CN202083464U

CN202083464U - 用于为振动分析获取振动信号的系统

Info

Publication number: CN202083464U
Application number: CN2011200404986U
Authority: CN
Inventors: 奈杰尔·利
Original assignee: Commtest Instruments Ltd
Current assignee: Bently Nevada Inc; General Electric Co
Priority date: 2011-02-17
Filing date: 2011-02-17
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2021-02-17

Abstract

本实用新型提供了一种用于根据一个或多个所测量的振动信号为振动分析获取多种振动信号的系统，包括用于感测和转换信号的单元，用于根据数字振动信号获取第一种振动信号和用于根据基于自第一频率的选定值有理数地确定并比第一频率的选定值低的数值的数字振动信号获取第二种振动信号的单元，和用于显示输出波形、显示由该用于获取信号的单元获取和处理的波形或频谱的单元，其中用于感测和转换信号的单元还包括用于通过将振动转换成电振动信号来测量对象振动的至少一个组件，和将电振动信号转换成数字振动信号的组件，同时该用于转换的组件具有基于自第一频率的多个可能值选择出的数值的抽样率。

Description

用于为振动分析获取振动信号的系统

技术领域

本发明涉及振动分析，尤其是根据一个或多个振动信号为振动分析获取(derive)多种振动信号。

背景技术

通常在机器故障检测领域中使用振动分析。在这种分析出现之前，在出现机械损伤之前难以检测机器内的故障。这种故障经常导致成本很高的机器停工时间，和由于大量机械损伤导致成本很高的维修。然而，通过检测和分析机器产生的振动，在出现严重机械损伤之前能够检测出即将产生的故障或失效的某些症状。

振动分析的第一种方法用于采集和记录振动数据。随后根据公知的分析技术分析该数据。近年来，已经开发了多种分析技术。这些技术中的大部分技术要求在每个测量位置上独立记录振动数据。当在产业规模上为大量机器进行记录时，数据采集可能仅仅因为采集需要的时间变得成本很高。例如，在500台机器的大型工厂内，每台机器在水平和垂直方向上四个点的每个点上监视，在这些测量位置的每个位置上进行三种测量，必需进行总共12000次记录。

获取每次记录需要的时间取决于所选择的具体参数。这包括例如记录类型、所关注的最高频率和谱线数量。给定这些选择，通过相关物理/信号处理原理控制记录时间。通常为若干秒的量值。当结合在全部测量位置之间移动、安装传感器和等待其稳定所需要的时间时，采集处理可能变得非常耗费时间。

因此，本发明的目的是提供解决至少一个上述限制的方法和设备。

发明内容

根据本发明，一种用于根据一个或多个所测量的振动信号为振动分析获取多种振动信号的系统，包括：用于感测和转换信号的单元；用于根据数字振动信号获取第一种振动信号和用于根据基于自第一频率的选定值有理数地(rationally)确定并比第一频率的选定值低的数值的数字振动信号获取第二种振动信号的单元；和用于显示输出波形、显示由该用于获取信号的单元获取和处理的波形或频谱的单元，其中用于感测和转换信号的单元还包括：用于通过将振动转换成电振动信号来测量对象振动的至少一个组件；和将电振动信号转换成数字振动信号的组件，同时该用于转换的组件具有基于自第一频率的多个可能值选择出的数值的抽样率(sampling rate)。

优选地，该用于获取信号的单元还根据基于第二频率和第三频率的数字振动信号获取第三种振动信号，其中自根据第一频率的选定值有理数地确定并比第一频率的选定值低的数值选择该第三频率。

第一频率优选是上截止频率(upper cut-off frequency)，第一种振动信号是数字振动信号的高频波形。而且，第二频率是下截止频率，第二种振动信号是数字振动信号的低频波形。第三频率优选是解调截止频率，第三种振动信号是数字振动信号的解调波形。

