CN114858429B - 一种旋转机械振动信号等角度采样方法及阶比跟踪分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种旋转机械振动信号等角度采样方法及阶比跟踪分析方法，包括：接收旋转机械的键相脉冲信号，计算旋转机械的实时角速度；根据实时角速度确定旋转机械在下一个旋转周期中依次转过各预设等角度间隔到达各等角度采样点的时刻值序列，进而确定相邻等角度采样点之间的定时器计数值序列；利用定时器进行定时采样，在每次定时器计数值溢出时进行振动信号采样，并将定时器计数值更新为定时器计数值序列中的下一个定时器计数值，得到等角度振动信号采样序列；然后可基于等角度振动信号采样序列进行旋转机械阶比分析。本发明能够适用于转动惯量较大的旋转机械，等角度采样时间准确，可以获取精确的时域、频域分析结果。

Description

一种旋转机械振动信号等角度采样方法及阶比跟踪分析方法

技术领域

本发明涉及旋转机械运行分析技术领域，特别是一种旋转机械振动信号等角度采样方法及阶比跟踪分析方法，能够实现对旋转机械非平稳振动信号的变频采样及分析。

背景技术

旋转机械转子作为大型旋转机械中关键设备主体，是故障高发部位，识别、诊断转子故障有重要意义。目前转子故障识别诊断主要基于稳态振动特征，尚未充分利用升、降速过程振动信息。起停车过程振动信号相当于宽频激励的动态响应，较稳态转速的振动信息包含信息更丰富，但起停车过程中由于转速不断变化，信号为非平稳信号。传统的起停车分析将非平稳过程视为短时窗内的平稳信号，利用短时傅里叶变换及内插技术求出各时窗内信号幅值、频率及相位，会造成FFT平均效应，即对一段频率或幅值非恒定信号用FFT求频率幅值相位时会产生频率模糊、幅值相位失真现象。

振动分析法是对旋转类机械系统进行结构、故障分析和状态监测最为广泛、也是最行之有效的方法。阶比跟踪分析是振动分析法的一种，其技术核心在于获得相对参考轴的恒定角增量采样数据，即实现等角度采样。这在实施上需要能准确获得等角度采样的时刻及相应的基准转速(或频率)。目前主要使用的阶比跟踪算法主要有硬件阶比跟踪和计算阶比跟踪两种，还存在以下缺点：

1、使用转速计触发采样的硬件阶比跟踪算法，由每转一次的转速脉冲经锁相倍频产生触发脉冲，模数变换器在这些触发脉冲的控制下进行采样。锁相倍频电路的原理基础是假定相邻的转速计脉冲之间的速度为匀速，不适用于非匀速旋转机械振动信号的等角度采集，而旋转机械的起停车过程中是不断加速或减速的过程，因此采用该方式会产生较大的误差；

2、使用编码器直接触发采样的硬件阶比跟踪算法，其原理是根据等角度采样率定制专用的编码器用于产生阶比分析的所需的采样触发脉冲。原则上讲，基于编码器直接触发采样没有误差，可以被认为是理想的方法。但是由于这种方法需要定制专用的编码器安装在转轴上，使得这一技术在使用上不是太方便，不便于大规模推广；

3、采用过采样插值进行等角度重采样方法的计算阶比跟踪分析，具有较高的准确性，但是这种方法仍然存在较大的限制和误差，键相脉冲的到达时间决定了重采样时刻的精度，插值方法及模型的精度决定了重采样的幅值精度。插值方法一般有三种方式，线性拟合、三次多项式拟合及三次样条插值拟合，每种拟合方式都有优缺点，其中线性拟合在低速时采样点数多，拟合噪声小，但当接近奈奎斯特频率时采样点数少，噪声增加，拟合效果较差；三次多项式拟合对系数比较敏感；三次样条插值拟合一般能得到较好的效果，但是效率不高。而在高速采样条件下(如信号滤波截止频率的16倍以上)，最简单的线性插值就可以取得较好的效果，因此计算阶比跟踪分析要想取得较好的效果对于系统采样率及计算效率都有较高的要求，这在一定程度上增加了使用成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种旋转机械振动信号等角度采样方法及阶比跟踪分析方法，能够适用于转动惯量较大的旋转机械，进行振动信号的等角度采样及阶比分析，等角度采样时间准确，进而可以获取精确的时域、频域分析结果。本发明采用的技术方案如下。

一方面，本发明提供一种旋转机械振动信号等角度采样方法，包括：

接收旋转机械的键相脉冲信号；

响应于接收到所述键相脉冲信号，根据键相脉冲信号计算旋转机械的实时角速度；

根据实时角速度确定旋转机械在下一个旋转周期中依次转过各预设等角度间隔到达各等角度采样点的时刻值序列，根据该时刻值序列确定下一旋转周期内所有相邻等角度采样点之间的定时器计数值序列；

在新的旋转周期内，按照当前旋转周期对应的定时器计数值序列顺序，利用定时器进行定时采样：在每次定时器计数值溢出时，将定时器计数值更新为定时器计数值序列中的下一个定时器计数值，以及对旋转机械振动信号进行采样，得到对应各等角度采样点的旋转机械振动信号；

按时间顺序汇总对应各等角度采样点的旋转机械振动信号，得到等角度振动信号采样序列。

本发明上述技术方案旨在对旋转机械阶比分析所需振动信号的采样过程进行优化，通过跟踪旋转机械的转速，使得振动信号的采样点能够自适应旋转机械的转速，采样结果不受旋转机械升降速过程非匀速的影响，可获得准确的等转角振动信号采样序列，从而可保证旋转机械阶比分析中时域、频域分析的精确性。基于本发明等角度振动信号序列，可进行峰峰值、有效值等时域特征分析及快速傅里叶变换等阶比频域特征提取，本发明不予赘述。

