CN107462318A - 测振系统及其振动信号时域波形的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测振系统，用于旋转机械，所述测振系统包括用于获取旋转机械多路振动信号的多个振动传感器及用于对多路振动信号进行处理、显示、计算、分析的通用计算图像处理器，所述振动传感器包括电涡流位移传感器，用于获取键相点信号，所述通用计算图像处理器包括用于对振动信号进行调理、模数转换和编码的信号处理模块及用于将处理后的多路振动信号以时域波形图像形式显示并对其进行计算分析的监测模块。本发明测振系统通过电涡流位移传感器配合通用计算图像处理器，以获取带键相信息的振动信号，便于现场分析诊断，实现对多路振动信号的同步分析和处理，实用性强。同时，本发明还提供了一种测振系统振动信号时域波形的分析方法。

Description

测振系统及其振动信号时域波形的分析方法

技术领域

本发明涉及旋转机械转子振动信号的采集系统与分析方法，尤其涉及一种测振系统及其振动信号时域波形的分析方法。

背景技术

旋转机械在旋转过程中会产生振动和噪声，这是引发产品和设备产生故障的主要原因，旋转机械在线监测技术是了解设备运行状态，保障设备安全运行的重要手段之一，其中，对旋转机械转子振动信号的采集与分析是了解设备运行状态的有效手段之一。

目前市场上的便携式振动分析仪能直接采集、显示转子振动信号的时域图和频域图，更高级的分析仪能为转子信号分析提供多种方法，如轴心轨迹法、波德图法、极坐标图法、三维谱阵图法、坎贝尔图法等。这些方法的图谱制作过程复杂，需要运行复杂的算法。当多通道同时采集数据时，将占用大量计算资源，对分析仪处理器的运算能力有很高的要求，而大多数的分析仪无法进行多通道同步分析、多种复杂算法同步处理。同时，读图、识谱需要经过专业训练，不便于现场分析诊断。

测振系统显示的时域波形是现场振动测试时得到的最直接信息，通过时域波形可以观察转子在一段时间内的振动幅值变化情况，但是由于在时间轴上缺少参照系，无法获得更丰富的相位信息，若想获取相位信息需要进行性傅里叶变换，运算过程复杂。

鉴于此，有必要提供一种可解决上述缺陷的可获取振动信号键相信息且图谱制作过程简单、便于现场分析判断的测振系统及其振动信号时域波形的分析方法，以实现多路信号的同步采集、分析及处理，获得更丰富的相位信息，提高故障监测的效率。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是提供一种可获取振动信号键相信息且图谱制作过程简单、便于现场分析判断、故障监测效率高的测振系统。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种图谱制作过程简单的、可获取键相信息且便于现场分析判断的测振系统振动信号时域波形的分析方法，以实现多路信号的同步采集、分析及处理，获得更丰富的相位信息，提高故障监测效率。

为解决上述技术问题，本发明采用如下所述的技术方案：一种测振系统，用于旋转机械，所述测振系统包括多个振动传感器及通用计算图像处理器，多个所述振动传感器均与所述通用计算图像处理器相连，用于获取旋转机械的多路振动信号并传输至所述通用计算图像处理器，所述通用计算图像处理器用于对多路振动信号进行处理并显示、计算、分析；

所述振动传感器包括电涡流位移传感器，用于获取键相点信号；所述通用计算图像处理器包括信号处理模块及监测模块，所述信号处理模块用于对每一路振动信号进行调理、模数转换及编码，并将处理后的振动信号传输至监测模块；

所述监测模块用于并行处理编码后的多路振动信号，将多路振动信号以时域波形图像形式显示，并利用振动信号的时域图像对多路振动信号进行计算分析。

其进一步技术方案为：所述振动传感器还包括加速度传感器、速度传感器及位移传感器。

其进一步技术方案为：两所述振动传感器分别安装于旋转机械的转子的两端，且分别安装于相同的径向位置，用于测量旋转机械转子的振型。

其进一步技术方案为：所述信号处理模块包括信号调理模块、信号采集模块及信号编码模块，所述信号调理模块用于对振动信号进行调理，所述信号采集模块用于对调理后的振动信号进行模数转换以获取数字振动信号并对其进行采集，所述信号编码模块用于对所述数字振动信号进行编码。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种测振系统振动信号时域波形的分析方法，使用于上述测振系统，其包括以下步骤：

