CN105628187A - 一种振动信号的零偏校正方法、装置和振动监测仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种振动信号的零偏校正方法、装置和振动监测仪，其中，振动信号的零偏校正方法，包括：实时采集被监测物体的振动信号；按照时间顺序将所述被监测物体的振动信号划分多个预定时间长度的振动信号；分别计算每个所述预定时间长度的振动信号的振动加速度均值；计算相邻预定数量的预定时间长度的振动信号的振动加速度均值的均值，作为所述振动信号的零偏校正值；根据所述振动信号的零偏校正值，获取所述被监测物体在零加速度上下的振动信号。本发明的技术方案能够减少存储与计算振动信号的存储空间、提高运算速度以及振动信号的零偏校正的准确性。

Description

一种振动信号的零偏校正方法、装置和振动监测仪

技术领域

本发明涉及振动信号监测技术领域，更为具体地说，涉及一种振动信号的零偏校正方法、装置和振动监测仪。

背景技术

在振动信号监测领域，理想的被监测物体的振动信号的振动加速度都是围绕着振幅零值上下波动的，但是实际测量的振动信号的振动加速度往往存在偏差，如对风机进行振动监测时，由于振动监测仪的内部构造或周围环境的影响，获取的风机振动信号经过滤波显示时，经常存在振动加速度偏移零值而上下波动的情况，导致后续的判断处理往往出现偏差，若处理不当，甚至损坏被监测物体。

相关技术中，往往按照实际经验，采用一个固定不变振动加速度的经验值作为校正零偏的振动加速度，然后使用获取到的振动信号值减去该振动加速度，得到零偏校正后的振动信号。但是上述方法中，由于校正零偏的振动加速度根据实际经验获取，往往不够准确，计算时，存在偏差，导致零偏校正的效果不理想。

综上所述，如何能够提高振动信号的零偏校正的准确性成为目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种振动信号的零偏校正的技术方案，以解决背景技术中所介绍的现有技术中零偏校正的偏差较大，校正效果不理想的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

根据本发明的第一方面，提出了一种振动信号的零偏校正方法，该振动信号的零偏校正包括：

实时采集被监测物体的振动信号；

按照时间顺序将所述被监测物体的振动信号划分多个预定时间长度的振动信号；

分别计算每个所述预定时间长度的振动信号的振动加速度均值；

计算相邻预定数量的所述振动加速度均值的均值，作为所述振动信号的零偏校正值；

根据所述振动信号的零偏校正值，获取所述被监测物体在零加速度上下的振动信号。

优选地，所述分别计算每个所述预定时间长度的振动信号的振动加速度均值，包括：

使用分段累加器按照时间顺序依次累加每个采样时刻的振动信号的振动加速度，作为所述采样时刻的振动信号的振动加速度总和；

判断累加的所述采样时刻的总数目是否达到第一采样数目；

若累加的所述采样时刻的总数目达到所述第一采样数目，则根据所述振动信号的振动加速度总和以及所述第一采样数目计算所述预定时间长度的振动信号的振动加速度均值。

优选地，所述计算相邻预定数量的所述振动加速度均值的均值，包括：

按照时间顺序将多个所述振动加速度均值依次移入先入先出队列FIFO；

判断移入的所述振动加速度均值的数量是否达到所述FIFO的总位数；其中，所述FIFO的总位数等于所述预定数量；

若所述振动加速度均值的数量达到所述FIFO的总位数，使用总体累加器累加所述FIFO中所有振动加速度均值；

计算所述FIFO中所有振动加速度均值的均值，作为所述相邻预定数量的所述振动加速度均值的均值。

优选地，在按照时间顺序将多个所述振动加速度均值依次移入先入先出队列FIFO之前，所述方法还包括：

判断所述FIFO的总位数是否被填满；

若所述FIFO的总位数被填满，则按照时间顺序将所述FIFO中的所述振动加速度均值依次移位，将所述FIFO末位的所述振动加速度均值依次移出所述FIFO，并将所述多个所述振动加速度均值暂时移入缓存中；

当移出所述FIFO的振动加速度均值的数量达到预定位数时，按照时间顺序依次将缓存中的多个所述振动加速度均值移入FIFO中。

优选地，所述振动信号的零偏校正方法还包括如下步骤：

S510：对移入所述FIFO中的第一个振动加速度均值进行标记，判断所述第一个振动加速度均值的移入时间是否达到预设时钟周期；

S520：若第一个振动加速度均值的移入时间达到所述预设时钟周期，使用总体累加器累加所述FIFO中所有振动信号的振动加速度均值，计算FIFO中所有振动加速度均值的均值；

