CN105675113A - 基于微型传感器的旋转机械角域振动信号获取装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于微型传感器的旋转机械角域振动信号获取装置和方法，包括如下步骤：S1，通过加速度传感器采集旋转机械齿轮振动加速度信号，并将所得信号经过线性相位滤波器进行滤波；S2，对滤波后信号进行群延迟修正，获取低频转速信号数据和高频振动加速度信号数据；S3，通过希尔伯特变换得到该加速度传感器的瞬时角位置参考信号数据，对高频振动加速度信号数据进行重采样，得到角域振动加速度信号值。获取的角域信号不受内部振动传递路径的影响，对转子故障更加敏感，为旋转机械故障的预示与诊断提供了新的途径。

Description

基于微型传感器的旋转机械角域振动信号获取装置和方法

技术领域

本发明涉及机械传动领域，尤其涉及一种基于微型传感器的旋转机械角域振动信号获取装置和方法。

背景技术

旋转机械广泛应用于电力，石化，冶金，煤炭，核能，制造，航空，军事等工业，是生产中的关键设备。然而，由于许多无法避免的因素的影响，旋转构件容易出现各种故障，引起机械设备事故，甚至造成巨大的经济损失与人员伤亡，产生严重的社会影响。旋转机械在运行过程中，转速往往发生变化，由此导致产生的振动信号非平稳，为早期故障的正确识别和预示带来了困难。

以旋转构件角位置为横坐标的角域振动信号可以克服转速波动对信号平稳性带来的影响。目前，针对旋转机械角域振动信号的获取方法，国内外学者已经进行了大量的研究工作。

一些学者提出硬件阶次跟踪方法，为旋转机械安装转速计，通过鉴相装置与频率合成器实时调整振动信号采样频率，使其与参考轴转速变化一致，采集到的信号即为角域信号。

另一种为计算角域重采样方法，为旋转机械安装旋转编码器，同步采集编码器脉冲与振动加速度信号，再根据脉冲信号中包含的角位置信息对振动信号进行二次采样，得到角域信号。

前述方法都需要额外安装转速计或旋转编码器，而在一些场合中不具备安装此类额外传感器的条件，故此时前述角域振动信号采集方法不适用。同时，传统的角域振动信号获取方法将加速度传感器固定于机器壳体或轴承座上，旋转构件发生故障时，故障振动信号经复杂的传递路径传播至传感器位置时，振动能量已明显衰减，故障特征无法有效提取。所以亟需本领域技术人员解决相应的技术问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种基于微型传感器的旋转机械角域振动信号获取装置和方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种基于微型传感器的旋转机械角域振动信号获取装置，包括：加速度传感器安装在旋转机械齿轮的径向，所述旋转机械齿轮安装加速度传感器的位置设置凹槽，将所述加速度传感器放入凹槽中，所述加速度传感器信号输出端连接滑环转子端，滑环定子端连接信号采集仪器的信号接收端，所述滑环定子端安装在旋转轴上，所述旋转机械齿轮圆心处开设键槽，所述旋转轴从旋转机械齿轮的圆心处穿出。

