非平稳转速时转子动不平衡信号的提取方法技术

本发明专利技术一种非平稳转速时转子动不平衡信号的提取方法，涉及电子测量技术领域。包括步骤：瞬时频率的估计，振动信号的滤波，转速无关化处理，提取不平衡信号幅值A和相位

Method for extracting rotor dynamic unbalance signals at non-stationary speed

The invention discloses a method for extracting rotor dynamic unbalance signals at non-stationary speed, which relates to the technical field of electronic measurement. It includes the steps of instantaneous frequency estimation, vibration signal filtering, speed independent processing, and extracting the amplitude, A and phase of unbalanced signals

【技术实现步骤摘要】
非平稳转速时转子动不平衡信号的提取方法
本专利技术涉及电子测量
，具体指一种非平稳转速情况下转子动不平衡信号提取方法。
技术介绍
不管是转子的离线平衡、现场平衡，还是转子自动平衡技术，准确提取由转子不平衡量引起的振动信号都是提高平衡精度的关键环节，而传统转子不平衡量的测量是假定转速恒定的情况下进行的，此时的转子振动是平稳信号，采用整周期等时间间隔采样的振动数据，进行傅立叶变换或相关分析等方法得到转子不平衡信号的幅值和相位。但在工程实践中，转子转速波动或变速转子是大量存在的，当转子加速度较低、阻尼较大且转子转速不在共振区时，由转子切线加速度引起的响应与由转子不平衡量引起的振动响应相比要小得多，转子的不平衡响应的占主导地位，此时仍可以通过同频振动信号来获取不平衡量。但在非平稳转速情况下，同频振动信号的瞬时频率和瞬时幅值都为瞬时变量（振动幅值与频率平方成正比），因此采用传统的等时间间隔采样数据进行傅立叶变换或相关分析等获取不平衡信号的幅值和相位，会产生较大误差。目前，绝大部分动平衡测量都要求在转速相对稳定的条件下进行，当转速有小的波动时，通常将此时的振动信号近似为平稳信号处理，给测量的精度和稳定性带来不利的影响。在转子动平衡测量系统中，通常采用光电传感器用于产生键相信号和测量转速，因每周只产生一个脉冲，只能测量数周或一周内的平均转速，转子转速在一周内的瞬时变化无法测量，而当转速波动时，转子在完成一转运动过程中在时域上是不平稳的,根据每转内的瞬时转速对振动信号进行转速无关化处理，然后采用最小二乘法识别不平衡信号的幅值和相位，此方法能够克服转速波动的影响。如果采用光电码盘可以获得转子每转内的瞬时转速，但会增加硬件成本，且给安装带来极大麻烦，不适合工程应用。有文献（《机电工程》2011年第02期）“基于FPGA的转子振动信号整周期等相位采样控制方法”，提出采用转速脉冲的倍频信号触发采样来实现等相位采样，该方法的实质是在每转内采用平均转速，与采用码盘脉冲触发采样是不同的，不能从根本上解决等相位采样问题。又比如文献（《振动、测试与诊断》2012年第4期）的“弱非平稳转速下转子动平衡方法”，提出通过对振动信号进行时频分析得到转子瞬时频率，该方法虽然在理论上是可行的，但没有利用键相信号中包含的转速信息，因此很难稳定、准确提取出每转内（短时间隔）的瞬时频率，且计算量较大，也不太适合于工程应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的缺失和不足，提出一种非平稳转速时转子动不平衡信号的提取方法。如所周知，采用动平衡测量系统中存在每转一个键相脉冲，可以用于测量每转的平均转速，以此转速为基础，用采样插值技术可以快速测得转子的瞬时转速。同时，根据瞬时转速可以对振动信号进行转速无关化处理，并根据已知瞬时频率构造不平衡信号，然后通过最小二乘法识别出动不平衡信号的幅值和相位。据此，本专利技术非平稳转速时转子动不平衡信号的提取方法，通过四个步骤实现(如附图1所示)：首先，根据每转一个键相脉冲采用采样插值技术得到每个振动信号采样点对应的瞬时频率，记作f0，f1…fM-1；然后，采用经验模态分解（EMD）对原始振动信号进行滤波处理，滤除各种噪声干扰，取出代表不平衡振动信号的本征模态函数，此时的离散信号记作x(ti)(i=0，1，2…M-1)；再根据瞬时转速对振动信号进行转速无关化处理；最后，根据已知瞬时频率构造不平衡信号，并通过最小二乘法识别出不平衡信号的幅值A和相位如上所述，本专利技术非平稳转速时转子动不平衡信号的提取方法，具有步骤简捷，系统装置简单，效果明显，易于工程中应用推广。