CN112326282B - 振动频谱窗口增强 - Google Patents

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Abstract

在监测机器的状态时，通常需收集振动数据以供经验丰富的分析师进行分析。本文公开了用于分析与机器状态监测相关联的振动频谱的系统和方法。系统可以配置为从一个或多个振动传感器收集振动数据，生成振动数据的振动频谱，并且生成振动频谱的频谱图表。该系统可以接收对频谱图表的区域的选择，并且生成嵌入频谱图表中的振动频谱的可修改窗口。系统可以显示一组绘图工具和可修改窗口，使得用户能够对窗口进行修改。系统可以检测修改并且相应地更新可修改窗口。

Description

振动频谱窗口增强
技术领域
本发明涉及机器状态监测领域。更具体地，本发明涉及用于分析与机器状态监测相关联的振动频谱的系统和方法。
背景技术
除非在本文中另有指示，否则本部分中描述的材料并不是本申请中的权利要求的现有技术，并且也不因包括在本部分中而被承认是现有技术。
在监测机器的状态时，振动数据通常会被收集，并且可以用于识别松动零件、失衡组件或故障组件。振动数据通常作为振动频谱进行收集和分析。需要敏锐的分析师(通常是有多年经验的人)来准确分析振动频谱，对频谱的特性进行分类，并且确定机器及其组件的状态。
然而，即使对于经验丰富的专业人士来说，仍然会出现困难和低效的情况。例如，分析人员可能对振动频谱的特定部分感兴趣，但是该部分中存在的峰值相对于整个频谱可能具有较小的振幅，并且因此难以区分。在另一个示例中，特定峰值可以呈现在另一域中更好分析的特性。在每种情况下，分析师都需要返回到收集的数据，并且创建具有所需属性的第二个图表。此外，当前的分析方法呈现了附加的结果。在分析员放大具有小峰值的部分的示例中，分析员可能无法将该部分与频谱的其余部分进行比较，因为其它峰值在所显示的频谱的范围之外。在所绘制的变量已经改变的情况下，图表的其它区域在转换时可能变得不可辨认。因此，为了将该部分与频谱的其余部分进行比较，分析师必须重复地重新绘制数据并且打开许多窗口。无论是哪种情况，当前的方法都无法使计算资源以及分析师的时间得到有效利用。
因此，所需要的是用于与机器状态监测相关联的振动频谱的比较分析的方法和装置。
发明内容
本公开总体上涉及用于与机器状态监测相关联的振动频谱的比较分析的技术。
本文所描述的一些实施例提供了用于分析与机器状态监测相关联的振动频谱的装置。该装置包括配置为收集机器振动数据的一个或多个振动传感器，以及通信耦合到一个或多个振动传感器的处理器。该处理器配置为：
-对机器振动数据执行快速傅立叶变换以生成振动频谱，该振动频谱将第一变量的振幅定义为频率的函数；
-生成振动频谱的频谱图表以显示在显示设备上，该频谱图表具有表示频率的x轴和表示第一变量的振幅的第一y轴；
-在频谱图表内生成可修改窗口，该可修改窗口参照第二y轴显示振动频谱的至少一部分；以及
-接收来自用户界面设备的输入，该输入指定可修改窗口沿着频谱图表的x轴的位置的变化和第二y轴的标度的变化中的一个或两个变化。
在一些实施方案中，频谱图表的第一y轴包括第一标签和第一标度，并且可修改窗口的第二y轴包括第二标签和第二标度。
在一些实施方案中，第一标签和第一标度不同于第二标签和第二标度。
在一些实施方案中，处理器进一步配置为：
-生成具有对应于x轴上的第一频率的前沿和对应于x轴上的第二频率的后沿的可修改窗口；
-从用户界面设备接收指定前沿沿着x轴的位置移动和后沿沿着x轴的位置移动中的一个或两个位置移动的输入；以及
-重新生成可修改窗口，该可修改窗口具有前沿和后沿中的一个或两个，该前沿和后沿中的一个或两个根据由来自用户界面的输入指定的一个或多个移动被重新定位。
在一些实施方案中，处理器进一步配置为：
-从用户界面设备接收指定第二y轴的标度的变化的输入；以及
-重新生成可修改窗口，该可修改窗口具有第二y轴的如来自用户界面的输入所指定的改变的标度。在一些实施方案中，处理器进一步配置为：
