用模式匹配的转子振动信号同步整周期重采样方法研究

用模式匹配的转子振动信号同步整周期重采样 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 研究 用模式匹配的转子振动信号同步整周期重 采样方法研究 杌械缛虚2009,31(5):7'47—750 用模式匹配的转子振动信号同步整周期重采样方法研究 STUDYoNTHERoToRV?;RAT【oNSIGNALFULLPERIoDRE—SAMlLING METHoD?删MIDEMATCHDG 胡劲松杨世锡 (1.宁波 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院电信学院,宁波315010) (2.浙江大学机能学院,杭州310027) HUJingSongYANGShiXi (1.DepartmentofElectronicandInformationTechnology,NingboUnivemityofTechnolog y,Ningbo315010,China) (2.CollegeofMechanicalandEnergyEngineering,ZhejiangUnivemity,Hangzhou310027, China) 摘要提出应用模式匹配的转子振动信号同步整周期重采样方法.该方法所用的信号为用等时间间隔同步采集的 键相信号和振动信号.文中方法步骤为,先对键相信号进行傅里叶变换,获得大致的基频振动周期,然后根据振动周期 提取匹配用波形,再沿着键相信号数据滑动求匹配波形与数据段的相似性来查找周期起止点,相似度大于设定的阈值的 数据段存在周期起止点,然后将振动信号用三次样条在起止点间进行等数量插值,即得到同步整周期采样的数据.研究 结果表明,该方法能准确地对振动信号进行同步整周期重采样,具有对信号采集设备要求低,相位误差小的优点,可用于 转子振动信号整周期采样. 关键词转子振动信号整周期采样模式匹配样条插值 中图分类号THll3.20347.6 AbstractTherotorvibrationsignalftdlperiodre—s舢 pmethodwithmodematchingwasproposed.Themethodsuitstothe synchronoussampledvibrationsignalandkeyphasesignalwithsalnesamplingime~a1.Thestepsofthemethodisthat,firstly,got印- proximatebaseperiodwithFouriertransformationfromthekeyphasesignal,thenextractedasegmentfromthesignalwiththeappmxi— mateperiodformatching,secondly,slidingthesegmentfollowingthekeyphasedatawhilecalculatingthesimilaritybetweenthesegment andthematchingdata.ifthesimilarityislargerthanapredeterminedthreshold.thenastartorstoppointoftheperiodisexistinthe matcheddata.thesynchronoussampledvibrationsignalWasinterpolated山 thestartandstoppointsoftheperiodsusingthecube sphne,thefullperiodsamplingdatawereformed.ResearchedresultsshowedthatthemethodCallre—sampledatainfullperiodexactly, phaseelTorissmallerandtherequirementofsamplingequipmentislower.TheproposedmethodCanbewidelyusedinthefieldofthe rotorvibrationsignalfullperiodsampling. KeywordsRotor;Vibralionsignal;Fullperiodsampling;Modemashing;Splineinterpolation Correspondingauthor:HUJingSong,E-mail:nbhjs@yahoo.com.crt,Te/:+86—574— 56611651 TheprojectsupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.50675194)andtheNingboNaturalScienceFoun— dation(No.2(D7A610014). Manuscriptreceived20070801,inrevisedform20080602. 