可选的，所述键相脉冲信号为由预设的键相信号预处理电路单元对实时键相信号进行处理后的信号；

所述键相信号预处理单元包括依次设置的硬件限幅电路、整流电路、滤波电路、放大电路和滞回比较器；键相传感器输出的键相信号输入至硬件限幅电路的输入端，经硬件限幅电路、整流电路、滤波电路和放大电路后输出半波转速信号，滞回比较器将所述半波转速信号转换为键相脉冲信号。

以上技术方案中，硬件电路的组合以及滞回比较器的选用，能够提高键相脉冲信号对处理器脉冲捕捉中断程序的驱动能力，同时不影响旋转机械升降速过程中键相脉冲非匀速产生的特性，能够提升后续转速测量的精度。

可选的，方法还包括：在接收键相脉冲信号的同时进行计时，记录每次键相脉冲信号到达时刻的计时值；

所述根据键相脉冲信号计算旋转机械的实时角速度，通过以下公式计算：

式中，w为实时角速度，n₁、n₂分别为本次和上次键相脉冲到达时的计时值，f为计时频率。

可选的，根据实时角速度确定旋转机械在下一个旋转周期中依次转过各预设等角度间隔到达各等角度采样点的时刻值序列，包括：

根据实时角速度计算实时角速度的变化情况；

根据实时角速度的变化情况判断实时角速度是否合理：若合理则根据实时角速度计算旋转机械在下一个旋转周期中依次转过各预设等角度间隔到达各等角度采样点的时刻值；若不合理，则利用前两个键相脉冲信号对应的实时角速度数据，拟合计算得到当前实时角速度理论值，根据实时角速度理论值计算旋转机械在下一个旋转周期中依次转过各预设等角度间隔到达各等角度采样点的时刻值。

可选的，所述根据实时角速度的变化情况判断实时角速度是否合理，为：

判断当前实时角速度变化率与前两个键相脉冲信号所对应的实时角速度变化率，两者之间的差值是否超出设定的差值阈值；

或者，判断当前实时角速度变化率与当前时间之前多个键相脉冲信号所对应转速数据的实时角速度变化率均值，两者之间的差值是否超出设定的差值阈值；

或者，判断当前实时角速度变化率是否超出设定的实时角速度变化率阈值范围。

可选的，所述利用前两个键相脉冲信号对应的实时角速度数据，拟合计算得到当前实时角速度理论值，包括：

计算前两个键相脉冲信号所对应的实时角速度变化率；

根据前两个键相脉冲信号所对应的实时角速度变化率以及前一个键相脉冲信号对应的实时角速度数据，计算得到当前实时角速度理论值。

这种实施方式下，考虑了旋转机械在升降速过程中转速的变化率实质是基本相等的，假设由键相脉冲得到三个相邻的转速数据ω₁、ω₂、ω₃，则有：由此便可在ω₃不合理时，根据前两个键相脉冲对应的实时角速度数据ω₁、ω₂，得到修正后的ω₃，即当前实时角速度的理论值。

可选的，所述根据实时角速度计算实时角速度的变化情况为，计算实时角速度二阶差分，公式为：

△(△w)＝w₃-2w₂+w₁

式中，△(△w)表示实时角速度的二阶差分，w₃、w₂、w₁分别表示上上次、上次、本次接收到键相脉冲后计算得到的实时角速度；

所述根据实时角速度变化率判断实时角速度是否合理为：判断计算得到的实时角速度二阶差分是否在预设范围内，若在预设范围内则合理，否则不合理。

考虑到旋转机械在启动或关闭的过程中，其角速度的二阶差分接近一个恒定值，在正常运行过程中，其值为零。因此上述技术方案采用实时角速度的二阶差分来评价实时角速度的变化情况，即可判断实时角速度是否合理，进而也可以在实时角速度不合理时，由上一次计算的二阶差分拟合出合理的实时角速度，可保障最终计算的等角度采样时刻的准确性。

可选的，所述利用前两个键相脉冲信号对应的实时角速度数据，拟合计算得到当前实时角速度理论值w₁′，公式为：

w₁′＝△(△w)′+2w₂-w₃

式中，△(△w)′为前一次计算得到的实时角速度的二阶差分，w₂、w₃分别表示上次、上上次接收到键相脉冲后计算得到的实时角速度。

可选的，若实时角速度的二阶差分合理，所述根据实时角速度理论值计算旋转机械在下一个旋转周期中依次转过各预设等角度间隔到达各等角度采样点的时刻值，包括：

根据最近三次键相脉冲信号到达的时刻，拟合得到旋转机械累计转角与键相脉冲到达时刻点之间的关系曲线；

根据所述旋转机械累计转角与键相脉冲到达时刻点之间的关系曲线，计算下一个旋转周期中旋转机械转过每一个预设等角度间隔的时刻值；

其中，旋转机械累计转角与键相脉冲到达时刻点之间的关系曲线为：θ(t)＝b₀+b₁t+b₂t²；

在下一旋转周期中，旋转机械转过第i个预设角度间隔时的时刻值t_i根据以下公式计算：

式中，表示k个等角度间隔中每个角度间隔的角度；

各等角度间隔对应的定时器计数值为：n_i＝(t_i-t_i-1)*f′，n_i为第i个等角度间隔两端的两个等角度采样点之间的定时器计数值，f′为定时器定时频率。

可选的，所述所述根据最近三次键相脉冲信号到达的时刻，拟合得到旋转机械累计转角与键相脉冲到达时刻点之间的关系曲线，包括：

以上上次键相脉冲到达时刻作为零时刻基准点，确定最近三次键相脉冲到达时对应的旋转机械累计转角度数分别为0、2π、4π；

根据最近三次键相脉冲到达时的计时值，推定三次键相脉冲到达时刻分别为0、(n2-n3)*f、(n1-n3)*f，其中n₃、n₂、n₁分别为最近三次键相脉冲按时间先后依次到达时的计时值；

