从振动波形中移除渐近衰减的直流偏置影响的制作方法

从振动波形中移除渐近衰减的直流偏置影响
1.相关申请的交叉引用
2.本技术作为2019年7月29日提交的、标题为“振动波形直流干扰移除”的共同未决的美国非临时专利申请序列号为16/524361的美国非临时专利申请的部分延续申请，本技术要求该申请的优先权，并且，本技术还要求2020年8月19日提交的、共同未决的美国临时专利申请序列号为63/067445、标题为“从振动波形中移除缓慢变化的直流偏置影响”的美国临时专利申请的优先权，上述两个申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本发明涉及设备振动监测和分析领域。更具体地，本发明涉及从振动波形数据中移除渐近衰减的直流偏置的影响。


背景技术：

4.振动波形可分为两个部分。第一分量通常被称为直流分量或dc(direct current，dc)分量，第一分量通常反映了用于增强振动信号的输出放大器的电偏置。第二分量通常被称为交流分量或ac(alternating current，ac)分量，其反映由加速度计或其他振动感测设备产生的振动信号。交流分量倾向于围绕直流分量的电平振荡，而不管该电平是什么。在许多应用中，在分析被监测设备的振动时，直流分量不太需要关注，而交流分量是主要值得关注的。
5.不幸的是，如果直流分量发生变化，很难确定到底发生了什么变化。例如，如果直流分量突然增加，则很难知道该变化是由于放大器偏置发生了重大变化、还是由于交流振动分量的状况发生了重大变化。如果直流分量频繁且不规律地变化，则该问题尤其突出。
6.直流分量的这种剧烈变化，可能发生在一个或多个常见事件中。例如，仅仅将振动传感器放置在需要监控的设备上就可能导致这种偏移。类似地，被监控设备受到剧烈的物理震动也会产生这样的变化。在不同的情况下，启动或停止未与振动传感器充分隔离的电气设备会产生这种偏移。因此，波形数据中这些麻烦的偏移可以由许多不同的事件在不同的时间产生。
7.当对受干扰的波形进行快速傅里叶变换(fast fourier transform，fft)时，由此生成的频谱可能包含由于直流干扰而产生的大量杂散低频分量。这些杂散信号可能被技术人员误解为被监控设备的问题。
8.此外，有时被机器振动分析师称为振动频谱中的“雪坡”(ski slope)效应，是由渐近衰减的直流电偏置引起的，该渐近衰减的直流电偏置是由加速度计传感器的电子电路组件的回稳(例如由加速度计传感器的输出放大器)引入的。这种直流偏置的回稳，使得振动波形具有缓慢衰减的直流偏置分量，该分量渐近地接近被称为直流偏置电压的平衡值。这种效应，在本文也被称为渐近衰减的直流偏置。
9.当对波形进行快速傅立叶变换(fast fourier transform，fft)时，所得频谱包含与波形的渐近衰减的直流偏置分量相关的大量低频分量。这通常通过忽略频谱的直流和甚
低频分量来补偿。然而，在许多情况下，仅仅忽略这些频谱成分是不够的。此外，通常很难知道确切的频谱频率，在该频率以下，直流和甚低频的频率分量应该被忽略。
10.因此，需要一种至少部分解决上述问题的系统。


技术实现要素：

11.通过一种用于移除振动波形中的直流干扰的方法，来满足上述和其他的需求，该方法通过接收振动波形，并检测和移除振动波形的直流干扰分量，而后基本上只留下振动波形的交流分量，该交流分量存储在非暂时性计算机可读介质上。
12.在根据本发明这个方面的各种实施例中，检测直流扰动分量的步骤包括计算振动波形的移动平均值(running average)、并将该移动平均值用作直流分量。在一些实施例中，去除直流分量的步骤包括从振动波形中减去振动波形的移动平均值。在一些实施例中，接收振动波形的步骤包括直接从振动传感器接收振动波形。在一些实施例中，接收振动波形的步骤包括从存储器接收振动波形作为存储数据。
13.在一些实施例中，存储交流分量的步骤包括将交流分量存储在位于本地的存储器中，在该存储器中执行直流分量的检测和去除。在一些实施例中，存储交流分量的步骤包括将交流分量存储在存储器中，而该存储器远离执行直流分量的检测和移除的存储器中。在一些实施例中，对交流分量进行快速傅立叶变换以产生振动频谱。
