本發(fā)明涉及振動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種自適應(yīng)采樣頻率追蹤方法。

背景技術(shù)：

目前已知的對(duì)振動(dòng)采樣都是基于經(jīng)驗(yàn)值，或者直接選擇取最大值對(duì)振動(dòng)進(jìn)行采樣。傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗(yàn)值的方法需要人為干預(yù)；選取最大值的方法在很多情況下都導(dǎo)致過(guò)采樣，在系統(tǒng)振動(dòng)頻率一定的情況下，過(guò)高的采樣頻率意味著在單位時(shí)間能獲取的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量過(guò)高，不但不能增加系統(tǒng)的敏感度，反而會(huì)導(dǎo)致傳感器能耗的增加，并造成過(guò)多的計(jì)算資源以及存儲(chǔ)資源的消耗；同時(shí)，一段振動(dòng)頻率發(fā)生了改變，傳統(tǒng)的方式需要人為進(jìn)行重新設(shè)置，無(wú)法自動(dòng)更新。對(duì)于一個(gè)具體設(shè)備設(shè)置的一種頻率采樣模式不能應(yīng)用到另一具體設(shè)備，需要頻繁的針對(duì)不同設(shè)備型號(hào)、設(shè)備地基穩(wěn)定度，采集裝置的安裝位置及振動(dòng)來(lái)源的動(dòng)作模式重新設(shè)置采樣模式，導(dǎo)致頻率采樣模式不具備普適性。系統(tǒng)定期跟蹤需要檢測(cè)的振動(dòng)頻率時(shí)，會(huì)出現(xiàn)頻率漂移現(xiàn)象，在一些應(yīng)用場(chǎng)景中，由于機(jī)械老化、周圍環(huán)境的變化或人為干預(yù)等原因，導(dǎo)致捕捉的振動(dòng)點(diǎn)發(fā)生漂移現(xiàn)象。對(duì)于上述過(guò)采樣和振動(dòng)漂移的問(wèn)題，目前缺少相應(yīng)的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提出一種自適應(yīng)采樣頻率追蹤方法，通過(guò)自適應(yīng)的頻率采樣方式能在保證檢測(cè)精度的同時(shí)，自動(dòng)采用合理的采樣頻率，降低系統(tǒng)的能耗，并且適時(shí)跟蹤振動(dòng)頻率變化的趨勢(shì)。

為達(dá)到上述發(fā)明的目的，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種自適應(yīng)采樣頻率追蹤方法，包括如下步驟：

步驟S10，以移位寄存器集保存大于等于兩秒的振動(dòng)數(shù)據(jù)；

步驟S20，通過(guò)自適應(yīng)閾值判斷當(dāng)前開關(guān)門振動(dòng)是否發(fā)生，是則對(duì)包含開關(guān)門動(dòng)作的振動(dòng)數(shù)據(jù)求取第一功率譜密度分布，否則以第一時(shí)間間隔對(duì)步驟S10保存的振動(dòng)數(shù)據(jù)求取其第二功率譜密度分布；

步驟S30，求取第一功率譜密度分布與第二功率譜密度分布的差值，并對(duì)差值計(jì)算其最大功率累加值；

步驟S40，取達(dá)到最大功率累加值閾值的頻率記錄最大值f_max，并對(duì)同樣最大功率的數(shù)據(jù)點(diǎn)通過(guò)關(guān)于頻率的統(tǒng)計(jì)方法得到統(tǒng)計(jì)上最大頻率f′_max；

步驟S50,判斷頻率記錄最大值f_max與統(tǒng)計(jì)上最大頻率f′_max之間的偏差是否達(dá)到閾值，是則更新振動(dòng)傳感器的采樣頻率f_s，k后進(jìn)入步驟S10，其中s表示固有振動(dòng)，k為整數(shù)的時(shí)間點(diǎn)，否則結(jié)束采樣頻率的更新。