将最近三次键相脉冲到达时对应的旋转机械累计转角度数以及推定的相应脉冲到达时刻，代入关系曲线公式θ(t)＝b₀+b₁t+b₂t²，得到：

根据代入后的方程组计算得到系数b₀、b₁和b₂的值，确定关系曲线公式，该曲线拟合方式考虑了旋转机械在启动或关闭过程中转速的特点，能够根据拟合好的关系曲线公式得到旋转机械在下一旋转周期中到达各等角度采样点的准确时刻。

第二方面，本发明提供一种旋转机械振动信号等角度采样装置，包括：

键相脉冲信号接收模块，被配置用于接收旋转机械的键相脉冲信号；

角速度计算模块，被配置用于响应于接收到所述键相脉冲信号，根据键相脉冲信号计算旋转机械的实时角速度；

定时器计数值确定模块，被配置用于根据实时角速度确定旋转机械在下一个旋转周期中依次转过各预设等角度间隔到达各等角度采样点的时刻值序列，根据该时刻值序列确定下一旋转周期内所有相邻等角度采样点之间的定时器计数值序列；

振动信号等角度采样模块，被配置用于在新的旋转周期内，按照当前旋转周期对应的定时器计数值序列顺序，利用定时器进行定时采样：在每次定时器计数值溢出时，将定时器计数值更新为定时器计数值序列中的下一个定时器计数值，以及对旋转机械振动信号进行采样，得到对应各等角度采样点的旋转机械振动信号；

振动信号汇总模块，被配置用于按时间顺序汇总对应各等角度采样点的旋转机械振动信号，得到等角度振动信号采样序列。

可选的，所述定时器计数值确定模块根据实时角速度确定旋转机械在下一个旋转周期中依次转过各预设等角度间隔到达各等角度采样点的时刻值序列，包括：

根据实时角速度计算实时角速度的变化情况；

根据实时角速度的变化情况判断实时角速度是否合理：若合理则根据实时角速度计算旋转机械在下一个旋转周期中依次转过各预设等角度间隔到达各等角度采样点的时刻值；若不合理，则利用前两个键相脉冲信号对应的实时角速度数据，拟合计算得到当前实时角速度理论值，根据实时角速度理论值计算旋转机械在下一个旋转周期中依次转过各预设等角度间隔到达各等角度采样点的时刻值。

可选的，所述定时器计数值确定模块根据实时角速度计算实时角速度的变化情况为，计算实时角速度二阶差分，公式为：

△(△w)＝w₃-2w₂+w₁

式中，△(△w)表示实时角速度的二阶差分，w₃、w₂、w₁分别表示上上次、上次、本次接收到键相脉冲后计算得到的实时角速度；

所述根据实时角速度变化率判断实时角速度是否合理为：判断计算得到的实时角速度二阶差分是否在预设范围内，若在预设范围内则合理，否则不合理。

可选的，所述定时器计数值确定模块利用前两个键相脉冲信号对应的实时角速度数据，拟合计算得到当前实时角速度理论值w₁′，公式为：

w₁′＝△(△w)′+2w₂-w₃

式中，△(△w)′为前一次计算得到的实时角速度的二阶差分，w₂、w₃分别表示上次、上上次接收到键相脉冲后计算得到的实时角速度。

可选的，所述定时器计数值确定模块根据合理的实时角速度计算旋转机械在下一个旋转周期中依次转过各预设等角度间隔到达各等角度采样点的时刻值，包括：

根据最近三次键相脉冲信号到达的时刻，拟合得到旋转机械累计转角与键相脉冲到达时刻点之间的关系曲线；

根据所述旋转机械累计转角与键相脉冲到达时刻点之间的关系曲线，计算下一个旋转周期中旋转机械转过每一个预设等角度间隔的时刻值；

其中，旋转机械累计转角与键相脉冲到达时刻点之间的关系曲线为：θ(t)＝b₀+b₁t+b₂t²；

在下一旋转周期中，旋转机械转过第i个预设角度间隔时的时刻值t_i根据以下公式计算：

式中，表示k个等角度间隔中每个角度间隔的角度；

各等角度间隔对应的定时器计数值为：n_i＝(t_i-t_i-1)*f′，n_i为第i个等角度间隔两端的两个等角度采样点之间的定时器计数值，f′为定时器定时频率。

第三方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现如第一方面所述的旋转机械振动信号等角度采样方法。

第四方面，本发明提供一种旋转机械阶比跟踪分析方法，包括：

采用第一方面所述的旋转机械振动信号等角度采样方法对旋转机械在转动过程中的振动信号进行采样，得到等角度振动信号采样序列；

基于所述等角度振动信号采样序列对旋转机械进行阶比分析。

第五方面，本发明提供一种旋转机械阶比跟踪分析装置，其包括：

采样模块，被配置用于采用第一方面所述的旋转机械振动信号等角度采样方法，对旋转机械在转动过程中的振动信号进行采样，得到等角度振动信号采样序列；

分析模块，被配置用于基于所述等角度振动信号采样序列对旋转机械进行阶比分析。

第六方面，本发明提供另一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现如第四方面所述的旋转机械阶比跟踪分析方法。

有益效果

本发明提供了一种能够对旋转机械起停车过程进行信号分析的非平稳信号分析方法，能够实现对旋转机械非平稳振动信号的变频采样及分析，具体存在以下优点和进步：

本发明采用定时器与硬件键相脉冲捕捉器进行配合，根据键相脉冲信号计算实时角速度，进而根据实时角速度的变化推演下一旋转周期各角度间隔对应的时刻，并根据时刻值确定定时器的重载值序列，从而在下一旋转周期内按照定时器重载值序列进行相应时间段的振动信号采样，即可实现对旋转机械振动信号的变频等角度采样。本发明既能够解决传统硬件阶比跟踪使用不方便、精度不高的缺点，又解决了计算阶比跟踪采样率高、运算量大及插值模型存在误差的缺点；