附图说明图1为本专利技术非平稳转速时转子动不平衡信号的提取流程框图；图2为本专利技术两种方法检测不平衡信号的幅值和相位对比曲线图（SNR=30）；图3为本专利技术两种方法检测不平衡信号的幅值和相位对比曲线图（SNR=10）；图4为本专利技术两种方法测量不平衡量结果对比图。具体实施方式以下结合附图和实施例对本专利技术作进一步的描述本专利技术非平稳转速时转子动不平衡信号的提取方法，主要包括：瞬时频率的估计，振动信号的滤波，转速无关化处理，等相位重采样，提取不平衡信号幅值A和相位具体实现方法：一、瞬时频率的估计设通过键相脉冲测得的转子每转内的平均频率为f0，f1…fk-1，其中k为转子转过的转数，对应的时间为TK。振动信号采样频率为fs(fs=1/Ts)，在TK内的采样点数为M，由于转速是瞬时变的，每个采样点对应的瞬时频率是不同的，通过三次样条插值的方式得到，记作if0，if1…ifM-1。具体步骤如下：1）在按照采样频率fs对振动信号进行等时间间隔采样，每个采样时刻分别t0，t1…tM-1；2）根据几个连续键相脉冲计算每转的转子旋转频率f0，f1…fk-1，并确定每转频率对应的时刻，记作tt0，tt1…ttk-1，这里将相邻两个脉冲上升沿中间位置对应的采样时刻作为f0，f1…fk-1的对应时刻；3）以(tt0，f0)，(tt1，f1)…(ttk-1，fk-1)为基础，采用三次样条插值方法得到M个采样点对应的瞬时频率(t0，if0)，(t1，if1)…(tM-1，ifM-1)。三次样条插值避免了欠光滑性与剧烈振荡，具有精度高、平滑性好等优点，且计算量小，易于实现。二、基于EMD的振动信号滤波方法是一种数据驱动的自适应非线性时变信号分解方法。主要思想是把一个时间序列的信号通过经验模态分解，表示为不同时间尺度的本征模态函数(IMF)。其中，本征模态函数必须满足以下2个条件：(1)该函数的极值点和过零点数目必需相等或者至多相差一点。(2)由局部极大点构成的包络线和局部极小点构成的包络线在任意点的平均值等于零。进一步，该算法的实现步骤如下：1）、计算出振动信号x[n]的全部局部极值点；2）求出所有极大值点构成的上包络线和所有极小值点构成的下极值点，分别记作emax[n]和emin[n]；3）计算上、下包络线的均值，记作并求信号与此均值的差，记作d[n]=x[n]-m[n]；4）判断d[n]是否满足上述IMF的两个性质，若满足则d[n]为IMF；否则，记d[n]为x[n]，重复上述步骤1）～3），直到得到一个IMF，记作IMF1[n]；5）记r1[n]=x[n]-IMF1[n]为新的待分解信号，重复1）～4）步骤得到第二个IMF，记作IMF2[n]。重复上述步骤直到rN[n]为单调信号或rN[n]小于预设的阈值，分解结束。原始信号可以表示为，根据EMD算法，可以从含有噪声的信号中提取出不平衡信号对应的IMF。三、转速无关化处理根据瞬时转速对振动信号进行转速无关化处理，假设通过EMD滤波后的振动信号为x(ti)(i=0，1，2…M-1)，每个采样点对应的瞬时频率为if0，if1…ifM-1，为克服转速对振动幅值的影响的转速无关化处理后振动信号为：四、动不平衡信号幅值A和相位的提取根据键相脉冲估计出每个采样点对应的瞬时频率if0，if1…ifM-1后，可以构造出频率已知的不平衡信号如下：其中A为不平衡信本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非平稳转速时转子动不平衡信号的提取方法，其特征在于，由步骤：A.瞬时频率的估计；B.振动信号的滤波；C.根据瞬时频率对振动信号进行转速无关化处理；D.不平衡信号幅值和相位的提取组成；所述步骤A.由键相脉冲得到每转内的平均转速，采用三次样条插值得到每转内的瞬时频率估计值，包括步骤：将通过键相脉冲测得的转子每转的频率记作f

【技术特征摘要】
1.一种非平稳转速时转子动不平衡信号的提取方法，其特征在于，由步骤：A.瞬时频率的估计；B.振动信号的滤波；C.根据瞬时频率对振动信号进行转速无关化处理；D.不平衡信号幅值和相位的提取组成；所述步骤A.由键相脉冲得到每转内的平均转速，采用三次样条插值得到每转内的瞬时频率估计值，包括步骤：将通过键相脉冲测得的转子每转的频率记作f0，f1…fk-1；其中，k为转子转过的转数，每转对应的时刻记作tt0，tt1…ttk-1；设定k转所需时间为TK，振动信号采样频率为时，TK内的采样点数为M，对应的M个采样时刻记作t0，t1…tM-1；以(tt0，f0)，(tt1，f1)…(ttk-1，fk-1)为基础，通过三次样条插值的方式得到(t0，if0)，(t1，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李传江，张自强，陈佳佳，张崇明，周鸣，
申请(专利权)人：上海师范大学，
类型：发明
国别省市：上海,31