專利名稱：旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號整周期同步采樣分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號處理方法，具體涉及一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號整周期同步采樣分析方法。
背景技術(shù)：
振動分析是旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷中應(yīng)用最廣泛的方法，一方面振動問題是旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行中的最主要的安全問題之一，另一方面振動信號包含了豐富的機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)信息。旋轉(zhuǎn)機(jī)械在運(yùn)行時，其轉(zhuǎn)速在嚴(yán)格意義上是波動的，特別在升、降速階段尤其明顯，這些狀態(tài)下對應(yīng)的振動信號屬于非平穩(wěn)信號。對這些非平穩(wěn)振動信號進(jìn)行分析，可以揭示其頻率特征，尤其是其頻率隨時間或轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律，從而可以對旋轉(zhuǎn)機(jī)械的大部分故障類型進(jìn)行準(zhǔn)確的診斷。鑒于振動信號并 不直接滿足傅里葉變換對信號的平穩(wěn)性要求，因此嚴(yán)格說來并不適合用常規(guī)的頻譜分析法分析，若人為地在應(yīng)用中將這類信號假定為平穩(wěn)信號進(jìn)行分析，必然會導(dǎo)致較大的誤差甚至錯誤。旋轉(zhuǎn)機(jī)械平穩(wěn)振動信號特征分析技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟，并在工程實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用，但基于傅里葉變換的傳統(tǒng)信號處理方法只能分析信號的統(tǒng)計平均結(jié)果，無法處理非平穩(wěn)信號。若人為地在應(yīng)用中將這類信號假定為平穩(wěn)信號進(jìn)行分析必然會導(dǎo)致較大的誤差甚至錯誤。正是在此情況下，以轉(zhuǎn)速信號為基礎(chǔ)的階比分析技術(shù)孕育而生。階比分析的提出為分析旋轉(zhuǎn)機(jī)械非平穩(wěn)振動中和轉(zhuǎn)速相關(guān)的振動提供了一條有效途徑。階比分析是通過整周期同步采樣技術(shù)將時域等間隔振動信號轉(zhuǎn)化為角域等間隔振動信號，然后對該振動信號進(jìn)行快速傅里葉變換。因此，階比分析本質(zhì)上是一種改進(jìn)的快速傅里葉變換。傳統(tǒng)的階比分析實(shí)現(xiàn)方式通常采用硬件實(shí)現(xiàn)方式，硬件實(shí)現(xiàn)方式是使用直接編碼器的外部觸發(fā)采樣，由編碼器產(chǎn)生等轉(zhuǎn)角的觸發(fā)脈沖，進(jìn)行等角度重采樣。采樣過程中需要有鎖相環(huán)、倍頻分頻電路、截止頻率實(shí)時可調(diào)的抗混疊跟蹤濾波器等設(shè)備，其采樣頻率隨轉(zhuǎn)速變化，設(shè)備電路復(fù)雜，成本高，穩(wěn)定性差，在轉(zhuǎn)速快變時精度會受影響。公告號為CN102175439的中國專利，公開了一種“針對旋轉(zhuǎn)機(jī)械的階次分析實(shí)現(xiàn)方法”，其等角度重采樣是“根據(jù)更新頻率的低速脈沖以及當(dāng)前高速軸上的轉(zhuǎn)速脈沖分別對采集卡輸出信號進(jìn)行等角度重采樣”。此種方法在旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)速不變或變化小時相當(dāng)有效，但當(dāng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)速變化大時，此時的更新頻率是由第一次采樣時的頻率計算得來；因此，當(dāng)用此更新頻率與當(dāng)前高速軸上的轉(zhuǎn)速脈沖進(jìn)行等角度重采樣，將帶來更新頻率與當(dāng)前高速軸上的轉(zhuǎn)速脈沖不同步，采樣數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。所以，傳統(tǒng)的階比分析方法用在變轉(zhuǎn)速機(jī)械，特別是升、降速速率較高時，由于瞬時頻率無法跟蹤只能采用預(yù)設(shè)，又由于等角度重采樣是通過硬件的再次采樣，因此，傳統(tǒng)的階比分析會出現(xiàn)大的誤差，甚至是錯誤的分析結(jié)果
