CN117405219A - 一种振动测量仪的补偿方法、振动测量仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种振动测量仪的补偿方法、振动测量仪，该方法包括：获取时域数据，通过FFT变换得到频谱数据；根据FFT变换结果绘出幅频曲线进行分析；根据分析结果，对相应谱线进行修正；根据修正后的数据，重新计算有效值RMS。本申请发明人经过研究发现：测振仪在测试振动信号时得到的值不够准确的原因为加速度传感器的频响曲线不理想，本发明采用频域补偿的方法，即通过FFT变换得到频谱，对相应谱线进行修正，然后重新计算有效值，从而解决加速度传感器频响曲线不理想的问题，提高了振动测量仪的准确性。
Description
技术领域
本发明属于振动设备状态检测领域，具体而言，涉及一种振动测量仪的补偿方法、振动测量仪。
背景技术
MEMS加速度传感器为采用微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，简称MEMS)技术制造的加速度传感器。该技术将机械系统和电子电路使用硅半导体加工工艺集成在极小的尺寸内，机械系统将振动信号转化为电信号，电子电路完成电信号的采集和处理，两者形成一个协作系统，实现振动信号的智能检测和分析。但目前使用MEMS加速度传感器的测振仪在测试振动信号时得到的值不够准确。
发明内容
本申请提供了一种振动测量仪的补偿方法、振动测量仪，提高了振动信号测试的准确性。
第一方面，本申请提供了一种振动测量仪的补偿方法，包括：
S101，获取时域数据，通过FFT变换得到频谱数据；
S103，根据FFT变换结果绘出幅频曲线进行分析；
S105，根据分析结果，对相应谱线进行修正；
S107，根据修正后的数据，重新计算有效值RMS。
其中，S101，获取时域数据，通过FFT变换得到频谱数据，包括：
获取f＝160Hz时的原始时域数据，共计2048个离散数据，对其作FFT变换，
其中Wn＝e(-2πi)/n，打开Matlab，将原始时域数据导入，共2048个点，调用fft(X,N)函数，即可得到2048个复数，即FFT的变换结果。
其中，S103，根据FFT变换结果绘出幅频曲线进行分析，包括：
FFT变换后，根据结果绘出幅频曲线，即频谱；测振仪采样频率为25KHz，那么频谱曲线的间隔，即频率分辨率为25000/2048，取整得12，单位为Hz；通过幅频曲线得出，第14根和2034根谱线处有大于预设值的脉冲，第14根谱线对应信号频率为14*12，得168Hz。
其中，S105，根据分析结果，对相应谱线进行修正，包括：
在测试频响曲线的过程中，发现f＝160Hz时，加速度传感器AD1002测得的有效值仅为参考值的1/1.5，因此，在作频域补偿时，对加速度传感器AD1002的频响曲线的160Hz处以及与其对称的谱线进行修正。
其中，S107，根据修正后的数据，重新计算有效值RMS，包括：
依据Parseval定理：
即时域的能量等于其变换域的能量；
而时域能量为RMS2*Ttotal，频域能量为∑P(fn)*Δf*Ttotal，
其中Ttotal为时间总长，P(fn)为第n个功率谱密度值，△f为FFT频率间隔，等式两边约去Ttotal，则有
其中P(fn)＝abs(fft(x)).^2/N/fs，N为FFT的块长，fs为采样频率。
其中，还包括：采用软件积分的方式，计算速度和位移数值，速度和位移与加速度是一次积分、二次积分的关系。
第二方面，本申请提供了一种振动测量仪，所述振动测量仪被配置为：
获取时域数据，通过FFT变换得到频谱数据；
根据FFT变换结果绘出幅频曲线进行分析；
根据分析结果，对相应谱线进行修正；
根据修正后的数据，重新计算有效值RMS。
其中，所述振动测量仪被配置为：获取f＝160Hz时的原始时域数据，共计2048个离散数据，对其作FFT变换，
