤3中得到的有效信号的峰谷值之差，即67mV代表的参量，a、b、c分别为在matlab环境下的拟合结果参数。

通过事先标定用该方法可获取金属颗粒粒径dia与x之间的函数关系。例如，根据滑油系统，需要检测大于125μm的铁磁性金属颗粒，可将系统通过178μm，305μm，505μm的标准铁磁性金属颗粒(此处可以取任意三种大小的颗粒进行测试，由于现有条件有这三种大小的标准颗粒，故选之)进行测试，分别记录产生的信号峰谷值之差，分别代入上述标定公式，在仿真环境下获取a、b、c的数值。再令dia＝125μm，代入公式求解x，将得到的结果数值作为既定阈值，替换步骤3中既定阈值的初始数值。这样完成标定。至此，对于铁磁性金属颗粒的检波完成。

二、对于非铁磁性金属颗粒的检测，通过处理右通道信号数据实现，与左通道数据处理方法类似。按照步骤1的方法得到右通道数据的波形个数及有效数据索引值，完成双重判断的初步判断。按照步骤2的方法获取有效最值valmax和valmin。按照步骤3的方法逐项进行判断，由于非铁磁性颗粒通过时右通道产生的是余弦信号、左通道仍为正弦信号，所以判断条件应满足indmax>indmin且|rx(indmax)-rx(indmin)|>|lx(indmax)-lx(indmin)|，其他判断条件不变，最终保留并记录满足条件的valmax和valmin，完成双重判断的精确判断。同样的，按照步骤4的方法进行检测，确定根据滑油系统，用508μm，706μm，904μm的非铁磁性金属颗粒进行测试并完成标定。

对以上信号检波算法进行测试，在调试环境下对系统通过305μm标准铁磁性金属颗粒和706μm标准非铁磁性金属颗粒，对信号的处理结果如图3和图4所示。图示下方dia表示标定后的颗粒粒径，indmax表示最大值所在位置，indmin表示最小值所在位置。由图可以看出，此检波算法检测结果准确，能够反映信号真实信息。

实施例(实验/仿真结果)

例如，在某型号发动机滑油系统油液金属颗粒在线监测系统中，信号处理电路AD采样率设为7.8kHz，待处理的数据点个数为2048。应用本发明的金属颗粒检波算法，如图3和4所示，可有效提取金属颗粒通过传感器产生的有效信号并正确解析颗粒粒径。

最后，本领域的技术人员能够理解，对本发明的上述实施例能够做出各种修改、变型、以及替换，其均落入如所附权利要求限定的本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种发动机滑油金属颗粒在线监测的信号检波方法，其金属颗粒监测传感器的左右通道中的一个对铁信号敏感，而另一个对非铁信号敏感，包括以下步骤：

步骤1、从金属颗粒监测传感器的左右通道同步获取监测信号，从中提取一段输入数据，其代表监测信号的幅值；

步骤2、利用以下公式，计算左通道输入信号的能量分布

其中，lx(n)为左通道的输入数据的值，n表示输入数据在监测信号中的位置的索引值，n＝1～N，N为输入数据的总数；

步骤3、按顺序遍历能量数据找到小于能量阈值且大于能量阈值的一个或多个递增索引值、以及大于能量阈值且小于能量阈值的一个或多个递减索引值，并判断每对相邻的递增索引值与递减索引值之间的距离是否大于第一距离阈值，如果判断为是，则将该对递增索引值与递减索引值，作为潜在有效信号的起止参考位置。

2.根据权利要求1所述的信号检波方法，还包括以下步骤：

步骤4、将在步骤3中得到的每个潜在有效信号的起止参考位置分别前后延拓一定距离，并在该范围内查找监测信号幅值的最大值及最小值，保留最大值及最小值位置之间距离大于第二距离阈值的潜在有效信号，而舍弃其余潜在有效信号；

步骤5、将在步骤4中保留的左通道中的潜在有效信号与右通道中的相同位置的信号的相比较，如果左通道的中的潜在有效信号的最大值和最小值的绝对值分别大于右通道中的相同位置的信号的最大值和最小值，则保留该潜在有效信号，而舍弃其余潜在有效信号；

步骤6、将在步骤5中保留的潜在有效信号的最大值除以最小值，保留结果在预定半波比例范围内的潜在有效信号，而舍弃其余潜在有效信号；

步骤7、将在步骤6中保留的潜在有效信号的最大值减去最小值，保留结果在幅度阈值外的潜在有效信号，作为最终的有效信号。

3.根据权利要求2所述的信号检波方法，其中，所述预定半波比例范围为(-2，-0.5)。

4.根据权利要求2所述的信号检波方法，其中，N＝2048，第二距离阈值为100，第二距离阈值为28，所述延拓一定距离为延拓50个数据点。

5.根据权利要求1所述的信号检波方法，其中，所述阈值T为：

式中，C为1～4。

6.根据权利要求5所述的信号检波方法，还包括：

步骤6、利用以下公式计算每个有效铁颗粒数据所对应的金属颗粒粒径dia：

dia＝a*x^b+c

其中，x为在步骤5中得到的每个有效铁或非铁颗粒数据的最大值及最小值之差，a、b、c分别为通过事先的计量标定所得到的dia与x之间的函数关系的参数。