CN106500830B - 一种开关门振动检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种开关门振动检测方法，步骤A10，根据离散时间点逐次采集目标设备的笛卡尔坐标系三轴加速度，得到加速度数据；步骤A20，对加速度数据采用自适应振动阈值调整方法，检测出设备开关门产生的附加振动，则进入步骤A30,否则检测结束；步骤A30，对加速度数据分析目标设备的固有振动频率和附加振动的振动频率，采用自适应采样频率追踪方法，确定适应目标设备参数的采样频率，将该采样频率用于步骤A10的加速度采样。本发明通过自适应的阈值检测，有效低提高系统的通用性，并能在运行过程中实时地改变阈值适应设备。

Description

一种开关门振动检测方法

技术领域

本发明涉及振动检测领域，具体涉及一种开关门振动检测方法。

背景技术

检测开关的现有技术上，传统的利用门磁或者光电传感器的开关门感应方式，需要在门上进行器件安装甚至改造，难免造成设备不美观。而一般的基于加速度传感器的阈值振动虽然可以避免在门上进行安装(安装在箱体内部)。传统的基于阈值振动的方法难以具备通用性，需要针对不同设备调校不同的阈值，且不能再运行过程中自适应地调整检测阈值，当设备状态出现不同情况，误检或漏检的几率会大大升高。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中存在的问题，提出一种开关门振动检测方法，通过自适应的阈值检测，有效低提高系统的通用性，并能在运行过程中实时地改变阈值适应设备。

为达到上述发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种开关门振动检测方法，包括如下步骤：

步骤A10，根据离散时间点逐次采集目标设备的笛卡尔坐标系三轴加速度，得到加速度数据流；

步骤A20，对加速度数据采用自适应振动阈值调整方法，检测出设备开关门产生的附加振动，则进入步骤A30,否则检测结束；

步骤A30，对加速度数据分析目标设备的固有振动频率和附加振动的振动频率，采用自适应采样频率追踪方法，确定适应目标设备参数的采样频率，将该采样频率用于步骤A10的加速度采样。

上述方法还包括步骤A11,对加速度数据做去除底噪声与数值尖峰噪声的预处理。

上述方法还包括步骤A12，将加速度数据的三轴加速度合并转换为反应整体振动的指标,所述指标为最大振动能量、三轴能量的中值、三轴能量的最小值或者三轴能量的算数平均值。

进一步，步骤A20所述的自适应振动阈值调整方法包括如下:

步骤B10，根据加速度传感器的当前加速度值，求出当前振动能量数据；

步骤B20，振动能量数据进入低通滤波器得到当前的振动能量均值；振动能量数据流还进入移位寄存器集，对移位寄存器集的存储区间所存振动能量数据取均值，再减去调整后的振动能量均值，得到振动能量区间均值；

步骤B30，振动能量区间均值通过滑动平均法，计算出振动能量的动态阈值；

步骤B40，设定标记位flag表示振动持续状态，初始的标记位flag为0；判断振动能量区间均值是否大于两倍的动态阈值，且标记位flag是否为0，是则标记位flag设为1，并记录当前时刻t1作为振动开始时间，并再次回到步骤B10更新振动能量区间均值和动态阈值；反之当振动能量区间均值小于等于两倍的动态阈值，则将标记位设为0，并记录当前时间t2作为振动结束时间；

步骤B50,判断振动开始与结束的时间间隔是否小于预设值，是则判定当前振动为真实的外部振动；否则判定当前振动为偶发性振动，并返回步骤B10。

进一步，步骤A30所述的自适应采样频率追踪方法，包括如下步骤：

步骤C10，以移位寄存器集保存大于等于两秒的振动数据；

步骤C20，通过自适应阈值判断当前开关门振动是否发生，是则对包含开关门动作的振动数据求取第一功率谱密度分布，否则以第一时间间隔对步骤C10保存的振动数据求取其第二功率谱密度分布；

步骤C30，求取第一功率谱密度分布与第二功率谱密度分布的差值，并对差值计算其最大功率累加值；

步骤C40，取达到最大功率累加值阈值的频率记录最大值f_max，并对同样最大功率的数据点通过关于频率的统计方法得到统计上最大频率f′_max；

步骤C50,判断频率记录最大值f_max与统计上最大频率f′_max之间的偏差是否达到阈值，是则更新振动传感器的采样频率f_s,k后进入步骤C10，其中s 表示固有振动，k为整数的时间点，否则结束采样频率的更新。

