CN106092524B - 一种使用振动信号精确提取转速信号的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种使用振动信号精确提取转速信号的方法，用于进行针对性长时间的取证，更加方便和隐蔽。为了实现所述目的，本发明一种使用振动信号精确提取转速信号的方法将可以通过获得的过零点时间信息对振动信号——包括本通道或是其他同步采样的通道——进行信号重采样并平均，以获得转速相关的阶次信息，可用于转子***或齿轮箱的故障分析。在没有转速计模拟或数字输入信号的情况下，本办法是一个非常实用的工具。

Description

一种使用振动信号精确提取转速信号的方法
技术领域
本发明涉及一种提取转速信号用于数据分析的方法，尤其涉及一种使用振动信号精确提取转速信号的方法。
背景技术
旋转机械构成了机械设备中非常重要的部分，比如发电机、压缩机、飞机引擎等。随着科技的快速发展，旋转机械日益大型化和复杂化，一旦发生故障，损失可能非常严重，因此对于旋转机械的基于振动信号的状态监测变得日益重要。
针对旋转机械的状态监测，机械设备的旋转速度和转速信号(Tachometer或键相信号Key phaser)是极其重要的，除了旋转速度本身是一项重要指标外，转速信号也是后续很多振动参数提取和故障分析方法的基础，比如阶次分析，就需要转速信号作为参考时间序列来进行振动信号的重采样。然而工业现场转速信号的测量并不容易，很多设备上面都没有转速计或转速测量装置，而且后续加装也非常困难；另外，无线振动传感器在工业现场的设备监测也越来越多地得以使用，这些传感器是没有转速信号配合的，即使有，它们和转速信号的同步目前也是行业面临的难题之一。
对此，专利号为201410036882.7的发明专利《一种基于DSP的发动机转速测量方法和装置》中就公开了一种基于DSP的发动机转速测量方法和装置，通过获取发动机振动信号、排气声音信号或发动机点火电压信号，并对获得的信号进行AD转换，根据预设的采样率对AD转换后的信号数据进行采样；对采样后的数据进行限幅数字滤波和加汉宁窗函数处理；对处理后的数据进行快速傅氏变换使时域采样数据变换为频域内频谱值，并计算各频率点幅值；根据频率基波间隔法计算发动机对应的频率值；根据发动机转速与发动机对应的频率值的关系，得到发动机的转速；从而提高了转速测量精度及抗干扰能力，降低了误判率。
但是这样的方法虽然能精确获得具体的某点的数值，并不能用于进行后续的故障分析等操作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使用振动信号精确提取转速信号的方法，用于进行针对性长时间的取证，更加方便和隐蔽。
为了实现所述目的，一种使用振动信号精确提取转速信号的方法，包括
步骤1：获得振动信号；
步骤2：对步骤1中所得振动信号加载汉宁窗；
步骤3：对步骤2中所得信号进行快速傅立叶变换，其特征在于，还包括步骤4：估算已知转速范围；
步骤5：将步骤3所得数据结合步骤4中所估算的转速范围，利用汉宁窗特性获得转速频率位置以及复核转速频率；假定左右两个边频带的幅值分别为a,b,位置为fa,fb,则在a≠b的情况下，准确的转速频率为
步骤6：将步骤3中所得数据结合步骤5中获取的转速频率位置提取转速及周边频率幅值，保留相位信息，合并为复数形式；
步骤7：将步骤6中获得的数据进行反快速傅立叶变换，获得时域信号；
其中，ei是复数的指数形式；
n为反快速傅立叶变换后时域数字信号的索引；
k为频域信号的索引。
步骤8：将步骤7中的时域信号通过最小二乘法正弦曲线拟合获得转速频率分量；
步骤9：生成转速方波信号：使用所述步骤8中获取的正弦信号的过零点时间信息作为转速信号的跳变点，生成转速方波信号，为后续的信号分析备用。
优选的，所述步骤1中获得振动信号的具体方式为：假设设备在采样信号长度的时间区间内转速稳定，获取振动传感器的原始数字信号X(n)，截取2^N个采样点，使获得的数字信号时间长度超过但接近1秒钟。这样的取值便于后期操作，也足够确保运算的精确度。
优选的，对获得原始数字信号X(n)加载汉宁窗w(n)