其中Wn＝e(-2πi)/n，打开Matlab，将原始时域数据导入，共2048个点，调用fft(X,N)函数，即可得到2048个复数，即FFT的变换结果。
其中，所述振动测量仪被配置为：FFT变换后，根据结果绘出幅频曲线，即频谱；测振仪采样频率为25KHz，那么频谱曲线的间隔，即频率分辨率为25000/2048，取整得12，单位为Hz；通过幅频曲线得出，第14根和2034根谱线处有大于预设值的脉冲，第14根谱线对应信号频率为14*12，得168Hz。
第三方面，本申请提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。
本申请振动测量仪的补偿方法、振动测量仪具有如下有益效果：
本申请发明人经过研究发现：测振仪在测试振动信号时得到的值不够准确的原因为加速度传感器的频响曲线不理想，本发明采用频域补偿的方法，即通过FFT变换得到频谱，对相应谱线进行修正，然后重新计算有效值，从而解决加速度传感器频响曲线不理想的问题，提高了振动测量仪的准确性。
附图说明
图1为在信号频率f＝80Hz处校准，然后调整信号频率至150Hz、200Hz等，AD1002传感器测得的有效值与标准传感器有效值之比；
图2为本申请振动测量仪的补偿方法流程示意图；
图3为FFT变换后，根据结果绘出的幅频曲线；
图4为本申请中一次积分的框图；
图5为假定的加速度信号，正弦波信号上叠加了一些高频噪声；
图6为一次积分后得到的速度信号；
图7为二次积分后得到的位移信号；
图8为本申请中开发和测试设备的连接框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请进行进一步的介绍。
在下述介绍中，术语“第一”、“第二”仅为用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。下述介绍提供了本发明的多个实施例，不同实施例之间可以替换或者合并组合，因此本申请也可认为包含所记载的相同和/或不同实施例的所有可能组合。因而，如果一个实施例包含特征A、B、C，另一个实施例包含特征B、D，那么本申请也应视为包括含有特征A、B、C、D的一个或多个所有其他可能的组合的实施例，尽管该实施例可能并未在以下内容中有明确的文字记载。
本申请应用的领域包括：振动设备状态检测、电机检测、振动实验室。
本申请发明人经过研究发现：本申请测振仪所选用的MEMS加速度传感器AD1002的频响曲线不够理想，这会导致测振仪在测试某些频率的振动信号时得到的值不准确。在信号频率f＝80Hz处校准，然后调整信号频率至150Hz、200Hz等，记录AD1002传感器测得的有效值与标准传感器有效值之比，图1为绘出的曲线，如图1所示，当信号频率在150Hz附近时，AD1002测得的加速度值只有标准值的75％，误差较大，需要在频域进行补偿，方可测得理想结果。
本发明采用频域补偿的方法，即通过FFT变换得到频谱，对相应谱线进行修正，然后重新计算有效值，从而解决AD1002频响曲线不理想的问题。此外，本申请测振仪采用软件积分的方案，节约了成本。
如图2所示，本申请振动测量仪的补偿方法包括：S101，获取时域数据，通过FFT变换得到频谱数据；S103，根据FFT变换结果绘出幅频曲线进行分析；S105，根据分析结果，对相应谱线进行修正；S107，根据修正后的数据，重新计算有效值RMS。下面分别介绍每一步骤。
(1)FFT变换
这里以信号频率f＝160Hz为例来介绍。
首先，获取f＝160Hz时的原始时域数据，共计2048个离散数据。对其作FFT(FastFourier Transform，快速傅里叶变换)变换。
其中Wn＝e(-2πi)/n。
打开Matlab，将原始时域数据导入，共2048个点。调用fft(X,N)函数，即可得到2048个复数，即FFT的变换结果。
(2)频谱分析
