CN113738632B - 用于测量液压泵转速的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量液压泵转速的方法，包括：通过声音采集装置采集液压泵转动时的声音以获得声音信号；对该声音信号进行时频分析以获得该声音信号的频率；基于该声音信号的频率来确定该液压泵的转速。

Description

用于测量液压泵转速的方法和系统

技术领域

本发明涉及液压系统，具体涉及一种用于测量液压泵转速的方法和系统。

背景技术

在液压系统试验及数据分析过程中，经常需要了解液压泵转速的变化。液压泵转速测量通常采用加装转速传感器的形式。转速传感器按其工作原理可大致分为激光式、磁电式、电容式、变磁阻式等几种类型。然而，由于有些液压泵安装空间狭小、自身结构特殊等原因，不适宜加装转速传感器。依据现有技术，此类液压泵的转速无法测量。

针对现有液压泵转速测量方法的不足，期望提供一种改进的用于测量液压泵转速的方法和系统。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在标识出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以作为稍后给出的更详细描述之序言。

本发明提供了一种用于测量液压泵转速的方法，包括：通过声音采集装置采集液压泵转动时的声音以获得声音信号；对声音信号进行时频分析以获得声音信号的频率；基于声音信号的频率来确定液压泵的转速。

在一些实施例中，通过声音采集装置采集液压泵转动时的声音进一步包括：在距液压泵0.5m至5m范围内的位置通过声音采集装置采集液压泵转动时的声音。

在一些实施例中，声音采集装置具有初始采样率，并且该方法进一步包括：根据所采集的声音信号来确定初始采样率是否符合阈值，其中符合阈值表示高于采样率下限且低于采样率上限；如果确定初始采样率高于采样率上限，则以符合阈值的第一采样率对声音信号进行下采样；以及如果确定初始采样率低于采样率下限，则提示以符合阈值的第二采样率重新采集液压泵转动时的声音或者以符合阈值的第三采样率对声音信号进行上采样。

在一些实施例中，对声音信号进行时频分析包括：对声音信号进行短时傅里叶变换。

在一些实施例中，该方法进一步包括：在对声音信号进行时频分析之前，对该声音信号进行降噪处理。

在一些实施例中，基于声音信号的频率来确定液压泵的转速进一步包括基于下式来确定液压泵的转速：

n＝60f/p

其中，n为液压泵的转速，f为声音信号的频率，p为液压泵的驱动电机极对数。

本发明还提供了一种用于测量液压泵转速的系统，包括：声音采集单元，其被配置成采集液压泵转动时的声音以获得声音信号；信号分析单元，其被配置成对声音信号进行时频分析以获得声音信号的频率；转速确定单元，其被配置成基于声音信号的频率来确定液压泵的转速。

在一些实施例中，声音采集单元被进一步配置成：在距液压泵0.5m至5m范围内的位置采集液压泵转动时的声音。

在一些实施例中，声音采集单元具有初始采样率，并且该系统进一步包括采样率调整单元，其被配置成：根据所采集的声音信号来确定初始采样率是否符合阈值，其中符合阈值表示高于采样率下限且低于采样率上限；如果确定初始采样率高于采样率上限，则以符合阈值的第一采样率对声音信号进行下采样；以及如果确定初始采样率低于采样率下限，则提示以符合阈值的第二采样率重新采集液压泵转动时的声音或者以符合阈值的第三采样率对声音信号进行上采样。

在一些实施例中，对声音信号进行时频分析包括：对声音信号进行短时傅里叶变换。

在一些实施例中，该系统进一步包括降噪单元，其被配置成：在对声音信号进行时频分析之前，对声音信号进行降噪处理。

在一些实施例中，转速确定单元被进一步配置成基于下式来确定液压泵的转速：

n＝60f/p

其中，n为液压泵的转速，f为声音信号的频率，p为液压泵的驱动电机极对数。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其存储计算机程序，该计算机程序能被处理器执行以执行前述用于测量液压泵转速的方法。

本发明提出的液压泵转速测量方法无需加装转速传感器，通过对液压泵工作时声音的采集、分析，计算得到液压泵转速。本方法不受液压泵安装空间、设备自身结构的限制，且无需拆装液压泵及周边管路，可方便快捷、经济实惠、切实准确地实现液压泵转速测量。

附图说明

结合附图理解下面阐述的详细描述时，本发明的特征、本质和优点将变得更加明显。在附图中，相同附图标记始终作相应标识。要注意，所描述的附图只是示意性的并且是非限制性的。在附图中，一些部件的尺寸可放大并且出于解说性的目的不按比例绘制。