發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號整周期同步采樣分析方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號整周期同步采樣分析方法，其特征在于，包括:
步驟1:由固定采樣頻率連續(xù)同步采集振動信號和鍵相脈沖信號，所述鍵相脈沖信號在所述旋轉(zhuǎn)機(jī)械每旋轉(zhuǎn)一周時產(chǎn)生一次；
步驟2:根據(jù)所述鍵相脈沖信號，獲得旋轉(zhuǎn)機(jī)械每轉(zhuǎn)動一周的轉(zhuǎn)速和瞬時頻率；
步驟3:選取一個振動階比數(shù)M，利用插值濾波器對所述鍵相脈沖信號進(jìn)行2X振動階比數(shù)M倍的插值，得到均角樣本時間序列；
步驟4:根據(jù)所述瞬時頻率和所述均角樣本時間序列，對所述振動信號進(jìn)行抗混疊數(shù)字濾波和插值重采樣，得到對應(yīng)所述均角樣本時間序列的振動等角度采樣信號；
步驟5:根據(jù)所述振動等角度采樣信號，得到振動階比譜與各階諧波波形。前述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號整周期同步采樣分析方法，其特征在于，所述振動階比數(shù)M為2的η次方，η是 4以上的正整數(shù)。前述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號整周期同步采樣分析方法，其特征在于，所述η等于6。前述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號整周期同步采樣分析方法，其特征在于，所述固定采樣頻率大于最大轉(zhuǎn)速頻率X振動階比數(shù)Μ。前述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號整周期同步采樣分析方法，其特征在于，所述步驟2包括:先設(shè)定一個閾值，再根據(jù)所述閾值來識別所述鍵相脈沖信號的上升沿到達(dá)時間或下降沿的到達(dá)時間，通過上升沿到達(dá)時間或下降沿的到達(dá)時間來計算每兩個鍵相脈沖信號之間的時間差，通過所述時間差獲得旋轉(zhuǎn)機(jī)械每轉(zhuǎn)動一周的轉(zhuǎn)速和瞬時頻率。前述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號整周期同步采樣分析方法，其特征在于，所述插值濾波器為基于FPGA的級聯(lián)積分梳狀濾波器。前述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號整周期同步采樣分析方法，其特征在于，所述插值重采樣為線性插值、樣條插值、拉格朗日插值或sine插值中的任一種。前述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號整周期同步采樣分析方法，其特征在于，所述抗混疊數(shù)字濾波采用Kaiser窗FIR濾波器。前述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號整周期同步采樣分析方法，其特征在于，所述步驟5包括:對所述振動等角度采樣信號進(jìn)行快速傅里葉變換得到連續(xù)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動階比譜。前述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號整周期同步采樣分析方法，其特征在于，所述步驟5包括:對所述振動等角度采樣信號進(jìn)行恒帶寬濾波或者Gabor變換，得到連續(xù)的各階諧波波形。本發(fā)明的有益之處在于:本發(fā)明的能夠?qū)崿F(xiàn)精確的等角度采樣，此外，本發(fā)明節(jié)省硬件，降低成本，性能可靠、穩(wěn)定。