進(jìn)一步，所述步驟S50對(duì)偏差的判斷及操作具體如下：判斷頻率記錄最大值f_max與統(tǒng)計(jì)上最大頻率f′_max之間差值是否超過(guò)偏差閾值，是則進(jìn)一步判斷統(tǒng)計(jì)上最大頻率f′_max是否小于采樣頻率降低閾值，若是則縮小采樣頻率f_s，k后進(jìn)入步驟S10，若其大于采樣頻率降低閾值且小于采樣頻率增加閾值，則保持當(dāng)前采樣頻率f_s，k；若頻率記錄最大值f_max與統(tǒng)計(jì)上最大頻率f′_max之間差值沒(méi)有超過(guò)偏差閾值，則增加采樣頻率f_s，k后進(jìn)入步驟S10。

上述方法，還包括步驟S51,設(shè)定頻率增加計(jì)數(shù)器T_p和頻率減少計(jì)數(shù)器T_N，其初始值為零，當(dāng)步驟S50縮小采樣頻率，則頻率減少計(jì)數(shù)器T_N加1；當(dāng)步驟S50增加采樣頻率，則頻率增加計(jì)數(shù)器T_p加1；當(dāng)步驟S50執(zhí)行保持采樣頻率后，頻率增加計(jì)數(shù)器T_p減1，并且頻率減少計(jì)數(shù)器T_N減1。

上述方法，還包括步驟S52,判斷頻率增加計(jì)數(shù)器T_p和頻率減少計(jì)數(shù)器T_N是否同時(shí)小于0，是則采樣頻率穩(wěn)定并結(jié)束，否則返回步驟S10。

上述方法，還包括步驟S53,滿足降低采樣頻率的條件后，判斷是否重復(fù)增減頻率，具體步驟為：

步驟S531,當(dāng)頻率增加計(jì)數(shù)器T_p和頻率減少計(jì)數(shù)器T_N滿足：T_p＞2且|T_p-T_N|＜2時(shí)，則判定沒(méi)有在兩個(gè)采樣頻率點(diǎn)之間抖動(dòng)，并進(jìn)一步降低采樣頻率，將當(dāng)前統(tǒng)計(jì)最大頻率f′_max作為新的頻率記錄最大值f_max，并且頻率減小計(jì)數(shù)器T_N加1，再進(jìn)入步驟S10；

步驟S532，當(dāng)頻率增加計(jì)數(shù)器T_p和頻率減少計(jì)數(shù)器T_N不滿足：T_p＞2且|T_p-T_N|＜2時(shí)，則判定在兩個(gè)采樣頻率點(diǎn)之間抖動(dòng)，保持當(dāng)前采樣頻率，并進(jìn)入步驟S52判斷是否結(jié)束當(dāng)前自適應(yīng)采樣頻率的更新。

上述方法還包括:

步驟S01,判斷定時(shí)器的時(shí)間閾值是否滿足，是則觸發(fā)振動(dòng)傳感器以采樣頻率f_s，k采集目標(biāo)的振動(dòng)頻率，并提取當(dāng)次的振動(dòng)主頻率f_max，i，其中i為采集時(shí)序；

步驟S02,對(duì)采集的振動(dòng)主頻率做滑動(dòng)濾波，滑動(dòng)濾波方法為：

其中為滑動(dòng)后的主頻率，β滑動(dòng)濾波系數(shù)；

步驟S03,判斷滑動(dòng)后主頻率是否出現(xiàn)漂移，是則進(jìn)入步驟S10以重新判斷新的滿足滑動(dòng)后主頻率不漂移的采樣頻率。

進(jìn)一步，所述步驟S03判斷滑動(dòng)后主頻率漂移的方法為：比較滑動(dòng)后主頻率是否大于采樣頻率增加閾值，或者比較滑動(dòng)后主頻率是否小于采樣頻率降低閾值，任意一個(gè)滿足則判定滑動(dòng)后主頻率相對(duì)于已知的采樣目標(biāo)出現(xiàn)偏移。