步骤S1、获取旋转机械的多路振动信号及键相点信号，并对获得的振动信号及键相点信号进行相应的处理；

步骤S2、根据处理后的振动信号及键相点信号绘制带键相信息的振动信号时域波形；

步骤S3、获取振动信号的绝对相位；

步骤S4、获取振动信号的相对限位。

其进一步技术方案为：所述振动信号时域波形的分析方法还包括：

步骤S5、根据转子两端的振动信号的相对相位确定转子振型。

其进一步技术方案为：所述步骤S2具体为：

步骤S2.1、对键相信号及振动信号进行同步采样；

步骤S2.2、在同一坐标系中，同时绘制一路制键相点信号和一路振动信号，将振动信号中与键相点信号重叠的点隐去，并将键相点信号绘入振动信号中，获取并存储一路带键相信息的振动信号时域波形。

其进一步技术方案为：所述步骤S3具体为：

步骤S3.1、调取并显示带键相信息的振动信号时域波形；

步骤S3.2、获取所述带键相信息的振动信号的第一个键相点与于该键相点后的相邻正峰值之间的时间差Δt及信号的振动周期T；

步骤S3.3、利用以下公式计算振动信号的绝对相位：

其进一步技术方案为：所述步骤S4具体为：

步骤S4.1、调取并显示两路带键相信息的振动信号时域波形；

步骤S4.2、选择其中一路信号作为参考信号，在该信号上选择一点作为测量点，选择位于另一路信号的对应点作为等效点，并获取测量点与等效点之间的时间差Δt′及信号的振动周期T；

步骤S4.3、利用以下公式计算两路振动信号的相对相位：

本发明的有益技术效果在于：本发明的测振系统通过设置多路振动传感器及通用计算图像处理器，实现多路振动信号的同步采集、处理和分析，通过电涡流位移传感器获取键相点信号，通过通用计算图像处理器的信号处理模块对振动信号进行调理、模数转换及编码，以对振动信号进行采集、处理、调用；利用通用计算图像处理器的监测模块融合绘制键相点信号与振动信号的时域波形图像以获得带键相信息的振动信号，并对其进行显示、计算、分析，图谱绘制过程操作简单，便于现场分析诊断，提高测振系统的实用性，提高故障监测的效率，实现多路振动信号的同步采集、分析，摆脱了对CPU处理能力的以来，实现测振系统的微型化。本发明测振系统振动信号时域波形的分析方法图谱制作过程操作简单，可获得更丰富的相位信息，便于现场分析诊断，弥补了现有时域信号分析方法信息表示不全的局限性。

附图说明

图1是本发明测振系统的结构框图。

图2是图1所示测振系统一具体实施例的结构框图。

图3是图2所示测振系统的信号处理模块的内部结构框图。

图4是本发明振动信号时域波形的分析方法的流程图。

图5是本发明振动信号时域波形的分析方法的一路带键相信息的振动信号的时域波形图。

图6是本发明振动信号时域波形的分析方法的两路带键相信息的振动信号的时域波形图。

具体实施方式

为使本领域的普通技术人员更加清楚地理解本发明的目的、技术方案和优点，以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述，附图中类似的组件标号代表类似的组件。显然，以下将描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1和图2，本发明测振系统10，用于旋转机械，所述测振系统10包括多个振动传感器110及通用计算图像处理器120。

多个所述振动传感器110均分别与所述通用计算图像处理器120相连，用于获取旋转机械的多路振动信号并传输至所述通用计算图像处理器120，所述通用计算图像处理器120用于对多路振动信号进行处理并显示、计算、分析以对旋转机械进行故障监测。

所述振动传感器110包括电涡流位移传感器，用于获取键相点信号；所述通用计算图像处理器120包括信号处理模块121及监测模块122。

所述信号处理模块121用于对每一路振动信号进行调理、模数转换及编码，并将处理后的振动信号传输至监测模块122；所述监测模块122用于并行处理编码后的多路振动信号，将多路振动信号以时域波形图像形式显示，并利用振动信号的时域波形图像对多路振动信号进行计算分析，以对旋转机械进行故障监测。

