用于转速周期性波动情况下瞬间转速测试方法

摘要

本发明涉及一种用于转速周期性波动情况下瞬间转速测试方法，在旋转设备旋转面粘贴反光等距黑白格纸带，设备旋转时，通过光学传感器采集转速信号，通过对转速信号进行分析，得到通过某段角位移的瞬间转速。其特征在于，在转速周期性波动的情况下，采用傅里叶模型拟合方法对局部不均匀分布的黑白格代表的角位移值进行精确矫正。

说明书

技术领域

本发明涉及旋转设备瞬间转速测试领域，具体的说，是一种用于转速周期性波动情况下，使用傅里叶模型拟合方法对非均匀齿代表的角位移值进行精确分析后，瞬间转速的测试方法。

背景技术

转速是表征旋转机械健康状况、进行故障诊断、制定必要维修策略的重要参数之一。通过瞬时转速波动来分析回转机械故障是机械诊断领域的一个热点问题，其中瞬时转速波动特征的准确获取是其关键^[1]。转速波动信息与机械运行工况及健康状态密切相关。首先，转速波动直接反映了回转部件的运动与动力学信息，且其信号的传递路径短，信噪比高，因此容易对回转部件的早期微弱故障进行有效识别；同时，光学传感器作为一种位置检测和反馈装置，具有非接触、响应快、性能可靠、准确度高、分辨率高等优点，在各类旋转动力设备的常规检测^[2]、故障诊断及状态监测中被广泛采用。

在以上研究及应用中，转速波动信息的准确提取是一个核心和共性问题。为得到有效的转速波动信息，需要对瞬间角速度进行测量，常用于瞬间角速度测量的传感器包括光电传感器、霍尔传感器、光纤传感器、光电编码器等等。由于霍尔传感器的齿盘和光电编码器本身会成为旋转设备的负载，可能会影响到被测设备本身的参数。另外，需要专门制作齿盘及一定的安装技巧。因此不适合现场测量。在被测旋转设备外围粘贴等距黑白格纸带结合光学传感器采集瞬间转速是一种适合于现场测量的方法，但由于纸带连接处或被测旋转体局部不平整往往造成的纸带黑白格局部不均匀分布，导致其所代表的角位移值级据此角位移值计算得到的瞬间转速会有很大误差。本文对纸带用于瞬间转速测量时由于纸带连接处或被测旋转体局部不平整所造成的纸带黑白格局部不均匀分布问题提出了一种解决方法，并可以在转速周期性波动的情况下成功分析了不均匀分布黑白格代表的角位移值。实验数据表明，使用此方法，有效的解决了由于局部黑白格不均匀分布造成的瞬间转速突变问题，提高了测试精度。同时，由于纸带粘贴到被测旋转体表面不会对其固有的参数产生任何影响，并且易于安装实现，因此非常适合于现场测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于转速周期性波动情况下瞬间转速测试方法。本发明采用傅里叶模型拟合方法，对等距黑白格纸带用于瞬间转速测量时由于纸带连接处或被测旋转体局部不平整所造成的纸带黑白格局部不均匀分布问题提出解决方案，可以在转速周期性波动的情况下成功分析了不均匀分布黑白格代表的角位移值。技术方案如下：

一种用于转速周期性波动情况下瞬间转速测试方法，在旋转设备旋转面粘贴反光等距黑白格纸带，设备旋转时，通过光学传感器采集转速信号，通过对转速信号进行分析，得到通过某段角位移的瞬间转速。其特征在于，在转速周期性波动的情况下，采用傅里叶模型拟合方法对局部不均匀分布的黑白格代表的角位移值进行精确矫正。

优选地，计算包含以下步骤。

步骤1：在被测旋转设备旋转面粘贴等距黑白格纸带，黑白格纸带经过光学传感器识别区域时，即原始转速信号；

步骤2：采集光学传感器输出的转速信号；

步骤3：将转速信号中通过一组黑白格产生的波形作为一个瞬间转速周期，即，对每个瞬间转速周期采集的模拟信号数据个数进行计数，形成数据系列；

步骤4：以每个瞬间转速周期采集到的数据个数作为y轴，其对应的瞬间转速周期序号作为x轴，采用傅里叶模型

对其进行拟合，其中，a₀为直流分量，a_i为余弦系数，b_i为正弦系数，ω为角频率，nω为n次谐波角频率；

步骤5：对与拟合曲线偏离距离较大的数据点，称为突变齿，将突变齿的序列号作为自变量，代入傅里叶拟合模型函数计算，按照拟合函数得到的经过此突变齿正常情况下应采集的数据个数，将其记为c2；