-从用户界面设备接收输入，该输入指定要在可修改窗口内绘制的第二变量而不是第一变量；以及
-重新生成可修改窗口以显示作为频率的函数的第二变量的频谱图表。
在一些实施方案中，通过在由可修改窗口限定的频率范围内对第一变量应用传递函数来生成第二变量的频谱图表。
在一些实施方案中，处理器进一步配置为更新第二y轴的标签和标度以符合第二变量。
在一些实施方案中，处理器进一步配置为生成传递函数的图表，该传递函数应用于生成第二变量的频谱图表。
在一些实施方案中，处理器进一步配置为从用户界面设备接收指示第一变量的选择为位移、速度或加速度的输入。
在一些实施方案中，处理器进一步配置为：
-生成第一颜色的振动频谱的频谱图表；以及
-生成不同于第一颜色的第二颜色的可修改窗口。
在另一方面，本文所描述的实施方案涉及用于分析与机器状态监测相关联的振动频谱的方法。该方法的优选实施方案包括以下步骤：
(a)从一个或多个振动传感器收集机器振动数据；
(b)对机器振动数据执行快速傅立叶变换以生成振动频谱，该振动频谱将第一变量的振幅定义为频率的函数；
(c)生成振动频谱的频谱图表以显示在显示设备上，该频谱图表具有表示频率的x轴和表示第一变量的振幅的第一y轴；
(d)在频谱图表内生成可修改窗口，该可修改窗口参照第二y轴显示振动频谱的至少一部分；以及
(e)从用户界面设备接收输入，该输入指定可修改窗口沿着频谱图表的x轴的位置的变化和第二y轴的标度的变化中的一个或两个变化。
在一些实施方案中，频谱图表的第一y轴包括第一标签和第一标度，并且可修改窗口的第二y轴包括第二标签和第二标度。
在一些实施方案中，第一标签和第一标度不同于第二标签和第二标度。
在一些实施方案中，该方法包括：
步骤(d)包括生成具有对应于x轴上的第一频率的前沿和对应于x轴上的第二频率的后沿的可修改窗口；
(e)从用户界面设备接收指定前沿沿着x轴的位置移动和后沿沿着x轴的位置移动中的一个或两个移动的输入；以及
(f)重新生成可修改窗口，该可修改窗口具有前沿和后沿中根据由来自用户界面的输入所指定的一个或多个移动被重新定位的一个或两个。
在一些实施方案中，该方法包括：
步骤(e)包括从用户界面设备接收指定第二y轴的标度的变化的输入；以及
(f)重新生成第二y轴的标度根据由来自用户界面的输入指定而改变的可修改窗口。
在一些实施方案中，该方法包括：
(f)从用户界面设备接收输入，该输入指定要在可修改窗口内绘制的第二变量而不是第一变量；以及
(g)重新生成可修改窗口以显示作为频率的函数的第二变量的频谱图表。
在一些实施方案中，步骤(g)包括在由可修改窗口限定的频率范围内将传递函数应用于第一变量。
在一些实施方案中，该方法包括更新第二y轴的标签和标度以符合第二变量。
在一些实施方案中，该方法包括生成传递函数的图表，该图表应用于生成第二变量的频谱图表。
在一些实施方案中，该方法包括从用户界面设备接收指示第一变量的选择为位移、速度或加速度的输入。
在该方法的一些实施方案中：
步骤(c)包括生成第一颜色的振动频谱的频谱图表；以及
步骤(d)包括生成不同于第一颜色的第二颜色的可修改窗口。
前述概述只是说明性的，并且不旨在以任何方式进行限制。除了上面描述的说明性方面、实施方案和特征之外，通过参考附图和以下详细描述，其它方面、实施方案和特征将变得显而易见。
附图说明
通过参考结合附图的详细描述，本发明的其它实施方案将变得显而易见，其中元件不是按比例绘制的，以便更清楚地显示细节，并且其中在几个视图中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：
图1描绘了根据优选实施方案的用于分析与机器状态监测相关联的振动频谱的装置的组件；
图2、图3和图4描绘了由图1中所描绘的装置的处理器产生的振动频谱图表；以及
图5描绘了根据优选实施方案的用于生成振动频谱图表的方法。
具体实施方式