执行上述步骤S510，并累计所述移入时间达到所述预设时钟周期的累计次数；

判断所述累计次数是否达到预定次数；若所述累计次数达到预定次数，则累加所述FIFO中所有振动加速度均值的均值；

根据累加的所述FIFO中所有振动加速度均值的均值以及所述累计次数计算累计次数个所述FIFO中所有振动加速度均值的均值；作为所述振动信号的零偏校正值。

根据本发明的第二方面，还提出了一种振动信号的零偏校正装置，该振动信号的零偏校正装置包括：

采集模块，用于实时采集被监测物体的振动信号；

划分模块，用于按照时间顺序将所述被监测物体的振动信号划分多个预定时间长度的振动信号；

振动加速度均值计算模块，用于分别计算每个所述预定时间长度的振动信号的振动加速度均值；

零偏校正值计算模块，用于计算相邻预定数量的所述振动加速度均值的均值，作为所述振动信号的零偏校正值；

振动信号获取模块，用于根据所述振动信号的零偏校正值，获取所述被监测物体在零加速度上下的振动信号。

优选地，所述振动加速度均值计算模块，包括：

振动加速度累加子模块，用于使用分段累加器按照时间顺序依次累加每个采样时刻的振动信号的振动加速度，作为所述采样时刻的振动信号的振动加速度总和；

数目判断子模块，用于判断累加的所述采样时刻的总数目是否达到第一采样数目；

振动加速度计算子模块，用于若所述数目判断子模块判定累加的所述采样时刻的总数目达到所述第一采样数目，根据所述振动信号的振动加速度总和以及所述第一采样数目计算所述预振动加速度均值。

优选地，所述零偏校正值计算模块包括：

振动加速度均值移入子模块，用于按照时间顺序将多个所述振动加速度均值依次移入先入先出队列FIFO；

移入数量判断子模块，用于判断移入的所述振动加速度均值的数量是否达到所述FIFO的总位数；其中，所述FIFO的总位数等于所述预定数量；

振动加速度均值累加子模块，用于若所述移入数量判断子模块判定所述振动加速度均值的数量达到所述FIFO的总位数时，使用总体累加器累加所述FIFO中所有振动加速度均值；

均值计算子模块，用于计算所述FIFO中所有振动加速度均值的均值，作为所述相邻预定数量的所述振动加速度均值的均值。

优选地，所述振动信号的零偏校正装置，还包括：

位数判断子模块，用于判断所述FIFO的总位数是否被填满；

FIFO移位子模块，用于若所述位数判断子模块判定所述FIFO的总位数被填满时，按照时间顺序将所述FIFO中的所述振动加速度均值依次移位，将所述FIFO末位的所述振动加速度均值依次移出所述FIFO；

缓存移入子模块，用于将所述多个所述振动加速度均值暂时移入缓存中；

FIFO移入子模块，用于当移出所述FIFO的振动加速度均值的数量达到预定位数时，按照时间顺序依次将所述缓存中的多个所述振动加速度均值移入FIFO中。

根据本发明的第三方面，还提出了一种振动监测仪，该振动监测仪包括：

上述任一项技术方案所述的振动信号的零偏校正装置。

本发明提供的振动信号的零偏校正方案，通过采集被监测物体的振动信号，然后按照时间顺序将被监测物体的振动信号划分为多个预定时间长度的振动信号，计算每个该振动信号的振动加速度均值，然后计算相邻预定数量的预定时间长度的振动信号的振动加速度均值的均值，作为该振动信号的零偏校正值，进一步根据该振动信号的零偏校正值，获取被监测物体在零加速度上下的振动信号。在正常情况下，振动信号在零加速度左右上下波动，因此，使用被监测物体的振动信号的实际振动加速度减去该振动信号的零偏校正值，即可准确地得到被监测物体校正后的零偏振动信号。本发明的技术方案能够减少存储与计算振动信号的存储空间、提高运算速度以及振动信号的零偏校正的准确性。

本发明的技术方案，只需要截取实时采集的被监测物体的长时间振动信号中的一小段预定时间长度的振动信号，然后根据该预定时间长度的振动信号计算每个振动信号的振动加速度均值，然后对该振动加速度均值再求均值，即能计算该振动信号的零偏振动信号，相较于对每一段振动信号需要实时获取校正零偏的振动加速度方案，计算简单，计算量较小，能够提高对振动信号的零偏校正的计算速度。同时，能够减少该振动加速度的存储与计算振动信号的存储空间，提高运算速度并提高振动信号的零偏校正的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明一示例性实施例示出的一种振动信号的零偏校正方法的流程示意图；

图2是本发明一示例性实施例示出的一种振动信号的零偏校正方法的流程示意图；

图3是本发明一示例性实施例示出的一种振动信号的零偏校正方法的流程示意图；

图4是本发明一示例性实施例示出的一种振动信号的零偏校正方法的流程示意图；

图5是本发明一示例性实施例示出的一种振动信号的零偏校正方法的流程示意图；

图6是本发明一示例性实施例示出的一种振动信号的零偏校正装置的结构示意图；

图7是本发明一示例性实施例示出的一种振动信号的零偏校正装置的结构示意图；

图8是本发明一示例性实施例示出的一种振动信号的零偏校正装置的结构示意图；

图9是本发明一示例性实施例示出的一种振动信号的零偏校正装置的结构示意图；

图10是本发明一示例性实施例示出的一种振动监测仪的结构示意图；

图11是本发明一示例性实施例示出的一种使用先入先出队列计算零偏校正值的流程示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供的振动信号的零偏校正方案，解决了背景技术中所介绍的现有技术中的技术方案导致的零偏校正的偏差较大，校正效果不理想的问题。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中的技术方案作进一步详细的说明。