14.根据本发明的另一方面，本发明描述了一种非暂时性的计算机可读存储介质，该可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序具有一组指令，该指令用于指示计算机移除振动波形中的直流扰动分量。接收振动波形，检测并移除直流分量，而后基本上只留下交流分量。然后，交流分量存储在非暂时性计算机可读介质上。
15.在根据本发明这个方面的各种实施例中，检测直流分量的步骤包括计算振动波形的移动平均值，并将该移动平均值用作直流分量。在一些实施例中，移除直流分量的步骤包括从振动波形中减去振动波形的移动平均值。在一些实施例中，接收振动波形的步骤包括直接从振动传感器接收振动波形。在一些实施例中，接收振动波形的步骤包括从存储器接收作为存储数据的振动波形。
16.在一些实施例中，存储交流分量的步骤包括将交流分量存储在本地的存储器中，而该存储器是执行直流分量的检测和移除的本地存储器。在一些实施例中，存储交流分量的步骤包括将交流分量存储在存储器中，而该存储器远离执行直流分量的检测和移除的存储器。在一些实施例中，对交流分量进行fft以生成振动频谱。
17.根据本发明的又一方面，本发明描述了一种装置，该装置用于移除振动波形中的直流干扰分量。该装置具有接收振动波形的输入端，以及具有检测并去除直流干扰分量、最终基本上只剩下交流分量的处理器。非暂时性存储介质存储该交流成分。
18.在根据本发明的这个方面的各种实施例中，输入端包括产生实时振动波形的振动传感器。在一些实施例中，输入端包括存储器，该存储器可提供已经存储在其内部的振动波形。在一些实施例中，界面适于从操作者接收指令并向操作者呈现信息。
19.在另一方面，本发明描述了一种方法，用于移除振动波形的渐近衰减的直流偏置分量，从而有效地消除由波形的直流分量的回稳而引起的频谱的低频分量。该方法可以作为后处理应用于软件应用或采集波形时当采集波形时应用于振动监测设备的固件中。所描
述的方法可以应用于表现出上述现象的任何类型的振动波形。
20.用于移除渐近衰减的直流偏置分量的方法的优选实施例包括：
21.(a)从存储器或存储设备访问时间波形机器振动数据，其中，时间波形机器振动数据，是在具有开始时间和结束时间的时间段内，在机器上测量的；
22.(b)从时间波形机器振动数据中，确定待平均的整数m个波形样本；
23.(c)利用m个波形样本的移动平均，导出时间波形机器振动数据中的渐近衰减的直流偏置分量；
24.(d)将渐近衰减的直流偏置分量从波形的开始时间向后外推到较早时间，并从波形的结束时间向前外推到较晚时间；
25.(e)从时间波形机器振动数据中，减去渐近衰减的直流偏置分量；以及
26.(f)对时间波形机器振动数据进行快速傅里叶变换，以生成频谱。
27.在一些实施例中，步骤(b)包括至少部分地基于机器的部件的转动速度，来确定待平均的波形样本的整数m。
28.在一些实施例中，整数m个波形样本包含了在机器的部件的至少两个完整旋转中采集的样本。
29.在一些实施例中，步骤(c)包括使用在开始时间之前开始至少m/2个数据值、以及在结束时间之后结束至少m/2个数据值的移动平均，来导出渐近衰减的直流偏置分量。
30.在一些实施例中，步骤(d)包括使用线性最小二乘拟合算法外推渐近衰减的直流偏置分量。
31.在一些实施例中，步骤(d)包括在导出的渐近衰减的直流偏置分量的开始时间之前使用2m数量的数据值、以及在导出的渐近衰减直流偏置分量的结束时间之后使用2m数量的数据值，来外推渐近衰减的直流偏置分量。
32.另一个用于移除渐进衰减的直流偏置分量的方法的实施例包括：
33.(a)从存储器或存储设备访问时间波形机器振动数据，其中，时间波形机器振动数据，是在具有开始时间和结束时间的时间段内，在机器上测量的；
34.(b)使用多项式或指数方程拟合到时间波形机器振动数据；
35.(c)使用在步骤(b)中拟合的多项式或指数方程计算时间波形机器振动数据中的渐近衰减的直流偏置分量；
36.(d)从时间波形机器振动数据中，减去渐近衰减的直流偏置分量；以及
37.(e)对时间波形机器振动数据进行快速傅里叶变换，以生成频谱。
38.在一些实施例中，步骤(b)包括使用二次方程拟合到时间波形机器振动数据。
39.另一方面，优选实施例涉及一种用于运行指示机器运行特性的时间波形机器振动数据的计算机实现的方法(process)，该实施例的步骤包括：
