CN107883996A - 一种数据采集与信号处理方法及数据采集器 - Google Patents
一种数据采集与信号处理方法及数据采集器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种数据采集与信号处理方法及数据采集器，该方法通过将采集到的原始信号去噪后，通过二次线性积分运算获得积分值，即为信号最终处理结果；原始信号为加速度信号，经二次线性积分运算获得的积分值为位移幅值。本发明通过线性积分运算对信号数据进行处理，得到位移幅值，能有效避免传统二次积分带来的累积误差。
Description
技术领域
本发明涉及一种数据采集与信号处理方法。
背景技术
目前国内火电厂普遍采取计划检修方式，存在检修不及时及过度检修问题。状态检修方式是指根据设备的健康状况合理安排检修时间，既避免了检修不及时造成的危险，又减少了不必要的停机检修造成的人力、物力和财力的浪费。
状态检修系统整体架构由振动加速度传感器、数据采集器、服务器、接口机、网络组件、服务端软件、客户端软件等组成。其中数据采集器安装在被监测设备就地控制箱内，其采集、处理的准确性对于整套系统的性能至关重要。
现有国内外采用的数据采集器普遍存在低频噪声干扰信号，而基于振动加速度传感器的数据采集器在积分求速度幅值时存在累积误差现象，二次积分求位移幅值时信号严重失真，大大超过了国标所允许的误差范围。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种能有效避免累积误差、降低信号失真的处理方法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种数据采集与信号处理方法，该方法通过将采集到的原始信号去噪后，通过二次线性积分运算获得积分值，即为信号最终处理结果；原始信号为加速度信号，经二次线性积分运算获得的积分值为位移幅值。
其中，二次线性积分运算通过将原始信号去噪后的数据点先经过快速傅里叶变换计算出频域点，然后根据频域点的幅值和各点所对应的频率值计算得出各频域点的积分分量，最后对各频域点的积分分量进行求有效值运算，即得所述积分值。
进一步的，上述二次线性积分运算的方法如下：
(1)将原始信号去噪后采集到的电压数据点：U1、U2、……、UM(mV)，经过线性运算转换为加速度原始数据点，经快速傅里叶变换得出N个频域分量有效值，数值分别为：A0、A1、……、AN(m/s2)；
然后根据傅里叶变化公式3-1得出加速度值a(t)的时域信号：
根据公式3-2计算加速度有效值A：
(2)根据加速度频域分量计算速度频域分量：对于频率fi对应的加速度分量ai进行积分得出速度分量vi，单位mm/sec：
则对于速度频域分量
然后根据公式3-3计算速度幅值有效值V：
(3)根据速度频域分量Vi计算位移频域分量Si，单位um：
位移频域分量
最后根据公式3-4计算位移幅值有效值S：
进一步的，原始信号去噪通过以下方法：先采用差分放大电路去除全频段噪声，然后采用RC高通滤波电路去除低频噪声。
本发明还提供了采用上述数据采集与信号处理方法的数据采集器，该数据采集器包括去噪模块、进行数据线性积分运算的CPU、数据存储模块；待进行数据采集的加速度传感器通过去噪模块与CPU相连；CPU与数据存储模块相连；CPU通过网络与服务器相连。
进一步的，去噪模块包括差分放大电路和RC滤波电路；待进行数据采集的加速度传感器依次通过差分放大电路和RC滤波电路与CPU相连。
本发明相比现有技术具有以下优点：
1、本发明通过线性积分运算对信号数据进行处理，得到位移幅值，能有效避免传统二次积分带来的累积误差：传统数据处理得到的位移幅值为8～162um(明显超过了国标所允许的范围：正负15％)，通过本发明改进后的数据处理得到的位移幅值为8～10um，大大提高了数据的准确性和可重复性。
2、同时在进行信号差分放大电路去除全频段噪声之后，通过RC高通滤波电路去除5Hz以下的低频噪声信号，改善了传统数据采集器的抗干扰性能。
附图说明
图1为本发明数据采集器的结构框图；
图2为图1中CPU进行线性积分运算的流程图；
图3为本发明数据采集器(改进后)与传统数据采集器(改进前)的数据处理结果对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明数据采集器包括差分放大模块、RC高通滤波模块、数据存储模块、CPU、网络模块、电源模块。电源模块对整体数据采集器进行供电。多个振动加速度传感器测量到的电压信号传送给数据采集器，依次通过差分放大模块、RC高通滤波模块，由CPU接收进行数据处理，处理后的数据存储在数据存储模块内，并通过网络模块输送至服务器。
如图2所示，振动加速度传感器测量得到的电压信号经过差分放大模块去除全频段噪声，然后采用RC高通滤波电路去除5Hz以下的低频噪声(本发明的数据采集器可用于火电厂的设备状态检修系统中，而在火力发电行业重要辅机转速为300-6000rpm，其对应的频率范围为5-100Hz，在信号分析知识领域，半倍工频以下信号不属于设备频谱分析范畴，也就是说低于300rpm(5Hz)的信号在火力发电厂的辅机设备信号分析领域范畴可以认为是噪声信号，完全可以通过RC高通滤波电路进行噪声去除，从而改善数据采集器的抗干扰性能)，最后通过CPU进行线性积分运算。
线性积分运算是指把时域的原始数据点先经过快速傅里叶变换计算出频域点，然后根据频域点的幅值和各点所对应的频率值计算得出其各频域点的积分分量，最后对各频域点的积分分量进行求有效值运算(即平方和开根)得出积分值。
具体运算过程如下：
假如数据采集器采集到的设备振动的M个电压原始数据点：U1、U2、……、UM(mV)，经过线性运算(电压值/灵敏度)转换为振动加速度原始数据点，经快速傅里叶变换得出N个频域分量有效值，数值分别为：A0、A1、……、AN(m/s2)，则：
第一步，根据傅里叶变化公式可得出设备振动加速度值a(t)的时域信号，如公式3-1所示：