FFT变换后，可根据结果绘出幅频曲线，即频谱，如图3所示，本申请测振仪采样频率为25KHz，那么频谱曲线的间隔，即频率分辨率为25000/2048，取整得12，单位为Hz。图3中，在第14根和2034根谱线处有较大脉冲，第14根谱线对应信号频率为14*12，得168Hz。这与采集的信号频率基本吻合。
(3)频域补偿
在先前测试频响曲线的过程中，发现f＝160Hz时，AD1002测得的有效值仅为参考值的1/1.5，因此，在作频域补偿时，对AD1002的频响曲线的160Hz处，以及与其对称的那根谱线进行修正。
(4)重新计算有效值RMS
在频域直接计算有效值。其理论依据是Parseval定理：
即时域的能量等于其变换域的能量。
而时域能量为RMS2*Ttotal，频域能量为∑P(fn)*Δf*Ttotal
其中Ttotal是时间总长，P(fn)是第n个功率谱密度值，△f是FFT频率间隔等式两边约去Ttotal，则有
其中P(fn)＝abs(fft(x)).^2/N/fs，N为FFT的块长，fs为采样频率。
(5)软件积分计算速度和位移
通过之前的四个步骤，已经得到并显示出加速度数值。
本申请测振仪还可以计算并显示速度和位移数值，他们与加速度是一次积分、二次积分的关系。关于积分，通常采用的硬件积分的方式，但成本高、功耗大。本申请测振仪采用的是软件积分，这种方式节约成本、降低功耗，且积分效果满足测量需求。图4为一次积分的框图，如图4所示，包括高通滤波器、加法器、积分以及低通，二次积分在一次积分后经历同样的流程。
本申请具有以下效果：
(1)频域补偿的效果
通过对比频域补偿前后测得的振动信号值的误差，可以发现本方案较好地解决了频响曲线不理想的问题。下表为振动信号频率为160Hz，测试不同振动强度下测振仪的表现。
(2)积分的效果
图5为假定的加速度信号，如图5所示，正弦波信号上叠加了一些高频噪声。经过滤波、积分，得到一次积分的结果，即速度信号，图6为速度信号。再经过一次积分，可以得到位移信号，图7为位移信号。如图6-7所示，经过积分后的数据，噪声明显减小，并且数值没有漂。采用这样的速度、加速度信号计算得的有效值满足工程要求。
如图8所示，本申请的开发和测试设备包括：信号源、模态激振器、MEMS加速度传感器、测振仪、标准加速度传感器、数据采集器、PC数采软件，信号源与模态激振器连接，模态激振器分别与MEMS加速度传感器、标准加速度传感器连接，MEMS加速度传感器与测振仪连接，标准加速度传感器与数据采集器、PC数采软件依次连接。
本申请还提供了一种振动测量仪，该振动测量仪被配置为：获取时域数据，通过FFT变换得到频谱数据；根据FFT变换结果绘出幅频曲线进行分析；根据分析结果，对相应谱线进行修正；根据修正后的数据，重新计算有效值RMS。
其中，振动测量仪被配置为：获取f＝160Hz时的原始时域数据，共计2048个离散数据，对其作FFT变换，
其中Wn＝e(-2πi)/n，打开Matlab，将原始时域数据导入，共2048个点，调用fft(X,N)函数，即可得到2048个复数，即FFT的变换结果。
其中，振动测量仪被配置为：FFT变换后，根据结果绘出幅频曲线，即频谱；测振仪采样频率为25KHz，那么频谱曲线的间隔，即频率分辨率为25000/2048，取整得12，单位为Hz；通过幅频曲线得出，第14根和2034根谱线处有大于预设值的脉冲，第14根谱线对应信号频率为14*12，得168Hz。
本申请中，振动测量仪实施例与振动测量仪的补偿方法实施例基本相似，相关之处请参考振动测量仪的补偿方法实施例的介绍。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述振动测量仪的补偿方法步骤。其中，计算机可读存储介质可以包括但不限于任何类型的盘，包括软盘、光盘、DVD、CD-ROM、微型驱动器以及磁光盘、ROM、RAM、EPROM、EEPROM、DRAM、VRAM、闪速存储器设备、磁卡或光卡、纳米系统(包括分子存储器IC)，或适合于存储指令和/或数据的任何类型的媒介或设备。