40.从存储器或存储设备访问时间波形机器振动数据，其中，该时间波形机器振动数据，是在具有开始时间和结束时间的时间段内，在机器上测量的；
41.选择第一方法或第二方法，第一方法或第二方法用于确定时间波形振动数据中渐近衰减的直流偏置分量，其中第一方法包括：
42.(a)确定待平均的整数m个波形样本；
43.(b)利用m个波形样本的移动平均，导出时间波形机器振动数据中的渐近衰减的直
流偏置分量；以及
44.(c)将渐近衰减的直流偏置分量从波形的开始时间向后外推到较早时间，并从波形的结束时间向前外推到较晚时间；
45.其中，第二方法包括：
46.(d)使用多项式或指数方程拟合到时间波形机器振动数据；以及
47.(e)使用步骤(d)中拟合的所述多项式或指数方程计算渐近衰减的直流偏置分量，
48.执行第一方法或第二方法，以确定渐近衰减的直流偏置分量；
49.从时间波形机器振动数据中减去渐近衰减的直流偏置分量；以及
50.对时间波形机器振动数据进行快速傅里叶变换以生成频谱。
附图说明
51.当结合附图考虑时，通过参考详细描述，本发明的进一步的优点是明显的，附图不进行缩放以便更清楚地显示细节，其中在几个视图中，相同的附图标记表示相同的元件，并且其中:
52.图1示出了根据优选实施例的振动测量和分析系统；
53.图2示出了根据本发明实施例的具有直流扰动分量的影响的波形图；
54.图3是波形图，其中根据本发明的实施例波形的直流扰动分量的偏移已经识别；
55.图4是根据本发明实施例的波形图，其中根据本发明的实施例波形的直流扰动分量已经移除；
56.图5是根据本发明实施例的由具有直流扰动分量的波形生成的频谱图；
57.图6是根据本发明的实施例，由移除了直流干扰分量的基础波形数据的波形生成的频谱图；
58.图7示出了根据本发明的实施例，用于从基础波形中移除直流干扰分量的方法的流程图；
59.图8以图形形式示出了根据本发明的实施例如何移除基础波形中的直流干扰分量；
60.图9示出了用于移除振动波形数据的渐近衰减的直流偏置分量的方法的两个实施例；
61.图10示出了包含渐近衰减的直流偏置分量的典型振动波形；
62.图11示出了当第一方法用于移除振动波形数据的渐近衰减的直流偏置分量时，从图10的振动波形导出的振动频谱；
63.图12示出了当第二方法用于移除振动波形数据的渐近衰减的直流偏置分量时，从图10的振动波形导出的振动频谱；
64.图13示出了包含渐近衰减的直流偏置分量的典型振动波形；
65.图14示出了当第一方法用于移除振动波形数据的渐近衰减的直流偏置分量时，从图13的振动波形导出的振动频谱；以及
66.图15示出了当第二方法用于移除振动波形数据的渐近衰减的直流偏置分量时，从图13的振动波形导出的振动频谱。
具体实施方式
67.如图1所示，振动测量和分析系统10包括连接到机器12的振动传感器16。机器12包括至少一个旋转部件14，例如由轴承b1、b2和b3支撑的轴。振动传感器16可以在每个轴承位置处、在垂直、水平和轴向位置放置在机器12上。振动传感器16产生代表机器12振动的振动信号，包括与轴承b1、b2和b3相关的振动分量。振动信号由一个或多个振动数据收集器接收、调节并转换成时间波形数字数据，振动数据收集器有例如便携式振动分析仪18、振动发射器/接收器19(有线或无线)或连续在线振动监测系统20。振动数据收集器18、19和20包括信号调节电路和模数转换电路，该信号调节电路和模数转换电路用于调节来自传感器16的振动信号，并基于该振动信号产生时间波形数字振动数据。
68.振动时间波形数据优选地存储在振动数据库22中，从该数据库中，数据可用于由振动分析计算机24上执行的软件程序进行分析。可选地，振动时间波形数据存储在便携式振动分析仪18、振动发射器/接收器19或连续在线振动监测系统20中的数据存储设备中。在优选实施例中，系统10包括用户界面28，例如触摸屏，该用户界面允许用户查看测量结果、选择某些测量参数，并提供如本文所述的其他输入。
69.直流扰动分量的移除
70.现在参考图2，图2示出了波形102的曲线100。基于对波形102的随机观察，难以辨别波形102是表示被监测设备的实际振动轮廓，还是波形102的直流分量中存在杂散信号。图5描绘了通过对波形102进行fft变换而创建的频谱402的代表性曲线400。如图5所示，在频谱402中存在一些相对较强的低频峰值404。