進(jìn)一步，所述偏差閾值為θ_thfs，k，其中θ_th為閾值系數(shù)；所述采樣頻率增加閾值為α_2fs，k，其中α₂為采樣提高判斷系數(shù)；所述采樣頻率降低閾值為α_1fs，k-1，其中α₁為采樣降低判斷系數(shù)，f_s，k-1為前一次采樣頻率。

進(jìn)一步，所述步驟S40的最大功率累加值閾值是80％的最大功率累加值。

進(jìn)一步，所述獲得統(tǒng)計(jì)上最大頻率f′_max的方法為：持續(xù)記錄同樣最大功率的數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過(guò)異常值檢測(cè)方法剔除異常的數(shù)據(jù)點(diǎn)，從各數(shù)據(jù)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)篩選出頻率最大的數(shù)據(jù)點(diǎn)，該數(shù)據(jù)點(diǎn)的頻率即為統(tǒng)計(jì)上最大頻率。

本發(fā)明的一種自適應(yīng)采樣頻率追蹤方法，不僅可以應(yīng)用于開關(guān)門等在基礎(chǔ)振動(dòng)外存在額外附加振動(dòng)的檢測(cè)，也可以應(yīng)用于普通的振動(dòng)采集場(chǎng)景中。該自適應(yīng)的采樣頻率檢測(cè)有助于降低傳統(tǒng)固定采樣頻率導(dǎo)致的額外計(jì)算存儲(chǔ)等消耗，同時(shí)通過(guò)振動(dòng)頻率漂移的跟蹤使本方法能夠適應(yīng)設(shè)備在時(shí)間維度產(chǎn)生的漸進(jìn)性變化，相對(duì)于傳統(tǒng)的固定頻率采樣方式，本方法提高了振動(dòng)采樣功能在時(shí)間上的可靠性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的一種自適應(yīng)采樣頻率追蹤方法的步驟圖。

圖2為本發(fā)明的一種自適應(yīng)采樣頻率追蹤方法的頻率更新流程圖。

圖3a為正常振動(dòng)與額外振動(dòng)在時(shí)域上振動(dòng)能量曲線的對(duì)比示意圖。

圖3b為正常振動(dòng)與額外振動(dòng)在頻域上功率曲線的對(duì)比示意圖。

圖4為額外振動(dòng)功率圖。

圖5為本發(fā)明的一種自適應(yīng)采樣頻率追蹤方法的頻率漂移更新流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部實(shí)施例。

對(duì)于任何物體的而言，其具有一個(gè)瞬時(shí)加速度a[t]，其中t為某個(gè)瞬時(shí)時(shí)間點(diǎn)，當(dāng)通過(guò)3D加速度傳感器，以一定的采樣頻率對(duì)設(shè)備持續(xù)的采集捕捉其加速度值時(shí)，就能得到離散序列的加速度值a[n],其中n為采集數(shù)據(jù)的離散時(shí)間點(diǎn)。正常狀態(tài)下，設(shè)備以固有的振動(dòng)頻率a_s[n]進(jìn)行工作。當(dāng)設(shè)備產(chǎn)生額外振動(dòng)時(shí)，該振動(dòng)將會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生一個(gè)額外疊加的加速度a_Δ[n]，此時(shí)的檢測(cè)振動(dòng)值為

a[n]＝a_s[n]+a_Δ[n]……(1)

參看圖1與圖2，本發(fā)明實(shí)施例的一種自適應(yīng)采樣頻率追蹤方法的步驟圖和頻率更新流程圖。作為一個(gè)具體實(shí)施例，本方法在基于自適應(yīng)閾值檢測(cè)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過(guò)分析開關(guān)門動(dòng)作的功率密度譜特點(diǎn)，確定最優(yōu)的設(shè)備采樣頻率。