请参考附图1，图1是本发明一示例性实施例示出的一种振动信号的零偏校正方法的流程示意图。如图1所示，本发明实施例提供的振动信号的零偏校正方法包括如下步骤：

S110：实时采集被监测物体的振动信号；

被监测物体的振动信号为按照预定时间间隔实时采集的振动信号，由于实时采集，振动信号的时间长度较长，该振动信号实际为一长段时间内每个采样时间点对应的振动信号组成。具体地，可以使用加速度传感器实时采集各采样时刻对应的被监测物体的振动加速度。

S120：按照时间顺序将被监测物体的振动信号划分多个预定时间长度的振动信号。

通过按照时间顺序将被监测物体的振动信号划分为多个预定时间长度的振动信号，只需要根据有限的时间长度内的振动信号，即能够获取用于校正该被监测物体振动信号的零偏校正值，因此相对于需要对长时间振动信号的每个振动信号实时计算校正值的技术方案，本方法能够节省计算量以及存储空间，提高计算速度。

S130：分别计算每个所述预定时间长度的振动信号的振动加速度均值；

S140：计算相邻预定数量的所述振动加速度均值的均值，作为所述振动信号的零偏校正值。

如图11所示，分别计算每个预定时间长度的振动信号的振动加速度均值，然后计算相邻预定数量的预定时间长度的振动信号的振动加速度均值的均值，作为振动信号的零偏校正值，能够减少计算量以及存储空间，提高运算速度，并提高计算的准确性。由于相邻预定数量的预定时间长度的振动信号的振动加速度均值的均值是由每个预定时间长度的振动信号的振动加速度均值组合计算得到的，因此，计算的预定数量的预定时间长度的振动加速度均值的均值较为准确。其中，上述相邻是指时间顺序上的相邻。

S150：根据所述振动信号的零偏校正值，获取所述被监测物体在零加速度上下的振动信号。

由于被监测物体的振动形式往往为简谐振动，理想的振动信号一般在零加速度上下波动，但是，实际情况中，由于受到各种外界因素的干扰，导致被监测物体的振动信号的振动加速度往往具有较大的偏移量，因此通过本发明提供的技术方案，使用被监测物体的实际振动信号的振动加速度减去相邻预定数量的预定时间长度的振动信号的振动加速度均值的均值，即可准确地得到零偏校正后的被监测物体的振动信号。由于该振动信号的零偏校正值为根据实际的振动信号计算而来，并非采用经验值，因此，使用该零偏校正值对振动信号进行零偏校正，结果较为准确。

本实施例提供的技术方案，只需要截取实时采集的振动信号中一小段时间长度的振动信号，然后根据该时间长度的振动信号计算每个振动信号的振动加速度均值，然后使用该振动加速度均值，即能够计算该振动信号的零偏振动信号，相较于对每一段振动信号需要实时获取，存储到存储空间，分别累加然后求均值计算校正零偏的振动加速度方案，计算简单，占用存储空间少且计算量较小，能够提高对振动信号的零偏校正的计算速度。同时，能够减少该振动加速度的存储与计算振动信号的存储空间，提高运算速度并提高振动信号的零偏校正的准确性。

如图2所示，图1所示实施例中步骤S130：分别计算预定时间长度的振动信号的振动加速度均值的具体过程包括如下内容：

S131：使用分段累加器按照时间顺序依次累加每个采样时刻的振动信号的振动加速度，作为所述采样时刻的振动信号的振动加速度总和；

如前所述，被监测物体的振动信号为按照预定时间间隔采集的振动信号，该振动信号实际为所有采样时间点对应的振动信号组成，因此预定时间长度的振动信号实际是预定数量的采样时间点对应的振动信号，通过累加每个采样时间点对应的振动信号的振动加速度，得到所有采样时间点的振动加速度总和，能够进一步结合采样时间点的数量，计算预定时间长度的振动信号的振动加速度均值。

S132：判断累加的采样时刻的总数目是否达到第一采样数目，若是，执行步骤S133。

如上所述振动信号实际为所有采样时间点对应的振动信号组成，因此预定时间长度的振动信号实际是预定数量的采样时间点对应的振动信号，因此通过判断累加的采样时刻的总数目是否达到第一采样数目，即可判断采样时间是否达到预定时间长度，进而达到计算预定时间长度的振动信号的振动加速度总和的目的。

S133：根据所述预定时间长度的振动信号的振动加速度总和以及所述第一采样数目计算所述预定时间长度的振动信号的振动加速度均值。

根据第一采样数目以及第一采样数目中每个采样时刻之间间隔，能够计算实际的预定时间长度，然后根据振动信号的振动加速度总和除以该预定时间长度的实际时间，即能够得到该预定时间长度的振动信号的振动加速度均值。

请参考图3，图3为本发明一示例性实施例示出的一种振动信号的零偏校正方法的流程示意图，如图3所示，图1实施例中的步骤S140：计算相邻预定数量的振动信号的振动加速度均值的均值，作为所述振动信号的零偏校正值的步骤，包括如下内容：