1引言 旋转机械的振动信号是反映旋转机械工作状态的 重要信号之一,振动信号 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 一般采用频谱分析的方 法.对于旋转机械的振动信号,采用整周期采样可以 消除或减弱频谱分析中的非整周期采样存在的谱泄漏 和栅栏效应,有利于振动信号的精确分析以及旋转机 械状态监测和故障诊断.因此,研究旋转机械振动信 号整周期采样方法有重要意义. 牛玉广等人结合旋转机械振动信号检测系统的工 程实践, 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 出随工作频率自动调整采样频率的采样 控制电路,该电路可方便地实现与计算机的连接,简化 采集系统的软硬件设计,并具有一定的通用性l1l】川. 杨国田等人介绍一种利用PCL818数据采集卡进行16 通道同步整周期采样的实现 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,实验结果表明,振动 数据采集正常,各个周期同步良好_2....张韧等人介 20070801收到初稿,20080602收到修改稿.国家自然科学基金(5O675194),宁波市 自然科学基金(2007A610014)资助项目. 胡劲松,男,1971年2月生,浙江奉化人,汉族.宁波工程学院电信学院副教授,工学博 士,出站博士后,主要从事智能检测,信号处理与故 障诊断等技术研究. 机械强度2009经 绍一种应用重采样技术的旋转机械振动信号的整周期 采样方法,通过三次样条插值从定时采样的数据中获 得整周期采样的数据,经过实验证明是可行的】5渊. 文红举等人通过同步采集振动信号和转速信号的方 法,用软件实现整周期重采样】l.贾文超等人应用 DSP(digitalsignalprocess)技术和整周期自适应采样算 法,实现砂轮振动信号倍频采样,并且给出砂轮动平衡 测试中的具体应用Bj793蝤.V.Staudt等人通过先把信 号和窗函数相乘,然后进行快速傅里叶变换的方法进 行信号的周期估计l6,.c.I.Byrnes等人通过构造 滤波器组对信号滤波,获得信号的周期l7j3. 文献[1]"[2的方法采用硬件实现,整周期 脉冲是通过测量过去的转速,并预测下周转速来实现 的,因此有系统复杂,在转速变化较快情况下有周期采 集不准,相位误差较大的缺点;文献[3]路?的方法利用 键相信号的峰峰值和平均值来搜索周期起止点,在某 些情况下会出错,可靠性不是很好;文献[4]的方法 只能进行整周期采集,没有振动信号同步相位的信息; 文献[5]的方法是通过泰勒级数展开,然后去除高 次项而获得近似公式,因此,在转速变化较大时整周期 采集精度也会受到较大的影响;文献[6]哪[7]m勰 的方法获得的周期不是很准确,不宜用于信号的整周 期采样. 本文针对这些不足,提出利用模式匹配的转子振 动信号同步整周期采样方法,较好地解决这些问题. 2方法原理 本方法的研究对象为采用等时间间隔同步采样的 转子键相和振动信号数据. 图1和图2所示信号是在本特利公司的转子试验 台上由自制的数据采集系统同步采集得到,数据长度 为1000点,键相信号也作为一路振动信号同步采集, 采样频率为64OOHz,转速为2250r/min,处于升速阶 段.图1为振动信号波形和傅里叶变换后的幅值谱, 由转速可得转频为37.5Hz,由图可见,幅值谱由于周 期采集不准,频谱泄漏较严重.图2为键相信号波形 和幅值谱. 观察采集的键相信号和振动信号波形,可见,只要 找出键相信号的相位标记点,以该标记点作为振动信 号的一个周期起止点,采用样条插值的方法对每个振 动周期进行等点数采样,即可以获得同步整周期重采 样的振动信号. 要获得同步整周期重采样的振动信号,首先必须 找到周期起止点,键相信号包含了周期起止点.图2 可见,键相信号和一个振动信号叠加在一起,叠加的振 动信号主要是转子轴的振动反映,有时该信号峰值甚 > 勺 三 .二 乱 g 《一 一 馨 芝 名 童o? 墨. 馨 > , 鼍 兰 ? g 《 馨 > I\ 鼍 .羔 g 《 叁髓Ol0O2003004005006007008009oo10oo 采样点Sampledpoint 频率Frequencyf/Hz 阁1振动信号波形和幅值谱 Fig.1Vibrationsignal'sprofileandspeetnlm l5 i O.5 O U37.575112.5l50l7522262.5300 频率Frequency厂/Hz 图2键相信号波形和幅值谱 Fig.2Keyphasesignal'sprofileandspectrum 至接近键相信号的峰值,这会导致以幅值和均值进行 判断的键相信号跟踪方法出错,并且使根据键相信号 计算的转速出现倍频,因此,必须找到更好的键相信号 周期起止点的提取方法. 