CN111947957A - 一种振动信号采样方法、装置、存储介质及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本申请提供振动信号采样方法、装置、存储介质及电子设备,先通过获取的键相脉冲信号计算采样周期,将采样周期与预设采样周期表进行对比确定振动信号的采样周期数,然后按照采样周期数对振动信号进行采样得到实际采样数据;之后对实际采样数据进行插值重采样,得到2的整数次幂的重采样数据;最后对重采样数据进行FFT运算,得到振动信号的目标频率的幅值与相位。本申请可准确定位到振动信号的目标频率,提升后续振动状态的分析精度,精确分析并预测旋转机械设备的运行状态与健康状态。另外,还可以根据不同的需求选取不同硬件采样频率,根据监测到的信号基频自适应调整采样周期数,能够监测很小的信号频率,增大监测信号频率范围。
Description
技术领域
本申请属于工业大型旋转机械设备监测技术领域,特别涉及振动状态的监测,尤其涉及一种振动信号采样方法、装置、存储介质及电子设备。
背景技术
工业应用中,常见的大型旋转机械设备有汽轮机、燃气轮机、轴流式压缩机、风机和泵等。在旋转工况下,这些旋转机械设备的转轴在径向的位移频率较高,即径向振动,而径向振动的频率、幅度、相位等参数可以很好地表征设备运行状态,甚至是设备的健康状态,因此,在旋转机械设备监测中起到至关重要的作用。
目前,工业领域的大型旋转机械设备的振动状态主要由TSI(TurbineSupervisory Instrumentation,透平监测***)进行监测、分析与报警。TSI***的监测内容主要包括振动、位移、转速、键相、温度等,其振动监测功能主要对径向振动波形信号进行时域监测和频域监测,其中,时域监测主要监测的是振动信号的直流分量与峰值等;而频域监测主要监测的是振动信号所包含的各种频率信号的幅值与相位,其通过借助FFT(FastFourier Transform,快速傅里叶变换)运算进行频谱分析,得到目标频率的幅值与相位(次谐波如1/3倍频、1/2倍频等,谐波如1倍频、2倍频等),用于分析并预测设备的运行状态与健康状态,因此,对采样点数、采样频率以及采样周期数有严格的要求。根据FFT原理可知,其运算数据必须为2的整数次幂,根据香农采样定理可知,为保证采样后能包含原始信号的所有信息,因此,需要要求采样频率必须大于或等于信号频率的2倍。
然而,在振动信号实际采样过程中,随着信号频率的变化,采样点数也会不断变化,因此,无法保证采样频率为信号频率的2的整数次幂,进而无法进行后续的FFT运算。常见的解决方法有以下两种,一是通过延长采样时间,取2的整数次幂的采样点数;二是对不足点数的采样数据进行“补零”,直至采样点数达到2的整数次幂。这两种方法虽然都可以进行后续的FFT运算,但无法精确定位到振动信号的目标频率,因此,得到的分析结果无法满足用户需求,不适用于大型旋转机械设备的振动监测。
发明内容
本申请提供了一种振动信号采样方法、装置、存储介质及电子设备,用于准确定位振动信号的目标频率,提升后续振动状态的分析精度,精确分析并预测旋转机械设备的运行状态与健康状态。
为了实现上述目的,本申请提供了以下技术方案:
一种振动信号采样方法,用于旋转机械设备的振动监测,该方法包括:
获取键相脉冲信号,并计算所述键相脉冲信号的采样周期,所述键相脉冲信号为所述旋转机械设备旋转一周发出的脉冲信号;
将所述采样周期与预设采样周期表进行对比,确定所述振动信号的采样周期数;所述预设采样周期表包括信号频率范围、采样周期数、每周期点数、采样频率以及实际采样点数之间的对应关系;
按照所述采样周期数对所述振动信号进行采样,得到实际采样数据;
对所述实际采样数据进行插值重采样,得到2的整数次幂的重采样数据;
对所述重采样数据进行FFT运算,得到所述振动信号的目标频率的幅值与相位。
优选的,所述按照所述采样周期数对所述振动信号进行采样,得到实际采样数据,具体为:
以所述键相脉冲信号的下降沿作为触发条件,按照所述采样周期数对所述振动信号进行采样,得到实际采样数据。
优选的,所述按照所述采样周期数对所述振动信号进行采样,得到实际采样数据,具体为:
在每个所述实际采样数据点进行所述振动信号的采样,得到所述实际采样数据。
优选的,所述对所述实际采样数据进行插值重采样,得到2的整数次幂的重采样数据,具体为:
以任一点Z的频率对所述振动信号进行采样,得到2的整数次幂的所述重采样数据。
一种振动信号采样装置,用于旋转机械设备的振动监测,该装置包括:
第一处理单元,用于获取键相脉冲信号,并计算所述键相脉冲信号的采样周期,所述键相脉冲信号为所述旋转机械设备旋转一周发出的脉冲信号;
第二处理单元,用于将所述采样周期与预设采样周期表进行对比,确定振动信号的采样周期数;所述预设采样周期表包括信号频率范围、采样周期数、每周期点数、采样频率以及实际采样点数之间的对应关系;