S141：按照时间顺序将多个所述振动加速度均值依次移入FIFO(FirstInFirstOut，先入先出队列)。

FIFO为先入先出队列，每一个振动信号的振动加速度均值分别占用一个FIFO的一个位数，按照时间顺序，振动信号幅度均值移入FIFO中，即可实现对振动信号幅度均值的存储与取用。

S142：判断移入的所述振动加速度均值的数量是否达到所述FIFO的总位数；若是，执行步骤S143；若否，则返回继续执行步骤S141。

其中，FIFO的总位数与预定时间长度内所有振动信号的振动加速度均值的数量相对应，例如预定时间长度包括有n个振动信号的振动加速度均值，FIFO的总位数也为n。

S143：使用总体累加器累加所述FIFO中所有振动加速度均值。

当FIFO的总位数被填满时，说明预定时间长度的振动信号的振动加速度均值的数量达到了预定数量，通过使用总体累加器累加FIFO中的所有振动信号的振动加速度均值，能够得到预定时间长度对应的振动加速度总和。

S144：计算FIFO中所有振动加速度均值的均值，作为所述相邻预定数量的预定时间长度的振动信号的振动加速度均值的均值。

通过计算预定时间长度的振动信号的振动加速度均值的总和与该预定时间长度的比值，即可得到该预定时间长度的振动信号的振动加速度均值的均值，该均值即为相邻一段时间内多个具有固定时间长度的振动信号的振动加速度均值的均值。

具体的计算过程如下：

计算FIFO中所有位数的存储单元存储的所有振动加速度均值的总和。

根据该所有位数的振动加速度均值的总和与相邻预定数量的预定时间长度的比值，作为相邻预定数量的预定时间长度的振动信号的振动加速度均值的均值，并将该振动加速度均值的均值作为振动信号的零偏校正值。其中，相邻预定数量的振动信号的时间长度可以根据FIFO的位数以及振动信号的预定时间长度进行计算。

然后使用被监测物体的实际振动信号的振动加速度减去该振动信号的振动加速度均值，即可得到经过零偏校正后的被监测物体的振动信号。

通过上述计算过程可知，首先按照时间顺序依次将多个所述预定时间长度的振动信号的振动加速度均值移入FIFO；然后判断移入的所述预定时间长度的振动信号的振动加速度均值的数量是否达到所述FIFO的总位数；若是，使用总体累加器累加所述FIFO中所有振动信号的振动加速度均值；最后计算所述FIFO中所有振动信号的振动加速度均值的均值，作为所述相邻预定数量的预定时间长度的振动信号的振动加速度均值的均值。通过上述移位操作即可获取被监测物体校正后的振动信号值，相较于需要对所有时间点的振动信号都需要实时获取校正零偏的技术方案，该方法计算简单，计算量较小，能够节约存储空间，并能够提高振动信号的零偏校正的计算速度。

请参考图4，图4是本发明一示例性实施例示出的一种振动信号的零偏校正方法的流程示意图，如图4和图3所示，该实施例中，图3所示的实施例的步骤S141：按照时间顺序依次将多个所述预定时间长度的振动信号的振动加速度均值移入FIFO之前，图4所示的振动信号的零偏校正方法还包括如下步骤：

S410：判断FIFO的位数是否被填满；若FIFO的位数被填满；执行步骤S420。若未填满，则继续将多个预定时间长度的振动信号的振动加速度均值依次移入FIFO中。

FIFO是一个先入先出队列，其包含的位数有限，因此，在振动信号的振动加速度均值先入先出的过程中需要不断替换旧有数据，加入新添加的振动加速度均值。

S420：按照时间顺序将所述FIFO中的所述振动加速度均值依次移位，将所述FIFO末位的振动加速度均值依次移出所述FIFO，并将多个振动加速度均值暂时移入缓存中。

FIFO的位数已满时，通过按照时间顺序将振动信号的振动加速度均值移入缓存中，能够防止数据溢出；当FIFO的位数空余时，即可按照时间顺序依次将缓存中的振动信号的振动加速度均值移入FIFO中，不打乱原有的振动信号的顺序，从而保证对振动信号的振动加速度均值的计算结果的准确性。并且按照时间顺序将FIFO中末位的振动加速度均值移出FIFO，FIFO中其他位数的振动加速度均值依次向末位移动，在FIFO的入口端空余出至少一个空余位，该空余位可以用来存储缓存中的振动信号的振动加速度均值。通过该过程实现振动信号的振动加速度均值的新旧更替。

S430：判断移出FIFO的振动加速度均值的数量是否达到预定位数。

FIFO中的每一位存储单元分别用于存储一个预定时间长度的振动信号的振动加速度均值，当FIFO满时，FIFO中存储的振动信号的振动加速度均值自FIFO入口向FIFO的出口依次移动，从而在FIFO的入口处空余出未存储数据的空余位，从而为缓存中的振动信号的振动加速度均值提供存储空间。