下面的具体实施方式参考了附图，这些附图形成了说明书的一部分。具体实施方式、附图和权利要求中描述的说明性实施方案不意味着限制范围。可以利用其它实施方案，并且可以在不脱离本文呈现的主题的精神或范围的情况下进行其它改变。本公开总体上涉及与分析和显示与机器状态监测相关联的振动频谱相关的方法、装置、系统和/或设备。
用于分析与机器状态监测相关联的振动频谱的装置和系统可以包括配置为用于监测机器位移、速度、加速度或这三者的任何组合的一个或多个振动传感器。在各种实施方案中，振动传感器可以是微机电系统(MEMS)传感器、压阻传感器、压电传感器、电磁传感器、激光位移传感器、声学传感器等。可以理解，振动传感器不应被解释为限于收集机器振动数据的特定模式。振动数据通常指由振动传感器收集的数据，并且该数据的特征可以基于特定实施方案中设置的传感器而变化。
根据一些实施方案，系统和装置可以包括计算机硬件设备。计算机硬件设备可以是服务器、台式计算机、专用计算设备、平板计算机、智能电话或组件级处理器。计算机硬件设备尤其包括配置为存储指令的存储器和与存储器通信耦合的一个或多个处理器。
计算机硬件设备还可以包括其它组件，包括但不限于一个或多个数据存储设备(可以是可移动的和不可移动的)、音频和视频输出组件、外围组件和通信组件。外围组件可以包括输入设备(例如，键盘、鼠标、笔、语音输入设备、触摸输入设备等)和其它外围设备(例如打印机、扫描仪等)，它们可以经由串行总线接口(诸如USB端口)或并行端口接口进行通信。通信组件尤其可以包括网络控制器，该网络控制器配置为便于经由一个或多个通信端口(诸如以太网端口)或经由无线网络在网络通信链路上与一个或多个其它计算设备进行通信。一个或多个其它计算设备不限于与计算机硬件设备在同一场所的设备，并且可以包括诸如远程数据中心的服务器的计算设备。
此外，装置、系统或装置或系统的组件，诸如处理器，可以与显示设备通信耦合。显示设备可以是监视器、电视、投影仪、虚拟现实(VR)设备，或者具有附加功能的显示设备，诸如手机或平板设备的触摸屏。一般来说，任何类型的显示设备都可以结合本文描述的实施方案来采用。
图1描绘了用于收集和分析与机器状态监测相关联的振动频谱数据的装置100的优选实施方案。图5描绘了可以使用装置100执行的方法的实施方案的步骤。装置100包括附接到机器102的一个或多个振动传感器104，从一个或多个传感器104接收振动信号并且基于振动信号处理振动数据的处理器106，以及用于向分析师显示振动数据的显示设备110。
一个或多个振动传感器104配置为收集与机器102相关联的振动数据(图5步骤502)。例如，一个或多个振动传感器104可以包括安装在机器102的不同区域上的压电加速度计。由一个或多个振动传感器104生成的振动信号在由处理器106分析之前被调节并且转换成数字数据。
在优选实施方案中，处理器106对时域振动数据执行快速傅立叶变换以生成振动频谱(步骤506)。通常，振动频谱将第一变量的振幅定义为频率的函数。第一变量可以是位移、速度、加速度或其它振动幅度值。第一变量可以是由处理器106的编程确定的默认值，或者可以由用户经由用户界面(UI)选择(步骤504)。例如，处理器106可以基于一个或多个振动传感器104的属性来确定默认的第一变量。
在优选实施方案中，处理器106配置为生成振动频谱的频谱图表108，并且在显示设备110上显示频谱图表108(步骤508)。频谱图表108可以包括x轴114和y轴116。频谱图表描绘了第一变量在y轴116上的幅度和其在x轴114上的频率。频谱图表的每个轴优选地包括反映在轴上绘制的变量的标签和标度。例如，图1中所示的x轴114包括指示频率的标签，该频率以赫兹(Hz)为单位沿着轴绘制。x轴114的标度范围为从0Hz到2000Hz，其中网格线每200Hz划分一次该范围。
如图2所示，处理器106还可以配置为基于来自用户界面112的输入在频谱图表108内生成可修改窗口212的显示(步骤510)。可修改窗口212优选地至少部分由前沿204和后沿206界定的频率的范围来限定。