所述的基于微型传感器的旋转机械角域振动信号获取装置，优选的，还包括滑环；

所述滑环转子端套在旋转轴上，所述滑环定子端连接信号采集仪器。

所述的基于微型传感器的旋转机械角域振动信号获取装置，优选的，所述加速度传感器为单轴微型加速度传感器。

所述的基于微型传感器的旋转机械角域振动信号获取装置，优选的，所述旋转机械齿轮径向内侧或者外侧安装加速度传感器。

本发明还公开一种基于微型传感器的旋转机械角域振动信号获取方法，包括如下步骤：

S1，通过加速度传感器采集旋转机械齿轮振动加速度信号，并将所得信号经过线性相位滤波器进行滤波；

S2，对滤波后信号进行群延迟修正，获取低频转速信号数据和高频振动加速度信号数据；

S3，通过希尔伯特变换得到该加速度传感器的瞬时角位置参考信号数据，对高频振动加速度信号数据进行重采样，得到角域振动加速度信号值。

所述的基于微型传感器的旋转机械角域振动信号获取方法，优选的，所述S1包括：

从微型加速度传感器采集的离散数字信号用数组s表示，信号长度为m个采样点：

s＝[s(0)s(1)...s(m)]^T

将所得信号s分别通过线性相位低通滤波器和线性相位高通滤波器，滤波器抽头权系数分别用线性相位低通滤波数组w_L和线性相位高通滤波数组w_H表示，滤波器阶数为N，滤波器群延迟分别为低通滤波τ_L个采样点和高通滤波τ_H个采样点：

w_L＝[w_L(0)w_L(1)...w_L(N)]^T，

w_H＝[w_H(0)w_H(1)...w_H(N)]^T。

所述的基于微型传感器的旋转机械角域振动信号获取方法，优选的，所述S2包括：

滤波后的信号为低通滤波信号s_L和高通滤波信号s_H表示，即原始信号与滤波器抽头权数组的卷积运算结果：

$s_L=s\⊗w_L,$

$s_H=s\⊗w_H,$

由于滤波器对信号相位的延迟作用，滤波后的信号存在不同长度的群延迟，为同步滤波后的两组信号，以便后续重采样计算，需要对两组信号进行群延迟修正，即分别将两组信号从时域上向前移动τ_L和τ_H个采样点，修正后的信号即为低频转速信号s_R与高频振动加速度信号s_A，

s_R＝[s_L(τ_L)s_L(τ_L+1)...s_L(m)]^T，

s_A＝[s_H(τ_H)s_H(τ_H+1)...s_H(m)]^T。

所述的基于微型传感器的旋转机械角域振动信号获取方法，优选的，所述S3包括：

对低频转速信号进行希尔伯特变换得到复数解析信号，再对复解析信号求幅角提取转速信号的瞬时相位，所述加速度传感器的瞬时角位置，用s_P表示：

s_P＝Arg(Hilbert(s_R))

以s_P作为参考角度信号，对原始时域振动信号s_A进行重采样，为角域振动加速度信号。

所述的基于微型传感器的旋转机械角域振动信号获取方法，优选的，所述S3中重采样步骤包括：

S3-1，读取旋转机械齿轮第一个采样点的角度值和加速度值；

S3-2，将该采样点的加速度值存入角域信号数组中；

S3-3，将该采样点设置为参考点；

S3-4，读取下一个采样点的角速度值；

S3-5，将该下一个采样点与参考点的角度值相减；

S3-6，如果相减之后的角度值大于等于1度则执行S3-2，如果小于一度则舍弃该采样点的加速度值，重新执行S3-4。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

通过单个加速度传感器同时获取转速和转子振动加速度两种信息，且获取的角域信号不受内部振动传递路径的影响，对转子故障更加敏感，为旋转机械故障的预示与诊断提供了新的途径。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明加速度传感器位置示意图；

图2是本发明总体示意图；

图3是本发明加速度传感器获得的信号包含低频正弦信号与高频振动加速度信号示意图；

图4是本发明低频振动信号的频率示意图；

图5是本发明振动信号获取计算结果示意图；

图6是本发明总体工作流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本专利提出一种角域振动信号获取方法，通过单个加速度传感器同时获取转速和转子振动加速度两种信息，且获取的角域信号不受内部振动传递路径的影响，对转子故障更加敏感，为旋转机械故障的预示与诊断提供了新的途径。

如图1所示，本发明提供了一种基于微型传感器的旋转机械角域振动信号获取装置，包括：加速度传感器安装在旋转机械齿轮的径向，所述旋转机械齿轮安装加速度传感器的位置设置凹槽，将所述加速度传感器放入凹槽中，所述加速度传感器信号输出端连接滑环转子端，滑环定子端连接信号采集仪器的信号接收端，所述滑环定子端安装在旋转轴上，所述旋转机械齿轮圆心处开设键槽，所述旋转轴从旋转机械齿轮的圆心处穿出。