第三处理单元,用于按照所述采样周期数对所述振动信号进行采样,得到实际采样数据;
第四处理单元,用于对所述实际采样数据进行插值重采样,得到2的整数次幂的重采样数据;
第五处理单元,用于对所述重采样数据进行FFT运算,得到所述振动信号的目标频率的幅值与相位。
优选的,所述第三处理单元,具体用于:
以所述键相脉冲信号的下降沿作为触发条件,按照所述采样周期数对所述振动信号进行采样,得到实际采样数据。
优选的,所述第三处理单元,具体用于:
在每个所述实际采样数据点进行所述振动信号的采样,得到所述实际采样数据。
优选的,所述第四处理单元,具体用于:
以任一点Z的频率对所述振动信号进行采样,得到2的整数次幂的所述重采样数据。
一种存储介质,所述存储介质包括存储的程序,其中,在所述程序运行时控制所述存储介质所在的设备执行如上述所述的振动信号采样方法。
一种电子设备,所述电子设备包括至少一个处理器、以及与所述处理器连接的至少一个存储器、总线;其中,所述处理器、所述存储器通过所述总线完成相互间的通信;所述处理器用于调用所述存储器中的程序指令,以执行如上述所述的振动信号采样方法。
本申请所述的振动信号采样方法、装置、存储介质及电子设备,该方法先通过获取的键相脉冲信号计算采样周期,将采样周期与预设采样周期表进行对比确定振动信号的采样周期数,然后按照采样周期数对振动信号进行采样得到实际采样数据;之后对实际采样数据进行插值重采样,得到2的整数次幂的重采样数据;最后对重采样数据进行FFT运算,得到振动信号的目标频率的幅值与相位。本申请可以准确定位到振动信号的目标频率,提升后续振动状态的分析精度,精确分析并预测旋转机械设备的运行状态与健康状态。
另外,本申请中可以根据不同的需求选取不同硬件采样频率,根据监测到的信号基频自适应调整采样周期数,能够监测很小的信号频率,增大监测信号频率范围。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的振动信号采集***结构示意图;
图2为本申请实施例提供的振动信号采样方法流程示意图;
图3为本申请实施例提供的振动信号采样装置结构示意图;
图4为本申请实施例提供的电子设备结构示意图。
具体实施方式
本申请提供的一种振动信号采样方法、装置、存储介质及电子设备,应用于图1所述的振动信号采样***,该振动信号采样***包括:信号调理电路10、模数转换器20和数字信号处理器30,其中,数字信号处理器30为具有FFT运算功能的DSP(Digital SignalProcessing)。输入信号包括:由振动传感器传回的旋转机械的振动信号和旋转机械旋转一周出现一次的键相脉冲信号,其中,振动信号需要经信号调理电路10与模数转换器20进行电路调理和模数转换后,由数字信号处理器30进行数据采集;键相脉冲信号直接由数字信号处理器30进行捕获,用于实现对振动信号的整周期采样。
本申请的发明目的在于:如何精确定位到振动信号的目标频率,提升后续振动状态的分析精度,精确分析并预测旋转机械设备的运行状态与健康状态。
下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
参见图2所示,为本申请实施例提供的一种振动信号采样方法流程图,用于旋转机械设备的振动监测,主要用于精确定位到振动信号的目标频率,提升后续振动状态的分析精度,精确分析并预测旋转机械设备的运行状态与健康状态,该方法具体包括如下步骤:
S201:获取键相脉冲信号,并计算键相脉冲信号的采样周期,该键相脉冲信号为旋转机械设备旋转一周发出的脉冲信号。
S202:将采样周期与预设采样周期表进行对比,确定振动信号的采样周期数。
所述预设采样周期表包括信号频率范围、采样周期数、每周期点数、采样频率以及实际采样点数之间的对应关系,具体可参见表1。
表1
需要说明的是,在具体实施例中,若键相脉冲信号的频率为1020Hz,其对应的落在(1024~512),则可以确定采样周期数n为64,对应的每周期点数为32。
S203:按照采样周期数对振动信号进行采样,得到实际采样数据。
本申请实施例中,上述按照采样周期数对振动信号进行采样,得到实际采样数据,具体为:
以键相脉冲信号的下降沿作为触发条件,按照采样周期数对振动信号进行采样,得到实际采样数据。
更进一步的,上述按照采样周期数对振动信号进行采样,得到实际采样数据,具体包括:
在每个实际采样数据点进行振动信号的采样,得到实际采样数据。
S204:对实际采样数据进行插值重采样,得到2的整数次幂的重采样数据。
上述对实际采样数据进行插值重采样,得到2的整数次幂的重采样数据,具体为:
以任一点Z的频率对振动信号进行采样,得到2的整数次幂的所述重采样数据。
进一步说明,本申请实施例中,为准确定位振动信号的目标频率,可确定采样周期数n的最小值:如需确定1/3倍频,则n≥3;需确定1/2倍频,则n≥2。
