CN107478402A - 一种低频振动位移检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低频振动位移检测系统和方法，该系统包含：振动检测模块，其固定于被测对象，用于采集被测对象的加速度信号并处理得到加速度电压信号；信号预处理模块、采样模块，所述的信号预处理模块输入端连接于振动检测模块输出端，用于对所述的加速度电压信号进行调理放大并经由所述的采样模块输出加速度数字量；处理模块，其输入端连接于采样模块，对采样模块输出的加速度数字量运算处理得到被测对象的最终的速度数字量和最终的位移数字量。本发明可以实现超低频振动检测、可实现小位移检测且具较高检测精确度。

Description

一种低频振动位移检测系统和方法

技术领域

本发明涉及位移检测领域，特别涉及一种低频振动位移检测系统和方法。

背景技术

振动检测中，主要的研究重点放在被检测设备的机械振动上。机械振动是一种特殊形式的运动，在这种运动过程中，机械系统将围绕平衡位置作往复运动，随着现代工业技术的飞速发展，在众多领域对结构位移和速度信号的测试技术有着迫切需求。

虽然理论上已经有很多种测试位移和速度的设备和方法，但是在实际测试过程中，这些方法依然有很多局限性和不可实施性，相对而言，针对大型设备或者大型钢构体的加速度测试，不论在理论层面，测量精度，还是在工程实际，相较与位移的检测和速度检测都容易许多。

本发明就针对加速度信号，进行一系列预处理，数字计算，得到速度和位移的计算方法和硬件结构实现。这种数字计算方法和硬件结构，有精确度高，结构简单，易于实现，成本低廉，体积低重量轻，可应用于超低频振动等优点，符合工程实际的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种低频振动位移检测系统和方法，可以实现超低频振动检测、可实现小位移检测且具较高检测精确度。

为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种低频振动位移检测系统，其特点是，包含：

振动检测模块，其固定于被测对象，用于采集被测对象的加速度信号并处理得到加速度电压信号；

信号预处理模块、采样模块，所述的信号预处理模块输入端连接于振动检测模块输出端，用于对所述的加速度信号进行调理放大并经由所述的采样模块输出加速度数字量；

处理模块，其输入端连接于采样模块，对采样模块输出的加速度数字量运算处理得到被测对象的最终的速度数字量和最终的位移数字量。

所述的振动检测模块包含：中、低频加速度传感单元和低通滤波器；

所述的中频加速度传感单元用于采集被测对象的中频加速度信号，所述的低频加速度传感单元用于采集被测对象的低频加速度信号；

所述的低通滤波器用于将所述的中频加速度信号低通处理得到对应的中频加速度电压信号和/或所述的低频加速度信号低通处理得到对应的低频加速度电压信号。

所述的信号预处理模块包含：

信号调理放大单元，用于根据档位，选择并放大对应中频加速度信号或低频加速度信号；

高通滤波器，其输入端连接于信号调理放大单元，用于对放大后的中频加速度信号或低频加速度信号进行高通滤波处理。

所述的处理模块包含：

一次时域数字积分单元、第一快速傅里叶变换单元，所述的一次时域数字积分单元用于对加速度数字量经过一次时域数字积分得到被测对象的速度信号，并经过第一快速傅里叶变换单元的快速傅里叶变换得到速度频谱；

一次趋势项畸变判断单元、一次校正单元，所述的一次趋势项畸变判断单元根据速度频谱的峰值判断当前的速度信号是否含有一次趋势项畸变，若否，则以当前的速度信号作为最终的速度数字量输出，若是，则校正单元接收当前的速度信号；所述的校正单元根据频谱分析对应被测对象的振动频率，根据频率为指标，拟合出一次校正函数，拟合出的一次校正函数与速度信号叠加，得到校正后的速度信号，并以当前的速度信号作为最终的速度数字量输出。