所述的自適應(yīng)閾值檢測(cè)，采用如下方法實(shí)現(xiàn)：

步驟A10，根據(jù)加速度傳感器的當(dāng)前加速度值，求出當(dāng)前振動(dòng)能量；

步驟A20，振動(dòng)能量數(shù)據(jù)流進(jìn)入低通濾波器得到當(dāng)前的振動(dòng)能量均值；振動(dòng)能量數(shù)據(jù)流還進(jìn)入移位寄存器集，對(duì)移位寄存器集的存儲(chǔ)區(qū)間所存振動(dòng)能量數(shù)據(jù)取均值，再減去調(diào)整后的振動(dòng)能量均值，得到振動(dòng)能量區(qū)間均值；

步驟A30，振動(dòng)能量區(qū)間均值通過(guò)滑動(dòng)平均法，計(jì)算出振動(dòng)能量的動(dòng)態(tài)閾值；

步驟A40，設(shè)定標(biāo)記位flag表示振動(dòng)持續(xù)狀態(tài)，初始的標(biāo)記位flag為0；判斷振動(dòng)能量區(qū)間均值是否大于兩倍的動(dòng)態(tài)閾值，且標(biāo)記位flag是否為0，是則標(biāo)記位flag設(shè)為1，并記錄當(dāng)前時(shí)刻t1作為振動(dòng)開始時(shí)間，并再次回到步驟A10更新振動(dòng)能量區(qū)間均值和動(dòng)態(tài)閾值；反之當(dāng)振動(dòng)能量區(qū)間均值小于等于兩倍的動(dòng)態(tài)閾值，則將標(biāo)記位設(shè)為0，并記錄當(dāng)前時(shí)間t2作為振動(dòng)結(jié)束時(shí)間；

步驟A50,判斷振動(dòng)開始與結(jié)束的時(shí)間間隔是否小于預(yù)設(shè)值，是則判定當(dāng)前振動(dòng)為真實(shí)的外部振動(dòng)；否則判定當(dāng)前振動(dòng)為偶發(fā)性振動(dòng)，并返回步驟A10。

本方法的自適應(yīng)采樣頻率追蹤方法，具體步驟如下：

步驟S10,以移位寄存器集的方式保存大于等于兩秒的振動(dòng)數(shù)據(jù)；具體的，假設(shè)當(dāng)前的采樣頻率為M Hz,移位寄存器集保存振動(dòng)數(shù)據(jù)的窗口大小為N_fft,使得N_fft≥2M且N_fft為2的整數(shù)次冪，例如當(dāng)f_s＝100Hz，則N_fft＝256；

步驟S20，通過(guò)自適應(yīng)閾值檢測(cè)，判斷設(shè)備當(dāng)前的開關(guān)門振動(dòng)是否發(fā)生，在沒(méi)有發(fā)生開關(guān)門振動(dòng)時(shí)，以一定時(shí)間間隔對(duì)保存的窗口，即該窗口大小的振動(dòng)數(shù)據(jù)，求取其功率頻譜，經(jīng)過(guò)加權(quán)平均，可以求出固有振動(dòng)產(chǎn)生的第二功率譜密度分布P_s(f),f為頻率；當(dāng)檢測(cè)到開關(guān)門振動(dòng)發(fā)生時(shí)，對(duì)包含該開關(guān)門動(dòng)作的振動(dòng)數(shù)據(jù)的窗口求取第一功率譜密度分布P(f),參看圖3b所示的第一功率譜密度分布P(f)與第二功率譜密度分布P_s(f)的對(duì)比圖；

步驟S30,求取第一功率譜密度分布P(f)與第二功率譜密度分布P_s(f)的差值ΔP_w(f)＝P(f)-P_s(f)，并對(duì)該差值ΔP_w(f)計(jì)算其最大功率累加值Q_c(f)，具體為：