所述的基于微型传感器的旋转机械角域振动信号获取装置，优选的，还包括滑环；

所述滑环转子端套在旋转轴上，所述滑环定子端连接信号采集仪器。

所述的基于微型传感器的旋转机械角域振动信号获取装置，优选的，所述加速度传感器为单轴微型加速度传感器。

所述的基于微型传感器的旋转机械角域振动信号获取装置，优选的，所述旋转机械齿轮径向内侧或者外侧安装加速度传感器。

旋转构件以齿轮为例，将单轴微型加速度传感器布置在转子端面，测量加速度方向为转子径向。传感器连接线经由转子端面，轴，滑环引出，连接至采集仪器。***构成如图2所示。

在旋转机械运转过程，即转子转动过程中，重力在加速度传感器测量方向上的分力随转子转动而发生变化，如图3所示，故加速度传感器获得的信号包含低频正弦信号与高频振动加速度信号两部分，如图4所示，低频振动信号的频率即为转频。

从微型加速度传感器采集的离散数字信号用数组s表示，信号长度为m个采样点：

s＝[s(0)s(1)...s(m)]^T

将所得信号s分别通过线性相位低通滤波器和线性相位高通滤波器，滤波器抽头权系数分别用数组w_L和w_H表示，滤波器阶数为N，滤波器群延迟分别为τ_L和τ_H个采样点：

w_L＝[w_L(0)w_L(1)...w_L(N)]^T，

w_H＝[w_H(0)w_H(1)...w_H(N)]^T，

滤波后的信号分别用s_L和s_H表示，即原始信号与滤波器抽头权数组的卷积运算结果：

$s_L=s\⊗w_L,$

$s_H=s\⊗w_H,$

由于滤波器对信号相位的延迟作用，滤波后的信号存在不同长度的群延迟，为同步滤波后的两组信号，以便后续重采样计算，需要对两组信号进行群延迟修正，即分别将两组信号从时域上向前移动τ_L和τ_H个采样点，修正后的信号即为低频转速信号与高频振动加速度信号，分别用s_R和s_A表示：

s_R＝[s_L(τ_L)s_L(τ_L+1)...s_L(m)]^T，

s_A＝[s_H(τ_H)s_H(τ_H+1)...s_H(m)]^T，

对低频转速信号进行希尔伯特变换得到复数解析信号，再对复解析信号求幅角提取转速信号的瞬时相位，即传感器的瞬时角位置，用s_P表示：

s_P＝Arg(Hilbert(s_R))

以s_P作为参考角度信号，对原始时域振动信号s_A进行重采样，重采样规则计算结果即为角域振动加速度信号。

图6是本发明总体工作流程图。

如图5所示，所述的基于微型传感器的旋转机械角域振动信号获取方法，优选的，所述S3中重采样步骤包括：

S3-1，读取旋转机械齿轮第一个采样点的角度值和加速度值；

S3-2，将该采样点的加速度值存入角域信号数组中；

S3-3，将该采样点设置为参考点；

S3-4，读取下一个采样点的角速度值；

S3-5，将该下一个采样点与参考点的角度值相减；

S3-6，如果相减之后的角度值大于等于1度则执行S3-2，如果小于一度则舍弃该采样点的加速度值，重新执行S3-4。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种基于微型传感器的旋转机械角域振动信号获取装置，其特征在于，包括：加速度传感器安装在旋转机械齿轮的径向，所述旋转机械齿轮安装加速度传感器的位置设置凹槽，将所述加速度传感器放入凹槽中，所述加速度传感器信号输出端连接滑环转子端，滑环定子端连接信号采集仪器的信号接收端，所述滑环定子端安装在旋转轴上，所述旋转机械齿轮圆心处开设键槽，所述旋转轴从旋转机械齿轮的圆心处穿出。

