专利名称：旋转机械振动信号整周期同步采样分析方法
技术领域：
本发明涉及一种旋转机械振动信号处理方法，具体涉及一种旋转机械振动信号整周期同步采样分析方法。
背景技术：
振动分析是旋转机械故障诊断中应用最广泛的方法，一方面振动问题是旋转机械运行中的最主要的安全问题之一，另一方面振动信号包含了丰富的机械运行状态信息。旋转机械在运行时，其转速在严格意义上是波动的，特别在升、降速阶段尤其明显，这些状态下对应的振动信号属于非平稳信号。对这些非平稳振动信号进行分析，可以揭示其频率特征，尤其是其频率随时间或转速变化的规律，从而可以对旋转机械的大部分故障类型进行准确的诊断。鉴于振动信号并 不直接满足傅里叶变换对信号的平稳性要求，因此严格说来并不适合用常规的频谱分析法分析，若人为地在应用中将这类信号假定为平稳信号进行分析，必然会导致较大的误差甚至错误。旋转机械平稳振动信号特征分析技术目前已经比较成熟，并在工程实际中得到广泛应用，但基于傅里叶变换的传统信号处理方法只能分析信号的统计平均结果，无法处理非平稳信号。若人为地在应用中将这类信号假定为平稳信号进行分析必然会导致较大的误差甚至错误。正是在此情况下，以转速信号为基础的阶比分析技术孕育而生。阶比分析的提出为分析旋转机械非平稳振动中和转速相关的振动提供了一条有效途径。阶比分析是通过整周期同步采样技术将时域等间隔振动信号转化为角域等间隔振动信号，然后对该振动信号进行快速傅里叶变换。因此，阶比分析本质上是一种改进的快速傅里叶变换。传统的阶比分析实现方式通常采用硬件实现方式，硬件实现方式是使用直接编码器的外部触发采样，由编码器产生等转角的触发脉冲，进行等角度重采样。采样过程中需要有锁相环、倍频分频电路、截止频率实时可调的抗混叠跟踪滤波器等设备，其采样频率随转速变化，设备电路复杂，成本高，稳定性差，在转速快变时精度会受影响。公告号为CN102175439的中国专利，公开了一种“针对旋转机械的阶次分析实现方法”，其等角度重采样是“根据更新频率的低速脉冲以及当前高速轴上的转速脉冲分别对采集卡输出信号进行等角度重采样”。此种方法在旋转机械转速不变或变化小时相当有效，但当旋转机械转速变化大时，此时的更新频率是由第一次采样时的频率计算得来；因此，当用此更新频率与当前高速轴上的转速脉冲进行等角度重采样，将带来更新频率与当前高速轴上的转速脉冲不同步，采样数据不准确。所以，传统的阶比分析方法用在变转速机械，特别是升、降速速率较高时，由于瞬时频率无法跟踪只能采用预设，又由于等角度重采样是通过硬件的再次采样，因此，传统的阶比分析会出现大的误差，甚至是错误的分析结果
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种旋转机械振动信号整周期同步采样分析方法。为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案:
旋转机械振动信号整周期同步采样分析方法，其特征在于，包括:
步骤1:由固定采样频率连续同步采集振动信号和键相脉冲信号，所述键相脉冲信号在所述旋转机械每旋转一周时产生一次；
步骤2:根据所述键相脉冲信号，获得旋转机械每转动一周的转速和瞬时频率；
步骤3:选取一个振动阶比数M，利用插值滤波器对所述键相脉冲信号进行2X振动阶比数M倍的插值，得到均角样本时间序列；
步骤4:根据所述瞬时频率和所述均角样本时间序列，对所述振动信号进行抗混叠数字滤波和插值重采样，得到对应所述均角样本时间序列的振动等角度采样信号；