图1示出了本发明的用于测量液压泵转速的方法的流程图。

图2示出了本发明的用于测量液压泵转速的系统的框图。

图3示出了包括本发明的用于测量液压泵转速的系统的设备框图。

图4示出了在液压泵运转平稳的情况下使用本发明的方法获得的频率-时间曲线的示意图。

图5示出了在液压泵运转不平稳的情况下使用本发明的方法获得的频率-时间曲线的示意图。

图6A和图6B示出了使用本发明的方法来测量液压泵转速的示例性试验结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图对本发明进一步详细说明。在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以提供对所描述的示例性实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实践所描述的实施例。在其它示例性实施例中，没有详细描述公知的结构，以避免不必要地模糊本公开的概念。应当理解，本文所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。同时，在不冲突的情况下，实施例所描述的各个方面可以任意组合。

常规的液压泵转速测量方法通常需要加装转速传感器，容易受到液压泵安装空间和设备结构的限制。

本发明的液压泵转速测量方法通过液压泵工作声音计算分析得到频率、转速，无需额外加装转速传感器，解决了由于安装空间、设备自身结构限制而无法加装转速传感器的液压泵的转速测量问题。

图1示出了本发明的用于测量液压泵转速的方法100的流程图。其中虚线框中的步骤可以是可任选的。

方法100开始于102，在102处，通过声音采集装置采集液压泵转动时的声音以获得声音信号。例如，可以通过具有录音功能的手机、计算机、录音笔等装置来进行声音采集。

对液压泵的声音采集应尽量在液压泵附近进行，并且尽量避免环境噪声。在一些实施例中，可以在距液压泵0.5m至5m范围内的位置通过声音采集装置进行声音采集。优选地，可以在距液压泵约1m的位置进行声音采集。

在104处，确定声音采集装置的初始采样率是否符合阈值，其中符合阈值表示高于采样率下限且低于采样率上限。如果初始采样率符合阈值(在104处为“是”)，则方法100行进至步骤114。如果初始采样率不符合阈值，则确定初始采样率是高于采样率上限还是低于采样率下限。如果确定初始采样率高于采样率上限(在106处为“是”)，则以符合阈值的第一采样率对声音信号进行下采样(108)。如果确定初始采样率低于采样率下限(在110处为“是”)，则提示以符合阈值的第二采样率对声音信号进行重新采样或者以符合阈值的第三采样率对声音信号进行上采样(112)。在各个实施例中，第一采样率、第二采样率和第三采样率可以相同，也可以不同。

举例而言，在实际转速测量过程中，如果声音采集装置的初始采样率过高，则所采集的数据点太多，为后续分析和处理带来较大计算负担。如果采样率过低，则所采集的数据点太少，从而降低了后续分析和处理的准确性和可靠性。为此，可以基于后续分析和处理设备的性能来设置采样率上限和采样率下限。如果初始采样率高于采样率上限，则后续设备将没有足够的性能对所采集的声音信号进行分析和处理。当初始采样率高于采样率上限时，可以对声音信号进行下采样(以低于采样率上限且高于采样率下限的采样率进行下采样)。如果初始采样率低于采样率下限，则可以提示用户以高于该采样率下限(且低于采样率上限)的采样率重新采集液压泵的声音信号。对于具有多个采样率的声音采集装置，可以选择这些采样率中满足上述采样率条件的采样率进行声音重新采集。如果声音采集装置的最高采样率低于采样率下限，则可以改用满足上述采样率条件的另一声音采集装置进行声音重新采集。在替换方案中，如果初始采样率低于采样率下限，还可以通过对声音信号进行上采样(例如，通过内插)来提高采样率，使其高于采样率下限且低于采样率上限。应注意，如果初始采样率过低，则采集到的声音可能无法体现原有声音的细节部分。在这种情况下，虽然可以通过对声音进行处理(例如，上采样)来增加采样率，但并不会对细节部分有所助益。因此，在初始采样率低于采样率下限的情况下，如果期望尽可能体现原有声音的细节，则优选地采用重新采集声音信号的方案。

随后，在114处，对声音信号进行降噪处理。例如，可以通过滤波器对声音信号进行降噪处理以滤除背景噪声。

在116处，对声音信号进行时频分析以获得声音信号的频率。

在一些实施例中，可以对声音信号进行短时傅里叶变换以得到声音信号的时频谱(频率-时间曲线)，并基于时频谱获得声音信号在各个时间处的频率。短时傅里叶变换的数学定义如下：