该用于获取信号的单元优选包括波形缓冲器缓冲数字振动信号，并作为数字振动信号的高频率波形输出缓冲器内容。此外，用于获取信号的单元优选包括：至少一个抽选(decimation)或二次抽样滤波器，以将数字振动信号的频率降低至至少臻于(approximate)下截止频率；和波形缓冲器，缓冲滤波后的振动信号，该用于获取信号的单元还作为数字振动信号的低频波形输出缓冲器内容。

在另一方面，该用于获取信号的单元优选包括：高通滤波器，具有在解调截止频率上的截止频率以生成滤波信号；包络检测器(envelope detector)，根据滤波信号生成包络信号；至少一个抽选或二次抽样滤波器，以将包络信号频率降低至至少臻于自第一频率有理数地确定并比第一频率低的频率；和波形缓冲器以缓冲滤波包络信号，其中用于获取信号的单元作为数字振动信号的解调波形输出缓冲器的内容。

优选地，抽选或二次抽样滤波器将包络信号频率降低至至少臻于下截止频率。

在另一方面，该用于获取信号的单元包括：高通滤波器，具有在解调截止频率上的截止频率以生成滤波信号；包络检测器，自滤波信号生成包络信号，该包络信号频率至少臻于为可自第一频率有理数地确定并比第一频率低的频率；和波形缓冲器，缓冲滤波后的包络信号，其中用于获取信号的单元作为数字振动信号的解调波形输出缓冲器内容。

该用于获取信号的单元还优选地将缓冲器内容转换成频域信号，该用于获取信号的单元可以进一步包括：窗口化装置(windowing means)，以给缓冲器内容窗口化；转换装置，以获得窗口化缓冲器内容的频谱；和平均装置，以确定平均频谱。

优选地，该系统根据1至3个所测量的振动信号获取多种振动信号。

优选地，用于测量振动的组件是振动传感器。

优选地，振动传感器是加速计和数字振动信号是加速振动信号，该系统可以进一步包括：至少一个积分器(integrator)，以积分(integrate)加速振动信号以获得速度振动信号；至少一个积分器，以积分速度振动信号以获得位移振动信号；和选择装置，以允许选择加速度、速度或位移振动信号，由此获取低频振动信号。该系统优选地根据1至3个所测量的振动信号获取多种振动信号。

附图说明

下面将参考附图描述本发明所述系统的优选形式，在附图中：

图1是图示其中根据所测量的和数字化的振动信号获取振动信号的系统的实施例的流程图。

具体实施方式

在此使用的术语中，与信号相关的“类型”是指信号内的频率构成。这包括但是并不限于：实质上仅包括低于上截止频率的频率的高频信号；实质上仅包括低于下截止频率的频率的低频信号，和包括已经通过下文所述方式解调的频率的解调信号。

如在此使用的，术语“电振动信号”是指以电形式表示的振动信号。通常使用振动传感器(例如加速计)获取这样一种电形式以将对象的机械振动转换成表示机械振动的电信号。可以在诸如存储器组或磁盘存储设备等的某种形式的电存储装置内存储电振动信号。所存储的电振动信号随后可以根据本发明的方法被提取和处理。

如在此限定数值时使用的，术语“有理数地确定”(rationally determined)是指使用有理数(rational number)利用乘法或除法根据一个或多个其它值获取数值。有理数是两个整数x和y之比，通常表示为分数x/y。因而，给定数值100，有理数地确定的值包括10(当除以10或10/1时)或60(当乘以0.6或3/5时)。这将在说明书中随后进行描述。

参见图1，使用在装置1内的加速计感测诸如工业马达等对象的振动。该加速计将机械振动信号转换成表示该机械振动的电振动信号。随后在装置2内优选地调整所建立的电振动信号。根据具体应用，电振动信号可以经历下述中的任一个或其组合：缩放(scaling)、直流(DC)偏置和抗混叠滤波(anti-alias filtering)。本领域的技术人员将熟悉这些公知的实践和其中最好使用这些实践的情况。