所述的处理模块还包含：

二次时域数字积分单元、第二快速傅里叶变换单元，所述的二次时域数字积分单元用于对最终的速度数字量经过二次时域数字积分得到被测对象的位移信号，并经过第二快速傅里叶变换单元的快速傅里叶变换得到位移频谱；

二次趋势项畸变判断单元、二次校正单元，所述的二次趋势项畸变判断单元根据位移频谱的峰值判断当前的位移信号是否含有一次趋势项畸变，若否，则以当前的位移信号作为最终的位移数字量输出，若是，则校正单元接收当前的位移信号；所述的校正单元根据频谱分析对应被测对象的振动频率，根据频率为指标，拟合出二次校正函数，拟合出的二次校正函数与位移信号叠加，得到校正后的位移信号，并以当前的位移信号作为最终的位移数字量输出。

还包含一数模转换模块，用于将最终的速度数字量和最终的位移数字量转为对应的最终的速度模拟量和最终的位移模拟量。

一种低频振动位移检测方法，其特点是，该方法包含如下步骤：

S1、采集被测对象的加速度信号并处理得到加速度电压信号；

S2、对所述的加速度电压信号进行调理放大并输出加速度数字量；

S3、对输出的加速度数字量运算处理得到被测对象的最终的速度数字量和最终的位移数字量。

所述的步骤S1包含：

S1.1，采集被测对象的中、低频加速度信号；

S1.2，将所述的中频加速度信号低通处理得到对应的中频加速度电压信号和/或所述的低频加速度信号低通处理得到对应的低频加速度电压信号。

所述的步骤S2包含：

S2.1，根据档位选择并放大对应中频加速度信号或低频加速度信号；

S2.2，对放大后的中频加速度信号或低频加速度信号进行高通滤波处理；

S2.3，输出加速度数字量。

所述的步骤S3具体包含：

S3.1，对加速度数字量经过一次时域数字积分得到被测对象的速度信号，并经过第一次快速傅里叶变换得到速度频谱；

S3.2，根据速度频谱的峰值判断当前的速度信号是否含有一次趋势项畸变，若否，则以当前的速度信号作为最终的速度数字量输出，若是，则接收当前的速度信号；根据频谱分析对应被测对象的振动频率，以频率为指标，拟合出一次校正函数，拟合出的一次校正函数与速度信号叠加，得到校正后的速度信号，并以当前的速度信号作为最终的速度数字量输出；

S3.3，对最终的速度数字量经过二次时域数字积分得到被测对象的位移信号，并经过第二次快速傅里叶变换得到位移频谱；

S3.4，根据位移频谱的峰值判断当前的位移信号是否含有一次趋势项畸变，若否，则以当前的位移信号作为最终的位移数字量输出，若是，则接收当前的位移信号；根据频谱分析对应被测对象的振动频率，以频率为指标，拟合出二次校正函数，拟合出的二次校正函数与位移信号叠加，得到校正后的位移信号，并以当前的位移信号作为最终的位移数字量输出。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

（1）可检测超低频振动信号位移，介于f ₁赫兹到 f ₂赫兹的振动信号，克服传统传感器不能检测低频振动位移的缺点；

（2）具有较好的抗混叠能力，可以做到直流分量的严格消除；

（3）采用FPGA作为中央处理器，可以达到超高运算速度；

（4）采用快速傅里叶算法，进行频谱分析，对数字计算结果进行校正，进行补偿或衰减，抵消趋势项引起的信号畸变；

（5）硬件方案简单，易于实现；

（6）为基于梯形公式的时域数字积分算法。并创新使用通过快速傅里叶分析，得到信号频谱，并分别对速度和位移信号进行分析，对信号进行补偿或衰减，对输出信号进行闭环矫正，可以消除趋势项对信号产生的影响。

附图说明

图1为本发明一种低频振动位移检测系统的结构示意图；

图2为本发明处理模块的流程图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，一种低频振动位移检测系统，包含：