在优选实施方案中，前沿204和后沿206从频谱图表108的底部线性延伸到顶部。前沿204和后沿206可以包括可选属性，诸如厚度(即重量)、颜色或风格(即虚线、点线等)。用户可以在频谱图表108上移动前沿204和后沿206，以定义频谱图表内的频率的范围，从而选择关注区域(步骤512)。用户可以使用外围组件(诸如鼠标或触摸板)来移动频谱图表108上的前沿204和后沿206，以选择每个边沿并将其拖动到频谱图表108上的所需位置。例如，用户可以点击箭头208以沿着频谱图表108的x轴向左或向右移动前沿204和后沿206到所需位置。
在一些实施方案中，可修改子图表212被认为是在一定程度上独立于频谱图表的，可修改子图表以其自身的y轴绘制，本文称为第二y轴，具有独立于频谱图表108的其余部分的y轴116的标度和标签的标度216和标签214。可修改窗口212也可以以与频谱图表108的其余部分不同的颜色生成。标签214和标度216可以由处理器106基于在可修改窗口212内绘制的数据自动确定。
在优选实施方案中，在处理器106检测到前沿204和后沿206之间的频率的范围由于用户移动边沿而发生改变之后，处理器106可以在频谱图表108内重新生成可修改窗口212，以显示具有调整的频率边界的关注区域(步骤516)。
如图2所示，可修改窗口212在频谱图表108中的放置可以使用包括左右箭头和上下箭头的工具302来调整。在优选实施方案中，用户可以使用鼠标或触摸板点击工具302来实现拖放功能，以沿着频谱图表108的频率标度114向左或向右移动整个可修改窗口212。可替代地，用户可以点击工具302的左箭头和右箭头，以沿着频谱图表108的频率标度114将整个窗口212逐渐向左或向右移动。
还可以使用工具302来调整可修改窗口212的第二y轴的标度216，从而增加或减小由可修改窗口212限定的关注区域内的振动频谱峰值的幅度。例如，用户可以通过点击工具302的向上箭头，或者通过在鼠标的滚轮上向上滚动，逐渐减小可修改窗口212的标度216(步骤514)。处理器106检测第二y轴标度的变化，并且在可修改窗口212内重新缩放振动频谱的振幅以反映该变化(步骤516)。在一个实施方案中，处理器106实现自动测距功能，以根据可修改窗口212内最大振幅峰值的振幅变化来自动调整第二y轴的标度216，其中这些变化是由于可修改窗口212在频谱图表108内的移动或者由于测量的振动数据的变化引起的。
在图3的示例中，第二y轴的标度已经被放大(与图2中的图表的标度相比，标度减小)，并且振动频谱已经被重新缩放(放大)以符合变化。在优选实施方案中，处理器106还自动更新第二y轴的标度216中列出的幅度值以符合变化。例如，第二y轴的标度216已经从0至0.010(图2)减小到0至0.00250(图3)。
在优选实施方案中，用户可以选择要在可修改窗口212内绘制的第二变量，该第二变量不同于在频谱图表的其余部分中绘制的第一变量(步骤518)。例如，如图4所示，在可修改窗口212内绘制的第二变量可以选择为速度，而在频谱图表108的其余部分内绘制的第一变量可以是加速度。在一些实施方案中，使用显示在用户界面112内某处的下拉菜单来完成第二变量的选择。例如，下拉菜单可以为第二变量提供位移、速度和加速度选项。
在选择第二变量时，处理器106优选地应用传递函数，以在由可修改窗口212限定的频率范围内将振动频谱从第一变量转换为第二变量。基于第一变量和第二变量选择传递函数。例如，加速度最初可以绘制在频谱图表108中，包括在如图3所示的可修改窗口212内。用户可以选择第二变量作为要在可修改窗口212中绘制的速度(图4)。处理器106然后使用积分传递函数以将加速度转换成速度，并且相应地更新可修改窗口212内的图表(步骤516)。在优选实施方案中，在可修改窗口212内绘制的第二变量的频谱峰值与在频谱图表108的其余部分内绘制的第一变量的频谱峰值颜色不同。