随后，使用在装置3内的模数转换器(ADC)将已经优选地经过调节的电振动信号转换成数字形式。在本发明中ADC的抽样率受装置FF内的第一频率的选择的控制。

通过在装置FF内选择确定的频率，ADC将产生作为电振动信号的数字表示的数字化振动信号。在优选实施例中，第一频率是上截止频率。上截止频率的选择确定数字化振动信号内的最高频率内容。上截止频率(P_max(high))通过等式(1)所示的关系与ADC内的抽样率关联：

抽样率(Hz)＝P_max(high)*2.56 (1)

数值2.56在产业中是典型的，并被选择以满足标准奈奎斯特(Nyquist)和滤波要求。一旦计算和实施抽样率，高于选定的P_max(high)的频率将基本上被自数字化振动信号中消除。随后有效地，在装置FF内的选择是低通滤波器截止选择。

在大部分机器的振动分析中，可以自以赫兹为单位的下述值中选择P_max(high)：40000、20000、10000、8000、5000、4000、2500、1250和1000。应当理解该组值仅是可以使用的大量集合之一。然而，在这些值之间存在清楚的关系，即较小值是可以自较大值有理数地确定的。在P_max(high)的值之间的这一关系有益于降低其它在下文中更详细地描述的值的计算。

然而，注意到随着具有高处理能力的微处理器出现，可以规避在P_max(high)数值之间这样一种有效关系的要求。在这些情况下，微处理器将必需为P_max(high)的每个更复杂的值执行高等级除法和计算。

随后在该系统的第一支路内，具体而言在装置4内，处理在装置3内生成的数字化振动信号，其缓冲或累积所输入的数字化振动信号以重新构建时间波形。一旦在装置4内的缓冲器达到预定容量，则作为在装置5内的时间波形的第一类型振动信号输出缓冲器的内容。典型的缓冲器长度是1024、2048、4096和8192。这些对应于包含400、800、1600、3200条谱线的频谱，分别地基于类似于等式1的2.56关系。

如果第一频率是上截止频率，则第一信号类型输出将因而是高频波形。该波形是所检测振动的时间波形，其中已经滤波了高于P_max(high)频率的振动频率。理想地，显示时间波形，以便维护操作者可以选择性地确定将使用的适当的P_max(high)识别结果波形。

还希望确定数字化振动信号的频谱。同样在装置4内，通过首先对缓冲器内容窗口化和执行诸如快速傅立叶变换(FFT)执行该操作。尽管在此将参考FFT处理描述本发明，但是也可以使用用以获得确定频谱的结果的其它处理方法，例如离散傅立叶变换(DFT)及其变型。

在随后的波形缓冲器上多次重复FFT处理以生成多个原谱。随后在装置4内将在FFT处理过程中生成的原谱在一起平均化。该平均化处理可以由用户控制，图示为在装置UC内的选择。该选择控制将在一起平均化的谱数量。该平均化处理结果是其中已经通过平均化原谱内的每条匹配谱线计算出每条谱线的频谱。

一旦在装置4内处理，在输出设备即图1中的装置6中输出数字化信号的频谱。如同时间波形一样，此处的频谱将是高频频谱，其显示P_max(high)的选定值之下的数字化振动信号内的全部频率。

还可以将在装置3内生成的数字化振动信号发送给另一处理支路，其有效地是第一支路的平行处理支路。在该处理支路内，数字化信号首先经过在装置7内的抽取处理(decimation process)，其中通过低通滤波降低在数字化信号内的抽样数量，然后自数字流删除抽样。该处理降低了高频分量，主要留下在二次抽样信号内的低频分量。

为了降低数字化信号的抽样率和依然保证所获得的降低抽样信号的精确度，在数字化信号的抽样率和二次抽样率(在此称作第二频率或P_max(low))之间必需存在关系。具体而言，P_max(low)必需是可自抽样率的选择值有理数地确定和比该选择值低。