其中，键相点信号由专门的传感器采集，是旋转机械相位分析的参考时间点，是实现振动信号整周期采样的一个必要条件。键相点信号的获取可通过硬件实现，在某些实施例，例如本实施例中，采用电涡流位移传感器作为采集键相点信号的振动传感器110，在旋转机械的转轴上开一个槽，同时将电涡流位移传感器对准这个槽，当转子每旋转一周，就会产生一个键相脉冲信号，若产生的键相脉冲信号超过设定的脉冲阈值时，该键相脉冲信号则为键相点信号。所述电涡流位移传感器可为多个，相应地，可获得多路键相点信号。

在某些实施例，例如本实施例中，所述振动传感器110还包括加速度传感器、速度传感器及位移传感器。

在某些实施例，例如本实施例中，两所述振动传感器110分别安装于旋转机械的转子的两端，且分别安装于相同的径向位置，用于测量旋转机械转子的振型。获取转子两端的振动信号，绘制其时域波形并计算分析，获取两路振动信号的相对相位，根据该相对相位可确定转子的振型。

参照图3，在某些实施例，例如本实施例中，所述信号处理模块121包括信号调理模块1211、信号采集模块1212及信号编码模块1213。

所述信号调理模块1211用于对振动信号进行调理，所述信号采集模块1212用于对调理后的振动信号进行模数转换以获取数字振动信号并对其进行采集，所述信号编码模块1213用于对所述数字振动信号进行编码。所述信号采集模块1212电性连接在所述信号调理模块1211及信号编码模块1213之间，由于多数的信号采集只能对一定范围的模拟信号进行采集，而传感器把非电物理信号变换成电信号后，并不一定在这一范围内，对信号进行调理，即对信号进行放大、滤波、线性化补偿、隔离、保护等措施，调理后的信号有利于信号的采集。经信号调理模块1211调理后的振动信号及键相点信号传输至所述信号采集模块1212以进行模数转换。

所述测振系统10还可包括一同步授时模块，通过所述同步授时模块中的纳米级别计时器向信号采集模块1212统一授时，以使得所述信号采集模块1212同步采集调理后的振动信号及键相点信号；利用信号编码模块1213对信号进行编码以便信息的处理与调用。

所述监测模块122接收信号编码模块1213发送的编码后的多路数字振动信号及数字键相点信号，开辟32通道×15个窗口数据序列的存储空间，采用预设的算法对所述编码后的多路数字振动信号及数字键相点信号进行同步运算处理，并将运算结果输出至所述存储空间。

基于上述设计，本发明的测振系统10通过设置多路振动传感器110及通用计算图像处理器120，实现多路振动信号的同步分析和处理，通过电涡流位移传感器获取键相点信号，通过通用计算图像处理器120的信号处理模块121对振动信号进行调理、模数转换及编码，以对振动信号进行采集、处理、调用；利用通用计算图像处理器120的监测模块122融合绘制键相点信号与振动信号的时域波形图像以获得带键相信息的振动信号，并对其进行显示、计算、分析，便于现场分析诊断，提高测振系统的实用性，提高故障监测的效率，实现多路振动信号的同步采集、分析，摆脱了测振系统10对CPU处理能力的依赖，实现测振系统10的微型化。

参照图4，本发明测振系统振动信号时域波形的分析方法，可使用于上述的测振系统10，其包括以下步骤：

步骤S1、获取旋转机械的多路振动信号及键相点信号，并对获得的振动信号及键相点信号进行相应的处理。

要对旋转机械进行故障监测首先需要进行振动信号及键相点信号的获取，通过多个振动传感器从不同检测位置获取多路振动信号，以对旋转机械进行分析，其中，振动传感器110包括电涡流位移传感器以获取键相点信号。对获得的多路振动信号及键相点信号进行调理并对调理后的信号进行数模转换以获得数字振动信号及数字键相点信号，再对数字振动信号及数字键相点信号进行编码以便信息的处理及调用。