其中s(t)为声音信号，γ(t)为窗函数(例如，方形窗函数、三角形窗函数、高斯函数等)。

在118处，基于声音信号的频率来确定液压泵的转速。具体而言，可以通过下式来确定液压泵的转速：

n＝60f/p

其中n为液压泵的转速，f为声音信号的频率，p为液压泵的驱动电机极对数。

图2示出了本发明的用于测量液压泵转速的系统200的框图。

如图2所示，系统200可以包括声音采集单元202、信号分析单元204、转速确定单元206、采样率调整单元208、以及降噪单元210。这些单元中的每一者可在一条或多条总线212上直接或间接地彼此连接或通信。

在本发明的各实施例中，声音采集单元202可被配置成采集液压泵转动时的声音以获得声音信号。在一些实施例中，声音采集单元202可被进一步配置成在距液压泵0.5m至5m范围内的位置采集液压泵转动时的声音。

信号分析单元204可被配置成对声音信号进行时频分析以获得声音信号的频率。在一些实施例中，对声音信号进行时频分析包括对该声音信号进行短时傅里叶变换。

转速确定单元206可被配置成基于声音信号的频率来确定液压泵的转速。在一些实施例中，转速确定单元206可被进一步配置成基于下式来确定液压泵的转速：

n＝60f/p

其中n为液压泵的转速，f为声音信号的频率，p为液压泵的驱动电机极对数。

在一些实施例中，声音采集单元202具有初始采样率，并且采样率调整单元208可被配置成：根据所采集的声音信号来确定初始采样率是否符合阈值，其中符合阈值表示高于采样率下限且低于采样率上限；如果确定初始采样率高于采样率上限，则以符合阈值的第一采样率对声音信号进行下采样；以及如果确定初始采样率低于采样率下限，则提示以符合阈值的第二采样率重新采集液压泵转动时的声音或者以符合阈值的第三采样率对声音信号进行上采样。

降噪单元210可被配置成：在对声音信号进行时频分析之前，对声音信号进行降噪处理。例如，可以通过滤波器对声音信号进行降噪处理以滤除背景噪声。

虽然图2中示出了系统200的特定单元，但应理解，这些单元仅是示例性的而非限制性的。在不同的实现中，可以组合、拆分、移除这些单元中的一个或多个单元，或者添加另外的单元。例如，在一些实现中，声音采集单元202和采样率调整单元208可以被合并成单个单元。在一些实现中，系统200可以包括输出单元(图中未示出)以输出所确定的液压泵转速(例如，输出至显示设备)。

图3示出了包括本发明的用于测量液压泵转速的系统的设备300的框图。

该设备示出了一般硬件环境，可在其中根据本发明的示例性实施例应用本发明。

现在将参照图3描述设备300，其是可以应用于本发明的各方面的硬件设备的示例性实施例。设备300可以是被配置为执行处理和/或计算的任何机器，可以是但不限于工作站、服务器、台式计算机、膝上型计算机、平板计算机、个人数字助理(PDA)、智能电话、或其任何组合。上述系统可以全部或至少部分地由设备300或类似设备或系统实现。

设备300可包括可以经由一个或多个接口与总线312连接或与总线312通信的组件。例如，设备300可包括总线312、处理器302、存储器304、输入设备308、以及输出设备310等等。

处理器302可以是任何类型的处理器，并且可包括但不限于通用处理器和/或专用处理器(例如特殊处理芯片)、智能硬件设备(例如，通用处理器、DSP、CPU、微控制器、ASIC、FPGA、可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑组件、分立的硬件组件、或其任何组合)。在一些情形中，处理器302可被配置成使用存储器控制器来操作存储器阵列。在其他情形中，存储器控制器(未示出)可被集成到处理器302中。处理器302可以负责管理总线和一般性处理，包括执行存储在存储器上的软件。处理器302还可以被配置成执行本文中所描述的与测量液压泵转速相关的各种功能。例如，处理器302可被配置成：通过声音采集装置采集液压泵转动时的声音以获得声音信号；对声音信号进行时频分析以获得声音信号的频率；以及基于声音信号的频率来确定液压泵的转速。

存储器304可以是可实现数据存储的任何存储设备。存储器304可包括但不限于磁盘驱动器、光学存储设备、固态存储器、软盘、软盘、硬盘、磁带或任何其他磁介质、光盘或任何其他光学介质、ROM(只读存储器)、RAM(随机存取存储器)、高速缓冲存储器和/或任何其他存储器芯片或盒、和/或计算机可从其读取数据、指令和/或代码的任何其他介质。存储器304可存储包括计算机可读指令的计算机可执行软件306，这些指令在被执行时使得处理器执行本文中所描述的与测量液压泵转速相关的各种功能。