步骤5:根据所述振动等角度采样信号，得到振动阶比谱与各阶谐波波形。前述的旋转机械振动信号整周期同步采样分析方法，其特征在于，所述振动阶比数M为2的η次方，η是 4以上的正整数。前述的旋转机械振动信号整周期同步采样分析方法，其特征在于，所述η等于6。前述的旋转机械振动信号整周期同步采样分析方法，其特征在于，所述固定采样频率大于最大转速频率X振动阶比数Μ。前述的旋转机械振动信号整周期同步采样分析方法，其特征在于，所述步骤2包括:先设定一个阈值，再根据所述阈值来识别所述键相脉冲信号的上升沿到达时间或下降沿的到达时间，通过上升沿到达时间或下降沿的到达时间来计算每两个键相脉冲信号之间的时间差，通过所述时间差获得旋转机械每转动一周的转速和瞬时频率。前述的旋转机械振动信号整周期同步采样分析方法，其特征在于，所述插值滤波器为基于FPGA的级联积分梳状滤波器。前述的旋转机械振动信号整周期同步采样分析方法，其特征在于，所述插值重采样为线性插值、样条插值、拉格朗日插值或sine插值中的任一种。前述的旋转机械振动信号整周期同步采样分析方法，其特征在于，所述抗混叠数字滤波采用Kaiser窗FIR滤波器。前述的旋转机械振动信号整周期同步采样分析方法，其特征在于，所述步骤5包括:对所述振动等角度采样信号进行快速傅里叶变换得到连续的旋转机械振动阶比谱。前述的旋转机械振动信号整周期同步采样分析方法，其特征在于，所述步骤5包括:对所述振动等角度采样信号进行恒带宽滤波或者Gabor变换，得到连续的各阶谐波波形。本发明的有益之处在于:本发明的能够实现精确的等角度采样，此外，本发明节省硬件，降低成本，性能可靠、稳定。
图1是本发明旋转机械振动信号整周期同步采样分析方法流程框 图2是本发明振动信号的一种示意 图3是本发明键相脉冲信号的一种示意图；图4是图2所述振动信号的频谱示意 图5是基于图3得到的脉冲时间示意 图6是基于图3得到的转速曲线示意 图7是基于图2、图3得到的振动等角度采样信号示意 图8是基于图2、图3得到的阶比谱示意图。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。参照图 1所示，本发明旋转机械振动信号整周期同步采样分析方法，包括:
步骤1:由固定采样频率连续同步采集振动信号和键相脉冲信号，键相脉冲信号在旋转机械每旋转一周时产生一次；
步骤2:根据键相脉冲信号，获得旋转机械每转动一周的转速和瞬时频率；
步骤3:选取一个振动阶比数M，利用插值滤波器对键相脉冲信号进行2X振动阶比数M倍的插值，得到均角样本时间序列；
步骤4:根据瞬时频率和均角样本时间序列，对振动信号进行抗混叠数字滤波和插值重采样，得到对应均角样本时间序列的振动等角度采样信号；
步骤5:根据振动等角度采样信号，得到振动阶比谱与各阶谐波波形。本发明不限制旋转机械的具体类型，比如其可以是汽轮发电机组。本发明的键相脉冲信号在旋转机械每旋转一周时产生一次，本发明不限定其具体的实现方式，比如其可以在可以在旋转机械上设置一凹槽之类的键相标记，然后由光电传感器检测凹槽，这样旋转机械每旋转一周，光电传感器就能够检测到一个键相脉冲信号。下面通过一个实施例进一步分析说明。图2是本发明振动信号的一种示意图。这里，为了便于分析，图2的振动信号的基频为线性变化，图4是图2所述振动信号的频谱示意图。但这仅仅是为了便于分析，实际工作时，振动信号并不限于图2所示。这里的振动信号是与键相脉冲信号由固定采样频率连续同步采集的，本发明不限制振动信号的采集设备，也不限制振动信号的路数，比如，本发明可以采用I个光电传感器和4个振动传感器分别采集I路转速键相脉冲信号和4路振动信号，即构成了一个高精度振动信号采集分析系统，实现变转速振动信号阶比跟踪采集和阶比分析功能。本发明中涉及到了振动阶比数，作为优选，振动阶比数M为2的η次方，η是4以上的正整数。