同时，本发明对实时角速度进行合理性判断，以及在实时角速度不合理时根据实时角速度变化反推实时角速度理论值的机制，可避免数据采集计算过程可能出现的误差，确保下一旋转周期中各角度间隔对应的时刻点准确性，从而保障按照重载定时器计数值序列进行采样能够得到可靠的等角度振动信号序列。

附图说明

图1所示为本发明旋转机械振动信号等角度采样方法的一种实施例流程示意图；

图2所示为本发明旋转机械振动信号等角度采样方法的一种实施例中的捕捉器中断流程示意图；

图3所示为本发明旋转机械振动信号等角度采样方法的一种实施例中的定时器中断流程示意图；

图4所示为本发明旋转机械振动信号等角度采样方法的一种实施例中的主程序流程示意图；

图5所示为本发明旋转机械振动信号等角度采样方法的一种实施例中的主程序、捕捉器中断程序与定时器中断程序三者之间的流程交互示意图。

具体实施方式

本发明的技术构思为：基于计算阶比跟踪中使用转速脉冲来预估转速并计算振动信号等角度采样时间序列的思想，采用硬件捕捉器捕捉键相脉冲，计算实时转速，并进行转速预估，采用定时器在预估的等角度采样时间点进行振动信号采样，该变采样率(等角度)采样采集的振动信号可以近似为平稳信号，使用离散傅里叶变换的快速算法就可以获得阶比谱。

以下结合附图和具体实施例进一步描述。

实施例1

本实施例介绍一种旋转机械振动信号等角度采样方法，包括：

接收旋转机械的键相脉冲信号，响应于接收到所述键相脉冲信号，根据键相脉冲信号计算旋转机械的实时角速度；

根据实时角速度确定旋转机械在下一个旋转周期中依次转过各预设等角度间隔到达各等角度采样点的时刻值序列，根据该时刻值序列确定下一旋转周期内所有相邻等角度采样点之间的定时器计数值序列；

在新的旋转周期内，按照当前旋转周期对应的定时器计数值序列顺序，利用定时器进行定时采样：在每次定时器计数值溢出时，将定时器计数值更新为定时器计数值序列中的下一个定时器计数值，以及对旋转机械振动信号进行采样，得到对应各等角度采样点的旋转机械振动信号；

按时间顺序汇总对应各等角度采样点的旋转机械振动信号，得到等角度振动信号采样序列。

参考图1所示，本实施例具体涉及以下内容。

一、键相脉冲信号的获取

本实施例中，方法所接收到的键相脉冲信号为由预设的键相信号预处理电路单元对键相传感器发出的实时键相信号进行处理后的信号；

所述键相信号预处理单元包括依次设置的硬件限幅电路、整流电路、滤波电路、放大电路和滞回比较器；键相传感器输出的键相信号输入至硬件限幅电路的输入端，经硬件限幅电路、整流电路、滤波电路和放大电路后输出半波转速信号，滞回比较器将所述半波转速信号转换为键相脉冲信号。本实施例中，硬件电路的组合以及滞回比较器的选用，能够提高键相脉冲信号对处理器脉冲捕捉中断程序的驱动能力，同时不影响旋转机械升降速过程中键相脉冲非匀速产生的特性，能够提升后续转速测量的精度。

在应用时，本实施例执行等角度采样方法的处理器内部，设置捕捉器中断程序实现键相脉冲信号的获取判断，参考图2所示，当捕捉器中断程序捕捉到键相脉冲信号到达信息，则根据键相脉冲信号进行实时角速度的计算，以及后续定时器计数值序列的计算，计算完毕后等待下一次键相脉冲信号触发捕捉器中断程序。

二、根据键相脉冲信号计算旋转机械的实时角速度

根据键相脉冲信号计算实时角速度可采用现有技术。在本实施例中实时角速度的计算具体实现方式为：执行本发明方法的处理器如单片机等，通过自带的脉冲信号捕捉器捕捉键相脉冲信号，脉冲信号捕捉器自带计时器功能，计时频率已知；在脉冲信号捕捉器捕捉到键相脉冲信号时，记录计时器计数值，即计时值；实时角速度根据当前键相脉冲信号与上一次键相脉冲信号到达时刻的时差，结合键相脉冲信号捕捉器的计时频率和计时值进行计算，公式为：

式中，w为实时角速度，f为键相脉冲信号捕捉器的计时频率，n₁、n₂分别为本次和上次键相脉冲到达时键相脉冲信号捕捉器的计时值。

三、判断实时角速度否合理并确定合理的实时角速度

实时角速度是否合理可根据实时角速度的变化情况来判断，可采用这些具体形式：

判断当前实时角速度变化率与前两个键相脉冲信号所对应的实时角速度变化率，两者之间的差值是否超出设定的差值阈值；

或者，判断当前实时角速度变化率与当前时间之前多个键相脉冲信号所对应转速数据的实时角速度变化率均值，两者之间的差值是否超出设定的差值阈值；

或者，判断当前实时角速度变化率是否超出设定的实时角速度变化率阈值范围。

相应地，在实时角速度不合理时，可利用前两个键相脉冲信号对应的实时角速度数据，拟合计算得到当前实时角速度理论值，包括：

计算前两个键相脉冲信号所对应的实时角速度变化率；

根据前两个键相脉冲信号所对应的实时角速度变化率以及前一个键相脉冲信号对应的实时角速度数据，计算得到当前实时角速度理论值。

考虑旋转机械在升降速过程中转速的变化率实质是基本相等的，假设由键相脉冲得到三个相邻的转速数据ω₁、ω₂、ω₃，则有：由此便可在ω₃不合理时，根据前两个键相脉冲对应的实时角速度数据ω₁、ω₂，得到修正后的ω₃，即当前实时角速度的理论值。