S440：按照时间顺序依次将缓存中的多个所述振动加速度均值移入FIFO中。

当移出FIFO的振动加速度均值的位数达到预定位数时，按照时间顺序将缓存中的振动信号的振动加速度的均值依次移入FIFO中，能够节省振动信号的振动加速度均值移入FIFO的时间。其中，当振动信号的振动加速度均值依次移入FIFO并将FIFO填满后，即可计算相邻预定数量的振动信号的振动加速度均值的总和。

通过使用FIFO依次实现振动信号的振动加速度均值的新旧更替，即实现计算预定时间长度的振动信号的振动加速度均值的均值，从而进一步实现了对相邻预定数量的振动信号的振动加速度均值的快速计算。

图5是本发明一示例性实施例示出的一种振动信号的零偏校正方法的流程示意图，如图5以及图11所示，该实施例的振动信号的零偏校正方法除了图1所示实施例提供的振动信号的零偏校正方法的步骤外还包括：

S510：对移入FIFO中的第一个振动加速度均值进行标记，判断所述第一个振动加速度均值的移入时间是否达到预设时钟周期；若是，执行步骤S520；若否，继续累加FIFO中各个振动加速度均值，并继续对移入FIFO中的第一个振动信号的振动加速度均值进行标记。

作为一种实施例，可以将移动FIFO的移入时间进行量化处理，即将移入时间量化为某一振动信号的振动加速度均值在FIFO的位数变化，当该位数变化达到预定值时，即判定移入FIFO的移入时间达到预设时钟周期。

S520：使用总体累加器累加所述FIFO中所有振动加速度均值，并计算所述FIFO中所有振动加速度均值的均值。

S530：继续执行上述步骤S510，并累计所述移入时间达到所述预设时钟周期的累计次数。

S540：判断所述累计次数是否达到预定次数；若所述累计次数达到预定次数，则累加所述FIFO中所有振动加速度均值的均值；

S550：根据累加的所述FIFO中所有振动加速度均值的均值以及所述累计次数，计算累计次数个所述FIFO中所有振动加速度均值的均值；作为所述振动信号的零偏校正值。

通过上述方法，能够获取多个相邻预定数量的预定时间长度的振动信号的振动加速度均值的均值累加值，并使用该均值累加值除以该多个相邻预定数量的预定时间长度的总和，即可作为振动信号的零偏校正值，该计算方法通过移位的方式进行计算振动信号的零偏校正值，使得计算的数据量较大且计算准确。

根据本发明一示例性实施例，还提出了一种基于FIFO自适应零偏估计算法的振动信号的零偏校正方法，该振动信号的零偏校正方法包括如下内容：

首先，将计算信号均值的时间段Tp平均分为整数n个时间片，每个时间片为Ts，即Tp＝n*Ts。通过滑动时间窗，不断将新的时间片移入时间窗，并将最老的时间片移出时间窗，准实时计算信号的均值，从而使算法能自适应信号随时间的偏移。

然后，设置两个累加器：分段累加器和总体累加器，分段累加器计算信号在Ts时长时间片内信号的总和，并求出该时间片内信号的均值，存入FIFO中。总体累加器计算FIFO中所有时间片均值的总和，并除以FIFO的长度，从而得出信号在Tp时间段内信号的均值。

当分段累加器累计了Ts时间片信号的总和时，完成两个动作：求Ts时间片信号的均值，并将该均值写入缓冲变量中；重新初始化为当前采样信号值，开始新的时间片信号累加。总体累加器更新可与分段累加器求Ts时间片信号的均值同时或者延后进行，但必须在下个Ts时间片均值计算前完成，总体累加器首先累加当前时间片均值缓冲变量的值，然后进行如下操作：当FIFO未满时，将时间片均值缓冲变量的值写入FIFO中；FIFO满时，从FIFO读取一个数据，总体累加器减去从FIFO中读取的数值，然后将时间片均值缓冲变量的值写入FIFO。

根据本发明另一示例性实施例，还提出了一种风机振动信号的自适应零偏估计算法，以计算风机的振动信号的零偏校正值，该自适应零偏估计算法采用首先分段求均值，而后总体求均值的方式，计算振动信号在较长一段时间内的零偏。

以风机作为被监测物体为例，阐述该自适应零偏估计算法基于的基本数学原理如下：

假设风机的振动为平稳随机过程，从而使其一段时间的统计特征能代表整体的统计特征。虽然风机振动不完全为平稳随机过程，但从实际情形可以得出其在一定时期内表现出平稳随机过程的特征。因此，只要计算统计特征的时间跨度足够长，则可用局部统计特征代替风机在一定时期内的统计特征。

在本算法中，所需要的信号统计特征为均值。由于风机始终在其装机位置附近振动，因此可以将一段较长时间内振动信号的均值近似等价于零偏校正值。若采用传统的方法，在完全存储一段时间内的风机振动信号，然后再进行求均值的运算，系统需要分配大量的存储空间，并不适合FPGA(FieldProgrammableGateArray，元件可编程逻辑闸阵列)的实现。因此，该方法所采取的方案为分段计算、全局求均值的方式。具体过程如下：