进一步，所述步骤C50对偏差的判断及操作具体如下：令当前传感器的采样频率为f_s,k，其中s表示固有振动，k为整数的时间点；目标振动的频率记录最大值为f_max，判断频率记录最大值f_max与统计上最大频率f′_max之间差值是否超过偏差阈值，是则进一步判断统计上最大频率f′_max是否小于采样频率降低阈值，若是则缩小采样频率f_s,k后进入步骤C10，若其大于采样频率降低阈值且小于采样频率增加阈值，则保持当前采样频率f_s,k；若频率记录最大值f_max与统计上最大频率f′_max之间差值没有超过偏差阈值，则增加采样频率f_s,k后进入步骤C10。

进一步，还包括步骤C53,满足降低采样频率的条件后，判断是否重复增减频率，具体步骤为：

步骤C531,当频率增加计数器T_p和频率减少计数器T_N满足：T_p＞2且|T_p-T_N|＜2时，则判定没有在两个采样频率点之间抖动，并进一步降低采样频率，将当前统计最大频率f′_max作为新的频率记录最大值f_max，并且频率减小计数器T_N加1，再进入步骤C10；

步骤C532，当频率增加计数器T_p和频率减少计数器T_N不满足：T_p＞2且|T_p-T_N|＜2时，则判定在两个采样频率点之间抖动，保持当前采样频率，并进入步骤C52判断是否结束当前自适应采样频率的更新。

进一步，所述预处理是将加速度数据依次通过中值滤波和高通滤波。

本发明的一种开关门振动检测方法，区别于一般的固定阈值的振动检测方式，通过学习的方式进行自适应的振动检测，有效提高开关门振动检测的准确性，同时通过判断振动持续时间的方式，有效的剔除出系统设备状态改变导致固有振动大小变化而引起的误判；能根据现场情况调整采样频率，降低功耗，同时随时调整采样频率，以适应设备变化导致的频率漂移现象。本方法的振动检测以及自适应振动检测的框架可以应用于一起跟振动检测相关的场景上，有较好的通用性。

附图说明

图1为本发明的一种开关门振动检测方法的步骤图。

图2为本发明的一种开关门振动检测方法的流程示意图。

图3为开关门三轴振动数据的示意图。

图4为本发明的一种开关门振动检测方法的数据预处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。

对任何物体而言，其瞬时加速度值a(t)的都可以分解为以该物体重心为原点的笛卡尔坐标系中x,y,z3轴加速度值为a_x[t],a_y[t],a_z[t]其中t为某个瞬时时间点。通过3D加速度传感器对设备持续的采集捕捉其加速度值。当以M Hz进行数据采集工作，采集到的离散序列的3轴加速度值分别为a_x[n],a_y[n],a_z[n]，其中n为采集数据的离散时间点。在正常状态下，设备以固有的振动频率进行工作；当开关门动作产生的时候，开关门的动作将会对设备产生一个附加的额外叠加的加速度a_Δ[n]。本发明的检测方法是通过分析其固有振动频率，以及开关门的额外加速度的不同振动特点，从而检测出开关门动作。

参看图1和图2，为本发明的一种开关门振动检测方法的步骤图和流程示意图。

作为一个优选的实施例，开关门振动检测方法包括如下：

步骤A10，根据离散时间点逐次采集目标设备的笛卡尔坐标系三轴加速度，得到加速度数据流；通过3D加速度传感器采集三轴加速度度，由于传感器的工艺或电路设计问题，采集到的3D加速度值存在着一定的底噪声，甚至会出现瞬时电流尖峰导致的数值尖峰噪声，则还需要对加速度数据做进一步的处理；

步骤A11，参看图4对加速度数据做去除底噪声和数值尖峰噪声的预处理，所述预处理具体为将加速度数据依次通过中值滤波和高通滤波，从过中值滤波可去除尖峰噪声，另一方面由于存在重力加速度的原因，重力加速度在3个轴的加速度分量会导致a_x、a_y、a_z三个值上形成稳定的直流偏量，通 过高通滤波对加速度数据进行滤波，可提出该直流偏量；具体的高通滤波为无限冲击响应滤波器形式：

其中，为当前三轴振动加速度向量，为前i次的三轴振动加速度向量，为前i+1次的三轴振动加速度向量，ω_i分别为滤波器的第一系数和第二系数，一般而言，2阶或3阶的滤波器就可以满足系统要求；

步骤A12,将加速度数据的三轴加速度合并转换为反应整体振动的指标,所述指标为最大振动能量、三轴能量的中值、三轴能量的最小值或者三轴能量的算数平均值；参看图3，根据目标设备的不同摆放位置，振动可能对设备加速度传感器的不同轴产生不同能量的附加加速度值，另一方面，由于振动产生的阻尼性质，导致振动的极值并非总是同时呈现在3个轴上，因此需要将三个轴加速度数据合并转换为反应整体振动的指标，在本实施例中，优选采用最大振动能量的值p[n]作为用于自适应振动阈值调整方法的最终输入值：