考虑到在水轮发电机组启动或关闭的过程中，旋转机械角速度的二阶差分接近一个恒定值，在正常运行过程中，其值为零。因此本实施例中，采用实时角速度的二阶差分来评价实时角速度的变化情况，进而判断实时角速度是否合理：若二阶差分值变化较小(可与给定变化范围进行比较)，说明实时角速度计算合理，可以进行下一步采样脉冲序列计算；若二阶差分值变化较大，则实时角速度不合理。

具体的，本实施例结合最近三次键相脉冲信号对应的实时角速度，计算实时角速度的变化情况，即实时角速度二阶差分，公式为：

△(△w)＝w₃-2w₂+w₁

式中，△(△w)表示实时角速度的二阶差分，w₃、w₂、w₁分别表示上上次、上次、本次接收到键相脉冲后计算得到的实时角速度；

判断计算得到的实时角速度二阶差分△(△w)是否在预设范围内，或者实时角速度二阶差分△(△w)的变化是否在预设范围内，若在预设范围内则合理，否则不合理。

相应的，当实时角速度不合理，则利用前两个键相脉冲信号对应的实时角速度数据，拟合计算得到当前实时角速度理论值w₁′，公式为：

w₁′＝△(△w)′+2w₂-w₃

式中，△(△w)′为前一次计算得到的实时角速度的二阶差分，w₂、w₃分别表示上次、上上次接收到键相脉冲后计算得到的实时角速度。

四、根据合理的实时角速度计算采样点时刻值序列

若实时角速度合理，或者结合前几次计算的实时角速度拟合出了合理的实时角速度理论值，则根据合理的实时角速度计算下一个旋转周期中，旋转机械依次转过各等角度间隔到达各采样点的时刻值序列，包括：

根据最近三次键相脉冲信号到达的时刻，拟合得到旋转机械累计转角与键相脉冲到达时刻点之间的关系曲线；

根据所述旋转机械累计转角与键相脉冲到达时刻点之间的关系曲线，计算下一个旋转周期中旋转机械转过每一个预设等角度间隔的时刻值。

具体的，旋转机械在t时刻的累计转角θ(t)与键相脉冲到达时刻点t之间的关系曲线表示为：

θ(t)＝b₀+b₁t+b₂t²

b₀、b₁和b₂为未知参数，需要通过关系曲线拟合求解。

本实施例在进行上述关系曲线拟合时，将关系曲线中的键相脉冲到达时刻点通过键相脉冲捕捉器的计时频率与计时器值进行表示，曲线拟合过程为：

以上上次键相脉冲到达时刻作为零时刻基准点，确定最近三次键相脉冲到达时对应的旋转机械累计转角度数分别为0、2π、4π；

根据最近三次键相脉冲到达时的键相脉冲信号捕捉器的计时值，推定三次键相脉冲到达时刻分别为0、(n2-n3)*f、(n1-n3)*f，其中n₃、n₂、n₁分别为最近三次键相脉冲按时间先后依次到达时的键相脉冲信号捕捉器的计时值；

将最近三次键相脉冲到达时对应的旋转机械累计转角度数以及推定的相应脉冲到达时刻，代入关系曲线公式θ(t)＝b₀+b₁t+b₂t²，得到：

根据代入后的方程组计算得到系数b₀、b₁和b₂的值，即可确定关系曲线公式。

根据已确定系数的关系曲线，假设整周期等角度采样点数为k，则仍以上上次键相脉冲到达时刻作为零时刻基准点，下一个旋转周期中第i个等角度采样点的采样时刻即旋转机械转过第一个等角度间隔的时刻，可得到如下表达式：

此时，可以推出从零时刻基准点接收到键相脉冲信号时刻起，旋转机械在新的旋转周期中转过第i个预设角度间隔时的时刻值t_i(相对零时刻基准点的时刻)的计算公式为：

式中，表示k个等角度间隔中每个角度间隔的角度。

根据上述t_i的计算公式，可以得到下一旋转周期中各等角度采样点的相对采样时刻序列。

五、根据采样点时刻值序列确定下一个旋转周期中相邻采样点之间的定时器计数值序列

下一个旋转周期中各采样点的采样相对时刻确定后，可根据定时器的计时频率以及两采样点之间的采样时刻差值计算任意相邻两采样点之间定时采样所对应的定时器计数值，第i个等角度间隔两端的两个等角度采样点之间进行定时采样的定时器计数值n_i计算公式为：

n_i＝(t_i-t_i-1)*f′

式中，f′为定时器定时频率，t_i-1和t_i分别为旋转机械转到第i个预设角度间隔的起点对应的采样点和终点对应的采样点的时刻值。

根据n_i的计算公式，可以得到下一旋转周期中对各等角度采样点振动信号进行定时采样的定时器计数值，汇总可得到定时器计数值序列。

六、按照定时器计数值序列对各等角度采样点进行定时振动信号采样

定时器计数值序列确定后，即可在新的旋转周期中依次按照对应定时器计数值序列中的定时器计数值进行定时器的计数值重载，在每个定时器计数溢出时将定时器计数值更新为定时器计数值序列中的下一个定时器计数值，同时对旋转机械振动信号进行采样，保证采样点即前述的等角度采样点，得到对应各等角度采样点的旋转机械振动信号。

按时间顺序汇总对应各等角度采样点的旋转机械振动信号，即可得到等角度振动信号采样序列。

参考图3所示，在应用时，本实施例执行等角度采样方法的处理器内部，设置定时器中断程序实现定时器计数值的计算，并在每次定时器计数值溢出时重载定时器计数值和启动定时器新一轮的计数，在定时器计数值溢出时同步采集旋转机械的振动信号，为了区分振动信号，可实时对采集到的振动信号测点进行编号。