步驟S40,取達(dá)到最大功率累加值閾值的頻率，在本實(shí)施例中，以80％的最大功率累加值作為閾值，參看圖3所示的額外振動(dòng)功率圖，虛線在左側(cè)即為則80％振動(dòng)能量所在點(diǎn)的主振動(dòng)頻率，即目標(biāo)振動(dòng)的頻率記錄最大值f_max為：

f_max＝max{f|Q_c(f)≤0.8}……(3)；

并對(duì)同樣最大功率的數(shù)據(jù)點(diǎn)通過(guò)關(guān)于頻率的統(tǒng)計(jì)方法得到統(tǒng)計(jì)上最大頻率f′_max，具體是實(shí)施方式是持續(xù)記錄同樣的功率點(diǎn)f_max，1,f_max，2,…f_max，N，其中N為統(tǒng)計(jì)的振動(dòng)數(shù)據(jù)點(diǎn)；對(duì)上述功率點(diǎn)采用異常值檢測(cè)方法，剔除異常的數(shù)據(jù)點(diǎn)后得到統(tǒng)計(jì)上最大頻率f′_max，所述的異常值檢測(cè)方法，在本實(shí)施例中可以優(yōu)選采用基于鄰近度的異常值檢測(cè)方法，還可以采用基于密度或基于模型的檢測(cè)方法；

步驟S50,判斷頻率記錄最大值f_max與統(tǒng)計(jì)上最大頻率f′_max之間的偏差是否存在較大的偏差，對(duì)該較大的偏差在具體判斷時(shí)，是與多個(gè)閾值進(jìn)行比較，是則根系采樣頻率后進(jìn)入步驟S10，否則結(jié)束頻率跟蹤。

對(duì)步驟S50在此以具體實(shí)施例如下說(shuō)明：

由于振動(dòng)傳感器的限制，對(duì)目標(biāo)設(shè)備的采樣頻率只能為離散的值，已知振動(dòng)傳感器的可取采樣頻率為f_s，i，其中i∈[0，N_s]且f_s，i＜f_s，i+1；當(dāng)前振動(dòng)傳感器采用的采樣頻率為f_s，k,若為初次運(yùn)行振動(dòng)檢測(cè)，當(dāng)前采樣頻率初始化為最大采樣值或人為設(shè)定的值，對(duì)于目標(biāo)設(shè)備振動(dòng)的頻率記錄最大值f_max初始化為統(tǒng)計(jì)上最大頻率f′_max；設(shè)定頻率增加計(jì)數(shù)器T_p和頻率減少計(jì)數(shù)器T_N，其初始值均為零；

根據(jù)以下步驟判斷所述偏差是否為較大偏差，并相應(yīng)更新采樣頻率；

通過(guò)步驟S10至步驟S40，獲得更新后的統(tǒng)計(jì)上最大頻率f′_max；

判斷當(dāng)前的統(tǒng)計(jì)上最大頻率f′_max與頻率記錄最大值f_max是否滿足：

|f_max-f′_max|≥θ_{thfs，k}……(4)

其中θ_th為閾值系數(shù)，與當(dāng)前的采樣頻率有關(guān)，通常θ_th的系數(shù)取值為0.1至0.2范圍內(nèi)；若不等式(4)滿足，則說(shuō)明當(dāng)前的統(tǒng)計(jì)上最大頻率f′_max與頻率記錄最大值f_max發(fā)生較大偏差，偏差的原因可能是由于采樣頻率過(guò)低或本身發(fā)生了頻率漂移導(dǎo)致，因此需要提高采樣頻率f_s，k，即令f_s，k＝f_s，k+1，并且根系頻率記錄最大值f_max，即令f_max＝f′_max，并且更新頻率增加計(jì)數(shù)器T_p，其更新方式為T_p＝T_p+1，之后進(jìn)入步驟S10采集目標(biāo)設(shè)備的振動(dòng)頻率，并計(jì)算其新的統(tǒng)計(jì)上最大頻率f′_max；

判斷當(dāng)前的統(tǒng)計(jì)上最大頻率f′_max與頻率記錄最大值f_max是否滿足：

|f_max f′_max|＜θ_thfs，k……(5)

若不等式(5)滿足，及當(dāng)前的統(tǒng)計(jì)上最大頻率沒(méi)有超出閾值，則認(rèn)為振動(dòng)傳感器采樣頻率滿足振動(dòng)要求；在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步判斷是否滿足減少采樣頻率的要求，即：

f′_max＜α1f_s，k-1……(6)