71.现在参考图3，图3描绘了波形102，其中波形102的直流分量202已经被识别。下文给出了用于识别直流分量202的代表性方法，但是应当理解，有许多方法可以识别波形102中的直流分量202。如图所示，波形102的直流分量202非常不稳定，并且上升和下降到许多不同的水平。这不是正常的振动活动，并且表示了波形102的直流分量202中的异常，该异常混淆了代表更感兴趣的振动数据的交流分量204的变化。
72.现在参考图4，图4示出了波形102，其中波形102的直流扰动分量202已经移除，或者换句话说，在波形102的持续时间的全部或期望部分上达到基本一致的水平。在一些实施例中，产生了直流分量202，该直流分量202由平行于曲线100中的x轴(时间轴)的直线表示。在其他实施例中，在围绕平直线的给定公差内，直流分量202基本上得到了移除。下文给出了用于移除直流分量202的代表性方法，但是应当理解，可以通过许多方法移除波形102中的直流分量202。
73.现在参考图6，图6示出了如图4所示移除了直流扰动分量的频谱402的曲线400。从图6中可以看出，去除了直流扰动分量的波形的低频峰值404已经在一定程度上被衰减，并且不像先前在图5中所描绘的、没有去除直流扰动的频谱那样强。以这种方式，图6中的曲线400表示被监控设备上的真实或非异常振动信息，技术人员或工程师可以基于该信息做出明智和准确的决定。
74.图7提供了方法600的流程图，通过该方法可以去除波形的直流干扰分量。从方法600的步骤602开始，振动监测系统配置成从被监测设备收集振动波形。波形102的直流扰动分量202的移除，是通过对波形102中给定数量的数据点进行平均来进行的。因此，设置待平均的波形数据点或样本的数量m(步骤604)，并且设置需要保存的波形样本的数量n(步骤
606)。
75.方法600可以在实时波形数据流产生时对其进行预处理，或者对已经保存到存储设备的波形数据进行预处理。不管波形数据的直接来源如何，波形数据的m个样本放置在随机存取存储器中(步骤608)，并且样本数量n设置为1(步骤610)。计算m个波形样本的平均值(步骤612)，并且从波形数据的样本n中减去按此计算的平均值(步骤614)。然后保存样本n(步骤616)，并将n的值增加1(步骤618)。
76.如果n小于n，则从存储器中读取下一个波形样本(步骤624)，并将其添加到缓冲器中进行平均(步骤626)，其中只有m个样本同时保存在缓冲器中，并且新输入的样本根据先进先出方法推出较早获取的样本。然后，方法600循环回到步骤612，其中步骤612计算m个样本新的平均值。重复该进程，直到n等于n(步骤620)，此时直流分量202从已缓冲的波形中移除(步骤622)，并被传递以供进一步处理或保存到非暂时性计算机可读存储设备。
77.现在参考图8，图8示出了提供方法600的图形解释的曲线700。波形102a表示具有异常直流分量202的原始波形。波形102b表示原始波形的移动平均直流分量，而波形102c表示已经去除了平均直流分量的振动波形。波形102的点的总数n在702处表示。第一次平均计算在704a描述，第二次在704b描述，最终平均计算在704c描述。每一次都会产生第一、第二和最终的居中平均值，如下所示。例如，第一个居中平均值在n-m/2点的n m/2、至m 1点的n m/w处，其中m是需要求出的平均值的点数，以此类推n中的所有n。
78.在一个实施例中，待平均的波形样本的数量设置为设备旋转速度的整数倍，并且包括设备的两个完整旋转周期。这有助于捕捉可能在大约一半转速时出现的轴承故障。根据设备可能出现的故障类型，要平均的样本数可以是由用户配置的数字，也可以设置为默认值。
79.渐近衰减的直流偏置分量的移除
80.本文还描述了两种用于移除振动波形数据中渐近衰减的直流偏置分量的方法。在两个方法实施例中，便携式振动分析仪18、振动发射器/接收器19、连续在线振动监测系统20或振动分析计算机24中的处理器，用于执行方法中的步骤。
81.方法1