步骤6：将原始采集的转速信号中经过此突变齿采集的数据个数记为为c1，则非均匀分布的黑白格组所代表的角位移值为正常分布的黑白格组所代表的角位移值的c1/c2倍；

步骤7：定义异常系数α＝c1/c2，正常数据点被称为正常齿的异常系数α＝1，设在被测旋转设备外围粘贴的纸带中包含s组黑白格，其中异常齿m个，正常齿n个，则异常齿的异常系数表示为α₁,α₂......α_m，可得，对于正常齿，其代表的角位移值为：

因此，可将任一组黑白格对应的角位移值表示为α_iθ，其中a_i为异常系数，正常黑白格组的异常系数为1；

步骤8：设某一组黑白格代表的角位移值为α_iθ，采样率为f_c，本组黑白格产生的速度信号周期内采样到的数据个数为N_c，则经过本组黑白格的平均转速为作为经过本段角位移的瞬间转速。

本发明的重要意义在于：提出一种在转速周期性波动的情况下，对局部非均匀齿代表的角位移值进行精确分析的方法，从而为瞬间转速的准确测量提供了基础。此外，提供了用于测试的技术方案。本发明所需设备简单，测量精度高，特别适用于转速周期性波动情况下对瞬间转速的现场测量。

附图说明

图1是本发明的测试系统试验台的三维视图；

图2是传感器与纸带相对位置安装示意图；

图3是传感器反馈信号示意图；

图4是瞬间转速测试系统结构图；

图5是纸带连接处导致黑白格组宽度异常示意图；

图6是原始转速信号示意图；

图7是每组黑白格(1个瞬间转速测量周期)采集数据个数示意图；

图8是傅里叶模型函数拟合曲线示意图；

图9是傅里叶拟合模型分析处理后异常齿代表角位移值示意图。

具体实施方式

本发明的系统构成包括：粘贴在被测旋转面的等距黑白格纸带、光学传感器、采集前端和转速信号分析软件系统。

如图1所示转速测试实验台，试验台可实现匀速转动、以某种信号激励的非匀速转动。将纸带粘贴与硅油减振器侧面，由斑马纸带配合光学传感器完成转速信号采集，如图2所示。

光学传感器通过对黑白区域识别后，输出不同电压，黑格区域输出高电平，白格区域输出低电平，当一组黑白格经过传感器时，输出一个周期的方波信号，如图3所示，其作用相当于齿盘中一个齿经过传感器。因此，在本说明中，“一个齿”含义与“一组黑白格”相同，如果在齿盘中出现类似纸带的局部非均匀分布情况，也可以使用本发明的方法对其代表的角位移值进行分析计算。

设在被测硅油减振器侧面粘贴了具有M组黑白格的的纸带，在均匀分布的理想状态下，每组黑白格对应角位移为2π/M(rad)，使用ADC对一组产生的速度信号进行采样，ADC的采样率为f_c，通过本组黑白格产生的速度信号周期内采样到的数据个数为N_c，则经过本组黑白格的平均转速为作为经过本段角位移的瞬间转速。

采集前端采用直接A/D转换的方法对电压信号进行采集，可采集4路同步电压信号，提供4通道 200KHz，单通道50KHz高速实时采样，经标定，实际单通道采集速度为51836Hz。采集前端通过USB接口与计算机通讯，将A/D后的数据传送到计算机进行存储分析。

瞬间转速测试系统构成如图4所示。

使用纸带实际测量时实，受纸带结合处及被测试旋转体表面光滑程度的影响，把一组黑白格看作一个齿的话，粘贴到旋转被测体旋转面后个别齿的实际宽度是不均匀的，例如纸带接口，如图5所示。黑白格组宽度不均匀处导致经过本段角位移的时间增大或减小，如果将其误认为均匀齿，按照公式进行计算，得到经过本齿的瞬间角速度会突然增大或减小，具有较大的误差，因此需要对非均匀宽度黑白格代表的实际角位移值进行分析。