本实施例执行等角度采样方法的处理器内部的主程序流程参考图4所示，在程序初始化后，实时判断采样得到的测点数是否达到阶比分析所需的数据点数，若达到则可利用已采样的数据进行峰峰值计算和有效值等时域特征提取，进而可进行频谱分析获取阶比频率特征。

参考图5可以看出本实施例在应用时主程序流程、捕捉器中断流程以及定时器中断流程之间相互配合，主程序使能捕捉器中断和定时器中断，捕捉器中断使能状态下进行实时角速度的计算进而计算得到等角度采样时间序列即定时器计数值序列，定时器计数值的溢出触发定时器中断程序进行定时器计数值的重载以及振动信号的采集，得到等角度振动信号采样值序列，主程序可对等角度振动信号采样值进行汇总，得到阶比分析所需的足够测点的采样数据。

实施例2

与实施例1基于相同的发明构思，本实施例介绍一种旋转机械振动信号等角度采样装置，包括：

键相脉冲信号接收模块，被配置用于接收旋转机械的键相脉冲信号；

角速度计算模块，被配置用于响应于接收到所述键相脉冲信号，根据键相脉冲信号计算旋转机械的实时角速度；

定时器计数值确定模块，被配置用于根据实时角速度确定旋转机械在下一个旋转周期中依次转过各预设等角度间隔到达各等角度采样点的时刻值序列，根据该时刻值序列确定下一旋转周期内所有相邻等角度采样点之间的定时器计数值序列；

振动信号等角度采样模块，被配置用于在新的旋转周期内，按照当前旋转周期对应的定时器计数值序列顺序，利用定时器进行定时采样：在每次定时器计数值溢出时，将定时器计数值更新为定时器计数值序列中的下一个定时器计数值，以及对旋转机械振动信号进行采样，得到对应各等角度采样点的旋转机械振动信号；

振动信号汇总模块，被配置用于按时间顺序汇总对应各等角度采样点的旋转机械振动信号，得到等角度振动信号采样序列。

以上各功能模块的具体功能实现参考实施例1方法中的相关内容。

特别指出的是，本实施例中，定时器计数值确定模块根据实时角速度计算实时角速度的变化情况为，计算实时角速度二阶差分，公式为：

△(△w)＝w₃-2w₂+w₁

式中，△(△w)表示实时角速度的二阶差分，w₃、w₂、w₁分别表示上上次、上次、本次接收到键相脉冲后计算得到的实时角速度；

所述根据实时角速度变化率判断实时角速度是否合理为：判断计算得到的实时角速度二阶差分是否在预设范围内，若在预设范围内则合理，否则不合理。

定时器计数值确定模块利用前两个键相脉冲信号对应的实时角速度数据，拟合计算得到当前实时角速度理论值w₁′，公式为：

w₁′＝△(△w)′+2w₂-w₃

式中，△(△w)′为前一次计算得到的实时角速度的二阶差分，w₂、w₃分别表示上次、上上次接收到键相脉冲后计算得到的实时角速度。

定时器计数值确定模块根据合理的实时角速度计算旋转机械在下一个旋转周期中依次转过各预设等角度间隔到达各等角度采样点的时刻值，包括以下步骤：

根据最近三次键相脉冲信号到达的时刻，拟合得到旋转机械累计转角与键相脉冲到达时刻点之间的关系曲线：

以上上次键相脉冲到达时刻作为零时刻基准点，确定最近三次键相脉冲到达时对应的旋转机械累计转角度数分别为0、2π、4π；

根据最近三次键相脉冲到达时的计时值，推定三次键相脉冲到达时刻分别为0、(n2-n3)*f、(n1-n3)*f，其中n₃、n₂、n₁分别为最近三次键相脉冲按时间先后依次到达时的计时值；

将最近三次键相脉冲到达时对应的旋转机械累计转角度数以及推定的相应脉冲到达时刻，代入关系曲线公式θ(t)＝b₀+b₁t+b₂t²，得到：

根据代入后的方程组计算得到系数b₀、b₁和b₂的值，确定关系曲线公式。

根据所述旋转机械累计转角与键相脉冲到达时刻点之间的关系曲线，计算下一个旋转周期中旋转机械转过每一个预设等角度间隔的时刻值；

其中，旋转机械累计转角与键相脉冲到达时刻点之间的关系曲线为：θ(t)＝b₀+b₁t+b₂t²；

在下一旋转周期中，旋转机械转过第i个预设角度间隔时的时刻值t_i根据以下公式计算：

式中，表示k个等角度间隔中每个角度间隔的角度；

各等角度间隔对应的定时器计数值为：n_i＝(t_i-t_i-1)*f′，n_i为第i个等角度间隔两端的两个等角度采样点之间的定时器计数值，f′为定时器定时频率。

实施例3

本实施例介绍一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现如实施例1所述的旋转机械振动信号等角度采样方法。

实施例4

与实施例1基于相同的发明构思，本实施例介绍一种旋转机械阶比跟踪分析方法，包括：

采用实施例1所介绍的旋转机械振动信号等角度采样方法对旋转机械在转动过程中的振动信号进行采样，得到等角度振动信号采样序列；

基于等角度振动信号采样序列对旋转机械进行阶比分析。

在此结合图4所示，执行旋转机械阶比跟踪分析方法的处理器主程序流程可预先设置阶比分析所需的测点数量，当等角度振动信号采样序列中的测点值数量达到预设测点数量则可停止采样，开始阶比分析。

实施例5

本实施例介绍一种旋转机械阶比跟踪分析装置，其包括：

采样模块，被配置用于采用实施例1所述的旋转机械振动信号等角度采样方法，对旋转机械在转动过程中的振动信号进行采样，得到等角度振动信号采样序列，具体过程查参考实施例1的内容，不予赘述；

分析模块，被配置用于基于所述等角度振动信号采样序列对旋转机械进行阶比分析，可采用现有基于振动信号的阶比跟踪分析相关方法。

实施例6

本实施例介绍一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现实施例4所述的旋转机械阶比跟踪分析方法。