观察键相信号,周期性较明确,并且每个周期的数 据段前后的波形非常相似.因此,可以用该数据段一 个周期中某段波形去匹配该键相信号数据,求相互间 的相似度,设定一个相似度阈值,那么相似度大于设定 的阈值点处的键相信号数据段存在一个周期起止点. 不失一般性,可以用匹配波与键相信号的相关系 数衡量相似度.相关系数的计算公式如下 月:…??(— )?(一) 其中,{},{Y)为要求相关系数的两组数据,和Y分 别为两组数据的平均值.若相关系数R越大,则两组数 据越相似.因为求相关系数是个统计的方法,若键相波 形的突起部分采样点数不一样,变化在30%内,对方法 的适用性影响不大.一般的旋转机械由于惯性,几个周 第3l卷第5期胡劲松等:用模式匹配的转子振动信号同步整周期重采样方法研究 749 期的键相信号采样点数变化不大,因此本方法适用. 将匹配用的数据段在键相信号数据上边从左端点 向右滑动,边求数据段和键相信号的相关系数,每滑动 一 点求一个相关系数,可得到此键相信号数据对匹配数 据的相关系数组.相关系数越大,这段数据对匹配数据 的相似度越大,将相关系数值大于某个设定值的匹配数 据位置记录,便可获得相应的振动信号周期起止点. 使用模式匹配的方法获取周期起止点,首先需要 获得匹配用的键相信号数据段.若匹配用的数据段取 得太长,接近键相信号的一个周期,则在转速变化情况 下,即周期变化较大的情况下,容易使计算的相关系数 偏小,不能明确提取周期起止点;若匹配用的数据段取 得太短,则容易在键相信号非周期起止点波动处获得 较大的相关系数.综合考虑,匹配用的数据段取为基 频振动周期的一半左右较合适. 由于匹配数据段的获得,必须知道键相信号的基 频周期,因此,拟采用傅里叶变换估计键相信号的基频 周期,然后用估计的周期确定匹配用数据段. 用模式匹配的方法获得键相信号周期起止点后, 对同步采集的振动信号采用三次样条插值的方法获得 整周期采样的振动信号数据. 综上,可以获得用模式匹配的旋转机械振动信号 同步整周期重采样方法如下: (1)对键相信号数据进行傅里叶变换,获得大致的 基频振动周期. (2)用估计获得的周期,在键相信号数据一个周期 最大点处提取约周期一半的数据段,作为模式匹配用 的数据段. (3)把匹配用的数据段沿键相数据从左向右匹配 获得相关系数组. (4)把相关系数大于阈值的位置记录作为周期起 止点. (5)对同步采集的振动信号,用三次样条在记录的 周期起止点间进行等间隔等数量的插值,获得整周期 采样的数据. 3方法效果 根据上节方法的原理,对图1的振动信号进行同 步整周期重采样. 在图2的键相信号幅值谱搜索最大点,可以获得 幅值最大的频率为38.4Hz,因此可以获得幅值最大频 率对应的周期为26.04rns.不失一般性,从键相信号 的起始点开始的估计周期26.04InS内查找最大点,然 后以最大点为中心提取约13InS的一段数据作为匹配 用的波形,如图3所示. 将匹配波形根据所述方法沿着键相信号数据从左 芝 壹 营《0 霎一z ::—_,,;; !i/』\i一……—……一一i……一一 i/\i—?,,————一 02468l0l2 采样时间Samplingtimet/ms 图3匹配波形 Fig.3Profileformatching 到右求相关系数,然后把小于0.9的相关系数去除,再 把该相关系数组和同步采集的振动信号数据叠加,便 获得图4所示的相关系数与振动波形叠加图.可见, 每个较大的相关系数值对应一个周期起止点,通过模 式匹配的方法能将各个周期起止点准确辨识出来. 三 名 童 拿 《 趔 馨 采样点Sampledpoint 图4叠加图 Fig.4Over~ppedprofile 根据辨识出的周期起止点,可以通过三次样条插 值进行整周期重采样,对图1信号相邻周期起止点间 等问隔采集64点,一共采集4个周期,则共计采集256 点,将重采样后的数据进行傅里叶变换,然后用转频的 倍频表示频率,即获得图5所示的时域图和幅值谱. 从时域图可见,整周期采样是准确的,从幅值谱可见, 频谱清晰,信号突出.将该图与图1比较可见,振动信 号同步整周期重采样方法效果较好. 由上研究可见,用本文的整周期重采样方法能较 好地对信号进行整周期重采样,具有显着的优点. O.2 O.1 0 ::丰二手二簧二?l1IIlllOlX2X3X4X5X6X7X8X 频率(倍频)Frequency(multipliedfrequency) 图5重采样后的信号波形和幅值谱 Fig.5Re—sampledvibrationsignal'Sprofileandspeemun >pnAg《罂>/apn兰Ag馨 机械强度2OO9焦 4讨论 本方法假定在采集的振动信号一周内转速是均匀 的,因此在对振动信号三次样条重采样时用等间隔的 方法,若旋转机械在一周内转速变化较大,则有一定的 相位误差,但整周期采集还是准的.一般的旋转机械 转子惯性较大,可以近似认为一周内的转速是均匀的, 因此本方法有一定的适用性. 