输入设备308可以是可以用于输入信息的任何类型的设备。

输出设备310可以是用于输出信息的任何类型的设备。在一种情形中，输出设备310可以是可显示信息的任何类型的输出设备。

图4示出了在液压泵运转平稳的情况下使用本发明的方法获得的频率-时间曲线400的示意图。

在图4的示例中，声音采集装置(例如，具有录音功能的手机)在液压泵附近(例如，距离液压泵约1m的位置)采集了时长为80秒(s)的声音信号，并且该时长覆盖了液压泵启动、稳定运转和停止的各个工作阶段。

在对声音信号进行短时傅里叶变换之后，可以得到如图4中所示的频率-时间曲线400。如曲线400所示，在约0-35s的时间段内，声音信号的频率从零开始逐渐增大，这对应于液压泵的启动阶段。在约35-45s的时间段内，声音信号的频率基本恒定(基本上稳定在350Hz)，这对应于液压泵的稳定运转阶段。在约45-80s的时间段内，声音信号的频率逐渐减小至零，这对应于液压泵的停止阶段。

基于频率-时间曲线400，可以得到在各个时间处声音信号的频率。从曲线400可以看到，在液压泵运转平稳(例如，液压泵未发生故障)的情况下，频率-时间曲线也相对平滑而没有大的波动。

虽然图4中示出了采集时长为80s的声音信号，并且覆盖液压泵启动、稳定运转和停止的各个工作阶段。但在不同实施例中，可以采集不同时长的声音信号，并且可以覆盖液压泵的不同工作阶段(例如，仅覆盖液压泵的稳定运转阶段)。此外，虽然图4中仅示出了对声音信号进行短时傅里叶变换，但在不同实现中，也可以采用其他时频分析法，例如小波变换、Wigner-Ville分布、广义S变换等等。

图5示出了在液压泵运转不平稳的情况下使用本发明的方法获得的频率-时间曲线500的示意图。

在图5的示例中，声音采集装置(例如，具有录音功能的手机)在液压泵附近(例如，距离液压泵约1m的位置)采集了时长为2.7分钟(min)(约162秒)的声音信号。同时，在声音采集过程中液压泵转速出现波动(例如，液压泵发生故障、人为动作引起液压泵转速发生变化等等)。

基于频率-时间曲线500，可以得到在各个时间处声音信号的频率。从曲线500可以看到，在液压泵运转不平稳的情况下，频率-时间曲线会出现较大波动。

在一些实施例中，可以通过频率-时间曲线的波动来判断液压泵是否发生故障。例如，如果基于频率-时间曲线检测到声音信号的频率在某个时间段(例如，5秒、10秒等等)内的波动小于预设阈值(例如，15Hz、20Hz等等)，则可以判断液压泵未发生故障。否则，如果检测到声音信号的频率在该时间段内的波动超过预设阈值，则可以判断液压泵发生故障。此时可以给出提示信息以提醒用户检查液压泵的工作状况。

图6A和图6B示出了使用本发明的方法来测量液压泵转速的示例性试验结果。

在试验中，将液压泵的工作转速设定为2345rpm(即，实际转速)。

采用本发明的液压泵转速测量方法，用声音采集装置(例如，具有录音功能的手机)在液压泵附近(例如，距离液压泵约1m的位置)采集时长约为2.7min(约162s)的声音信号。

在对声音信号进行短时傅里叶变换之后，可以得到如图6A中所示的频率-时间曲线600。基于频率-时间曲线600，可以得到在各个时间处声音信号的频率。例如，从曲线600可以看到，在时间2.133min处测得的频率为351.6Hz。

在获得频率-时间曲线600之后，可以通过频率-转速转换公式得到如图6B中所示的转速-时间曲线(图6B中用虚线示出的曲线)。频率-转速转换公式如下：

n＝60f/p

其中n为液压泵的转速，f为声音信号的频率，p为液压泵的驱动电机极对数。

基于该转速-时间曲线，可以得到在各个时间处液压泵的实时转速。如图所示，使用本发明的方法，在时间2.133min处测得的液压泵转速为2345.5051rpm。

作为比较，图6B中还示出了采用转速传感器测得的液压泵转速(图6B中用实线示出的曲线)。所采用的转速传感器的采样率为10Hz，传感器的不确定度≤1％。在试验中，由转速传感器测得的液压泵稳定转速为2344.9274rpm。由此可见，本发明的液压泵转速测量方法能够较为准确地测量液压泵的转速，而无需加装额外的转速传感器。

以上结合附图阐述的详细说明描述了示例而不代表可被实现或者落在权利要求的范围内的所有示例。术语“示例”和“示例性”在本说明书中使用时意指“用作示例、实例或解说”，并不意指“优于或胜过其它示例”。