振动检测模块100，其固定于被测对象，用于采集被测对象的加速度信号并处理得到加速度电压信号；

信号预处理模块200、采样模块400，所述的信号预处理模块输入端连接于振动检测模块输出端，用于对所述的加速度电压信号进行调理放大并经由所述的采样模块输出加速度数字量；

处理模块300，其输入端连接于采样模块，对采样模块输出的加速度数字量运算处理得到被测对象的最终的速度数字量和最终的位移数字量，具体的，本实施例中处理模块为FPGA，通过FPGA对采样信号进行两次基于梯形公式的数字时域积分计算，可分别得到被测对象的最终的速度数字量和最终的位移数字量。

上述的振动检测模块100包含：中、低频加速度传感单元（101、102）和低通滤波器103；所述的中频加速度传感单元用于采集被测对象的中频加速度信号，所述的低频加速度传感单元用于采集被测对象的低频加速度信号；所述的低通滤波器用于将所述的中频加速度信号低通处理得到对应的中频加速度电压信号和/或所述的低频加速度信号低通处理得到对应的低频加速度电压信号，选用一截止频率为 f _LPF HZ的低通滤波器，可以得到较光滑的加速度电压信号。

上述的信号预处理模块200包含：信号调理放大单元201，用于根据档位，选择并放大对应中频加速度电流信号或低频加速度电流信号；高通滤波器202，其输入端连接于信号调理放大单元201，用于对放大后的中频加速度信号或低频加速度信号进行高通滤波处理，更具体的信号调理放大单元具有可调节档位，可以实现信号放大单元的控制和中低频加速度信号选择，当选择低档，中频加速度传感单元产生的中频加速度信号，信号的放大倍数为一个放大倍数；当选择中档，选择低频加速度传感单元产生的低频加速度信号，信号的放大倍数为一个放大倍数；当选择高档，选择低频加速度传感单元产生的低频加速度信号，信号的放大倍数为一个放大倍数，高通滤波器的起始频率为 f _HPF HZ，通过该滤波器，可以有效滤去前端加速度传感部分的信号中的直流分量，为后面的数字计算提供良好的采样环境。经过前端一系列处理，采样单元，进行模拟电压信号到数字量的转换，并采用了双通道采样和均值滤波算法，保证采样精确性。

上述的处理模块300包含：一次时域数字积分单元301、第一快速傅里叶变换单元302，所述的一次时域数字积分单元用于对加速度数字量经过一次时域数字积分得到被测对象的速度信号，并经过第一快速傅里叶变换单元的快速傅里叶变换得到速度频谱；一次趋势项畸变判断单元303、一次校正单元304，所述的一次趋势项畸变判断单元根据速度频谱的峰值判断当前的速度信号是否含有一次趋势项畸变，若否，则以当前的速度信号作为最终的速度数字量输出，若是，则校正单元接收当前的速度信号；所述的校正单元根据频谱分析对应被测对象的振动频率，根据频率为指标，拟合出一次校正函数，拟合出的一次校正函数与速度信号叠加，得到校正后的速度信号，并以当前的速度信号作为最终的速度数字量输出。

在具体实施例中，上述的处理模块还包含：

二次时域数字积分单元305、第二快速傅里叶变换单元306，所述的二次时域数字积分单元用于对最终的速度数字量经过二次时域数字积分得到被测对象的位移信号，并经过第二快速傅里叶变换单元的快速傅里叶变换得到位移频谱；

二次趋势项畸变判断单元307、二次校正单元308，所述的二次趋势项畸变判断单元根据位移频谱的峰值判断当前的位移信号是否含有一次趋势项畸变，若否，则以当前的位移信号作为最终的位移数字量输出，若是，则校正单元接收当前的位移信号；所述的校正单元根据频谱分析对应被测对象的振动频率，根据频率为指标，拟合出二次校正函数，拟合出的二次校正函数与位移信号叠加，得到校正后的位移信号，并以当前的位移信号作为最终的位移数字量输出。