窗函数的数据和原始数字信号的数据作对应点之间的乘法，获得加载窗函数后的新的信号数据点X′(n)，
X′(n)＝w(n)*X(n)。
优选的，所述步骤3中所述快速傅立叶变换方式为：
优选的，所述步骤6中具体步骤为将频域信号转化为极坐标形式,由幅值谱和相位谱组成，把幅值谱单列出来进行下一步处理，相位谱保持不变。
优选的，所述步骤4中已知转速范围估算方法为：通过设备型号获得恒定转速R，在幅值谱上查询到其所对应的峰值；如果转速处于变动状态当中，则根据前次循环处理的结果，在正负5％的频率范围内查询幅值谱的就近峰值。这样便于计算时的取值。
优选的，所述步骤8中获取的正弦信号的周期的倒数和步骤5中获得的复核转速频率相比较，获取差值，所述差值在1RPM之内则校验为合格，否则返回到步骤1，重置整个过程。通过复核转速频率避免过大的误差产生。
通过这样的设置，本发明一种使用振动信号精确提取转速信号的方法将可以通过获得的过零点时间信息对振动信号——包括本通道或是其他同步采样的通道——进行信号重采样并平均，以获得转速相关的阶次信息，可用于转子***或齿轮箱的故障分析。在没有转速计模拟或数字输入信号的情况下，本办法是一个非常实用的工具。
附图说明
图1为本发明一种使用振动信号精确提取转速信号的方法实施例1中原始时域信号示意图。
图2为对图1原始时域信号加载汉宁窗后获得的示意图。
图3为对图2中信号进行傅立叶变换所得的频域频谱示意图。
图4为对已知转速范围进行放大后，并根据汉宁窗的特性对转速峰值进行比例计算获得准确的转速频率示意图。
图5为对照图4显示的通过几何运算获得精确的转速频率位置，图中加粗的黑线为计算所得位置。
图6为编辑频域幅值谱后的示意图，具体编辑方式为：选取中间峰值和左右各三个边频带幅值线保留不变，把其余的谱线幅值设为10的-5次方。
图7为把幅值谱和分离的相位谱合并，做反傅立叶变换，然后对所获得的时域信号做最小二乘法正弦曲线拟合，获得的正弦信号示意图。其中虚线为拟合后的正弦曲线(显示0.3-0.6秒部分)
图8为利用拟合后的正弦曲线的过零点，生成转速方波信号，可用于后续的分析函数的计算。图中曲线为生成转速方波信号，虚线为生成的转速信号。
图9为本发明一种使用振动信号精确提取转速信号的方法具体流程示意图。
具体实施方式
如图9所示一种使用振动信号精确提取转速信号的方法，一种使用振动信号精确提取转速信号的方法，包括：
步骤1：获得振动信号；
步骤2：对步骤1中所得振动信号加载汉宁窗；
步骤3：对步骤2中所得信号进行快速傅立叶变换，其特征在于，还包括步骤4：估算已知转速范围；
步骤5：将步骤3所得数据结合步骤4中所估算的转速范围，利用汉宁窗特性获得转速频率位置以及复核转速频率；假定左右两个边频带的幅值分别为a,b,位置为fa,fb,则在a≠b的情况下，准确的转速频率为
步骤6：将步骤3中所得数据结合步骤5中获取的转速频率位置提取转速及周边频率幅值，保留相位信息，合并为复数形式；
步骤7：将步骤6中获得的数据进行反快速傅立叶变换，获得时域信号；
其中，ei是复数的指数形式；
n为反快速傅立叶变换后时域数字信号的索引；
k为频域信号的索引。
步骤8：将步骤7中的时域信号通过最小二乘法正弦曲线拟合获得转速频率分量；
步骤9：生成转速方波信号：使用步骤8中所述正弦信号的过零点时间信息作为转速信号的跳变点，生成转速方波信号，为后续的信号分析备用。
所述步骤1中获得振动信号的具体方式为：假设设备在采样信号长度的时间区间内转速稳定，获取振动传感器的原始数字信号X(n)，截取2^N个采样点，使获得的数字信号时间长度超过但接近1秒钟。对获得原始数字信号X(n)加载汉宁窗w(n)
窗函数的数据和原始数字信号的数据作对应点之间的乘法，获得加载窗函数后的新的信号数据点X′(n)，
X′(n)＝w(n)*X(n)。所述步骤3中所述快速傅立叶变换方式为：所述步骤6中具体步骤为将频域信号转化为极坐标形式,由幅值谱和相位谱组成，把幅值谱单列出来进行下一步处理，相位谱保持不变。所述步骤4中已知转速估算方法为：通过设备型号获得恒定转速R，在幅值谱上查询到其所对应的峰值；如果转速处于变动状态当中，则根据前次循环处理的结果，在正负5％的频率范围内查询幅值谱的就近峰值。所述步骤8中获取的正弦信号的周期的倒数和步骤5中获得的复核转速频率相比较，获取差值，所述差值在1RPM之内则校验为合格，否则返回到步骤1，重置整个过程。