圖1是本發(fā)明旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號整周期同步采樣分析方法流程框 圖2是本發(fā)明振動信號的一種示意 圖3是本發(fā)明鍵相脈沖信號的一種示意圖；圖4是圖2所述振動信號的頻譜示意 圖5是基于圖3得到的脈沖時間示意 圖6是基于圖3得到的轉(zhuǎn)速曲線示意 圖7是基于圖2、圖3得到的振動等角度采樣信號示意 圖8是基于圖2、圖3得到的階比譜示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作具體的介紹。參照圖 1所示，本發(fā)明旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號整周期同步采樣分析方法，包括:
步驟1:由固定采樣頻率連續(xù)同步采集振動信號和鍵相脈沖信號，鍵相脈沖信號在旋轉(zhuǎn)機(jī)械每旋轉(zhuǎn)一周時產(chǎn)生一次；
步驟2:根據(jù)鍵相脈沖信號，獲得旋轉(zhuǎn)機(jī)械每轉(zhuǎn)動一周的轉(zhuǎn)速和瞬時頻率；
步驟3:選取一個振動階比數(shù)M，利用插值濾波器對鍵相脈沖信號進(jìn)行2X振動階比數(shù)M倍的插值，得到均角樣本時間序列；
步驟4:根據(jù)瞬時頻率和均角樣本時間序列，對振動信號進(jìn)行抗混疊數(shù)字濾波和插值重采樣，得到對應(yīng)均角樣本時間序列的振動等角度采樣信號；
步驟5:根據(jù)振動等角度采樣信號，得到振動階比譜與各階諧波波形。本發(fā)明不限制旋轉(zhuǎn)機(jī)械的具體類型，比如其可以是汽輪發(fā)電機(jī)組。本發(fā)明的鍵相脈沖信號在旋轉(zhuǎn)機(jī)械每旋轉(zhuǎn)一周時產(chǎn)生一次，本發(fā)明不限定其具體的實(shí)現(xiàn)方式，比如其可以在可以在旋轉(zhuǎn)機(jī)械上設(shè)置一凹槽之類的鍵相標(biāo)記，然后由光電傳感器檢測凹槽，這樣旋轉(zhuǎn)機(jī)械每旋轉(zhuǎn)一周，光電傳感器就能夠檢測到一個鍵相脈沖信號。下面通過一個實(shí)施例進(jìn)一步分析說明。圖2是本發(fā)明振動信號的一種示意圖。這里，為了便于分析，圖2的振動信號的基頻為線性變化，圖4是圖2所述振動信號的頻譜示意圖。但這僅僅是為了便于分析，實(shí)際工作時，振動信號并不限于圖2所示。這里的振動信號是與鍵相脈沖信號由固定采樣頻率連續(xù)同步采集的，本發(fā)明不限制振動信號的采集設(shè)備，也不限制振動信號的路數(shù)，比如，本發(fā)明可以采用I個光電傳感器和4個振動傳感器分別采集I路轉(zhuǎn)速鍵相脈沖信號和4路振動信號，即構(gòu)成了一個高精度振動信號采集分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)變轉(zhuǎn)速振動信號階比跟蹤采集和階比分析功能。本發(fā)明中涉及到了振動階比數(shù)，作為優(yōu)選，振動階比數(shù)M為2的η次方，η是4以上的正整數(shù)。進(jìn)一步,η等于6，此時達(dá)到的采樣精度已經(jīng)能夠符合要求，在成本和精度之間達(dá)到最佳平衡。作為優(yōu)選，本發(fā)明的固定采樣頻率大于最大轉(zhuǎn)速頻率X振動階比數(shù)Μ。這樣的采樣頻率能夠確保無論轉(zhuǎn)速如何，本發(fā)明都能夠獲得最佳的采樣效果。通過同步采集，本發(fā)明就能夠獲得如圖2所示的振動信號和如圖3所示的鍵相脈沖信號。根據(jù)鍵相脈沖信號，可以獲得旋轉(zhuǎn)機(jī)械每轉(zhuǎn)動一周的轉(zhuǎn)速和瞬時頻率。這里也不限制具體的實(shí)現(xiàn)方式。作為一種優(yōu)選，可以先設(shè)定一個閾值，這個閾值的設(shè)定是可以人為設(shè)定的，一般可以通過人工設(shè)定上升沿或下降沿的電壓值大小，以此電壓值大小作為一個指定的閾值?；蛘咭部梢园凑漳骋凰惴?，由統(tǒng)計學(xué)規(guī)律，自動計算閾值大小。圖3是本發(fā)明鍵相脈沖信號的一種示意圖，圖5是基于圖3基礎(chǔ)上得到的脈沖時間示意圖。實(shí)際中，可以由此準(zhǔn)確識別和記錄鍵相脈沖信號上升沿或下降沿的到達(dá)時間t0、tl、t2…tN，這里N為正整數(shù)，tN為第N個鍵相脈沖的時間。由兩個脈沖間的時間差，dt0=tl-t0, dtl=t2-tl,…，dtN-l=tN-tN_l,這里dtN為第N個脈沖和第N-1個脈沖的時間差，因此dtN即為旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)第N圈的時間。然后可以以此dtN計算轉(zhuǎn)速和瞬時頻率。如圖6所示就是基于圖3基礎(chǔ)上得到的轉(zhuǎn)速曲線示意圖。