一种振动阶次跟踪分析方法与流程

1.本技术各实施例属于旋转机械振动数据分析技术领域，特别是旋转机械变转速工况下的振动分析方法。


背景技术：

2.变转速工况含有机械产品丰富的动力学特性信息，是其故障诊断和性能评价重要内容。目前为了克服旋转机械转速波动或者剧烈变化造成的振动数据频谱模糊问题，角度域重采样算法被提出并在一定程度上解决该问题，相关算法广泛应用在旋转机械振动数据分析中，目前主流的采集和分析策略为：根据振动数据最高分析频率确定采样频率，以相同的采样频率同步采集并储存振动信号和转速信号，最后借助分析软件读取数据段对振动数据进行角度域重采样，获得等角度间隔的振动序列。
3.因此，目前传统的采集和分析主要缺陷在于：用fs表示数据采集的采样频率，用fr表示被跟踪轴的转轴转频，用n表示转速监测轴旋转一圈转速传感器产生的脉冲数量，用r表示被跟踪轴与转速监测轴之间的传动比(当被跟踪轴和转速监测轴同轴时，r值为1)，则采集到的转速信号每秒脉冲数m表达式为：m＝r
·fr
·
n。
4.现有方案主要有以下几点缺陷：
5.1、部分设备结构设计或者方案设计时，转速传感器装在高速轴，而被跟踪轴为低速轴，此时转速监测轴与被跟踪轴非同步转速，对传统阶次跟踪提出新的挑战，如果设备传动比r较大、转频fr较高或者转速传感器每转脉冲数n数值较大时，对应工况下的转速信号每秒脉冲数m也会同步增大，当采样频率fs小于m时，会导致当前采样策略无法有效捕捉转速脉冲，振动数据角度域重采样无法进行，对此，为了满足转速信号采集必须提高实际采样频率，这对数据采集、分析、储存提出更高的要求，增加了硬件成本，且振动数据采样频率过剩造成资源浪费。
6.2、从转速信号中提取的相位信息在时间维度上存在一个采样间隔的时间误差，对于高转速工况，引入的相位误差更大，需要提出新的采集策略和相位补偿策略提高相位精度，才能保证角度域重采样算法的有效进行。
7.3、通过分析软件对前、后采集的振动数据进行角度域重采样，由于获取相位时存在数据截断的缘故，角度域重采样后的数据段无法光滑拼接，引入不必要的频率成分，目前现有算法不适用于分段储存的数据段实时分析。


技术实现要素：

8.本技术实施例的目的在于提供一种振动阶次跟踪分析方法，根据实际工况参数调整振动和转速信号的采集策略，在保证采集到有效信号的前提下，避免同步提高采样频率带来的资源浪费问题，通过配合板卡高频计数器对转速信号进行采集，记录各个采样点处计数器的值，通过补偿算法获取精度更高的转速触发信息，从而解决背景技术中的问题。
9.为了解决上述技术问题，本技术实施例提供的振动阶次跟踪分析方法的技术方案
具体如下：
10.本技术实施例公开了一种振动阶次跟踪分析方法，所述方法包括以下步骤：
11.步骤1：在伪同步采样条件下，进行实时振动和转速信号的采集；
12.步骤2：采用高频计数器对转速脉冲进行计时补偿，获取与转速采样同步的瞬时转速与瞬时相位序列；
13.步骤3：依据转速采样频率和补偿后的瞬时相位序列，使用插值重采样的方法获得待插值相位对应采样时间列表序列；
14.步骤4：根据插值后相位序列与对应采样时间列表，结合振动采样频率及对应振动生成的时间列，再次使用插值方法获得插值后相位序列对应时刻的新插值振动序列；
15.步骤5：重复上述步骤1至5完成信号的连续阶次跟踪。
16.在上述任一方案中优选的实施例，所述实时振动和转速采样的采样率可不一致，需满足如下关系：
17.当设备每秒脉冲数m＝r
·fr
·
n，其中，fr为跟踪轴转频、n为转速传感器每转脉冲数、r为被跟踪轴与转速监测轴之间的传动比；振动采样频率fs＝d
·fm
(d≥2)，fm为监测系统最高分析频率；转速通道信号采样频率fs′
＝d1·fs
；d1为整数。
18.在上述任一方案中优选的实施例，所述转速通道采用高频计数器对转速信号进行计时补偿，其计数实现方法为：
19.采集板卡对转速信号进行高频计数，计数开始时间为转速脉冲触发时刻，计数停止计时时刻为转速采样频率到达时刻，依次循环重复。
20.在上述任一方案中优选的实施例，所述采用高频计数器对转速信号进行计时补偿，补偿包括以下步骤：
21.以横坐标为各个采样时刻点t
k1
，纵坐标为各个采样时刻点对应的高频计数器的计数值m