在优选形式中，自P_max(high)通过乘以有理数确定P_max(low)的值。例如，6400Hz可以自8000Hz通过乘以有理数4/5获得。

因此，一旦选择P_max(high)的值以抽样电振动信号和生成数字化振动信号，仅可自该频率有理数地确定和比其低的频率可用于二次抽样数字化振动信号。

在上述例子中，将可用的第一频率或P_max(high)的列表表示为(以赫兹为单位)：40000、20000、10000、8000、5000、4000、2500、1250和1000。为了准确地二次抽样已经使用这些频率中的任一个数字化的信号，第二频率或P_max(low)必需是可自选定的第一频率有理数地确定和比其低的。可用的P_max(low)的值如下(以赫兹为单位)：20000、10000、8000、6400、5000、4000、3200、2500、2000、1600、1250、1000、800、640、500、400、320、250、200、160、125、100、80、64、50、40、20和10。这些数值可用于在装置8内选择。

一旦根据在装置8内的频率选择在装置7内二次抽样，则将结果数字化信号发送给在装置9内的波形缓冲器。如先前所述，该缓冲器允许离散数字振动数据的累积。一旦缓冲器积满，将波形输出为第二种振动信号，图示为装置10。假定已经使用低于抽样频率的频率二次抽样该数字化振动信号，则第二种振动信号输出是低频波形。

如先前所述，通过对波形缓冲器的内容窗口化和执行诸如FFT，可以获得等同频谱。这也在装置9内图示。一旦执行，则在装置9内计算平均频谱，在装置11内输出该低频波形的频谱。

将在数字化振动信号上执行解调程序的情况下，本发明也是有利的。如在此使用的，术语“解调”涵盖实质上类似于解调的处理，例如使用包络(enveloping)、高频包络、峰值能量(Spike Energy)等的技术。还涵盖本领域的技术人员已经熟知用于实现如下文所述的相同目的的其它处理。

解调用于某些机器问题通过常规振动读数未能发现因而阻碍早期校正动作的情况下。在使用中，解调首先在称作F_min的频率上使用高通滤波器消除振动信号的低频分量。F_min是转角解调频率(corner demodulation frequency)，低于该频率的将基本上被滤除，仅留下高于F_min的频率。为了使脉冲事件更突出和易于随后识别，随后包络检测该高通滤波信号。随后，处理该包络检测信号，如同它是独立检测的振动信号一样。

在本发明中，F_min是第三可选择的频率。因为在F_min上的滤波处理非常类似于在P_max(low)上的抽取，在F_min和第一频率P_max(high)之间的关系必需类似于先前描述的P_max(low)和P_max(high)的关系。该关系必需自数字化振动信号准确地数字化消除低频分量。

如同P_max(low)的选择一样，可用于选择的第三频率(F_min)的值等同于自可用P_max(high)值有理数地确定和比其低的值。其中可用P_max(high)值是(以赫兹为单位)：40000、20000、10000、8000、5000、4000、2500、1250和1000，F_min选项是(以赫兹为单位)：20000、10000、8000、6400、5000、4000、3200、2500、2000、1600、1250、1000、800、640、500、400、320、250、200、160、125、100。优选限制F_min选项，因为这限制了在信号内低频噪声的数量，否则将影响解调效果。

一旦选择第一频率(P_max(high))，则在装置12内出现第三频率(F_min)的选择。如上所述，频率选择在此控制将在其上高通滤波数字化振动信号的转角频率。一旦选择F_min的值，则在装置13内高通滤波数字化振动值。

一旦已经在装置13内消除数字化振动信号的低频分量，则在装置14内包络检测滤波后的振动信号。检测信号包络的一种简单方法是矫正信号(也就是高通滤波很低的频率并且直流分量已经消除，留下以零为中心的信号)。可替代地，可以使用合理选择其衰变率的峰值检测器。本领域的技术人员将理解可以执行包络检测的多种其它方式。