接著，選取選取一個振動階比數(shù)M，利用插值濾波器對鍵相脈沖信號進(jìn)行2X振動階比數(shù)M倍的插值，得到均角樣本時間序列。比如,可以選擇振動階比數(shù)M為32，此時利用插值濾波器對鍵相脈沖信號進(jìn)行64倍的的插值，得到均角樣本時間序列。本發(fā)明不限制插值濾波器的類型，實(shí)際優(yōu)選插值濾波器為基于FPGA的級聯(lián)積分梳狀濾波器。本發(fā)明不限制插值濾波器進(jìn)一步結(jié)構(gòu)，只要能夠滿足上述要求即可。經(jīng)過插值濾波器插值后，得到的均角樣本時間序列實(shí)際上就是角域中等角度的振動信號的每一樣本所對應(yīng)的時間序列。因此均角樣本時間序列中的時間序列其指向的是振動信號旋轉(zhuǎn)等角度的每 一樣本。均角樣本時間序列中兩個相鄰元素之間，旋轉(zhuǎn)設(shè)備都旋轉(zhuǎn)了相等的角度。接著，根據(jù)瞬時頻率和均角樣本時間序列，對振動信號進(jìn)行抗混疊數(shù)字濾波和插值重采樣，得到對應(yīng)均角樣本時間序列的振動等角度采樣信號。圖7是基于圖2、圖3基礎(chǔ)上得到的振動等角度采樣信號示意圖。這里，抗混疊數(shù)字濾波采用Kaiser窗FIR濾波器，插值重采樣優(yōu)選為線性插值、樣條插值、拉格朗日插值或sine插值中的任一種。本發(fā)明同樣不闡述詳細(xì)的抗混疊數(shù)字濾波、插值重采樣的方法，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)各種插值重采樣原理，并結(jié)合實(shí)際進(jìn)行選擇操作。最后，可以根據(jù)振動等角度采樣信號，得到振動階比譜與各階諧波波形。比如對振動等角度采樣信號進(jìn)行快速傅里葉變換得到連續(xù)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動階比譜，對振動等角度采樣信號進(jìn)行恒帶寬濾波或者Gabor變換，得到連續(xù)的各階諧波波形。圖8是基于圖2、圖3基礎(chǔ)上得到的階比譜示意圖。當(dāng)然，可以根據(jù)振動等角度采樣信號，得到更多的關(guān)于振動信號的分析圖。例如階比功率譜、階比頻譜圖等，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)際選擇。由此可見，本發(fā)明與傳統(tǒng)的快速傅里葉變換相比，具有如下特點(diǎn):
首先，克服了由于非整周期采樣所導(dǎo)致的頻譜“泄漏效應(yīng)”。等轉(zhuǎn)角采樣后的信號是以轉(zhuǎn)速做整周期延拓，可避免信號DFT轉(zhuǎn)換時的泄漏，大大提高了系統(tǒng)的分析精度，最重要的是可準(zhǔn)確提取/[目號中的相位/[目息。其次，保證歷史數(shù)據(jù)的可比性。為了保證每次信號采集的起始點(diǎn)基準(zhǔn)相同，本發(fā)明可以采用鍵相脈沖信號的上升沿觸發(fā)采集信號，從而使所有歷史振動數(shù)據(jù)的相位具有縱向可比性。最后，可在采樣序列中將變化的工頻成分分離出來。應(yīng)用階比譜分析，即可獲取與設(shè)備的工頻及其諧波分量密切相關(guān)的故障信息。本發(fā)明提出一種由固定的采樣頻率實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號同步階比跟蹤分析方法，通過由固定的采樣頻率實(shí)現(xiàn)精確的等角度采樣，不存在頻率混亂現(xiàn)象，也就是轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)動一次，采樣點(diǎn)對應(yīng)于轉(zhuǎn)軸上的角度差是一致的，在轉(zhuǎn)軸上位置是固定的，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的整周期同步采樣。本發(fā)明中的階比分析采樣頻率恒定，先獲得等時間間隔信號，用軟件實(shí)現(xiàn)對等時間間隔信號重新采樣，轉(zhuǎn)化為等角度間隔的信號。本發(fā)明節(jié)省硬件，降低成本，性能可靠、穩(wěn)定、維修方便，易于修改和擴(kuò)充。