此外，处理器106可以更新可修改窗口212的第二y轴的标签214和标度216，以符合从第一变量到第二变量的变化。例如，图4所示的第二y轴的标签214和标度216已经被更新以反映从加速度到速度的变化。
如图4所示，处理器106还可以生成传递函数410的图表，该图表将与振动频谱和可修改窗口212一起显示(步骤518)。在优选实施方案中，处理器106可以以不同于第一变量和第二变量的颜色或线条样式的颜色或线条样式绘制传递函数410。用于传递函数的幅度的第三y轴412也可以由处理器106生成，并且包括独立于第一y轴和第二y轴的标签和标度的标签和标度。如图4所示，第三y轴412可以标记为“传递函数”，并且包括用于所选传递函数的适当标度。
出于说明和描述的目的，已经呈现了本发明优选实施方案的前述描述。它们并不旨在穷举或将本发明限制在所公开的精确形式。根据以上教导，明显的修改或变化是可能的。选择和描述这些实施方案致力于提供本发明的原理及其实际应用的最佳说明，从而使本领域普通技术人员能够在各种实施方案中利用本发明，并且进行各种修改以适合预期的特定用途。在根据所附权利要求被公平、合法和公正地赋予的宽度进行解释时，所有这些修改和变化都在由所附权利要求确定的本发明的范围内。

Claims (22)

1.一种用于分析与机器状态监测相关联的振动频谱的装置，其特征在于，所述装置包括：
一个或多个振动传感器，配置为收集机器振动数据；以及
处理器，与所述一个或多个振动传感器通信地耦合，并且配置为：
-对所述机器振动数据执行快速傅立叶变换，以生成振动频谱，所述振动频谱将第一变量的振幅定义为频率的函数；
-生成所述振动频谱的频谱图表以在显示设备上显示，所述频谱图表具有表示频率的x轴和表示第一变量的振幅的第一y轴；
-在所述频谱图表内生成可修改窗口，所述可修改窗口参照第二y轴显示所述振动频谱的至少一部分；以及
-从用户界面设备接收输入，所述输入指定所述可修改窗口沿着所述频谱图表的x轴的位置的变化和所述第二y轴的标度的变化中的一个或两个变化。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述频谱图表的第一y轴包括第一标签和第一标度，并且所述可修改窗口的第二y轴包括第二标签和第二标度。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述第一标签和第一标度不同于所述第二标签和第二标度。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述处理器进一步配置为：
-生成所述可修改窗口，所述可修改窗口具有对应于所述x轴上的第一频率的前沿和对应于所述x轴上的第二频率的后沿；
-从所述用户界面设备接收输入，所述输入指定所述前沿沿着x轴的位置移动和所述后沿沿着x轴的位置移动中的一个或两个位置移动；以及
-重新生成所述可修改窗口，所述可修改窗口具有所述前沿和后沿中根据由来自所述用户界面的输入所指定的一个或多个移动被重新定位的一个或两个。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述处理器进一步配置为：
-从所述用户界面设备接收输入，所述输入指定所述第二y轴的标度的变化；以及
-重新生成所述可修改窗口，所述可修改窗口具有如自所述用户界面的输入所指定的改变的第二y轴的标度。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述处理器进一步配置为：
-从所述用户界面设备接收输入，所述输入指定要在所述可修改窗口内绘制的第二变量而不是所述第一变量；以及
-重新生成可修改窗口以显示作为频率的函数的所述第二变量的频谱图表。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，通过在由所述可修改窗口限定的频率范围内将传递函数应用于所述第一变量来生成所述第二变量的频谱图表。
8.根据权利要求6所述的装置，其中，所述处理器进一步配置为更新所述第二y轴的标签和标度，以与所述第二变量一致。