k1
，坐标点对应计数值最小值及对应的时刻，该时刻点表示该采样间隔内，转速信号经过真实转速触发位置，计数器数据置零后重新计时，为采样时刻对应的计数值，根据以下公式获取实际转速触发时刻其中fh为板卡高频计数器的主频率，补偿后的转速触发时刻误差范围从1/fs′
减小为1/fh，对于转速监测轴，每经过n个脉冲数，转速监测轴旋转角度为2π，根据传动比关系，则被跟踪轴旋转角度为r
·
2π。
22.在上述任一方案中优选的实施例，所述方法还包括：
23.根据获取的各个转速补偿后的时刻序列；
24.利用触发相位序列r
·
[02π4π6π]和对应时刻序列[t
0 t
1 t
2 t3]进行第一次三次样条插值；
[0025]
获得等角度间隔对应的插值时刻序列[t0′ꢀ
t1′ꢀ
t2′ꢀ…ꢀ
tn′
′
]，其中，等角度值其中，order表示设置的每圈重采样点数。
[0026]
在上述任一方案中优选的实施例，所述方法还包括：
[0027]
根据振动采样频率fs获取时刻序列[0 δt 2δt
ꢀ…ꢀ
nδt]和振动序列[vib
0 vib
1 vib2…
vibn]，其中时刻序列中时间间隔δt为采样频率fs的倒数；
[0028]
对时刻序列[0 δt 2δt
ꢀ…ꢀ
nδt]和振动序列[vib
0 vib
1 vib2ꢀ…ꢀ
vibn]进行第二次三次样条插值计算；
[0029]
计算第一次插值得到的时刻序列[t0′ꢀ
t1′ꢀ
t2′ꢀ…ꢀ
tn′
′
]对应的振动信号[vib0′ꢀ
vib1′ꢀ
vib2′ꢀ…ꢀ
vibn′
′
]，即得到了角度域重采样后的振动序列，振动序列之间的角度间隔均为
[0030]
在上述任一方案中优选的实施例，所述方法还包括：
[0031]
将计算的前、后数据段拼接点的一阶导作为三次样条插值的先验条件包括以下步骤：
[0032]
在数据段中，同一个数据点在前、后两段之间的一阶导连续，第一段插值序列选取数据段默认采集时第一个数据点[x0,y0]不参与插值，用来计算第一段插值序列第一点的一阶导；
[0033]
则第一段插值序列首、尾两点一阶导计算公式为：则第一段插值序列首、尾两点一阶导计算公式为：
[0034]
对于第二段插值序列首、尾两点一阶导计算公式为：则数据点[x4,y4]作为前、后两段数据拼接点，两次插值运算在该点处的一阶导数值相等。
[0035]
与现有技术相比，本技术实施例的振动阶次跟踪分析方法，根据实际工况参数调整振动和转速信号的采集策略，在保证采集到有效信号的前提下，避免同步提高采样频率带来的资源浪费问题，通过配合板卡高频计数器对转速信号进行采集，记录各个采样点处计数器的值，通过补偿算法获取精度更高的键相信息。
[0036]
本发明对传统的三次样条插值先验条件进行优化，通过选取首、尾两点的一阶导作为先验条件进行插值运算，保证各数据段拼接点一阶导数值相等，使数据段分段插值后拼接效果与整段直接插值结果一致，满足数据分段采集、分析和储存的实际要求。
附图说明
[0037]
此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一组件分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本技术的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的组件件或组件分，本领域技术人员应该理解的是，这些附图未必是按比例绘制的，在附图中：
[0038]
图1为本技术实施例振动阶次跟踪分析方法的流程示意图。
[0039]
图2为本技术实施例振动阶次跟踪分析方法的相位补偿示意图。
[0040]
图3为本技术实施例振动阶次跟踪分析方法的三次样条函数先验条件获取示意图。
具体实施方式
[0041]
为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一组件分的实施例，而不是全组件的实施例。基于本技术中的实施例，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，都应当属于本技术保护的范围。
[0042]