综上实施例，采用本发明的等角度采样方法和利用该采样方法的旋转机械阶比跟踪分析方法，可省去计算阶比跟踪重采样的过程直接得到等角度采样数据，降低采样率，能够直接使用原始采集数据进行快速傅里叶变换分析，提高频域分析的精度，提高计算效率，同时发挥采集单元自身集成捕捉器、定时器的优势，无需额外增加成本，即可达到计算阶比跟踪的效果。

本发明能够适用于水轮发电机组等转动惯量较大的旋转机械的振动信号等角度采样及阶比分析，在该条件下转速变化相对较小，转速预测精度高，等角度采样时间序列计算准确，可以获取精确的频域分析结果。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (19)

1.一种旋转机械振动信号等角度采样方法，其特征是，包括：

接收旋转机械的键相脉冲信号；

响应于接收到所述键相脉冲信号，根据键相脉冲信号计算旋转机械的实时角速度；

根据实时角速度确定旋转机械在下一个旋转周期中依次转过各预设等角度间隔到达各等角度采样点的时刻值序列，根据该时刻值序列确定下一旋转周期内所有相邻等角度采样点之间的定时器计数值序列；

在新的旋转周期内，按照当前旋转周期对应的定时器计数值序列顺序，利用定时器进行定时采样：在每次定时器计数值溢出时，将定时器计数值更新为定时器计数值序列中的下一个定时器计数值，以及对旋转机械振动信号进行采样，得到对应各等角度采样点的旋转机械振动信号；

按时间顺序汇总对应各等角度采样点的旋转机械振动信号，得到等角度振动信号采样序列。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述键相脉冲信号为由预设的键相信号预处理电路单元对实时键相信号进行处理后的信号；

所述键相信号预处理电路单元包括依次设置的硬件限幅电路、整流电路、滤波电路、放大电路和滞回比较器；键相传感器输出的键相信号输入至硬件限幅电路的输入端，经硬件限幅电路、整流电路、滤波电路和放大电路后输出半波转速信号，滞回比较器将所述半波转速信号转换为键相脉冲信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，方法还包括：在接收键相脉冲信号的同时进行计时，记录每次键相脉冲信号到达时刻的计时值；

所述根据键相脉冲信号计算旋转机械的实时角速度，通过以下公式计算：

式中，w为实时角速度，n₁、n₂分别为本次和上次键相脉冲到达时的计时值，f为计时频率。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，根据实时角速度确定旋转机械在下一个旋转周期中依次转过各预设等角度间隔到达各等角度采样点的时刻值序列，包括：

根据实时角速度计算实时角速度的变化情况；

根据实时角速度的变化情况判断实时角速度是否合理：若合理则根据实时角速度计算旋转机械在下一个旋转周期中依次转过各预设等角度间隔到达各等角度采样点的时刻值；若不合理，则利用前两个键相脉冲信号对应的实时角速度数据，拟合计算得到当前实时角速度理论值，根据实时角速度理论值计算旋转机械在下一个旋转周期中依次转过各预设等角度间隔到达各等角度采样点的时刻值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征是，所述根据实时角速度的变化情况判断实时角速度是否合理，为：

判断当前实时角速度变化率与前两个键相脉冲信号所对应的实时角速度变化率，两者之间的差值是否超出设定的差值阈值；

或者，判断当前实时角速度变化率与当前时间之前多个键相脉冲信号所对应转速数据的实时角速度变化率均值，两者之间的差值是否超出设定的差值阈值；

或者，判断当前实时角速度变化率是否超出设定的实时角速度变化率阈值范围。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征是，所述利用前两个键相脉冲信号对应的实时角速度数据，拟合计算得到当前实时角速度理论值，包括：

计算前两个键相脉冲信号所对应的实时角速度变化率；

根据前两个键相脉冲信号所对应的实时角速度变化率以及前一个键相脉冲信号对应的实时角速度数据，计算得到当前实时角速度理论值。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征是，所述根据实时角速度计算实时角速度的变化情况为，计算实时角速度二阶差分，公式为：

△(△w)＝w₃-2w₂+w₁

式中，△(△w)表示实时角速度的二阶差分，w₃、w₂、w₁分别表示上上次、上次、本次接收到键相脉冲后计算得到的实时角速度；

所述根据实时角速度变化率判断实时角速度是否合理为：判断计算得到的实时角速度二阶差分是否在预设范围内，若在预设范围内则合理，否则不合理。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征是，所述利用前两个键相脉冲信号对应的实时角速度数据，拟合计算得到当前实时角速度理论值w₁′，公式为：

w₁′＝△(△w)′+2w₂-w₃

式中，△(△w)′为前一次计算得到的实时角速度的二阶差分，w₂、w₃分别表示上次、上上次接收到键相脉冲后计算得到的实时角速度。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征是，若实时角速度的二阶差分合理，所述根据实时角速度理论值计算旋转机械在下一个旋转周期中依次转过各预设等角度间隔到达各等角度采样点的时刻值，包括：

根据最近三次键相脉冲信号到达的时刻，拟合得到旋转机械累计转角与键相脉冲到达时刻点之间的关系曲线；

根据所述旋转机械累计转角与键相脉冲到达时刻点之间的关系曲线，计算下一个旋转周期中旋转机械转过每一个预设等角度间隔的时刻值；

其中，旋转机械累计转角与键相脉冲到达时刻点之间的关系曲线为：θ(t)＝b₀+b₁t+b₂t²；

在下一旋转周期中，旋转机械转过第i个预设角度间隔时的时刻值t_i根据以下公式计算：

式中，表示k个等角度间隔中每个角度间隔的角度；

各等角度间隔对应的定时器计数值为：n_i＝(t_i-t_i-1)*f′，n_i为第i个等角度间隔两端的两个等角度采样点之间的定时器计数值，f′为定时器定时频率。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征是，所述根据最近三次键相脉冲信号到达的时刻，拟合得到旋转机械累计转角与键相脉冲到达时刻点之间的关系曲线，包括：