步骤S2、根据处理后的振动信号及键相点信号绘制带键相信息的振动信号时域波形。

进一步地，步骤S2具体为：

步骤S2.1、对键相信号及振动信号进行同步采样。

并行对编码后的数字振动信号及数字键相点信号进行带通滤波，以只保留单一频率的信号，以便对信号的同步分析，并对滤波后的振动信号及键相点信号进行同步采样。

步骤S2.2、在同一坐标系中，同时绘制一路键相点信号和一路振动信号，将振动信号中与键相点信号重叠的点隐去，并将键相点信号绘入振动信号中，获取并存储一路带键相信息的振动信号时域波形。

步骤S3、获取振动信号的绝对相位。

结合图5，所述步骤S3具体为：

步骤S3.1、调取并显示一路带键相信息的振动信号时域波形。

根据振动信号绝对相位的分析需求，调取并显示一路带键相信息的振动信号时域波形。

继续参照图5，图5展示了一路带键相信息的振动信号的时域波形图，图中信号为A，其中信号A的第一个键相点为a1，第二个键相点为a2，其中，键相点为键相脉冲信号超过设定阈值的时间点，而键相点的幅值由电涡流位移传感器决定。

步骤S3.2、获取所述带键相信息的振动信号的第一个键相点与于该键相点后的相邻正峰值之间的时间差Δt及信号的振动周期T。

结合图5，获取信号A第一个键相点a1的时间t1及于a1后的相邻正峰值的时间t2，计算获得两者之间的时间差Δt，Δt＝t2-t1。键相点的时间差为旋转机械旋转一周所需时间，即相邻两个键相点的时间差为旋转机械的振动周期T，则信号的振动周期T为键相点a1和a2的时间差，即T＝t3-t1。

步骤S3.3、利用以下公式计算振动信号的绝对相位：

继续参照图4，步骤S4、获取振动信号的相对相位。

结合图6，所述步骤S4具体为：

步骤S4.1、调取并显示两路带键相信息的振动信号时域波形。

根据振动信号相对相位的分析需求，调取并显示同一频率的两路带键相信息的振动信号时域波形。

参照图6，图6展示了同频率两路带键相信息的振动信号的时域波形图，图中一路信号为A，另一路信号为B，其中信号A的第一个键相点为a1，第二个键相点为a2。

步骤S4.2、选择其中一路信号作为参考信号，在该信号上选择一点作为测量点，选择位于另一路信号的对应点作为等效点，并获取测量点与等效点之间的时间差Δt′及振动周期T。

继续参照图6，选择信号A为参考信号，并选择信号A的第一个正峰值为参考点，则信号B的第一个正峰值为等效点，获取信号A第一个正峰值的时间t1’及信号B第一个正峰值的时间t2’，计算获得两者的时间差Δt′，Δt′＝t2'-t1'。由于同一台旋转机械的每一路键相点信号的键相点的时间是相同的，即同一机械的键相脉冲信号超过设定的脉冲阈值的时间点是唯一的，而振动周期T为相邻两个键相点的时间差，则T＝t3-t1。

步骤S4.3、利用以下公式计算两路振动信号的相对相位：

所述相对相位为两个独立信号上等效事件之间的时间延迟，其中，所述等效事件可为正负波峰、零点等，则在本发明的其他实施例中，可使用负峰值及零点等作为参考点和等效点。

当然，在本发明的其他实施例中，可在多个窗口显示多路振动信号，即有多个窗口显示振动信号而每个窗口显示一路振动信号。

在某些实施例，例如本实施例中，所述测振系统振动信号时域波形的分析方法还包括：步骤S5、根据转子两端的振动信号的相对相位确定转子振型。

按照上述步骤S4及其具体步骤，计算获得转子两端的振动信号的相对相位，并根据其确定转子的振型。

基于上述步骤，通过对振动信号及键相点信号进行同步采样以获取带键相点信息的振动信号时域波形，可以测量信号的绝对相位及两路信号之间的相对相位，以获取更丰富的相位信息，运算方法简单，有利于提高故障监测的效率，便于现场分析诊断。