本申请实施例中,上述采样周期数n最小值确定后,根据信号频率变化范围,对采样周期数n进行自适应调整。由于硬件平台DSP的RAM内存有限,实采样点数N'存在最大值。
上述表1是采用本申请实施例提供的振动信号采样方法的一个采样周期数自适应方案示例,具体的,将实采样点数N'最大值设定为8000,fADC设定为64kHz,设定采样周期数n≥2,根据信号基频fB自适应调采样周期数n。当n=2时,随着fB逐渐减小,为保证N'的约束条件,可以减小硬件采样频率fADC。这样,本申请实施例提供的振动信号采样方法能够监测很小的信号频率,增大监测信号频率范围。
S205:对重采样数据进行FFT运算,得到振动信号的目标频率的幅值与相位。
需要说明的是,目标频率是键相脉冲信号给定的,本申请实施例根据整周期采样,根据FFT分辨率=信号基频/采样周期数,FFT运算后必定可以分析到基频、0.5倍频、二倍频与n倍频。
本申请实施例提供的振动信号采样方法,该方法先通过获取的键相脉冲信号计算采样周期,将采样周期与预设采样周期表进行对比确定振动信号的采样周期数,然后按照采样周期数对振动信号进行采样得到实际采样数据;之后对实际采样数据进行插值重采样,得到2的整数次幂的重采样数据;最后对重采样数据进行FFT运算,得到振动信号的目标频率的幅值与相位。本申请可以准确定位到振动信号的目标频率,提升后续振动状态的分析精度,精确分析并预测旋转机械设备的运行状态与健康状态。
另外,本申请中可以根据不同的需求选取不同硬件采样频率,根据监测到的信号基频自适应调整采样周期数,能够监测很小的信号频率,增大监测信号频率范围。
请参阅图3,基于上述实施例公开的一种振动信号采样方法,本实施例对应公开了一种振动信号采样装置,用于旋转机械设备的振动监测,具体包括:第一处理单元301、第二处理单元302、第三处理单元303、第四处理单元304和第五处理单元305,其中:
第一处理单元301,用于获取键相脉冲信号,并计算键相脉冲信号的采样周期,该键相脉冲信号为旋转机械设备旋转一周发出的脉冲信号。
第二处理单元302,用于将采样周期与预设采样周期表进行对比,确定振动信号的采样周期数;该预设采样周期表包括信号频率范围、采样周期数、每周期点数、采样频率以及实际采样点数之间的对应关系。
第三处理单元303,用于按照采样周期数对振动信号进行采样,得到实际采样数据。
第四处理单元304,用于对实际采样数据进行插值重采样,得到2的整数次幂的重采样数据。
第五处理单元305,用于对重采样数据进行FFT运算,得到振动信号的目标频率的幅值与相位。
进一步的,上述第三处理单元303,具体用于:
以键相脉冲信号的下降沿作为触发条件,按照采样周期数对所述振动信号进行采样,得到实际采样数据。
进一步的,上述第三处理单元303,具体用于:
在每个实际采样数据点进行振动信号的采样,得到实际采样数据。
进一步的,上述第四处理单元304,具体用于:
以任一点Z的频率对振动信号进行采样,得到2的整数次幂的所述重采样数据。
所述振动信号采样装置包括处理器和存储器,上述第一处理单元、第二处理单元、第三处理单元、第四处理单元和第五处理单元等均作为程序单元存储在存储器中,由处理器执行存储在存储器中的上述程序单元来实现相应的功能。
处理器中包含内核,由内核去存储器中调取相应的程序单元。内核可以设置一个或以上,通过调整内核参数来实现准确定位到振动信号的目标频率,提升后续振动状态的分析精度,精确分析并预测旋转机械设备的运行状态与健康状态。
本申请实施例提供了一种存储介质,其上存储有程序,该程序被处理器执行时实现所述振动信号采样方法。
本申请实施例提供了一种处理器,所述处理器用于运行程序,其中,所述程序运行时执行所述振动信号采样方法。
本申请实施例提供了一种电子设备,如图4所示,该电子设备40包括至少一个处理器401、以及与所述处理器连接的至少一个存储器402、总线403;其中,所述处理器401、所述存储器402通过所述总线403完成相互间的通信;处理器401用于调用所述存储器402中的程序指令,以执行上述的所述振动信号采样方法。
本文中的电子设备可以是服务器、PC、PAD、手机等。
本申请还提供了一种计算机程序产品,当在数据处理设备上执行时,适于执行初始化有如下方法步骤的程序:
获取键相脉冲信号,并计算所述键相脉冲信号的采样周期,所述键相脉冲信号为所述旋转机械设备旋转一周发出的脉冲信号;
将所述采样周期与预设采样周期表进行对比,确定振动信号的采样周期数;所述预设采样周期表包括信号频率范围、采样周期数、每周期点数、采样频率以及实际采样点数之间的对应关系;
按照所述采样周期数对所述振动信号进行采样,得到实际采样数据;
对所述实际采样数据进行插值重采样,得到2的整数次幂的重采样数据;
对所述重采样数据进行FFT运算,得到所述振动信号的目标频率的幅值与相位。
进一步的,所述按照所述采样周期数对所述振动信号进行采样,得到实际采样数据,具体为:
以所述键相脉冲信号的下降沿作为触发条件,按照所述采样周期数对所述振动信号进行采样,得到实际采样数据。
进一步的,所述按照所述采样周期数对所述振动信号进行采样,得到实际采样数据,具体为:
在每个所述实际采样数据点进行所述振动信号的采样,得到所述实际采样数据。
进一步的,所述对所述实际采样数据进行插值重采样,得到2的整数次幂的重采样数据,具体为:
以任一点Z的频率对所述振动信号进行采样,得到2的整数次幂的所述重采样数据。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
在一个典型的配置中,设备包括一个或多个处理器(CPU)、存储器和总线。设备还可以包括输入/输出接口、网络接口等。
存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器,随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式,如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM),存储器包括至少一个存储芯片。存储器是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括,但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带,磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质,可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定,计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media),如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、***或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
以上仅为本申请的实施例而已,并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种振动信号采样方法,其特征在于,用于旋转机械设备的振动监测,该方法包括:
获取键相脉冲信号,并计算所述键相脉冲信号的采样周期,所述键相脉冲信号为所述旋转机械设备旋转一周发出的脉冲信号;
将所述采样周期与预设采样周期表进行对比,确定所述振动信号的采样周期数;所述预设采样周期表包括信号频率范围、采样周期数、每周期点数、采样频率以及实际采样点数之间的对应关系;
按照所述采样周期数对所述振动信号进行采样,得到实际采样数据;
对所述实际采样数据进行插值重采样,得到2的整数次幂的重采样数据;
对所述重采样数据进行FFT运算,得到所述振动信号的目标频率的幅值与相位。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述按照所述采样周期数对所述振动信号进行采样,得到实际采样数据,具体为:
以所述键相脉冲信号的下降沿作为触发条件,按照所述采样周期数对所述振动信号进行采样,得到实际采样数据。
5.一种振动信号采样装置,其特征在于,用于旋转机械设备的振动监测,该装置包括:
第一处理单元,用于获取键相脉冲信号,并计算所述键相脉冲信号的采样周期,所述键相脉冲信号为所述旋转机械设备旋转一周发出的脉冲信号;
第二处理单元,用于将所述采样周期与预设采样周期表进行对比,确定振动信号的采样周期数;所述预设采样周期表包括信号频率范围、采样周期数、每周期点数、采样频率以及实际采样点数之间的对应关系;
第三处理单元,用于按照所述采样周期数对所述振动信号进行采样,得到实际采样数据;
第四处理单元,用于对所述实际采样数据进行插值重采样,得到2的整数次幂的重采样数据;
第五处理单元,用于对所述重采样数据进行FFT运算,得到所述振动信号的目标频率的幅值与相位。
6.根据权利要求5所述的装置,其特征在于,所述第三处理单元,具体用于:
以所述键相脉冲信号的下降沿作为触发条件,按照所述采样周期数对所述振动信号进行采样,得到实际采样数据。
9.一种存储介质,其特征在于,所述存储介质包括存储的程序,其中,在所述程序运行时控制所述存储介质所在的设备执行如权利要求1至4中任一项所述的振动信号采样方法。
10.一种电子设备,其特征在于,所述电子设备包括至少一个处理器、以及与所述处理器连接的至少一个存储器、总线;其中,所述处理器、所述存储器通过所述总线完成相互间的通信;所述处理器用于调用所述存储器中的程序指令,以执行如权利要求1至4中任一项所述的振动信号采样方法。
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