上述其他指标在本实施例中表示为：

三轴能量的中值：

三轴能量的最小值：

三轴能量的算数平均值：

三轴能量的几何平均值：

步骤A20，对加速度数据采用自适应振动阈值调整方法，检测出设备开关门产生的附加振动，则进入步骤A30,否则检测结束；

所述的自适应振动阈值调整方法如下：

步骤B10，根据加速度传感器的当前加速度值，求出当前振动能量P[n]＝a[n]²

步骤B20，振动能量数据流进入低通滤波器得到当前的振动能量均值E_avg，其具体表达式为E_avg[n]＝∑_ia_iP[n-i]+b_iE_avg[n-i-1]；同时振动能量数据流还进入移位寄存器集，所述移位寄存器的长度为L，并时间间隔τ对移位 寄存器集操作，τ一般为存储L/2长度数据所需要的时间，通过对移位寄存器集的存储区间所存振动能量数据取均值，再减去调整后的振动能量均值，得到振动能量区间均值P_avg，其表达式如下；

步骤B30，振动能量区间均值通过滑动平均法，计算出振动能量的动态阈值P_th[n]＝αP_avg+(1-α)P_th[n-1]，其中α为滑动滤波的系数，一般可以取值范围为(0,0.1]内；

步骤B40，设定标记位flag表示振动持续状态，初始的标记位flag为0；判断振动能量区间均值是否大于两倍的动态阈值，即P_avg＞2·P_th[n]，且标记位flag是否为0，是则标记位flag设为1，并记录当前时刻t1作为振动开始时间，至此该次阈值更新后的判断回路完成，等待下次动态阈值的更新，再次回到步骤B10更新振动能量区间均值和动态阈值；当下次动态阈值更新时，若更新后的振动能量区间均值仍然大于两倍的阈值，认为加速度传感器仍然处于振动以及振动带来的余波当中，不进行任何操作；当振动能量区间均值小于等于两倍的动态阈值，则将标记位设为0，并记录当前时间t2作为振动结束时间；

步骤B50,判断振动开始与结束的时间间隔是否小于预设值T，即t₂-t₁＜T，是则判定当前振动为额外振动，振动次数加1；否则判定当前振动为偶发性振动，即该次振动的持续时间过长，可能由于设备本身状态改变导致的振动，并返回步骤B10；

步骤A30，对加速度数据分析目标设备的固有振动频率和附加振动的振动频率，采用自适应采样频率追踪方法，确定适应目标设备参数的采样频率，将该采样频率用于步骤A10的加速度采样。

作为一个具体实施例，所述步骤A30所述的自适应采样频率追踪方法具体包括如下：

步骤C10,以移位寄存器集的方式保存大于等于两秒的振动数据；具体的， 假设当前的采样频率为M Hz,移位寄存器集保存振动数据的窗口大小为N_fft,使得N_fft≥2M且N_fft为2的整数次幂，例如当f_s＝100Hz，则N_fft＝256；

步骤C20，通过自适应阈值检测，判断设备当前的开关门振动是否发生，在没有发生开关门振动时，以一定时间间隔对保存的窗口，即该窗口大小的振动数据，求取其功率频谱，经过加权平均，可以求出固有振动产生的第二功率谱密度分布P_s(f)，f为频率；当检测到开关门振动发生时，对包含该开关门动作的振动数据的窗口求取第一功率谱密度分布P(f)，参看图3所示的第一功率谱密度分布P(f)与第二功率谱密度分布P_s(f)的对比图；

步骤C30,求取第一功率谱密度分布P(f)与第二功率谱密度分布P_s(f)的差值ΔP_w(f)＝P(f)-P_s(f)，并对该差值ΔP_w(f)计算其最大功率累加值Q_c(f)，具体为：

步骤C40,取达到最大功率累加值阈值的频率，在本实施例中，以80％的最大功率累加值作为阈值，参看图3所示的额外振动功率图，虚线在左侧即为则80％振动能量所在点的主振动频率，即目标振动的频率记录最大值f_max为：

f_max＝max{f|Q_c(f)≤0.8}……(5)；

并对同样最大功率的数据点通过关于频率的统计方法得到统计上最大频率f′_max，具体是实施方式是持续记录同样的功率点f_max,1,f_max,2,…f_max,N，其中N为统计的振动数据点；对上述功率点采用异常值检测方法，剔除异常的数据点后得到统计上最大频率f′_max，所述的异常值检测方法，在本实施例中可以优选采用基于邻近度的异常值检测方法，还可以采用基于密度或基于模型的检测方法；