以上介绍仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种振动测量仪的补偿方法，其特征在于，包括：
S101，获取时域数据，通过FFT变换得到频谱数据；
S103，根据FFT变换结果绘出幅频曲线进行分析；
S105，根据分析结果，对相应谱线进行修正；
S107，根据修正后的数据，重新计算有效值RMS。
2.根据权利要求1所述振动测量仪的补偿方法，其特征在于，S101，获取时域数据，通过FFT变换得到频谱数据，包括：
获取f＝160Hz时的原始时域数据，共计2048个离散数据，对其作FFT变换，
其中Wn＝e(-2πi)/n，打开Matlab，将原始时域数据导入，共2048个点，调用fft(X,N)函数，即可得到2048个复数，即FFT的变换结果。
3.根据权利要求1或2所述振动测量仪的补偿方法，其特征在于，S103，根据FFT变换结果绘出幅频曲线进行分析，包括：
FFT变换后，根据结果绘出幅频曲线，即频谱；测振仪采样频率为25KHz，那么频谱曲线的间隔，即频率分辨率为25000/2048，取整得12，单位为Hz；通过幅频曲线得出，第14根和2034根谱线处有大于预设值的脉冲，第14根谱线对应信号频率为14*12，得168Hz。
4.根据权利要求1或2所述振动测量仪的补偿方法，其特征在于，S105，根据分析结果，对相应谱线进行修正，包括：
在测试频响曲线的过程中，发现f＝160Hz时，加速度传感器AD1002测得的有效值仅为参考值的1/1.5，因此，在作频域补偿时，对加速度传感器AD1002的频响曲线的160Hz处以及与其对称的谱线进行修正。
5.根据权利要求1或2所述振动测量仪的补偿方法，其特征在于，S107，根据修正后的数据，重新计算有效值RMS，包括：
依据Parseval定理：
即时域的能量等于其变换域的能量；
而时域能量为RMS2*Ttotal，频域能量为ΣP(fn)*Δf*Ttotal，
其中Ttotal为时间总长，P(fn)为第n个功率谱密度值，△f为FFT频率间隔，等式两边约去Ttotal，则有
其中P(fn)＝abs(fft(x)).^2/N/fs，N为FFT的块长，fs为采样频率。
6.根据权利要求1或2所述振动测量仪的补偿方法，其特征在于，还包括：采用软件积分的方式，计算速度和位移数值，速度和位移与加速度是一次积分、二次积分的关系。
7.一种振动测量仪，其特征在于，所述振动测量仪被配置为：
获取时域数据，通过FFT变换得到频谱数据；
根据FFT变换结果绘出幅频曲线进行分析；
根据分析结果，对相应谱线进行修正；
根据修正后的数据，重新计算有效值RMS。
8.根据权利要求7所述振动测量仪，其特征在于，所述振动测量仪被配置为：获取f＝160Hz时的原始时域数据，共计2048个离散数据，对其作FFT变换，
其中Wn＝e(-2πi)/n，打开Matlab，将原始时域数据导入，共2048个点，调用fft(X,N)函数，即可得到2048个复数，即FFT的变换结果。
9.根据权利要求8或7所述振动测量仪，其特征在于，所述振动测量仪被配置为：FFT变换后，根据结果绘出幅频曲线，即频谱；测振仪采样频率为25KHz，那么频谱曲线的间隔，即频率分辨率为25000/2048，取整得12，单位为Hz；通过幅频曲线得出，第14根和2034根谱线处有大于预设值的脉冲，第14根谱线对应信号频率为14*12，得168Hz。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现所述权利要求1-6中任一项所述方法的步骤。
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