计算分段时间内振动信号的均值(分段均值)，缓存其结果。

待缓存的结果达到一定数量时，计算缓存结果的均值，并将此均值作为振动信号的零偏。

在具体的实现过程中，利用FIFO缓存上述分段时间内振动信号的均值。

分段时间内振动信号的均值进FIFO之前，计算零偏校正值的累加器先累加分段均值，然后减去从FIFO读出的数值，再将计算结果写入FIFO中。因此，计算零偏校正值的过程实际上等效于用一个时间窗抽取一段振动信号，然后求其均值。FIFO缓存结果的过程等效于时间窗按分段计算分段均值的间隔平滑向后移动，从而使得算法具有自适应特性，可以“准实时”更新信号的零偏。

上述零偏校正的实现过程中包含的变量分为三组：FIFO操作、分段均值计算和总体均值计算。

FIFO操作相关的控制变量包括：fifodin(FIFO的输入)、fifowr(FIFO的溢出标识位)、fiford(读取操作标识)、fifordD1、fifodout(FIFO的输出)；状态变量包括：fifofull(满)、fifoempty(非满)。fifordD1为fiford延迟一个时钟周期的缓存值。

分段时间内振动信号的均值计算相关的变量包括：datasum(累加的分段均值之和)、datasumBuf、datacnt(已累加的采样点个数)和datacntWrap。Datasum的位宽为AD数据位宽CDATAWIDTH(allnumericconfig.vhd)加上SUMDATA_WIDTH(allnumericconfig.vhd)。SUMDATA_WIDTH决定了计算分段均值的个数，datacnt的位宽即为该值。datasumBuf实际存储的是分段均值，位宽为CDATAWIDTH。Datacnt统计分段计算已累加采样点的个数。datacntWrap为datacnt溢出标识，指明此次分段均值计算结束，下个时钟开始新的分段均值计算。

整体均值计算相关的变量为avaragesum，代表FIFO中分段均值的累加值。avaragesum的位宽为CDATAWIDTH加上FIFO深度(以地址位宽作为单位)。注意：当修改了FIFO的深度时，必须相应修改代码中FIFODEPTH(allnumericconfig.vhd)的数值。

无论是分段均值还是整体均值的计算都是通过移位操作代替除法操作。分段均值和整体均值取其高CDATAWIDTH位。由于AD输出为二进制补码，因此计算过程为有符号加减法。

分段均值计算的代码如下所示：

s_axi_tvalid指示上层模块的输入有效，由于s_axi_tready在代码中置为1，s_axi_tvalid因此仅保持一个时钟周期。

s_axi_tready<＝'1'；

上述代码描述的计算过程如下：当上层模块输入有效数据时(s_axi_tvalid为高)，如果此次累加的采样点数未达到要求的数值，datasum累加输入的采样值signed(s_axi_tdata)；如果累加的采样点数达到了要求的数值，datasum置为经过符号扩展的采样值。Datacnt在输入有效数据时累加，溢出时重新回到0。溢出检测由datacntWrap信号完成。

datacntWrap<＝'1'；

when(datacnt＝conv_std_logic_vector(2**SUMDATA_WIDTH-1,SUMDATA_WIDTH))else'0'；

上述为分段均值的计算过程，下面为计算整体均值的计算过程。

整体均值计算需协同FIFO操作，需要区分FIFO的位数是满还是非满状态。当FIFO为非满时(fifofull＝'0')，avaragesum直接累加分段均值，然后将分段均值写入FIFO中；当FIFO为满时，avaragesum除了累加分段均值，还必须减去从FIFO读取的头数据(最旧的数据)。当FIFO为满时，必须先读取才能写入。代码如下所示。

条件s_axi_tvalid＝'1'anddatacntWrap＝'1'表明当前输入数据有效且分段均值计算完成。此时，avaragesum累加分段均值datasum(CDATAWIDTH+SUMDATA_WIDTH-1downtoSUMDATA_WIDTH)。如果FIFO不为满，分段均值写入FIFO中；

fifowr<＝'1'；

fifodin<＝std_logic_vector(datasum(CDATAWIDTH+SUMDATA_WIDTH-1；

downtoSUMDATA_WIDTH))；

否则，先从FIFO读取数据，缓存分段均值。

fiford<＝'1'；

datasumBuf<＝datasum(CDATAWIDTH+SUMDATA_WIDTH-1；

downtoSUMDATA_WIDTH)；

当fiford为高位，即(fifod＝1)时，说明正在读取FIFO里面的内容，下一个时钟周期需写入缓存的分段均值，avaragesum减去从FIFO读取的数据。由于fiford仅能保持一个时钟周期，否则会造成多次读取。因此，引入了fifordD1保存其上一时钟周期的状态，当其有效时fifodatao为有效输出。对应的代码如下。

If(fiford＝'1')thenfifowr<＝'1'；

fifodin<＝std_logic_vector(datasumBuf)；

fiford<＝'0'；

endIf；

fifowr也仅能保持一个时钟周期，否则会造成多次写入。

if(fifowr＝'1')thenfifowr<＝'0'；

endif；

avaragesum减去FIFO输出值的过程如下：

if(fifordD1＝'1')thenavaragesum<＝avaragesum-signed(fifodout)；

endif；

最后输出零偏校正后的振动信号值。

模块输出与模块输入同步进行。当上层模块输入有效数据时，模块将输入的采样值减去整体均值后直接输出。

m_axi_result_tdata<＝signed(s_axi_tdata)-avaragesum(CDATAWIDTH+FIFODEPTH-1downtoFIFODEPTH)。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种振动信号的零偏校正装置，由于该装置对应的方法为本发明上述实施例提供的振动信号的零偏校正方法，并且该装置解决问题的原理与本方法相似，因此装置的实施可参照方法的实施，相同之处相互参照即可，不再赘述。