进一步,η等于6，此时达到的采样精度已经能够符合要求，在成本和精度之间达到最佳平衡。作为优选，本发明的固定采样频率大于最大转速频率X振动阶比数Μ。这样的采样频率能够确保无论转速如何，本发明都能够获得最佳的采样效果。通过同步采集，本发明就能够获得如图2所示的振动信号和如图3所示的键相脉冲信号。根据键相脉冲信号，可以获得旋转机械每转动一周的转速和瞬时频率。这里也不限制具体的实现方式。作为一种优选，可以先设定一个阈值，这个阈值的设定是可以人为设定的，一般可以通过人工设定上升沿或下降沿的电压值大小，以此电压值大小作为一个指定的阈值。或者也可以按照某一算法，由统计学规律，自动计算阈值大小。图3是本发明键相脉冲信号的一种示意图，图5是基于图3基础上得到的脉冲时间示意图。实际中，可以由此准确识别和记录键相脉冲信号上升沿或下降沿的到达时间t0、tl、t2…tN，这里N为正整数，tN为第N个键相脉冲的时间。由两个脉冲间的时间差，dt0=tl-t0, dtl=t2-tl,…，dtN-l=tN-tN_l,这里dtN为第N个脉冲和第N-1个脉冲的时间差，因此dtN即为旋转机械转第N圈的时间。然后可以以此dtN计算转速和瞬时频率。如图6所示就是基于图3基础上得到的转速曲线示意图。接着，选取选取一个振动阶比数M，利用插值滤波器对键相脉冲信号进行2X振动阶比数M倍的插值，得到均角样本时间序列。比如,可以选择振动阶比数M为32，此时利用插值滤波器对键相脉冲信号进行64倍的的插值，得到均角样本时间序列。本发明不限制插值滤波器的类型，实际优选插值滤波器为基于FPGA的级联积分梳状滤波器。本发明不限制插值滤波器进一步结构，只要能够满足上述要求即可。经过插值滤波器插值后，得到的均角样本时间序列实际上就是角域中等角度的振动信号的每一样本所对应的时间序列。因此均角样本时间序列中的时间序列其指向的是振动信号旋转等角度的每 一样本。均角样本时间序列中两个相邻元素之间，旋转设备都旋转了相等的角度。接着，根据瞬时频率和均角样本时间序列，对振动信号进行抗混叠数字滤波和插值重采样，得到对应均角样本时间序列的振动等角度采样信号。图7是基于图2、图3基础上得到的振动等角度采样信号示意图。这里，抗混叠数字滤波采用Kaiser窗FIR滤波器，插值重采样优选为线性插值、样条插值、拉格朗日插值或sine插值中的任一种。本发明同样不阐述详细的抗混叠数字滤波、插值重采样的方法，本领域技术人员可以根据各种插值重采样原理，并结合实际进行选择操作。最后，可以根据振动等角度采样信号，得到振动阶比谱与各阶谐波波形。比如对振动等角度采样信号进行快速傅里叶变换得到连续的旋转机械振动阶比谱，对振动等角度采样信号进行恒带宽滤波或者Gabor变换，得到连续的各阶谐波波形。图8是基于图2、图3基础上得到的阶比谱示意图。当然，可以根据振动等角度采样信号，得到更多的关于振动信号的分析图。例如阶比功率谱、阶比频谱图等，本领域技术人员可以根据实际选择。由此可见，本发明与传统的快速傅里叶变换相比，具有如下特点:
首先，克服了由于非整周期采样所导致的频谱“泄漏效应”。等转角采样后的信号是以转速做整周期延拓，可避免信号DFT转换时的泄漏，大大提高了系统的分析精度，最重要的是可准确提取/[目号中的相位/[目息。其次，保证历史数据的可比性。为了保证每次信号采集的起始点基准相同，本发明可以采用键相脉冲信号的上升沿触发采集信号，从而使所有历史振动数据的相位具有纵向可比性。最后，可在采样序列中将变化的工频成分分离出来。应用阶比谱分析，即可获取与设备的工频及其谐波分量密切相关的故障信息。本发明提出一种由固定的采样频率实现旋转机械振动信号同步阶比跟踪分析方法，通过由固定的采样频率实现精确的等角度采样，不存在频率混乱现象，也就是转轴每转动一次，采样点对应于转轴上的角度差是一致的，在转轴上位置是固定的，从而实现准确的整周期同步采样。本发明中的阶比分析采样频率恒定，先获得等时间间隔信号，用软件实现对等时间间隔信号重新采样，转化为等角度间隔的信号。本发明节省硬件，降低成本，性能可靠、稳定、维修方便，易于修改和扩充。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本 发明的保护范围内。