82.参考图9，下文描述了方法(process)200，其中在配置振动监测系统10(图1)以收集振动波形振幅数据(步骤202)的之前或之后，可以选择两种方法中的任一种(步骤204)。第一方法的基本方法是收集振动波形，并使用波形上的移动平均值从而将波形中的移动平均值减去。虽然这类似于前面描述的方法，但不同之处在于波形具有有限的长度，并且是专门为频谱分析而收集的。因此，渐近衰减的直流偏置分量优选在波形的开始和结束时外推，以从整个波形中移除渐近衰减的直流偏置分量。
83.该方法可以通过将该方法嵌入便携式振动分析仪18的固件来实时使用、或嵌入连续在线振动监测系统20的软件中，从而在收集波形时，移除渐近衰减的直流偏置分量。可选地，在波形数据已经存储在数据库22中之后，可以在振动分析计算机24执行的后处理操作中移除渐近衰减的直流偏置分量。
84.理想情况下，待平均的波形样本的数量(m)应该设置为机器转动速度的整数倍，并且应该包括机器的至少两个完整周期(步骤206)。实验表明，样品的数量可以低至半转，并且不需要在精确的转数上收集样品。不同转数的区别在于渐近衰减的直流偏置分量的平
滑。用大约两转的数据就能够得到最好的结果。
85.继续参考图9，一旦确定了渐近衰减的直流偏置分量(步骤208)，下一步是在波形的开始和结束外推直流分量(步骤210)。这样做必要的，因为平均方法从每端的m/2个数据值开始和结束。开始和结束直流分量优选地使用线性最小二乘拟合算法外推，利用在导出的直流分量数据的每一端的2m个数据值，外推至直流分量数据。使用计算得出的线性方程，计算第一个和最后一个m/2数量的数据值，就能得出整个波形的渐近衰减的直流偏置分量。
86.在优选实施例中，指数外推算法可用于确定终点。
87.然后，通过从每个相应的波形点值中减去每个直流点值，从波形中减去渐近衰减的直流偏置分量(步骤212)。对该修正后的波形进行fft变换，以导出频谱，该频谱已经移除了与渐近衰减的直流偏置分量相关的低频分量(步骤214)。
88.该方法的一个优点是，它还可以检测并用于去除直流尖峰，如本文别处所描述。
89.方法2
90.第二实施例的方法包括使用多项式或指数方程拟合至整个波形幅度数据(步骤216)。拟合的方程用于计算渐近衰减的直流偏置分量(步骤218)，然后从原始波形中减去该分量(步骤220)。对修正后的波形进行fft变换，以导出频谱，在该频谱中，与渐近衰减的直流偏置相关的低频分量已经移除(步骤222)。
91.下文中讨论的是这种方法在步骤216中使用二阶多项式(二次)方程的拟合的例子。已经发现，这是最简单和最有效的方法，尽管其他类型的方程在其他情况下可能更合适。
92.第二方法的一个优点是它比第一种方法简单，尽管它不会检测到直流尖峰。对于移除与波形信号的回稳相关的直流分量，这种方法更好一些。
93.雪坡频谱的波形示例
94.图10和图13示出了包含渐近衰减的直流偏置分量的典型振动波形。该示例性数据是使用爱默生(emerson)ams 9530无线振动监测仪收集的。在这些图中的每一幅图中，顶部曲线示出了包含渐近衰减的直流偏置分量的原始振动波形。中间的图示出了波形的渐近衰减的直流偏置分量，其中实线代表第一方法，虚线代表第二方法。底部的曲线示出了减去渐近线衰减的直流偏置分量后的振动波形，在本例中使用了第一方法。在这些例子中，使用第二方法的结果没有示出，但是与第一方法的结果相似。
95.图11和图14示出了当应用第一方法时，从振动波形导出的频谱，图12和图15则是应用了第二方法。这些图中的顶部的频谱，是使用包含了渐近衰减的直流偏置分量的原始波形导出的，这些频谱包含了较大的低频分量。这些图中的底部频谱，是从移除了渐近衰减的直流偏置分量的波形中导出的，这些底部频谱清楚地表明，与渐近衰减的直流偏置分量相关的低频分量已经消除。
96.出于说明和描述的目的，本发明已经呈现了根据本发明的实施例的前述描述。这些描述并不旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。根据上述描述，做出明显的修改或变化是可能的。这些实施例的选择和描述是为了提供本发明的原理的说明以及本发明的实际应用，从而使本领域的普通技术人员能够在各种实施例中利用本发明并进行各种修改，以适合于预期的特定用途。当根据公平、合法、公正的授权的范围进行解释时，所有这些修改和变化都落在由所附权利要求确定的本发明的范围内。