该检测系统还包含一数模转换模块500，用于将最终的速度数字量和最终的位移数字量转为对应的最终的速度模拟量和最终的位移模拟量。

一种低频振动位移检测方法，该方法包含如下步骤：

S1、采集被测对象的加速度信号并处理得到加速度电压信号；

S2、对所述的加速度电压信号进行调理放大并输出加速度数字量；

S3、对输出的加速度数字量运算处理得到被测对象的最终的速度数字量和最终的位移数字量。

上述的步骤S1包含：

S1.1，采集被测对象的中、低频加速度信号；

S1.2，将所述的中频加速度信号低通处理得到对应的中频加速度电压信号和/或所述的低频加速度信号低通处理得到对应的低频加速度电压信号。

上述的步骤S2包含：

S2.1，根据档位选择并放大对应中频加速度信号或低频加速度信号；

S2.2，对放大后的中频加速度信号或低频加速度信号进行高通滤波处理；

S2.3，输出加速度数字量。

参见图2，所述的步骤S3具体包含：

S3.1，对加速度数字量经过一次时域数字积分得到被测对象的速度信号，并经过第一次快速傅里叶变换得到速度频谱；

S3.2，根据速度频谱的峰值判断当前的速度信号是否含有一次趋势项畸变，若否，则以当前的速度信号作为最终的速度数字量输出，若是，则接收当前的速度信号；根据频谱分析对应被测对象的振动频率，以频率为指标，拟合出一次校正函数，拟合出的一次校正函数与速度信号叠加，得到校正后的速度信号，并以当前的速度信号作为最终的速度数字量输出；

S3.3，对最终的速度数字量经过二次时域数字积分得到被测对象的位移信号，并经过第二次快速傅里叶变换得到位移频谱；

S3.4，根据位移频谱的峰值判断当前的位移信号是否含有一次趋势项畸变，若否，则以当前的位移信号作为最终的位移数字量输出，若是，则接收当前的位移信号；根据频谱分析对应被测对象的振动频率，以频率为指标，拟合出二次校正函数，拟合出的二次校正函数与位移信号叠加，得到校正后的位移信号，并以当前的位移信号作为最终的位移数字量输出。

综上所述，本发明一种低频振动位移检测系统和方法，可以实现超低频振动检测、可实现小位移检测且具较高检测精确度。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种低频振动位移检测系统，其特征在于，包含：

振动检测模块，其固定于被测对象，用于采集被测对象的加速度信号并处理得到加速度电压信号；

信号预处理模块、采样模块，所述的信号预处理模块输入端连接于振动检测模块输出端，用于对所述的加速度电压信号进行调理放大并经由所述的采样模块输出加速度数字量；

处理模块，其输入端连接于采样模块，对采样模块输出的加速度数字量运算处理得到被测对象的最终的速度数字量和最终的位移数字量。

2.如权利要求1所述的低频振动位移检测系统，其特征在于，所述的振动检测模块包含：中、低频加速度传感单元和低通滤波器；

所述的中频加速度传感单元用于采集被测对象的中频加速度信号，所述的低频加速度传感单元用于采集被测对象的低频加速度信号；

所述的低通滤波器用于将所述的中频加速度信号低通处理得到对应的中频加速度电压信号和/或所述的低频加速度信号低通处理得到对应的低频加速度电压信号。

3.如权利要求2所述的低频振动位移检测系统，其特征在于，所述的信号预处理模块包含：

信号调理放大单元，用于根据档位，选择并放大对应中频加速度信号或低频加速度信号；

高通滤波器，其输入端连接于信号调理放大单元，用于对放大后的中频加速度信号或低频加速度信号进行高通滤波处理。

4.如权利要求1所述的低频振动位移检测系统，其特征在于，所述的处理模块包含：

一次时域数字积分单元、第一快速傅里叶变换单元，所述的一次时域数字积分单元用于对加速度数字量经过一次时域数字积分得到被测对象的速度信号，并经过第一快速傅里叶变换单元的快速傅里叶变换得到速度频谱；