因为采用相关系数的统计方法计算匹配波形与键 相信号波形的相似性,所以方法对噪声,周期,幅值的 变化不敏感,具有较好的抗干扰性,容错性和鲁棒性. 因为键相信号峰顶波形变化较大,因此宜将峰顶 作为匹配用的数据段. 若振动信号包含高频信号,则在三次样条重采样 中会产生误差,因为三次样条重采样是先对数据点进 行样条插值,形成连续样条函数,然后再进行数据点采 样的.由于信号频率较高,在样条插值中会产生不足 和过冲的现象,因此,频率越高,样条重采样的误差也 越大.一般分析旋转机械振动信号采用的是小于8倍 频的信号,经测试,对于这个范围的信号,三次样条重 采样一般满足信号分析的要求. 用本文的方法,只要对振动信号和键相信号进行 同步等时问间隔的采集,即可实现同步整周期采样, 不需要硬件整周期采集触发脉冲电路,因此对硬件采 集系统的要求不高,成本较低. 用本文的方法,可以避免硬件整周期采集的转速 变化产生的整周期采集的相位误差,可以提高信号的 整周期采集精度. 5结论 提出应用模式匹配的转子振动信号同步整周期重 采样方法.该方法所用的信号为用等时间间隔同步采 集的键相信号和振动信号.详细介绍该方法的步骤. 研究结果表明,该方法能准确地对振动信号进行同步 整周期重采样,具有对信号采集设备要求低,相位误差 小的优点.可用于转子振动信号同步整周期采样. 参考文献(References) [1]牛玉广,侯维宁.多通道信号的同相位整周期采样[J].数据采 集与处理,1997,12(2):114.117. NIUYuGuang,HOUWeiNin.Acircuitformuti.channelperiodicandsi— muhaneoussamplecontrol[J].JournalofDataAcquisition&I)IDcessiIlg, 1997,12(2):114—117(InChi.ese). [2]杨国田,白焰.回转机械多通道同步整周期采样的实现方案 [J].自动化仪表,2003,24(10):24.28. YANGuoTian,BaiYan.Implementationstrategyofmulti—channelsyn- ehronousintegratedperiodsampfingformt~ingmachinery[JJ.Process AutomationInstrumentation,2003,24(1o):24-28(InChinese) [3]张韧,杨世锡,任达千,等.一种应用重采样技术的整周期采 样方法[J].机电工程,2OO4,21(3):57.59. ZHANGRen,YANGShiXi,RENDaQian,eta1.Afullperiodsa~ling methodbasedontheapplicationofre-samplingtechnology[J].Mechani— cal&ElectricalEngineeringMagazine,2OO4,21(3):57-59(InChi— nese). [4]文红举,孙涛,李爱先.基于PCI数据采集卡的旋转机械阶比 跟踪算法与实现[J].机械与电子,2006(3):16-18. WENHongJu,SUNTao,UXian.Thearithmeticandtheimplement oftheordertrackingofrotatingmachinerybasedOnPCIdstaacquisition card[J].Machinery&Electronics,2oo6(3):l6.18(InChinese). [5]贾文超,尤文,林晓梅,等.基于整周期自适应采样的砂轮不 平衡量分析[J].仪器仪表,2004,25(6):793—795. JIAWenChao,YOUWen,LINXiaomei,eta1.Ana1).sjsforI/nbal~lee valueofgrindingwheelbasedOfffullperiodadaptivesampling【J].Chi— neseJournalofScientificInstrument,20O4,25(6):79395(InChi— nese). 16]SmudtV.Effectsofwindowfunctionexplmn~bysignalstypicaltopower electronics【CJ//IEEE8thInt.Coof.HarmonicsQualityPower (ICHQP):Vo1.II.Athens,Greece:InstituteofElectricalandElec- troniesEngineers(IEEE),1998:952-957. 17]BymesCI,Ge0OilTT,LindquistA.Anewapproachtospectralesti? mation:attmablehi【曲一resolutionspectralestimator[J].IEEETram. SiProcessing,2000,48:3189-3205.