以上上次键相脉冲到达时刻作为零时刻基准点，确定最近三次键相脉冲到达时对应的旋转机械累计转角度数分别为0、2π、4π；

根据最近三次键相脉冲到达时的计时值，推定三次键相脉冲到达时刻分别为0、(n2-n3)*f、(n1-n3)*f，其中n₃、n₂、n₁分别为最近三次键相脉冲按时间先后依次到达时的计时值；

将最近三次键相脉冲到达时对应的旋转机械累计转角度数以及推定的相应脉冲到达时刻，代入关系曲线公式θ(t)＝b₀+b₁t+b₂t²，得到：

根据代入后的方程组计算得到系数b₀、b₁和b₂的值，确定关系曲线公式。

11.一种旋转机械振动信号等角度采样装置，其特征是，包括：

键相脉冲信号接收模块，被配置用于接收旋转机械的键相脉冲信号；

角速度计算模块，被配置用于响应于接收到所述键相脉冲信号，根据键相脉冲信号计算旋转机械的实时角速度；

定时器计数值确定模块，被配置用于根据实时角速度确定旋转机械在下一个旋转周期中依次转过各预设等角度间隔到达各等角度采样点的时刻值序列，根据该时刻值序列确定下一旋转周期内所有相邻等角度采样点之间的定时器计数值序列；

振动信号等角度采样模块，被配置用于在新的旋转周期内，按照当前旋转周期对应的定时器计数值序列顺序，利用定时器进行定时采样：在每次定时器计数值溢出时，将定时器计数值更新为定时器计数值序列中的下一个定时器计数值，以及对旋转机械振动信号进行采样，得到对应各等角度采样点的旋转机械振动信号；

振动信号汇总模块，被配置用于按时间顺序汇总对应各等角度采样点的旋转机械振动信号，得到等角度振动信号采样序列。

12.根据权利要求11所述的旋转机械振动信号等角度采样装置，其特征是，所述定时器计数值确定模块根据实时角速度确定旋转机械在下一个旋转周期中依次转过各预设等角度间隔到达各等角度采样点的时刻值序列，包括：

根据实时角速度计算实时角速度的变化情况；

根据实时角速度的变化情况判断实时角速度是否合理：若合理则根据实时角速度计算旋转机械在下一个旋转周期中依次转过各预设等角度间隔到达各等角度采样点的时刻值；若不合理，则利用前两个键相脉冲信号对应的实时角速度数据，拟合计算得到当前实时角速度理论值，根据实时角速度理论值计算旋转机械在下一个旋转周期中依次转过各预设等角度间隔到达各等角度采样点的时刻值。

13.根据权利要求12所述的旋转机械振动信号等角度采样装置，其特征是，所述定时器计数值确定模块根据实时角速度计算实时角速度的变化情况为，计算实时角速度二阶差分，公式为：

△(△w)＝w₃-2w₂+w₁

式中，△(△w)表示实时角速度的二阶差分，w₃、w₂、w₁分别表示上上次、上次、本次接收到键相脉冲后计算得到的实时角速度；

所述根据实时角速度变化率判断实时角速度是否合理为：判断计算得到的实时角速度二阶差分是否在预设范围内，若在预设范围内则合理，否则不合理。

14.根据权利要求13所述的旋转机械振动信号等角度采样装置，其特征是，所述定时器计数值确定模块利用前两个键相脉冲信号对应的实时角速度数据，拟合计算得到当前实时角速度理论值w₁′，公式为：

w₁′＝△(△w)′+2w₂-w₃

式中，△(△w)′为前一次计算得到的实时角速度的二阶差分，w₂、w₃分别表示上次、上上次接收到键相脉冲后计算得到的实时角速度。

15.根据权利要求12所述的旋转机械振动信号等角度采样装置，其特征是，所述定时器计数值确定模块根据合理的实时角速度计算旋转机械在下一个旋转周期中依次转过各预设等角度间隔到达各等角度采样点的时刻值，包括：

根据最近三次键相脉冲信号到达的时刻，拟合得到旋转机械累计转角与键相脉冲到达时刻点之间的关系曲线；

根据所述旋转机械累计转角与键相脉冲到达时刻点之间的关系曲线，计算下一个旋转周期中旋转机械转过每一个预设等角度间隔的时刻值；

其中，旋转机械累计转角与键相脉冲到达时刻点之间的关系曲线为：θ(t)＝b₀+b₁t+b₂t²；

在下一旋转周期中，旋转机械转过第i个预设角度间隔时的时刻值t_i根据以下公式计算：

式中，表示k个等角度间隔中每个角度间隔的角度；

各等角度间隔对应的定时器计数值为：n_i＝(t_i-t_i-1)*f′，n_i为第i个等角度间隔两端的两个等角度采样点之间的定时器计数值，f′为定时器定时频率。

16.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征是，该计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1-10任一项所述的旋转机械振动信号等角度采样方法。

17.一种旋转机械阶比跟踪分析方法，其特征是，包括：

采用权利要求1-10任一项所述的旋转机械振动信号等角度采样方法，对旋转机械在转动过程中的振动信号进行采样，得到等角度振动信号采样序列；

基于所述等角度振动信号采样序列对旋转机械进行阶比分析。

18.一种旋转机械阶比跟踪分析装置，其特征是，包括：

采样模块，被配置用于采用权利要求1-10任一项所述的旋转机械振动信号等角度采样方法，对旋转机械在转动过程中的振动信号进行采样，得到等角度振动信号采样序列；

分析模块，被配置用于基于所述等角度振动信号采样序列对旋转机械进行阶比分析。

19.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征是，该计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求17所述的旋转机械阶比跟踪分析方法。