设备振动加速度有效值A如公式3-2所示：
第二步，根据加速度频域分量计算速度频域分量。对于频率fi对应的加速度分量ai进行积分得出速度分量vi，单位mm/sec。
则对于速度频域分量
设备振动速度幅值(有效值)的计算公式如3-3所示
第三步，根据速度频域分量计算位移频域分量Si，单位um。
则对于位移频域分量
设备振动位移幅值(有效值S)的计算公式如3-4所示：
对本发明的数据采集器进行性能检测试验，试验系统由振动转子试验台、加速度传感器、信号线、数据采集器、接口机、服务器等组成。压电式加速度传感器通过磁座固定在振动转子试验台上电机驱动端水平方向，加速度传感器随着设备振动测量到电压信号(mg)，电压信号经由信号线送给数据采集器，数据采集器采用本发明方法进行数据处理之后，通过接口机保存至服务器数据库中。
实验条件如下：
测量位置：电动机驱动侧；
方向：水平；
转速：1600rpm；
传感器：CTC振动加速度传感器(灵敏度100mvg)；
采样点数：2048；
采用上述方法进行信号处理：
第一步，原始数据预处理:原始数据电压值转换为振动加速度值：
振动加速度(mm/s2)＝电压(mv)/传感器灵敏度(mv/g)*9.8；
第二步，FFT变换时域转换为频域数据((mm/s2)；
第三步，二次积分线性转换得出振动位移幅值有效值。
同时采用传统的数据采集器(如罗克韦尔自动化的Enwatch数据采集器)进行信号处理比较，结果如图3所示：传统数据采集器测量到的设备振动位移幅值为8-162um，信号严重失真；本发明数据采集器测量到的设备振动位移幅值为8-10um，符合国标要求。
本发明数据采集器可用于火电厂设备状态检修，能有效解决工况中“低频噪声信号干扰”的问题及“二次积分引起的信号严重失真”问题，大大提高了状态检修系统数据采集及信号处理的准确性，进而保证了状态检修系统作为实现“监测设备当前运行状况、预测设备未来变化趋势、判断设备故障类型、检验设备检修结果”功能的技术基础，为火电厂检修人员决策提供了重要和准确的参考依据。
Claims (6)
1.一种数据采集与信号处理方法，其特征在于：该方法通过将采集到的原始信号去噪后，通过二次线性积分运算获得积分值，即为信号最终处理结果；所述原始信号为加速度信号，经二次线性积分运算获得的积分值为位移幅值。
2.根据权利要求1所述的数据采集与信号处理方法，其特征在于：所述二次线性积分运算通过将原始信号去噪后的数据点先经过快速傅里叶变换计算出频域点，然后根据频域点的幅值和各点所对应的频率值计算得出各频域点的积分分量，最后对各频域点的积分分量进行求有效值运算，即得所述积分值。
3.根据权利要求2所述的数据采集与信号处理方法，其特征在于：所述二次线性积分运算的方法如下：
(1)将原始信号去噪后采集到的电压数据点：U1、U2、……、UM(mV)，经过线性运算转换为加速度原始数据点，经快速傅里叶变换得出N个频域分量有效值，数值分别为：A0、A1、……、AN(m/s2)；
然后根据傅里叶变化公式3-1得出加速度值a(t)的时域信号：
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根据公式3-2计算加速度有效值A：
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(2)根据加速度频域分量计算速度频域分量：对于频率fi对应的加速度分量ai进行积分得出速度分量vi，单位mm/sec：
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则对于速度频域分量
然后根据公式3-3计算速度幅值有效值V：
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(3)根据速度频域分量Vi计算位移频域分量Si，单位um：
位移频域分量
最后根据公式3-4计算位移幅值有效值S：
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4.根据权利要求1至3任一所述的数据采集与信号处理方法，其特征在于：所述原始信号去噪通过以下方法：先采用差分放大电路去除全频段噪声，然后采用RC高通滤波电路去除低频噪声。
5.采用权利要求1至3任一所述数据采集与信号处理方法的数据采集器，其特征在于：所述数据采集器包括去噪模块、进行数据线性积分运算的CPU、数据存储模块；待进行数据采集的加速度传感器通过去噪模块与CPU相连；所述CPU与数据存储模块相连；所述CPU通过网络与服务器相连。
6.根据权利要求5所述的数据采集器，其特征在于：所述去噪模块包括差分放大电路和RC滤波电路；待进行数据采集的加速度传感器依次通过差分放大电路和RC滤波电路与CPU相连。
Priority Applications (1)
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Applications Claiming Priority (1)
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| CN201711080677.0A CN107883996A (zh) | 2017-11-06 | 2017-11-06 | 一种数据采集与信号处理方法及数据采集器 |
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| CN (1) | CN107883996A (zh) |
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-
2017
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Application publication date: 20180406 |