本技术下述实施例以振动阶次跟踪分析方法具有前轮和后轮为例进行详细说明本技术的方案，但是此实施例并不能限制本技术保护范围。
[0043]
本发明提出了非同步转速下的高精度振动阶次跟踪分析方法，旨在解决振动采样频率过剩引入的资源浪费问题，对非同步转速工况下振动和转速采集方式进行优化，配合算法补偿键相时刻，提高相位精度，同时对三次样条插值的先验条件进行优化，实现角度域重采样前、后数据段的光滑拼接，提高数据质量。
[0044]
本发明根据实际分析要求采用不同的采样频率采集振动和转速信号，并改变传统的记录高、低电平信号的方式，利用高频计数器对转速脉冲信号进行计数值的储存，时间补偿算法获取更精确的键相时刻，进一步提高相位精度，同时对传统的角度域重采样先验条件进行优化，利用传递前、后数据段拼接点一阶导数值作为三次样条插值的先验条件，实现前、后数据段角度域振动数据的光滑拼接，克服原有数据截断导致的前、后数据段不连续问题，进一步获得信噪比更高的阶次谱以供后续分析。
[0045]
原理阐述：角度域重采样涉及两次插值运算，目前应用最广泛为三次样条插值，三次样条插值具体算法不是本专利主要内容，这里不做具体阐述。而角度域重采样算法输入为振动和转速信号，本发明提出利用不同的采样频率采集振动和转速信号来满足高转速工况下的角度域重采样数据分析的需求，用更高的采样频率采集转速信号，获取各个脉冲时刻。本发明提出采用采集板卡内置的高频计数器进行转速脉冲计数，当转速传感器脉冲信号过零点处对计数器数值置零，重新计数，在各个数据采样点记录当前计数器的数值，配合算法计算各个键相时刻，利用该采集策略采集转速信号时，计数器计数频率越高，获得的相位信息越精确，目前采集板卡常见的高频计数频率为100兆。
[0046]
此外，本发明提出利用前、后数据段拼接点的一阶导作为三次样条插值的先验条件，实现前、后数据段角度域重采样处理后的光滑拼接。
[0047]
实施例
[0048]
本技术实施例提供了一种振动阶次跟踪分析方法，数据采集和分析通过板卡实现，输入为振动和转速信号，输出为等角度域的振动信号，对振动和转速信号采用不同的采样频率进行采集，一方面采用相对较高的采样频率采集转速信号确保转速脉冲的有效采集，另一方面在满足分析要求的前提下采用较低的采样频率采集振动信号，避免采集、分析、储存资源的浪费，采用板卡内置的高频计数器记录转速脉冲的方式，搭配算法对相位进行补偿，提高相位精度。将前、后数据段拼接点的一阶导作为三次样条插值的先验条件，改善角度域重采样前后数据段拼接不连贯的问题。
[0049]
为了使本发明的内容更加清楚，下面将结合附图对本发明做进一步地描述，所述的采集和数据分析算法策略如图1所示，所述的利用高频计数值进行相位补偿示意图如图2所示，所述的三次样条插值一阶导先验条件的获取示意图如图3所示。
[0050]
如图1所示，本技术实施例提供了一种振动阶次跟踪分析方法，包括以下步骤：
[0051]
步骤1：根据被跟踪轴转频fr、转速传感器每转脉冲数n、被跟踪轴与转速监测轴之间的传动比r、监测系统最高分析频率fm等系统参数确认采集策略。
[0052]
具体方式如下：令实际采样频率fs＝d
·fm
，根据采样定理，系数d必须大于2，实际工业应用系数d一般取值为2.5～10，d是一个整数，表示采样频率和最高分析频率之间的比例系数。当每秒脉冲数m＝r
·fr
·
n满足d0m《fs时(d0为预留的安全系数，优选取大于1.5的数值)，当前的采样频率fs可同时满足振动和转速的采样要求，此时振动和转速信号采用同一采样频率即可。当d0m≥fs时，当前的采样频率无法采集有效的转速脉冲，造成相位信息缺失，需调整采样策略：振动采样频率保持fs不变，转速通道信号采样频率调整为fs′
＝d1·fs
，优选的系数d1取满足d0m《fs′
的最小整数，同时可根据fpga降采样率层次关系对系数d1的取值进一步限制。这里系数d1取整是为了保证振动采样时刻均有一一对应的转速脉冲计数值，方便两次插值过程数据段的截取，减少插值引入的计算误差。
[0053]