步骤C50,判断频率记录最大值f_max与统计上最大频率f′_max之间的偏差是否存在较大的偏差，对该较大的偏差在具体判断时，是与多个阈值进行比较，是则根系采样频率后进入步骤C10，否则结束频率跟踪。

对步骤C50在此以具体实施例如下说明：

由于振动传感器的限制，对目标设备的采样频率只能为离散的值，已知振动传感器的可取采样频率为f_s,i，其中i∈[0,N_s]且f_s,i＜f_s,i+1；当前振动传 感器采用的采样频率为f_s,k,若为初次运行振动检测，当前采样频率初始化为最大采样值或人为设定的值，对于目标设备振动的频率记录最大值f_max初始化为统计上最大频率f′_max；设定频率增加计数器T_p和频率减少计数器T_N，其初始值均为零；

根据以下步骤判断所述偏差是否为较大偏差，并相应更新采样频率；

通过步骤C10至步骤C40，获得更新后的统计上最大频率f′_max；

判断当前的统计上最大频率f′_max与频率记录最大值f_max是否满足：

|f_max-f′_max|≥θ_thf_s,k……(6)

其中θ_th为阈值系数，与当前的采样频率有关，通常θ_th的系数取值为0.1至0.2范围内；若不等式(6)满足，则说明当前的统计上最大频率f′_max与频率记录最大值f_max发生较大偏差，偏差的原因可能是由于采样频率过低或本身发生了频率漂移导致，因此需要提高采样频率f_s,k，即令f_s,k＝f_s,k+1，并且根系频率记录最大值f_max，即令f_max＝f′_max，并且更新频率增加计数器T_p，其更新方式为T_p＝T_p+1，之后进入步骤C10采集目标设备的振动频率，并计算其新的统计上最大频率f′_max；

判断当前的统计上最大频率f′_max与频率记录最大值f_max是否满足：

|f_max-f′_max|＜θ_thf_s，k……(7)

若不等式(7)满足，及当前的统计上最大频率没有超出阈值，则认为振动传感器采样频率满足振动要求；在此基础上进一步判断是否满足减少采样频率的要求，即：

f'_max＜α₁f_s,k‐1……(8)

其中α₁为采样降低判断系数，通常取值为0.3-0.4之间，若不等式(8)的判断为否，即不满足减少采样频率的要求，此时进一步判断设备是否满足当前采样频率要求，即：

f′_max＜α₂f_s,k……(9)

其中α₂为采样提高判断系数，通常取值为0.9-0.95之间，若上述不等式(9)判断为真，即设备不能更满足当前采样频率要求，则提高采样频率；否则保持当前采样频率，同时更新频率记录最大值f_max＝f′_max，并且频率增加计数 器T_p和频率减少计数器T_N分别减1；

若在不等式(8)判断为真，即满足继续降低采样频率的要求，则进行是否重复增减频率的判断，即：

T_p＞2且|T_p-T_N|＜2……(10)

判断不等式组(10)是否满足，是则判定没有在两个采样频率点之间抖动，即反复在两个采样点采样，此时进一步降低采样频率f_s,k＝f_s,k-1，并且更新记录最高频率，即令f_max＝f′_max，同时频率减少计数器加1，然后重新进入步骤C10采集并计算新的统计上最大频率f′_max；若不等式组(10)不满足，即系统在两个采样频率点间抖动，则保持当前采样频率，并判断是否可以结束当前自适应采样频率追踪。

参看图4，作为另一个具体实施例，系统定期跟踪需要检测的振动的频率的变化趋势，从而跟踪可能出现的频率漂移现象。在一些应用场景中，由于机械老化，周围环境的变化，人为干预等原因，需要捕捉的振动点存在漂移现象。本发明具有跟踪振动变化趋势的功能，有助于保证振动的采集能适应时间的变化。具体实现为，频率振动捕捉持续进行。为了结合功耗的考虑，设置定时(次)器，仅当定时(次)器触发后会对当次的振动主频率，即目标振动的频率记录最大值进行提取，将其定义为f_max，i，i为采集时序。

采集后的振动主频率将进行滑动滤波，避免单次采样偏差导致的错误判断。滑动滤波方法为：

程序会对滤波后的频率判断，看是否出现了频率漂移。已知当前的采样频率为f_s,k,若

或者

则判断频率相对于已知的采样目标出现了漂移，系统自动进入自适应采样频 率模块，重新判断新的合适采用频率。

上述实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种开关门振动检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A10，根据离散时间点逐次采集目标设备的笛卡尔坐标系三轴加速度，得到加速度数据；

