应用加速度计并结合DFA法的旋转体实时转速测定方法与流程

应用加速度计并结合dfa法的旋转体实时转速测定方法
技术领域
1.本发明涉及检测技术领域，特别涉及应用加速度计并结合dfa法的旋转体实时转速测定方法。


背景技术：

2.在交通、电力、冶金、化工和建材等各领域自动化装备及生产自动化过程中，旋转体转速是一个重要的参考量，比如电梯升降、机床钻头转速、数控机床位置移动等需要测量转速的情况。
3.目前常用的转速测量方法有：光电码盘测速法、霍尔元件测速法、离心式测速法、测速发电机测转速、闪光测速法，这些方法大多存在测量效果不理想且测量条件苛刻不容易实现的问题，如光电码盘本身存在对强光敏感且测量转速精度不高等缺点；霍尔元件测速时，若被测物体转速过慢，磁感应强化发生变化的周期大于读取脉冲信号周期时，则会导致测量不准确。离心式测速法在测量转速时，需要将转速表的端头插入电机转轴的中心孔内，转速表的轴要与电机的轴保持同心，否则易影响读数；测速发电机测速法通常设计的磁通密度很低，并必须保证在线性区，以保证转速与发电的电动势成正比。闪光测速法只能测高转速，不能测过低转速。
4.因此，亟需一种测量精度高且测量方式简单便捷的旋转体实时转速测定方法，以实现旋转体升降速过程的转速检测。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提出一种应用加速度计并结合dfa法的旋转体实时转速测定方法，利用加速度计进行旋转体实时转速测量，测量精度高，且测量方式简单便捷，可用于旋转体升、降速过程的转速检测。同时考虑到在旋转体升、降速过程中检测信号存在实时趋势项误差，结合dfa(detrended fluctuation analysis，消除趋势波动分析法)对检测信号进行实时数据处理，进一步提升了测量精度。截至目前，国内外检测技术等相关领域尚无相关研究或应用。
6.为此，本发明提供了以下技术方案：
7.本发明提供了一种应用加速度计并结合dfa法的旋转体实时转速测定方法，将加速度计偏心安装于旋转体信号处理模块中，旋转体旋转时，加速度计跟随转动，所述方法包括：
8.获取所述加速度计在预定时间序列长度采集的用于计算转速的原始数据，并给定初始数据分段参数；
9.按照所述初始数据分段参数将所述原始数据等分数段，并创建循环体变量；
10.利用消除趋势波动分析dfa法去除所述加速度计输出信号中的向心加速度的趋势项；
11.计算消除趋势波动后的各段数据中的零点个数，并判定当前数据划分是否足够精
细；
12.当所述当前数据划分足够精细时，计算拼接完成的消除趋势波动数据零点数总和，基于所述零点数总和计算加速度计旋转周期数；
13.基于所述加速度计旋转周期数以及所述时间序列长度，计算旋转体的转速。
14.进一步地，按照所述初始数据分段参数将所述原始数据等分数段，并创建循环体变量，包括：
15.将所述原始数据等分为2
l
段，l表示初始数据分段参数；
16.创建循环体变量i，给定其初始值i＝1。
17.进一步地，计算消除趋势波动后的各段数据中的零点个数，并判定当前数据划分是否足够精细，包括：
18.计算第i段数据的趋势项，并将其从该段数据中剔除，计算该段消除趋势波动数据零点个数mi；
19.当i＜2时，若i≤2
l
，i＝i 1，并返回执行计算第i段数据的趋势项，并将其从该段数据中剔除，计算该段消除趋势波动数据零点个数mi的步骤；
20.当i≥2时，依次判断各相邻段零点个数差值的绝对值是否小于2，若各相邻段零点个数差值的绝对值均小于2则当前数据划分足够精细，否则令l＝l 1，并返回执行将所述原始数据等分为2
l
段的步骤。
21.进一步地，计算拼接完成的消除趋势波动数据零点数总和，基于所述零点数总和计算加速度计旋转周期数，包括：
22.计算拼接完成的消除趋势波动数据零点数总和
23.计算加速度计旋转周期数n＝m/2；若m％2≠0，n＝n 1；
24.相应地，基于所述加速度计旋转周期数以及所述时间序列长度，计算旋转体的转速，包括：
25.通过加速度计采样样本的时间序列长度t计算旋转体实时转速
26.进一步地，获取所述加速度计在预定时间序列长度采集的用于计算转速的原始数据，包括：
27.实时截取加速度计两个垂直采样通道在预定时间序列长度的输出波形信号；
28.对所述输出波形信号进行降采样作为用于计算转速的原始数据。
29.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
30.旋转体的实时转速是一个重要的参考量，本发明通过在旋转体配套信号处理模块中偏心安装加速度计使其跟随转动，实时输出其检测到的加速度波形信号。进一步地，考虑到加速度计测量旋转体转速的升、降速过程中存在的趋势项，通过对输出信号进行消除趋势波动处理，使其在升降、速过程中的每个旋转周期数据都存在零点(即处理波形曲线使其始终位于x轴附近)，将原始检测数据聚集在零值线附近，从而得到旋转体旋转周期个数，通过采样时间长度计算实时转速。本发明中在数据处理时结合消除趋势波动分析法dfa，使应用加速度计进行转速测量变得更加灵活可控，该方法简单可靠，成本低廉，抗环境参数波动能力强，相较于恒速检测效果十分接近，拓展了其应用范围，是其改进后的新方法。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为本发明实施例中一种应用加速度计并结合dfa法的旋转体实时转速测定方法的流程图；
33.图2为本发明实施例中的一组原始信号波形图；
34.图3为本发明实施例中对图2信号分两段消除趋势波动后的信号波形图；