9.根据权利要求7所述的装置，其中，所述处理器进一步配置为生成所述传递函数的图表，所述图表应用于生成所述第二变量的频谱图表。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述处理器进一步配置为从所述用户界面设备接收输入，所述输入指示所述第一变量的选择为位移、速度或加速度。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述处理器进一步配置为：
-生成振动频谱的第一颜色的频谱图表；以及
-生成不同于所述第一颜色的第二颜色的所述可修改窗口。
12.一种用于分析与机器状态监测相关联的振动频谱的方法，其特征在于，所述方法包括：
(a)从一个或多个振动传感器处收集机器振动数据；
(b)对所述机器振动数据执行快速傅立叶变换以生成振动频谱，所述振动频谱将第一变量的振幅定义为频率的函数；
(c)生成所述振动频谱的频谱图表以显示在显示设备上，所述频谱图表具有表示频率的x轴和表示所述第一变量的振幅的第一y轴；
(d)在所述频谱图表内生成可修改窗口，所述可修改窗口参照第二y轴显示所述振动频谱的至少一部分；以及
(e)从用户界面设备接收输入，所述输入指定所述可修改窗口沿着频谱图表的x轴的位置的变化和第二y轴的标度的变化中的一个或两个变化。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述频谱图表的第一y轴包括第一标签和第一标度，并且所述可修改窗口的第二y轴包括第二标签和第二标度。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一标签和第一标度不同于所述第二标签和第二标度。
15.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：
步骤(d)包括生成所述可修改窗口，所述可修改窗口具有对应于所述x轴的第一频率的前沿和对应于所述x轴的第二频率的后沿；
步骤(e)包括从所述用户界面设备接收所述输入，所述输入指定所述前沿沿着x轴的位置移动和所述后沿沿着x轴的位置移动中的一个或两个位置移动；以及
步骤(f)重新生成所述可修改窗口，所述可修改窗口具有所述前沿和后沿中根据由来自所述用户界面的输入所指定的一个或多个移动被重新定位的一个或两个。
16.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：
步骤(e)包括从所述用户界面设备接收输入，所述输入指定所述第二y轴的标度的变化；以及
步骤(f)重新生成所述可修改窗口，所述可修改窗口具有所述第二y轴的如来自所述用户界面的输入所指定的改变的标度。
17.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：
步骤(f)从所述用户界面设备接收输入，所述输入指定要在所述可修改窗口内绘制的第二变量而不是所述第一变量的输入；以及
步骤(g)重新生成所述可修改窗口以显示作为频率的函数的所述第二变量的频谱图表。
18.根据权利要求17所述的方法，其中步骤(g)包括在由所述可修改窗口限定的频率范围内将传递函数应用于所述第一变量。
19.根据权利要求17所述的方法，进一步包括更新所述第二y轴的标签和标度以与所述第二变量一致。
20.根据权利要求18所述的方法，进一步包括生成所述传递函数的图表，所述图表应用于生成所述第二变量的频谱图表。
21.根据权利要求12所述的方法，进一步包括从所述用户界面设备接收输入，所述输入指示所述第一变量的选择为位移、速度或加速度。
22.根据权利要求12所述的方法，其中：
步骤(c)包括生成所述振动频谱的第一颜色的频谱图表；以及
步骤(d)包括生成不同于所述第一颜色的第二颜色的所述可修改窗口。
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