如图1所示，某个电机拖动的冷却风扇的振动信号数据采集的采样频率为2560Hz，则选取2^12＝4096个采样点，即采样长度为4096。这样信号的采样长度为1.6秒，频域的分辨率为2560/4096＝0.625Hz。根据型号查询，风扇的转动速度大约为1000转/分。
将图1中的信号加载汉宁窗，获得图2所示的信号。
对图2中所得加窗信号进行傅立叶变换，得到图3所示的频域频谱。图中仅显示0-80Hz部分。
对已知转速范围进行放大，并根据汉宁窗的特性对转速峰值进行比例计算获得准确的转速频率17.08Hz。
图4中即为放大的频谱区间
通过几何运算获得精确的转速频率位置，即图5中所示的加粗的黑线为计算所得位置。
选取中间峰值和左右各三个边频带幅值线保留不变，把其余的谱线幅值设为10的-5次方。
编辑后的频域幅值谱如图6所示，
此后把幅值谱和分离的相位谱合并，做反傅立叶变换。然后对所获得的时域信号做最小二乘法正弦曲线拟合，获得图7所示的正弦信号。虚线为显示0.3-0.6秒部分的拟合的曲线。利用拟合后的正弦曲线的过零点，生成如图8所示的转速方波信号，虚线为生成的转速信号。该曲线可用于后续的分析函数的计算。该方波信号的频率和频谱计算得到的转速频率进行比较，结果一致。

Claims (7)

1.一种使用振动信号精确提取转速信号的方法，包括
步骤1：获得振动信号；
步骤2：对步骤1中所得振动信号加载汉宁窗；
步骤3：对步骤2中所得信号进行快速傅立叶变换，
其特征在于，还包括步骤4：估算已知转速范围；
步骤5：将步骤3所得数据结合步骤4中所估算的转速范围，利用汉宁窗特性获得转速频率位置以及复核转速频率；假定左右两个边频带的幅值分别为a,b,位置为fa,fb,则在a≠b的情况下，准确的转速频率为
步骤6：将步骤3中所得数据结合步骤5中获取的转速频率位置提取转速及周边频率幅值，保留相位信息，合并为复数形式；
步骤7：将步骤6中获得的数据进行反快速傅立叶变换，获得时域信号；
其中，ei是复数的指数形式；
n为反快速傅立叶变换后时域数字信号的索引；
k为频域信号的索引；
步骤8：将步骤7中的时域信号通过最小二乘法正弦曲线拟合获得转速频率分量；
步骤9：生成转速方波信号：使用所述步骤8中获取的正弦信号的过零点时间信息作为转速信号的跳变点，生成转速方波信号，为后续的信号分析备用。
2.根据权利要求1所述一种使用振动信号精确提取转速信号的方法，其特征在于，所述步骤1中获得振动信号的具体方式为：假设设备在采样信号长度的时间区间内转速稳定，获取振动传感器的原始数字信号X(n)，截取2^N个采样点，使获得的数字信号时间长度超过但接近1秒钟。
3.根据权利要求2所述一种使用振动信号精确提取转速信号的方法，其特征在于，对获得原始数字信号X(n)加载汉宁窗w(n)
窗函数的数据和原始数字信号的数据作对应点之间的乘法，获得加载窗函数后的新的信号数据点X′(n)，
X′(n)＝w (n)*X(n)。
4.根据权利要求1所述一种使用振动信号精确提取转速信号的方法，其特征在于，所述步骤3中所述快速傅立叶变换方式为：
5.根据权利要求1所述一种使用振动信号精确提取转速信号的方法，其特征在于，所述步骤6中具体步骤为将频域信号转化为极坐标形式,由幅值谱和相位谱组成，把幅值谱单列出来进行下一步处理，相位谱保持不变。
6.根据权利要求1所述一种使用振动信号精确提取转速信号的方法，其特征在于，所述步骤4中已知转速范围估算方法为：通过设备型号获得恒定转速R，在幅值谱上查询到其所对应的峰值；如果转速处于变动状态当中，则根据前次循环处理的结果，在正负5％的频率范围内查询幅值谱的就近峰值。
7.根据权利要求1所述一种使用振动信号精确提取转速信号的方法，其特征在于，所述步骤8中获取的正弦信号的周期的倒数和步骤5中获得的复核转速频率相比较，获取差值，所述差值在1RPM之内则校验为合格，否则返回到步骤1，重置整个过程。
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