以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，上述實(shí)施例不以任何形式限制本發(fā)明，凡采用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本 發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號整周期同步采樣分析方法，其特征在于，包括: 步驟1:由固定采樣頻率連續(xù)同步采集振動信號和鍵相脈沖信號，所述鍵相脈沖信號在所述旋轉(zhuǎn)機(jī)械每旋轉(zhuǎn)一周時產(chǎn)生一次； 步驟2:根據(jù)所述鍵相脈沖信號，獲得旋轉(zhuǎn)機(jī)械每轉(zhuǎn)動一周的轉(zhuǎn)速和瞬時頻率； 步驟3:選取一個振動階比數(shù)M，利用插值濾波器對所述鍵相脈沖信號進(jìn)行2X振動階比數(shù)M倍的插值，得到均角樣本時間序列； 步驟4:根據(jù)所述瞬時頻率和所述均角樣本時間序列，對所述振動信號進(jìn)行抗混疊數(shù)字濾波和插值重采樣，得到對應(yīng)所述均角樣本時間序列的振動等角度采樣信號； 步驟5:根據(jù)所述振動等角度采樣信號，得到振動階比譜與各階諧波波形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號整周期同步采樣分析方法，其特征在于，所述振動階比數(shù)M為2的η次方，η是4以上的正整數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號整周期同步采樣分析方法，其特征在于，所述η等于6。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號整周期同步采樣分析方法，其特征在于，所述固定采樣頻率大于最大轉(zhuǎn)速頻率X振動階比數(shù)Μ。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號整周期同步采樣分析方法，其特征在于，所述步驟2包括:先設(shè)定一個閾值，再根據(jù)所述閾值來識別所述鍵相脈沖信號的上升沿到達(dá)時間或下降沿的到達(dá)時間，通過上升沿到達(dá)時間或下降沿的到達(dá)時間來計算每兩個鍵相脈沖信號之間的時間差，通過所述時間差獲得旋轉(zhuǎn)機(jī)械每轉(zhuǎn)動一周的轉(zhuǎn)速和瞬時頻率。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)`械振動信號整周期同步采樣分析方法，其特征在于，所述插值濾波器為基于FPGA的級聯(lián)積分梳狀濾波器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號整周期同步采樣分析方法，其特征在于，所述插值重采樣為線性插值、樣條插值、拉格朗日插值或sine插值中的任一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號整周期同步采樣分析方法，其特征在于，所述抗混疊數(shù)字濾波采用Kaiser窗FIR濾波器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號整周期同步采樣分析方法，其特征在于，所述步驟5包括:對所述振動等角度采樣信號進(jìn)行快速傅里葉變換得到連續(xù)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動階比譜。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號整周期同步采樣分析方法，其特征在于，所述步驟5包括:對所述振動等角度采樣信號進(jìn)行恒帶寬濾波或者Gabor變換，得到連續(xù)的各階諧波波形。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號整周期同步采樣分析方法，由固定采樣頻率連續(xù)同步采集振動信號和鍵相脈沖信號，根據(jù)鍵相脈沖信號獲得轉(zhuǎn)速和瞬時頻率，利用插值濾波器獲得均角樣本時間序列，再通過抗混疊數(shù)字濾波和插值重采樣，得到振動等角度采樣信號，最后得到振動階比譜與各階諧波波形。本發(fā)明的能夠?qū)崿F(xiàn)精確的等角度采樣，此外，本發(fā)明節(jié)省硬件，降低成本，性能可靠、穩(wěn)定。
文檔編號G01H17/00GK103234627SQ201310133448
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月17日
發(fā)明者劉曉鋒, 盧修連, 秦惠敏, 盧承斌, 黃磊, 孫和泰 申請人:國家電網(wǎng)公司, 江蘇省電力公司, 江蘇方天電力技術(shù)有限公司