其中α₁為采樣降低判斷系數(shù)，通常取值為0.3-0.4之間，若不等式(6)的判斷為否，即不滿足減少采樣頻率的要求，此時(shí)進(jìn)一步判斷設(shè)備是否滿足當(dāng)前采樣頻率要求，即：

f′_max＜α_2fs，k……(7)

其中α₂為采樣提高判斷系數(shù)，通常取值為0.9-0.95之間，若上述不等式(7)判斷為真，即設(shè)備不能更滿足當(dāng)前采樣頻率要求，則提高采樣頻率；否則保持當(dāng)前采樣頻率，同時(shí)更新頻率記錄最大值f_max＝f′_max，并且頻率增加計(jì)數(shù)器T_p和頻率減少計(jì)數(shù)器T_N分別減1；

若在不等式(6)判斷為真，即滿足繼續(xù)降低采樣頻率的要求，則進(jìn)行是否重復(fù)增減頻率的判斷，即：

T_p＞2且|T_p-T_N|＜2……(7)

判斷不等式組(7)是否滿足，是則判定沒(méi)有在兩個(gè)采樣頻率點(diǎn)之間抖動(dòng)，即反復(fù)在兩個(gè)采樣點(diǎn)采樣，此時(shí)進(jìn)一步降低采樣頻率f_s，k＝f_s，k-1，并且更新記錄最高頻率，即令f_max＝f′_max，同時(shí)頻率減少計(jì)數(shù)器加1，然后重新進(jìn)入步驟S10采集并計(jì)算新的統(tǒng)計(jì)上最大頻率f′_max；若不等式組(7)不滿足，即系統(tǒng)在兩個(gè)采樣頻率點(diǎn)間抖動(dòng)，則保持當(dāng)前采樣頻率，并判斷是否可以結(jié)束當(dāng)前自適應(yīng)采樣頻率追蹤。

參看圖5，作為另一個(gè)具體實(shí)施例，系統(tǒng)定期跟蹤需要檢測(cè)的振動(dòng)的頻率的變化趨勢(shì)，從而跟蹤可能出現(xiàn)的頻率漂移現(xiàn)象。在一些應(yīng)用場(chǎng)景中，由于機(jī)械老化，周圍環(huán)境的變化，人為干預(yù)等原因，需要捕捉的振動(dòng)點(diǎn)存在漂移現(xiàn)象。本發(fā)明具有跟蹤振動(dòng)變化趨勢(shì)的功能，有助于保證振動(dòng)的采集能適應(yīng)時(shí)間的變化。具體實(shí)現(xiàn)為，頻率振動(dòng)捕捉持續(xù)進(jìn)行。為了結(jié)合功耗的考慮，設(shè)置定時(shí)(次)器，僅當(dāng)定時(shí)(次)器觸發(fā)后會(huì)對(duì)當(dāng)次的振動(dòng)主頻率，即目標(biāo)振動(dòng)的頻率記錄最大值進(jìn)行提取，將其定義為f_max，i，i為采集時(shí)序。

采集后的振動(dòng)主頻率將進(jìn)行滑動(dòng)濾波，避免單次采樣偏差導(dǎo)致的錯(cuò)誤判斷?；瑒?dòng)濾波方法為：

程序會(huì)對(duì)濾波后的頻率判斷，看是否出現(xiàn)了頻率漂移。已知當(dāng)前的采樣頻率為f_s，k,若

或者

則判斷頻率相對(duì)于已知的采樣目標(biāo)出現(xiàn)了漂移，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入自適應(yīng)采樣頻率模塊，重新判斷新的合適采用頻率。

上述實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明而并非限制本發(fā)明所描述的技術(shù)方案；因此，盡管本說(shuō)明書參照上述的各個(gè)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明已進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改或者等同替換；而一切不脫離本發(fā)明的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進(jìn)，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。