综上所述，本发明的测振系统通过设置多路振动传感器及通用计算图像处理器，实现多路振动信号的同步采集、处理和分析，通过电涡流位移传感器获取键相点信号，通过通用计算图像处理器的信号处理模块对振动信号进行调理、模数转换及编码，以对振动信号进行采集、处理、调用、分析，并行处理多路信号，实现CPU和通用计算图像处理器运算的结合，摆脱测振系统对CPU处理能力的依赖，实现测振系统的微型化；利用通用计算图像处理器的监测模块融合绘制键相点信号与振动信号的时域波形图像以获得带键相信息的振动信号，并对其进行显示、计算、分析，便于现场分析诊断，提高测振系统的实用性，提高故障监测的效率，实现多路振动信号的同步采集、分析。本发明测振系统振动信号时域波形的分析方法图谱制作过程简单，可获得更丰富的相位信息，便于现场分析诊断，弥补现有时域信号分析方法信息表示不全的局限性，并实现了转子振型的测量。

以上所述仅为本发明的优选实施例，而非对本发明做任何形式上的限制。本领域的技术人员可在上述实施例的基础上施以各种等同的更改和改进，凡在权利要求范围内所做的等同变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种测振系统，用于旋转机械，其特征在于：所述测振系统包括多个振动传感器及通用计算图像处理器，多个所述振动传感器均与所述通用计算图像处理器相连，用于获取旋转机械的多路振动信号并传输至所述通用计算图像处理器，所述通用计算图像处理器用于对多路振动信号进行处理并显示、计算分析；

所述振动传感器包括电涡流位移传感器，用于获取键相点信号；所述通用计算图像处理器包括信号处理模块及监测模块，所述信号处理模块用于对每一路振动信号进行调理、模数转换及编码，并将处理后的振动信号传输至监测模块；

所述监测模块用于并行处理编码后的多路振动信号，将多路振动信号以时域波形图像形式显示，并利用振动信号的时域波形图像对多路振动信号进行计算分析。

2.如权利要求1所述的测振系统，其特征在于：所述振动传感器还包括加速度传感器、速度传感器及位移传感器。

3.如权利要求1所述的测振系统，其特征在于：两所述振动传感器分别安装于旋转机械的转子的两端，且分别安装于相同的径向位置，用于测量旋转机械转子的振型。

4.如权利要求1所述的测振系统，其特征在于：所述信号处理模块包括信号调理模块、信号采集模块及信号编码模块，所述信号调理模块用于对振动信号进行调理，所述信号采集模块用于对调理后的振动信号进行模数转换以获取数字振动信号并对其进行采集，所述信号编码模块用于对所述数字振动信号进行编码。

5.一种测振系统振动信号时域波形的分析方法，其特征在于，所述测振系统振动信号时域波形的分析方法包括以下步骤：

步骤S1、获取旋转机械的多路振动信号及键相点信号，并对获得的振动信号及键相点信号进行相应的处理；

步骤S2、根据处理后的振动信号及键相点信号绘制带键相信息的振动信号时域波形；

步骤S3、获取振动信号的绝对相位；

步骤S4、获取振动信号的相对相位。

6.如权利要求5所述的测振系统振动信号时域波形的分析方法，其特征在于，所述测振系统振动信号时域波形的分析方法还包括：

步骤S5、根据转子两端的振动信号的相对相位确定转子振型。

7.如权利要求5所述的测振系统振动信号时域波形的分析方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：

步骤S2.1、对键相点信号及振动信号进行同步采样；

步骤S2.2、在同一坐标系中，同时绘制一路键相点信号和一路振动信号，将振动信号中与键相点信号重叠的点隐去，并将键相点信号绘入振动信号中，获取并存储一路带键相信息的振动信号时域波形。

8.如权利要求5所述的测振系统振动信号时域波形的分析方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：

步骤S3.1、调取并显示带键相信息的振动信号时域波形；

步骤S3.2、获取所述带键相信息的振动信号的第一个键相点与于该键相点后的相邻正峰值之间的时间差Δt及信号的振动周期T；

步骤S3.3、利用以下公式计算振动信号的绝对相位：

9.如权利要求5所述的测振系统振动信号时域波形的分析方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：

步骤S4.1、调取并显示两路带键相信息的振动信号时域波形；

步骤S4.2、选择其中一路信号作为参考信号，在该信号上选择一点作为测量点，选择位于另一路信号的对应点作为等效点，并获取测量点与等效点之间的时间差Δt′及信号的振动周期T；

步骤S4.3、利用以下公式计算两路振动信号的相对相位：