一次趋势项畸变判断单元、一次校正单元，所述的一次趋势项畸变判断单元根据速度频谱的峰值判断当前的速度信号是否含有一次趋势项畸变，若否，则以当前的速度信号作为最终的速度数字量输出，若是，则校正单元接收当前的速度信号；所述的校正单元根据频谱分析对应被测对象的振动频率，根据频率为指标，拟合出一次校正函数，拟合出的一次校正函数与速度信号叠加，得到校正后的速度信号，并以当前的速度信号作为最终的速度数字量输出。

5.如权利要求4所述的低频振动位移检测系统，其特征在于，所述的处理模块还包含：

二次时域数字积分单元、第二快速傅里叶变换单元，所述的二次时域数字积分单元用于对最终的速度数字量经过二次时域数字积分得到被测对象的位移信号，并经过第二快速傅里叶变换单元的快速傅里叶变换得到位移频谱；

二次趋势项畸变判断单元、二次校正单元，所述的二次趋势项畸变判断单元根据位移频谱的峰值判断当前的位移信号是否含有一次趋势项畸变，若否，则以当前的位移信号作为最终的位移数字量输出，若是，则校正单元接收当前的位移信号；所述的校正单元根据频谱分析对应被测对象的振动频率，根据频率为指标，拟合出二次校正函数，拟合出的二次校正函数与位移信号叠加，得到校正后的位移信号，并以当前的位移信号作为最终的位移数字量输出。

6.如权利要求1-5任一项所述的低频振动位移检测系统，其特征在于，还包含一数模转换模块，用于将最终的速度数字量和最终的位移数字量转为对应的最终的速度模拟量和最终的位移模拟量。

7.一种低频振动位移检测方法，其特征在于，该方法包含如下步骤：

S1、采集被测对象的加速度信号并处理得到加速度电压信号；

S2、对所述的加速度电压信号进行调理放大并输出加速度数字量；

S3、对输出的加速度数字量运算处理得到被测对象的最终的速度数字量和最终的位移数字量。

8.如权利要求7所述的低频振动位移检测方法，其特征在于，所述的步骤S1包含：

S1.1，采集被测对象的中、低频加速度信号；

S1.2，将所述的中频加速度信号低通处理得到对应的中频加速度电压信号和/或所述的低频加速度信号低通处理得到对应的低频加速度电压信号。

9.如权利要求1所述的低频振动位移检测方法，其特征在于，所述的步骤S2包含：

S2.1，根据档位选择并放大对应中频加速度信号或低频加速度信号；

S2.2，对放大后的中频加速度信号或低频加速度信号进行高通滤波处理；

S2.3，输出加速度数字量。

10.如权利要求1所述的低频振动位移检测方法，其特征在于，所述的步骤S3具体包含：

S3.1，对加速度数字量经过一次时域数字积分得到被测对象的速度信号，并经过第一次快速傅里叶变换得到速度频谱；

S3.2，根据速度频谱的峰值判断当前的速度信号是否含有一次趋势项畸变，若否，则以当前的速度信号作为最终的速度数字量输出，若是，则接收当前的速度信号；根据频谱分析对应被测对象的振动频率，以频率为指标，拟合出一次校正函数，拟合出的一次校正函数与速度信号叠加，得到校正后的速度信号，并以当前的速度信号作为最终的速度数字量输出；

S3.3，对最终的速度数字量经过二次时域数字积分得到被测对象的位移信号，并经过第二次快速傅里叶变换得到位移频谱；

S3.4，根据位移频谱的峰值判断当前的位移信号是否含有一次趋势项畸变，若否，则以当前的位移信号作为最终的位移数字量输出，若是，则接收当前的位移信号；根据频谱分析对应被测对象的振动频率，以频率为指标，拟合出二次校正函数，拟合出的二次校正函数与位移信号叠加，得到校正后的位移信号，并以当前的位移信号作为最终的位移数字量输出。