请参考图6，图6为本发明一示例性实施例示出的一种振动信号的零偏校正装置的结构示意图，如图6所示，该振动信号的零偏校正装置包括：

采集模块601，用于实时采集被监测物体的振动信号；

划分模块602，用于按照时间顺序将所述被监测物体的振动信号划分多个预定时间长度的振动信号；

振动加速度均值计算模块603，用于分别计算每个所述预定时间长度的振动信号的振动加速度均值；

零偏校正值计算模块604，用于计算相邻预定数量的所述振动加速度均值的均值，作为所述振动信号的零偏校正值；

振动信号获取模块605，用于根据所述振动信号的零偏校正值，获取所述被监测物体在零加速度上下的振动信号。

如图7所示，图6实施例中的振动加速度均值计算模块603，包括：

振动加速度累加子模块6031，用于使用分段累加器按照时间顺序依次累加每个采样时刻的振动信号的振动加速度，作为所述采样时刻的振动信号的振动加速度总和。

数目判断子模块6032，用于判断累加的所述采样时刻的总数目是否达到第一采样数目。

振动加速度计算子模块6033，用于若所述数目判断子模块判定累加的所述采样时刻的总数目达到所述第一采样数目，根据所述振动信号的振动加速度总和以及所述第一采样数目计算所述预定时间长度的振动信号的振动加速度均值。

如图8所示，上述实施例中的零偏校正值计算模块604，包括：

振动加速度均值移入子模块6041，用于按照时间顺序依次将多个振动加速度均值移入先入先出队列FIFO。

移入数量判断子模块6042，用于判断移入的振动加速度均值的数量是否达到所述FIFO的总位数；其中，所述FIFO的总位数等于预定数量。

振动加速度均值累加子模块6043，用于若所述移入数量判断子模块判定所述振动加速度均值的数量达到所述FIFO的总位数时，使用总体累加器累加所述FIFO中所有振动加速度均值；

均值计算子模块6044，用于计算所述FIFO中所有振动加速度均值的均值，作为所述相邻预定数量的振动加速度均值的均值。

如图9所示，振动信号的零偏校正装置还包括：

位数判断子模块606，用于判断所述FIFO的总位数是否被填满。

FIFO移位子模块607，用于若所述位数判断子模块判定所述FIFO的总位数被填满时，按照时间顺序将所述FIFO中的振动加速度均值依次移位，将所述FIFO末位的所述振动加速度依次移出所述FIFO。

缓存移入子模块608，用于将所述多个振动加速度均值暂时移入缓存中。

FIFO移入子模块609，用于当移出所述FIFO的振动加速度均值的数量达到预定位数时，按照时间顺序依次将缓存中的上述多个振动加速度均值移入FIFO中。

如图10所示，上述零偏校正的装置用于监测振动信号的振动监测仪中，该振动监测仪包括收集振动信号的振动传感器1010以及与该振动传感器1010相连的振动信号的零偏校正装置1020，该振动信号的零偏校正装置1020与示波器1030相连，可以使用示波器1030将经过零偏校正后的振动信号向相关操作人员进行显示。

本发明的技术方案，只需要截取长时间振动信号中的一小段时间长度的振动信号，然后根据该时间长度的振动信号计算每个振动信号的振动加速度均值，然后使用该振动加速度均值，即能够计算该振动信号的零偏振动信号，相较于对每一段振动信号需要实时获取校正零偏的振动加速度方案，计算简单，计算量较小，能够提高对振动信号的零偏校正的计算速度。同时，能够减少该振动加速度的存储与计算振动信号的存储空间，提高运算速度并提高振动信号的零偏校正的准确性。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种振动信号的零偏校正方法，其特征在于，包括：