步骤A20，对加速度数据采用自适应振动阈值调整方法，检测出设备开关门产生的附加振动，则进入步骤A30，否则检测结束；

步骤A30，对加速度数据分析目标设备的固有振动频率和附加振动的振动频率，采用自适应采样频率追踪方法，确定适应目标设备参数的采样频率，将该采样频率用于步骤A10的加速度采样；

还包括步骤A11，对加速度数据做去除底噪声与数值尖峰噪声的预处理；还包括步骤A12，将加速度数据的三轴加速度合并转换为反应整体振动的指标，所述指标为最大振动能量、三轴能量的中值、三轴能量的最小值或者三轴能量的算数平均值；

步骤A20所述的自适应振动阈值调整方法包括如下：

步骤B10，根据加速度传感器的当前加速度值，求出当前振动能量数据；

步骤B20，振动能量数据进入低通滤波器得到当前的振动能量均值；振动能量数据流还进入移位寄存器集，对移位寄存器集的存储区间所存振动能量数据取均值，再减去调整后的振动能量均值，得到振动能量区间均值；

步骤B30，振动能量区间均值通过滑动平均法，计算出振动能量的动态阈值；

步骤B40，设定标记位flag表示振动持续状态，初始的标记位flag为0；判断振动能量区间均值是否大于两倍的动态阈值，且标记位flag是否为0，是则标记位flag设为1，并记录当前时刻t1作为振动开始时间，并再次回到步骤B10更新振动能量区间均值和动态阈值；反之当振动能量区间均值小于等于两倍的动态阈值，则将标记位设为0，并记录当前时间t2作为振动结束时间；

步骤B50，判断振动开始与结束的时间间隔是否小于预设值，是则判定当前振动为真实的外部振动；否则判定当前振动为偶发性振动，并返回步骤B10。

2.根据权利要求1所述的开关门振动检测方法，其特征在于，步骤A30所述的自适应采样频率追踪方法，包括如下步骤：

步骤C10，以移位寄存器集保存大于等于两秒的振动数据；

步骤C20，通过自适应阈值判断当前开关门振动是否发生，是则对包含开关门动作的振动数据求取第一功率谱密度分布，否则以第一时间间隔对步骤C10保存的振动数据求取其第二功率谱密度分布；

步骤C30，求取第一功率谱密度分布与第二功率谱密度分布的差值，并对差值计算其最大功率累加值；

步骤C40，取达到最大功率累加值阈值的频率记录最大值f_max，并对同样最大功率的数据点通过关于频率的统计方法得到统计上最大频率f′_max；

步骤C50，判断频率记录最大值f_max与统计上最大频率f′_max之间的偏差是否达到阈值，是则更新振动传感器的采样频率f_s，k后进入步骤C10，其中s表示固有振动，k为整数的时间点，否则结束采样频率的更新。

3.根据权利要求2所述的开关门振动检测方法，其特征在于，所述步骤C50对偏差的判断及操作具体如下：令当前传感器的采样频率为f_s，k，其中s表示固有振动，k为整数的时间点；目标振动的频率记录最大值为f_max，判断频率记录最大值f_max与统计上最大频率f′_max之间差值是否超过偏差阈值，是则进一步判断统计上最大频率f′_max是否小于采样频率降低阈值，若是则缩小采样频率f_s，k后进入步骤C10，若其大于采样频率降低阈值且小于采样频率增加阈值，则保持当前采样频率f_s，k；若频率记录最大值f_max与统计上最大频率f′_max之间差值没有超过偏差阈值，则增加采样频率f_s，k后进入步骤C10。

4.根据权利要求3所述的开关门振动检测方法，其特征在于，还包括步骤C53，满足降低采样频率的条件后，判断是否重复增减频率，具体步骤为：

步骤C531，当频率增加计数器T_p和频率减少计数器T_N满足：T_p＞2且|T_p-T_N|＜2时，则判定没有在两个采样频率点之间抖动，并进一步降低采样频率，将当前统计最大频率f′_max作为新的频率记录最大值f_max，并且频率减小计数器T_N加1，再进入步骤C10；

步骤C532，当频率增加计数器T_p和频率减少计数器T_N不满足：T_p＞2且|T_p-T_N|＜2时，则判定在两个采样频率点之间抖动，保持当前采样频率，并进入步骤C50判断是否结束当前自适应采样频率的更新。

5.根据权利要求1所述的开关门振动检测方法，其特征在于，所述预处理是将加速度数据依次通过中值滤波和高通滤波。