步骤2：为了获取精度更高的相位信息，采用高频计数器对转速信号进行计数，计数规则如下：采集板卡对转速信号进行高频判断，在每个采样时刻记录高频计数器的数值，当判断转速信号过零点时，计数器数值置零，重新计数，图2即为储存的转速信号时域图，横坐标为各个采样时刻点，纵坐标为各个采样时刻点对应的高频计数器的计数值，每经历一个脉冲，计数器的值从小不断增大，下一个脉冲到达时，计数器的值置零，进入下一个计数周期。
[0054]
根据计数原理，可知精准的键相时刻处于计数值最大值和最小值对应的时间段之间，以图2为例，坐标点对应计数值最小值及对应的时刻，该时刻点表示该采样间隔内，转速信号经过真实键相位置，计数器数据置零后重新计时，为采样时刻对应的计数值，可根据以下公式获取实际键相时刻其中fh为板卡高频计数器的计数频率，补偿后的键相时刻误差范围从1/fs′
减小为1/fh，大大提高了用于角度域重采样的相位精度。对于转速监测轴而言，每经过n个脉冲数，转速监测轴旋转角度为2π，根据传动比关系可知，被跟踪轴旋转角度为r
·
2π。
[0055]
步骤3：根据步骤2获取各个键相信号补偿后的时刻序列，利用键相序列r
·
[02π4π6π]和对应时刻序列[t
0 t
1 t
2 t3]进行第一次三次样条插值(以转速监测轴旋转三圈数据为例)，获得等角度间隔对应的插值时刻序列[t0′ꢀ
t1′ꢀ
t2′ꢀ…ꢀ
tn′
′
]，δφ,表示角度间隔，其由最终分析最高阶次和转速比例系数决定；n’代表序列长度，n’与步骤2中计算的转速序列的个数相关，有5个n，d＝5，这里的等角度值根据公式计算，其中order表示设置的每圈重采样点数，一般按照最高分析阶次的2.5～10倍取值。为了减少相位插值引入的计算误差，在分段进行计算时，利用键相信号选取整数旋转周期对应的振动数据段进行分析(本例子对应为三圈)。
[0056]
步骤4：根据振动采样频率fs获取时刻序列[0 δt 2δt
ꢀ…ꢀ
nδt]和振动序列[vib
0 vib
1 vib2ꢀ…ꢀ
vibn]，其中时刻序列中时间间隔δt为采样频率fs的倒数。对时刻序列[0 δt 2δt
ꢀ…ꢀ
nδt]和振动序列[vib
0 vib
1 vib2ꢀ…ꢀ
vibn]进行第二次三次样条插值计
算，计算步骤(3)第一次插值得到的时刻序列[t0′ꢀ
t1′ꢀ
t2′ꢀ…ꢀ
tn′
′
]对应的振动信号[vib0′ꢀ
vib1′ꢀ
vib2′ꢀ…ꢀ
vibn′
′
]，即得到了角度域重采样后的振动序列，振动序列之间的角度间隔均为
[0057]
步骤5：步骤3和步骤4均涉及到三次样条插值，对于单一数据段的角度域重采样，目前传统的算法大多以首、尾两个数据点一阶导为零作为三次样条插值的先验条件。但对于连续采集的数据，由于缓存器空间有限，必须对分析的数据段分段采集、分析与储存，这就对不同数据段重采样后的数据段拼接提出新的要求，传统的以数据段首尾两点的一阶导为零的先验条件会导致数据拼接点一阶导不连续，插值后数据段拼接存在突变点，数据质量差。
[0058]
针对此问题，本发明提出相应的解决方案，下面结合图3示意图，说明前后数据段进行三次样条插值运算时先验条件的获取方式：
[0059]
为保证两段数据组经过三次样条插值后能实现光滑拼接，则必须保证同一个数据点在前、后两段之间的一阶导连续，以图3数据段为例，第一段插值序列选取数据段默认采集时第一个数据点[x0,y0]不参与插值，用来计算第一段插值序列第一点的一阶导，第一段插值序列首、尾两点一阶导计算公式为：而对于第二段插值序列首、尾两点一阶导计算公式为：可以看出数据点[x4,y4]作为前、后两段数据拼接点，两次插值运算在该点处的一阶导数值相等，保证了两次插值后的曲线在该点光滑过渡。该种计算策略均适用于步骤3和步骤4，通过保证数据段首、尾两点的一阶导在各插值环节采用相同的计算方式，即可使前后两次插值运算得到的数据段光滑拼接。
[0060]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本技术进行了详细的说明，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，或者对其中组件分或者全组件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技术各实施例技术方案的范围。