2.根据权利要求1所述的基于微型传感器的旋转机械角域振动信号获取装置，其特征在于，还包括滑环；

所述滑环转子端套在旋转轴上，所述滑环定子端连接信号采集仪器。

3.根据权利要求1所述的基于微型传感器的旋转机械角域振动信号获取装置，其特征在于，所述加速度传感器为单轴微型加速度传感器。

4.根据权利要求1所述的基于微型传感器的旋转机械角域振动信号获取装置，其特征在于，所述旋转机械齿轮径向内侧或者外侧安装加速度传感器。

5.一种基于微型传感器的旋转机械角域振动信号获取方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，通过加速度传感器采集旋转机械齿轮振动加速度信号，并将所得信号经过线性相位滤波器进行滤波；

S2，对滤波后信号进行群延迟修正，获取低频转速信号数据和高频振动加速度信号数据；

S3，通过希尔伯特变换得到该加速度传感器的瞬时角位置参考信号数据，对高频振动加速度信号数据进行重采样，得到角域振动加速度信号值。

6.根据权利要求5所述的基于微型传感器的旋转机械角域振动信号获取方法，其特征在于，所述S1包括：

从微型加速度传感器采集的离散数字信号用数组s表示，信号长度为m个采样点：

s＝[s(0)s(1)...s(m)]^T

将所得信号s分别通过线性相位低通滤波器和线性相位高通滤波器，滤波器抽头权系数分别用线性相位低通滤波数组w_L和线性相位高通滤波数组w_H表示，滤波器阶数为N，滤波器群延迟分别为低通滤波τ_L个采样点和高通滤波τ_H个采样点：

w_L＝[w_L(0)w_L(1)...w_L(N)]^T，

w_H＝[w_H(0)w_H(1)...w_H(N)]^T。

7.根据权利要求5所述的基于微型传感器的旋转机械角域振动信号获取方法，其特征在于，所述S2包括：

滤波后的信号为低通滤波信号s_L和高通滤波信号s_H表示，即原始信号与滤波器抽头权数组的卷积运算结果：

$s_L=s\⊗w_L,$

$s_H=s\⊗w_H,$

由于滤波器对信号相位的延迟作用，滤波后的信号存在不同长度的群延迟，为同步滤波后的两组信号，以便后续重采样计算，需要对两组信号进行群延迟修正，即分别将两组信号从时域上向前移动τ_L和τ_H个采样点，修正后的信号即为低频转速信号s_R与高频振动加速度信号s_A，

s_R＝[s_L(τ_L)s_L(τ_L+1)...s_L(m)]^T，

s_A＝[s_H(τ_H)s_H(τ_H+1)...s_H(m)]^T。

8.根据权利要求5所述的基于微型传感器的旋转机械角域振动信号获取方法，其特征在于，所述S3包括：

对低频转速信号进行希尔伯特变换得到复数解析信号，再对复解析信号求幅角提取转速信号的瞬时相位，所述加速度传感器的瞬时角位置，用s_P表示：

s_P＝Arg(Hilbert(s_R))

以s_P作为参考角度信号，对原始时域振动信号s_A进行重采样，为角域振动加速度信号。

9.根据权利要求5所述的基于微型传感器的旋转机械角域振动信号获取方法，其特征在于，所述S3中重采样步骤包括：

S3-1，读取旋转机械齿轮第一个采样点的角度值和加速度值；

S3-2，将该采样点的加速度值存入角域信号数组中；

S3-3，将该采样点设置为参考点；

S3-4，读取下一个采样点的角速度值；

S3-5，将该下一个采样点与参考点的角度值相减；

S3-6，如果相减之后的角度值大于等于1度则执行S3-2，如果小于一度则舍弃该采样点的加速度值，重新执行S3-4。