贯穿本说明书引述的“一个实施例”或“一实施例”意指结合该实施例描述的特定特征、结构或特性是包含在本发明的至少一个实施例中的。因此，这些短语的使用可以不仅仅指代一个实施例。此外，所描述的特征，结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。

提供之前的描述是为了使本领域任何技术人员均能够实践本文中所描述的各种方面。对这些方面的各种修改将容易为本领域技术人员所明白，并且在本文中所定义的普适原理可被应用于其他方面。因此，权利要求并非旨在被限定于本文中所示的方面，而是应被授予与语言上的权利要求相一致的全部范围，其中对要素的单数形式的引述除非特别声明，否则并非旨在表示“有且仅有一个”，而是“一个或多个”。除非特别另外声明，否则术语“一些”指的是一个或多个。本发明通篇描述的各个方面的要素为本领域普通技术人员当前或今后所知的所有结构上和功能上的等效方案通过引述被明确纳入于此，且旨在被权利要求所涵盖。

还应注意，这些实施例可能是作为被描绘为流程图、流图、结构图、或框图的过程来描述的。尽管流程图可能会把诸操作描述为顺序过程，但是这些操作中有许多操作能够并行或并发地执行。另外，这些操作的次序可被重新安排。

虽然已经说明和描述了各种实施例，但是应该理解，实施例不限于上述精确配置和组件。可以在本文公开的设备的布置、操作和细节上作出对本领域技术人员显而易见的各种修改、替换和改进而不脱离权利要求的范围。

Claims (11)

1.一种用于测量液压泵转速的方法，包括：

通过声音采集装置采集所述液压泵转动时的声音以获得声音信号；

对所述声音信号进行时频分析以获得所述声音信号的频率；

基于所述声音信号的频率来确定所述液压泵的转速，

其中所述声音采集装置具有初始采样率，并且所述方法进一步包括：

根据所采集的声音信号来确定所述初始采样率是否符合阈值，其中符合所述阈值表示高于采样率下限且低于采样率上限；

如果确定所述初始采样率高于所述采样率上限，则以符合所述阈值的第一采样率对所述声音信号进行下采样；以及

如果确定所述初始采样率低于所述采样率下限，则提示以符合所述阈值的第二采样率重新采集所述液压泵转动时的声音或者以符合所述阈值的第三采样率对所述声音信号进行上采样。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过所述声音采集装置采集所述液压泵转动时的声音进一步包括：

在距所述液压泵0.5m至5m范围内的位置通过所述声音采集装置采集所述液压泵转动时的声音。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述声音信号进行时频分析包括：对所述声音信号进行短时傅里叶变换。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：在对所述声音信号进行所述时频分析之前，对所述声音信号进行降噪处理。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述声音信号的频率来确定所述液压泵的转速进一步包括基于下式来确定所述液压泵的转速：

n＝60f/p

其中，n为所述液压泵的转速，f为所述声音信号的频率，p为所述液压泵的驱动电机极对数。

6.一种用于测量液压泵转速的系统，包括：

声音采集单元，其被配置成采集所述液压泵转动时的声音以获得声音信号；

信号分析单元，其被配置成对所述声音信号进行时频分析以获得所述声音信号的频率；

转速确定单元，其被配置成基于所述声音信号的频率来确定所述液压泵的转速，

其中所述声音采集单元具有初始采样率，并且所述系统进一步包括采样率调整单元，其被配置成：

根据所采集的声音信号来确定所述初始采样率是否符合阈值，其中符合所述阈值表示高于采样率下限且低于采样率上限；

如果确定所述初始采样率高于所述采样率上限，则以符合所述阈值的第一采样率对所述声音信号进行下采样；以及

如果确定所述初始采样率低于所述采样率下限，则提示以符合所述阈值的第二采样率重新采集所述液压泵转动时的声音或者以符合所述阈值的第三采样率对所述声音信号进行上采样。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述声音采集单元被进一步配置成：在距所述液压泵0.5m至5m范围内的位置采集所述液压泵转动时的声音。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，对所述声音信号进行时频分析包括：对所述声音信号进行短时傅里叶变换。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，进一步包括降噪单元，其被配置成：在对所述声音信号进行所述时频分析之前，对所述声音信号进行降噪处理。

10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述转速确定单元被进一步配置成基于下式来确定所述液压泵的转速：

n＝60f/p

其中，n为所述液压泵的转速，f为所述声音信号的频率，p为所述液压泵的驱动电机极对数。

11.一种计算机可读存储介质，其存储计算机程序，所述计算机程序能被处理器执行以执行如权利要求1-5中任一项所述的方法。

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