权利要求
1.旋转机械振动信号整周期同步采样分析方法，其特征在于，包括: 步骤1:由固定采样频率连续同步采集振动信号和键相脉冲信号，所述键相脉冲信号在所述旋转机械每旋转一周时产生一次； 步骤2:根据所述键相脉冲信号，获得旋转机械每转动一周的转速和瞬时频率； 步骤3:选取一个振动阶比数M，利用插值滤波器对所述键相脉冲信号进行2X振动阶比数M倍的插值，得到均角样本时间序列； 步骤4:根据所述瞬时频率和所述均角样本时间序列，对所述振动信号进行抗混叠数字滤波和插值重采样，得到对应所述均角样本时间序列的振动等角度采样信号； 步骤5:根据所述振动等角度采样信号，得到振动阶比谱与各阶谐波波形。
2.根据权利要求1所述的旋转机械振动信号整周期同步采样分析方法，其特征在于，所述振动阶比数M为2的η次方，η是4以上的正整数。
3.根据权利要求2所述的旋转机械振动信号整周期同步采样分析方法，其特征在于，所述η等于6。
4.根据权利要求1所述的旋转机械振动信号整周期同步采样分析方法，其特征在于，所述固定采样频率大于最大转速频率X振动阶比数Μ。
5.根据权利要求1所述的旋转机械振动信号整周期同步采样分析方法，其特征在于，所述步骤2包括:先设定一个阈值，再根据所述阈值来识别所述键相脉冲信号的上升沿到达时间或下降沿的到达时间，通过上升沿到达时间或下降沿的到达时间来计算每两个键相脉冲信号之间的时间差，通过所述时间差获得旋转机械每转动一周的转速和瞬时频率。
6.根据权利要求1所述的旋转机`械振动信号整周期同步采样分析方法，其特征在于，所述插值滤波器为基于FPGA的级联积分梳状滤波器。
7.根据权利要求1所述的旋转机械振动信号整周期同步采样分析方法，其特征在于，所述插值重采样为线性插值、样条插值、拉格朗日插值或sine插值中的任一种。
8.根据权利要求1所述的旋转机械振动信号整周期同步采样分析方法，其特征在于，所述抗混叠数字滤波采用Kaiser窗FIR滤波器。
9.根据权利要求1所述的旋转机械振动信号整周期同步采样分析方法，其特征在于，所述步骤5包括:对所述振动等角度采样信号进行快速傅里叶变换得到连续的旋转机械振动阶比谱。
10.根据权利要求1所述的旋转机械振动信号整周期同步采样分析方法，其特征在于，所述步骤5包括:对所述振动等角度采样信号进行恒带宽滤波或者Gabor变换，得到连续的各阶谐波波形。
全文摘要
本发明公开了一种旋转机械振动信号整周期同步采样分析方法，由固定采样频率连续同步采集振动信号和键相脉冲信号，根据键相脉冲信号获得转速和瞬时频率，利用插值滤波器获得均角样本时间序列，再通过抗混叠数字滤波和插值重采样，得到振动等角度采样信号，最后得到振动阶比谱与各阶谐波波形。本发明的能够实现精确的等角度采样，此外，本发明节省硬件，降低成本，性能可靠、稳定。
文档编号G01H17/00GK103234627SQ201310133448
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月17日 优先权日2013年4月17日
发明者刘晓锋, 卢修连, 秦惠敏, 卢承斌, 黄磊, 孙和泰 申请人:国家电网公司, 江苏省电力公司, 江苏方天电力技术有限公司