实时采集被监测物体的振动信号；

按照时间顺序将所述被监测物体的振动信号划分多个预定时间长度的振动信号；

分别计算每个所述预定时间长度的振动信号的振动加速度均值；

计算相邻预定数量的所述预定时间长度的振动信号的振动加速度均值的均值，作为所述振动信号的零偏校正值；

根据所述振动信号的零偏校正值，获取所述被监测物体在零加速度上下的振动信号。

2.根据权利要求1所述的振动信号的零偏校正方法，其特征在于，所述分别计算每个所述预定时间长度的振动信号的振动加速度均值，包括：

使用分段累加器按照时间顺序依次累加每个采样时刻的振动信号的振动加速度，作为所述采样时刻的振动信号的振动加速度总和；

判断累加的所述采样时刻的总数目是否达到第一采样数目；

若累加的所述采样时刻的总数目达到所述第一采样数目，则根据所述振动信号的振动加速度总和以及所述第一采样数目计算所述预定时间长度的振动信号的振动加速度均值。

3.根据权利要求1所述的振动信号的零偏校正方法，其特征在于，所述计算相邻预定数量的所述预定时间长度的振动信号的振动加速度均值的均值，包括：

按照时间顺序将多个所述振动加速度均值依次移入先入先出队列FIFO；

判断移入的所述振动加速度均值的数量是否达到所述FIFO的总位数；其中，所述FIFO的总位数等于所述预定数量；

若所述振动加速度均值的数量达到所述FIFO的总位数，使用总体累加器累加所述FIFO中所有振动加速度均值；

计算所述FIFO中所有振动加速度均值的均值，作为所述相邻预定数量的预定时间长度的振动信号的振动加速度均值的均值。

4.根据权利要求3所述的振动信号的零偏校正方法，其特征在于，在按照时间顺序将多个所述振动加速度均值依次移入先入先出队列FIFO之前，还包括：

判断所述FIFO的总位数是否被填满；

若所述FIFO的总位数被填满，则按照时间顺序将所述FIFO中的所述振动加速度均值依次移位，将所述FIFO末位的所述振动加速度均值依次移出所述FIFO，并将所述多个所述振动加速度均值暂时移入缓存中；

当移出所述FIFO的振动加速度均值的数量达到预定位数时，按照时间顺序依次将缓存中的多个所述振动加速度均值移入FIFO中。

5.根据权利要求3所述的振动信号的零偏校正方法，其特征在于，还包括如下步骤：

S510：对移入所述FIFO中的第一个振动加速度均值进行标记，判断所述第一个振动加速度均值的移入时间是否达到预设时钟周期；

S520：若所述第一个振动加速度均值的移入时间达到所述预设时钟周期，使用总体累加器累加所述FIFO中所有振动信号的振动加速度均值，计算FIFO中所有振动加速度均值的均值；

执行上述步骤S510，并累计所述移入时间达到所述预设时钟周期的累计次数；

判断所述累计次数是否达到预定次数；若所述累计次数达到预定次数，则累加所述FIFO中所有振动加速度均值的均值；

根据累加的所述FIFO中所有振动加速度均值的均值以及所述累计次数计算累计次数个所述FIFO中所有振动加速度均值的均值；作为所述振动信号的零偏校正值。

6.一种振动信号的零偏校正装置，其特征在于，包括：

采集模块，用于实时采集被监测物体的振动信号；

划分模块，用于按照时间顺序将所述被监测物体的振动信号划分多个预定时间长度的振动信号；

振动加速度均值计算模块，用于分别计算每个所述预定时间长度的振动信号的振动加速度均值；

零偏校正值计算模块，用于计算相邻预定数量的所述振动加速度均值的均值，作为所述振动信号的零偏校正值；

振动信号获取模块，用于根据所述振动信号的零偏校正值，获取所述被监测物体在零加速度上下的振动信号。

7.根据权利要求6所述的振动信号的零偏校正装置，其特征在于，所述振动加速度均值计算模块，包括：

振动加速度累加子模块，用于使用分段累加器按照时间顺序依次累加每个采样时刻的振动信号的振动加速度，作为所述采样时刻的振动信号的振动加速度总和；

数目判断子模块，用于判断累加的所述采样时刻的总数目是否达到第一采样数目；

振动加速度计算子模块，用于若所述数目判断子模块判定累加的所述采样时刻的总数目达到所述第一采样数目，根据所述振动信号的振动加速度总和以及所述第一采样数目计算所述预振动加速度均值。

8.根据权利要求1所述的振动信号的零偏校正装置，其特征在于，所述零偏校正值计算模块，包括：

振动加速度均值移入子模块，用于按照时间顺序将多个所述振动加速度均值依次移入先入先出队列FIFO；

移入数量判断子模块，用于判断移入的所述振动加速度均值的数量是否达到所述FIFO的总位数；其中，所述FIFO的总位数等于所述预定数量；

振动加速度均值累加子模块，用于若所述移入数量判断子模块判定所述振动加速度均值的数量达到所述FIFO的总位数时，使用总体累加器累加所述FIFO中所有振动加速度均值；

均值计算子模块，用于计算所述FIFO中所有振动加速度均值的均值，作为所述相邻预定数量的所述振动加速度均值的均值。

9.根据权利要求8所述的振动信号的零偏校正装置，其特征在于，还包括：

位数判断子模块，用于判断所述FIFO的总位数是否被填满；

FIFO移位子模块，用于若所述位数判断子模块判定所述FIFO的总位数被填满时，按照时间顺序将所述FIFO中的所述振动加速度均值依次移位，将所述FIFO末位的所述振动加速度均值依次移出所述FIFO；

缓存移入子模块，用于将所述多个所述振动加速度均值暂时移入缓存中；

FIFO移入子模块，用于当移出所述FIFO的振动加速度均值的数量达到预定位数时，按照时间顺序依次将所述缓存中的多个所述振动加速度均值移入FIFO中。

10.一种振动监测仪，其特征在于，包括：

权利要求6至9中任一项所述的振动信号的零偏校正装置。