35.图4为本发明实施例中对图2信号分四段消除趋势波动后的信号波形图；
36.图5为本发明实施例中对图2信号分八段消除趋势波动后的信号波形图；
具体实施方式
37.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
38.dfa(detrended fluctuation analysis，消除趋势波动分析法)是1994年基于dna机理提出的标度指数计算方法，用于分析时间序列的长程相关性。其优点是它可以有效地滤去序列中的各阶趋势成分，能检测含有噪声且叠加有多项式趋势信号的长程相关，适合非平稳时间序列的长程幂律相关分析。消除趋势波动分析法常应用于分析存在复杂趋势分布的多组数据的对比分析，如：通过对比收盘指数的对数收益率序列，全面分析股市的标度特性；对某地数年间日平均气温与春夏秋冬四季的平均气温进行分析，然后预测未来四季气温的变化趋势；分析某地区数年降雨量变化趋势，总结出持续性及随机性分布规律，通过区域植被覆盖率的变化对该区域降雨量的动力学变化趋势做出解释，等等。
39.如图1所示，本发明实施例中的一种应用加速度计并结合dfa法的旋转体实时转速测定方法，如应用于机动车发电机中进行实时转速测定，首先将加速度计偏心安装于旋转体信号处理模块中，旋转体旋转时，加速度计跟随转动，采集计算度计得到的数据，然后进行计算，得到旋转体的实时转速。优选地，加速度计为单轴向加速度计，由于单轴向加速度计价格低廉，应用方便，需要安装空间小，数据输出灵敏度高，正常工作条件下性能稳定等优点，常用于测量设备倾角和加速度等参数。计算过程主要包括以下由计算机执行的步骤：
40.s1：获取用于计算实时转速的原始数据，并给定初始数据分段参数。
41.其中，获取的原始数据的波形如图2所示。在具体实施中，s1包括以下步骤：
42.s11：实时截取加速度计两个垂直采样通道若干旋转周期(对应时间序列长度为t)的输出波形信号；
43.s12：对采样数据进行降采样作为计算实时转速的原始数据；
44.s13：创建变量l作为数据分段参数，给定其初始值l＝1。
45.s2：将原始数据按照数据分段参数等分数段，并创建循环体变量。
46.在具体实施中，s2包括以下步骤：
47.s21：计算机将数据等分为2
l
＝21＝2份；
48.s22：创建循环体变量i，给定其初始值i＝1。
49.s3：加速度计转动时，其输出信号中存在向心加速度的趋势项，将其从原始数据中剔除，使消除趋势波动后的各段数据可以进行求零点计算。计算各段零点个数，判定当前数据划分是否足够精细，决定后续计算方向。
50.在具体实施中，s3包括以下步骤：
51.s31：计算第i段数据的趋势项，并将其从该段数据中剔除，计算该段消除趋势波动数据零点个数mi；
52.s32：当i＜2时，跳过当前步骤执行s33；当i≥2时，依次判断各相邻段零点个数差值的绝对值是否小于2，若各相邻段零点个数差值的绝对值均小于2则执行s4，否则l＝l 1，返回s21；
53.依次判断各相邻段零点个数差值的绝对值是否小于2可以按照以下方式实施：创建一个布尔变量用来对判断结果进行置位，初始值为真，创建for循环，在循环中依次判断各相邻段零点个数差值的绝对值是否小于2，如果全部满足，则布尔值不变，若有一次不满足，则将布尔值取反并跳出循环。将布尔值的真假作为是否全部满足条件(各相邻段零点个数差值的绝对值均小于2)的判断依据。
54.s33：若i≤2
l
，i＝i 1，返回执行s31，否则执行s4。
55.本实施例中获取了t＝1s的加速度计波形数据，经过上述步骤之后，如下表1所示为完成消除趋势项后的加速度值表，将消除趋势波动后的数值绘制成曲线见图5。
56.表1
57.58.[0059][0060]
若忽略步骤s32中的判定条件|m
i 1-mi|＜2，当l＝1时，消除趋势波动数据分布如图3所示；当l＝2时，消除趋势波动数据分布如图4所示。本实施例中，最终l＝3，即数据共进行了2次重新划分，从而跳出m
i 1-mi|＜2的循环条件并计算完毕。最终i＝8，即数据最终被划分8段，才满足精度需要，消除趋势波动后得到的数据才满足计算要求。
[0061]
s4：计算拼接完成的消除趋势波动数据零点数总和，求该数据对应的加速度计旋转周期数。
[0062]
在具体实施中，s4包括以下步骤：
[0063]
s41：求全数据零点数量之和
[0064]
s42：求周期个数n＝m/2＝15，由于m％2＝1，n＝n 1＝16，即数据共存在16个加速度计旋转周期；
[0065]
s5：通过加速度计采样样本对应的时间序列长度t＝1s计算实时转速
[0066]
初始l＝1，i＝2，即数据被分成2段，经历2次循环，最终l＝3，i＝8，即数据被分为8段，从而满足划分精度，完成计算。
[0067]
本发明实施例中，通过在旋转体配套信号处理模块中偏心安装加速度计使其跟随转动，实时输出其检测到的加速度波形信号。考虑到加速度计测量旋转体转速的升、降速过程中存在的趋势项，通过对输出信号进行消除趋势波动处理，使其在升降、速过程中的每个旋转周期数据都存在零点(即处理波形曲线使其始终位于x轴附近)，将原始检测数据聚集在零值线附近，从而得到旋转体旋转周期个数，通过采样时间长度计算实时转速。本发明中在数据处理时结合消除趋势波动分析法dfa，使应用加速度计进行转速测量变得更加灵活可控，该方法简单可靠，成本低廉，抗环境参数波动能力强，相较于恒速检测效果十分接近，拓展了其应用范围，是其改进后的新方法。
[0068]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。