[发明专利]一种适用于在线动平衡的不平衡信号提取法

说明书

技术领域

本发明涉及信号提取方法，具体涉及用于在线动平衡测量的不平衡信号提取方法。

背景技术

在线动平衡装置作为在线故障诊断装置的一部分，目前已提出置于各种高速旋转机械内以提高机械的旋转精度、稳定性、可靠性。在线动平衡的原理是：当旋转机械以工作速度旋转时，通过对安装在旋转机械支撑结构上的传感器采集的振动信号滤波消噪提取出不平衡信号，计算出不平衡量的大小和位置，通过在线不平衡补偿装置对旋转机械进行平衡。由于引起旋转机械振动的激励源众多以及振动信号采集装置的电气干扰，由传感器所获原始振动信号往往是掺杂大量污染信号的不平衡信号。因而，如何从强噪声背景中精确地提取出不平衡信号直接关系平衡效果，是在线动平衡的一个关键技术。

近年来，根据不平衡信号频率与转子转频相同的显著特征,结合常用的信号处理方法，人们提出了一些适用旋转机械不平衡信号提取的方法,主要有FFT法、互相关法和最小二乘参数拟合估计法。FFT法采用成熟的快速傅里叶变换得到信号频谱图，运算速度快，但由于泄露和栅栏效应提取精度较低，尤其相位误差较大，需要进行较复杂的修正。最小二乘参数估计法是在最小二乘原理的基础上对转频频率的正弦信号进行参数估计，运算时间长，不适合于在线动平衡。互相关法通过与转频同频正弦信号和振动信号互相关后即可计算出不平衡信号的幅值和相位，提取精度高。目前提出的一种间接运算法，先通过FFT计算信号的互谱,再作FFT逆变换得互相关函数，大大提高了互相关运算速度，更易满足在线动平衡的实时性要求。

郭俊华等2011年发表在机械与电子期刊的文献转子动平衡中振动信号幅值相位的提取方法研究中比较了传统FFT变换法、整周期采样DFT法、互相关法三种幅值和相位提取法，并通过结果指出，互相关法具有计算时间短，精度高的优点，在采样长度足够长时无需整周期采样，能摆脱锁相电路等硬件设备。然而所提方法由于缺少消噪处理，在强噪声背景下幅值和相位提取精度会大大降低；同时该法需要与两个正弦信号互相关，计算较复杂。中国专利公开号CN102353500 A,公开日2012年02月05号，发明创造的名称一种用于动平衡测量的不平衡信号提取方法，该申请案公开了在对振动信号跟踪滤波后根据有无近频干扰分别采用正弦参数搜索法和互相关法提取不平衡信号。该专利所公开方法中正弦参数搜索法运算时间长，不能满足在线动平衡对信号提取的高时效要求。

事实上，由于各种机械、电气干扰的存在，实验中采集的原始振动信号往往噪声非常大。尤其当旋转机械不平衡质量很小时，质量不平衡引起的振动信号完全被噪声信号所掩盖。此外，不同工况下旋转机械转速是不同，不平衡信号的频率也是不同，消噪处理和信号提取方法必须具有根据转速调整参数的功能。在线动平衡对实时性要求高，所提出的信号提取法必须运算简单，耗时短。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种适用于在线动平衡的不平衡信号提取方法，以在旋转机械在线状态下从强噪声背景中快速准确地提取出微弱的不平衡信号，为在线动平衡的质量不平衡量的测量提供依据。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种适用于旋转机械在线动平衡的不平衡信号提取法，具体步骤如下：

(1)对振动传感器传来的振动信号调理、采样，通过键相传感器的键相脉冲设置振动信号和标准正弦信号的时间参考点，然后对振动信号进行两级FIR滤波实现信号降噪,对标准正弦信号进行完全相同的两级滤波产生与振动信号相同的相位滞后； 

(2)判断滤波后信号是否含有大幅值干扰信号，如有大幅值干扰信号，先对振动信号插值处理，然后采用互相关法获得大幅值干扰信号的近似幅值和相位，然后根据各大幅值干扰成分的频率、幅值和相位构造正弦信号，最后在滤波后信号中减去所述构造信号，如没有大幅值干扰，不做此步处理；

(3)对滤波后标准正弦信号插值处理后与步骤(2)后的振动信号进行互相关运算，采用改进互相关提取法由互相关信号计算出不平衡信号，即不平衡质量引起的振动信号的幅值和相位。

上述不平衡信号提取法中，所述在振动信号和标准正弦信号间设置时间参考点具体方法是，键相脉冲信号在采集命令作用下经触发器产生的触发信号在上升沿同时触发A/D转换器采样和数字信号发生器产生信号。

上述不平衡信号提取法中，所述两级滤波由两级数字滤波器完成，第一级滤波器为单个数字低通FIR滤波器，第二级滤波器为单个数字带通滤波器，由控制器根据旋转机械转频从预置数字FIR滤波器组中选择，两级滤波器之间插入一个采样整数倍抽取过程。