在包络检测之后，将振动信号发送给在装置15内的抽取或二次抽样滤波器。该滤波器以与针对装置7描述的抽取或二次抽样滤波器相同的方式工作。自可根据第一频率P_max(low)有理数地确定和比其低的多个值中选择该滤波器的二次抽样率。该抽样滤波器自包络检测信号有效地提取所关注的频率以便分析。参考先前描述的类似操作，所关注的频率将大约1Hz，这是锣的敲击频率。

抽取滤波器的输出或者在包络检测已经产生抽取信号的情况下的包络滤波器的输出随后被馈送给在装置16内的波形缓冲器。如同先前的例子，该缓冲器累积离散数字信号以输出为在装置17内的时间波形。装置17的波形是使用本发明可确定的第三种振动信号。具体而言，第三种信号是解调时间波形。与第一和第二种振动信号的处理相同，通过窗口化和诸如FFT继之以平均化频谱的转换，如在装置16内图示的，可以将第三种振动信号表示为频谱。在装置18内输出表示该解调频谱的结果频谱。

在使用加速计作为振动传感器的情况下，由加速计生成的电振动信号表示所感测振动的加速度。加速度是通常分析的一种感测信号。为了全面分析，还需要观察和分析其它信号类型，例如所感测振动的速度和位移。

在图1中，本发明方法的优选形式包括在装置19内信号种类的用户选择。如果选择加速度作为分析种类，则将数字化信号简单地转发给如前所述的处理装置。在此不需要预处理，因为该数字化振动信号已经表示所感测振动的加速度。

在选择速度作为在装置19内所关注种类的情况下，该数字化振动信号在装置20内被预处理。基本预处理是积分基于加速度的数字化振动信号。如在现有技术中公知的，基于加速度的信号的积分将生成基于速度的信号。一旦生成该基于速度的信号，它经历如先前所述的处理以获取振动信号的不同类型。

在选择位移作为在装置19内的所关注种类的情况下，在装置20和21内同时预处理该数字化振动信号。如在现有技术中公知的，为了自基于加速度的信号获取基于位移的信号，二重积分是必需的。因此，如先前所述在装置20内执行一次积分处理和在装置21内执行第二重积分处理。顺序地执行该积分，以便在装置20内的积分输出是在装置21内的积分输入。一旦数字化振动信号已经经历二重积分处理，发送所获得的基于位移的振动信号以用先前所述的方式处理。

在一种实施例中，本发明的设备将由执行图1相关任务的已知组件构成。例如，本领域的技术人员将熟知可用于执行装置3的可变速率模数转换器。

根据应用，本发明的设备可以是固定安装的监视装置或者便携式装置。作为时间波形和频谱的输出可以被存储在本发明设备内的存储设备内或者被显示在可连接至该设备的显示器上。

在一种实施例中，显示器构成设备组件以便测量机器振动的维护操作者可以及时和便利地观看多种所获取的信号。

在另一种实施例中，该设备可连接至具有显示器的计算设备。计算设备的例子包括个人计算机、固定安装的计算机、个人数字助理和便携式计算机。

上文描述了包括其优选形式的本发明。如对于本领域技术人员显而易见的，替代和修改将包含在其保护范围之内。

Claims

1.一种用于为振动分析根据所测量的振动信号获取多种振动信号的系统，其中该系统包括：

用于感测和转换信号的单元，进一步包括：

用于通过将振动转换成电振动信号来测量对象振动的至少一个组件；和

将电振动信号转换成数字振动信号的组件，其中该用于转换的组件具有基于自第一频率的多个可能值选择出的数值的抽样率；

其特征在于，该系统还包括：

用于根据数字振动信号获取第一种振动信号，和用于根据基于自第一频率的选定值有理数地确定并比第一频率的选定值低的数值的数字振动信号获取第二种振动信号的用于获取信号的单元；和

用于显示输出波形、显示由用于获取信号的单元获取和处理的波形或频谱的单元。

2.如权利要求1要求保护的用于为振动分析根据所测量的振动信号获取多种振动信号的系统，其中用于获取信号的单元还根据基于第二频率和第三频率的数字振动信号获取第三种振动信号，其中自根据第一频率的选定值有理数地确定并比第一频率的选定值低的数值选择该第三频率。

