[发明专利]旋转机械振动信号整周期同步采样分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种旋转机械振动信号处理方法，具体涉及一种旋转机械振动信号整周期同步采样分析方法。

背景技术

振动分析是旋转机械故障诊断中应用最广泛的方法，一方面振动问题是旋转机械运行中的最主要的安全问题之一，另一方面振动信号包含了丰富的机械运行状态信息。旋转机械在运行时，其转速在严格意义上是波动的，特别在升、降速阶段尤其明显，这些状态下对应的振动信号属于非平稳信号。对这些非平稳振动信号进行分析，可以揭示其频率特征，尤其是其频率随时间或转速变化的规律，从而可以对旋转机械的大部分故障类型进行准确的诊断。

鉴于振动信号并不直接满足傅里叶变换对信号的平稳性要求，因此严格说来并不适合用常规的频谱分析法分析，若人为地在应用中将这类信号假定为平稳信号进行分析，必然会导致较大的误差甚至错误。旋转机械平稳振动信号特征分析技术目前已经比较成熟，并在工程实际中得到广泛应用，但基于傅里叶变换的传统信号处理方法只能分析信号的统计平均结果，无法处理非平稳信号。若人为地在应用中将这类信号假定为平稳信号进行分析必然会导致较大的误差甚至错误。正是在此情况下，以转速信号为基础的阶比分析技术孕育而生。阶比分析的提出为分析旋转机械非平稳振动中和转速相关的振动提供了一条有效途径。

阶比分析是通过整周期同步采样技术将时域等间隔振动信号转化为角域等间隔振动信号，然后对该振动信号进行快速傅里叶变换。因此，阶比分析本质上是一种改进的快速傅里叶变换。

传统的阶比分析实现方式通常采用硬件实现方式，硬件实现方式是使用直接编码器的外部触发采样，由编码器产生等转角的触发脉冲，进行等角度重采样。采样过程中需要有锁相环、倍频分频电路、截止频率实时可调的抗混叠跟踪滤波器等设备，其采样频率随转速变化，设备电路复杂，成本高，稳定性差，在转速快变时精度会受影响。

公告号为CN102175439的中国专利，公开了一种“针对旋转机械的阶次分析实现方法”，其等角度重采样是“根据更新频率的低速脉冲以及当前高速轴上的转速脉冲分别对采集卡输出信号进行等角度重采样”。此种方法在旋转机械转速不变或变化小时相当有效，但当旋转机械转速变化大时，此时的更新频率是由第一次采样时的频率计算得来；因此，当用此更新频率与当前高速轴上的转速脉冲进行等角度重采样，将带来更新频率与当前高速轴上的转速脉冲不同步，采样数据不准确。所以，传统的阶比分析方法用在变转速机械，特别是升、降速速率较高时，由于瞬时频率无法跟踪只能采用预设，又由于等角度重采样是通过硬件的再次采样，因此，传统的阶比分析会出现大的误差，甚至是错误的分析结果。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种旋转机械振动信号整周期同步采样分析方法。 

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

旋转机械振动信号整周期同步采样分析方法，其特征在于，包括：

步骤1：由固定采样频率连续同步采集振动信号和键相脉冲信号，所述键相脉冲信号在所述旋转机械每旋转一周时产生一次；

步骤2：根据所述键相脉冲信号，获得旋转机械每转动一周的转速和瞬时频率；

步骤3：选取一个振动阶比数M，利用插值滤波器对所述键相脉冲信号进行2×振动阶比数M倍的插值，得到均角样本时间序列；

步骤4：根据所述瞬时频率和所述均角样本时间序列，对所述振动信号进行抗混叠数字滤波和插值重采样，得到对应所述均角样本时间序列的振动等角度采样信号；

步骤5：根据所述振动等角度采样信号，得到振动阶比谱与各阶谐波波形。

前述的旋转机械振动信号整周期同步采样分析方法，其特征在于，所述振动阶比数M为2的n次方，n是4以上的正整数。

前述的旋转机械振动信号整周期同步采样分析方法，其特征在于，所述n等于6。

前述的旋转机械振动信号整周期同步采样分析方法，其特征在于，所述固定采样频率大于最大转速频率×振动阶比数M。 

前述的旋转机械振动信号整周期同步采样分析方法，其特征在于，所述步骤2包括：先设定一个阈值，再根据所述阈值来识别所述键相脉冲信号的上升沿到达时间或下降沿的到达时间，通过上升沿到达时间或下降沿的到达时间来计算每两个键相脉冲信号之间的时间差，通过所述时间差获得旋转机械每转动一周的转速和瞬时频率。

前述的旋转机械振动信号整周期同步采样分析方法，其特征在于，所述插值滤波器为基于FPGA的级联积分梳状滤波器。