3.如权利要求2要求保护的用于为振动分析根据所测量的振动信号获取多种振动信号的系统，其中第一频率是上截止频率，第一种振动信号是数字振动信号的高频波形。

4.如权利要求3要求保护的用于为振动分析根据所测量的振动信号获取多种振动信号的系统，其中第二频率是下截止频率，第二种振动信号是数字振动信号的低频波形。

5.如权利要求4要求保护的用于为振动分析根据所测量的振动信号获取多种振动信号的系统，其中第三频率是解调截止频率，第三种振动信号是数字振动信号的解调波形。

6.如权利要求3要求保护的用于为振动分析根据所测量的振动信号获取多种振动信号的系统，其中用于获取信号的单元包括波形缓冲器以缓冲数字振动信号，并作为数字振动信号的高频波形输出缓冲器内容。

7.如权利要求4要求保护的用于为振动分析根据所测量的振动信号获取多种振动信号的系统，其中用于获取信号的单元包括：至少一个抽选或二次抽样滤波器以将数字振动信号的频率降低至至少臻于下截止频率；和波形缓冲器以缓冲滤波后的振动信号，该用于获取信号的单元还作为数字振动信号的低频波形输出缓冲器内容。

8.如权利要求5要求保护的用于为振动分析根据所测量的振动信号获取多种振动信号的系统，其中用于获取信号的单元包括：

高通滤波器，具有在解调截止频率上的截止频率以生成滤波信号；

包络检测器，根据滤波信号生成包络信号；

至少一个抽选或二次抽样滤波器，将包络信号频率降低至至少臻于可自第一频率有理数地确定并比第一频率低的频率；和

波形缓冲器，缓冲滤波包络信号；

其中用于获取信号的单元作为数字振动信号的解调波形输出缓冲器的内容。

9.如权利要求8要求保护的用于为振动分析根据所测量的振动信号获取多种振动信号的系统，其中抽选或二次抽样滤波器将包络信号频率降低至至少臻于下截止频率。

10.如权利要求5要求保护的用于为振动分析根据所测量的振动信号获取多种振动信号的系统，其中用于获取信号的单元包括：

包络检测器，以自滤波信号生成包络信号，其中该包络信号频率至少臻于可自第一频率有理数地确定并比第一频率低的频率；和

波形缓冲器，以缓冲滤波后的包络信号；

其中用于获取信号的单元作为数字振动信号的解调波形输出缓冲器内容。

11.如权利要求10要求保护的用于为振动分析根据所测量的振动信号获取多种振动信号的系统，其中用于获取信号的单元将缓冲器内容转换成频域信号，该用于获取信号的单元进一步包括：

窗口化装置，以使缓冲器内容窗口化；

转换装置，以获得窗口化缓冲器内容的频谱；和

平均化装置，以确定平均频谱。

12.如权利要求1至11中任一权利要求要求保护的用于为振动分析根据所测量的振动信号获取多种振动信号的系统，其中该用于获取多种振动信号的系统可基于一个或多个同时测量的振动信号操作。

13.如权利要求12要求保护的用于为振动分析根据所测量的振动信号获取多种振动信号的系统，其中用于测量振动的组件是振动传感器。

14.如权利要求4、5、7、8、9、10、11中任一权利要求要求保护的用于为振动分析根据所测量的振动信号获取多种振动信号的系统，其中振动传感器是加速计并且数字振动信号是加速振动信号，该系统进一步包括：

至少一个积分器，以积分加速振动信号以获得速度振动信号；

至少一个积分器，以积分速度振动信号以获得位移振动信号；和

选择装置，以允许选择加速、速度或位移振动信号，由此获取低频振动信号。

15.如权利要求14要求保护的用于为振动分析根据所测量的振动信号获取多种振动信号的系统，其中该用于获取多种振动信号的系统可以基于一个或多个同时测量的振动信号操作。