(傅里叶模型拟合法进行分析计算)

如图6所示，为采集到的一段原始转速信号。2个相邻的上升沿之间的部分为经过一组黑白格产生的信号，对每个周期采集数据个数统计后如图7所示，将其中采集数据个数突变的点标示出来，可以看出2 个突变趋势相同的点其横坐标差值为221，即粘贴在旋转设备表面黑白格组的数目，可见，采集数据突变的原因为局部黑白格组的不均匀你分布。

(傅里叶模型拟合)

傅里叶模型的表达式为

若谐波次数为3，其表达式为

y＝a₀+a₁cos(xω)+b₁sin(xω)+

a₂cos(2xω)+b₂sin(2xω)+a₃cos(3xω)+b₃s>

截取连续1500组黑白格采集数据个数作为数据源，拟合结果如图8所示。

找到与拟合曲线偏离距离较大的数据点(或描述为转速突变点)，按照拟合公式，即拟合曲线傅里叶模型函数，将突变齿的的序列号作为自变量，代入傅里叶拟合模型，计算其值，即按照拟合函数得到的经过本齿应采集的数据个数，将其记为c2。

如果在实际测试时，经过本齿采集的数据个数为c1，则非均匀分布的黑白格组所代表的角位移值为正常分布的黑白格组所代表的角位移值的c1/c2倍，定义异常系数α＝c1/c2，正常齿的异常系数α＝1。如果在被测旋转设备外围粘贴的纸带中包含s组黑白格(或s个齿)，其中异常齿m个，正常齿n个， m＜＜n，则异常齿的异常系数表示为α₁,α₂......α_m，可得，对于正常齿，其代表的角位移值为：

因此，任一组黑白格对应的角位移值为α_iθ，其中a_i为异常系数，正常黑白格组的异常系数为1。

经过以上分析计算后，若某一组黑白格代表的角位移值为α_iθ，ADC的采样率为f_c，本组黑白格产生的速度信号周期内采样到的数据个数为N_c，则经过本组黑白格的平均转速为作为经过本段角位移的瞬间转速。

截取1500组数据，即大于7个循环的数据，使用此方法分析后，在转速周期性波动的情况下，各齿对应的角位移值如图9所示。可见，某个异常齿，在不同的旋转周期中，经过计算后，其代表的角位移值具有高度一致性，证实了本方法的可靠性。

下面结合附图对本发明具体实施方式进行详细描述：

1.采集原始转速信号。

图1为本发明测试装置图，1为被测旋转体，其侧面粘贴黑白格纸带；2为永磁同步电机，在控制器的控制下，可使用被测旋转设备转速产生周期性波动。

图2为光学传感器与纸带相对位置安装图。

当粘贴有黑白格纸带的被测设备旋转时，黑白格交替经过光学传感器的识别区域，黑色部分经过识别区域时，传感器输出电压为10V；白色区域经过识别区域时，传感器输出电压为0V，如图3所示。

采集前端以A/D方式对光学传感器输出的电压信号进行采集，经标定，实际采样率为51836Hz。

截取一段平均转速为220RPM，激励为20Hz的转速信号，如图5所示。

2.分析识别宽度异常黑白格组。

使用自编Matlab程序对每个瞬间转速分析周期(转速信号中2个相邻的上升沿或下降沿中间的波形为 1个瞬间转速分析周期)中采集的数据个数统计后得到经过各个瞬间转速周期对应采集数据个数曲线图，如图6所示。从图中可见，部分瞬间转速周期中采集数据个数发生了脱离整体趋势的突变，其原因为黑白格纸带中某些黑白格宽度的异常，并且，将异常点在图中行详细标识，可以发现突变趋势相同的点其x轴坐标值间隔为221，即每旋转过221组黑白格发生一次趋势相同的突变，由于被测旋转设备外围粘贴的纸带黑白格组总数为221，证实了每旋转一周，是由于黑白格组宽度异常引起采集数据个数突变。

3.使用傅里叶拟合模型对每齿采集数据个数进行拟合，根据拟合函数计算异常齿本应采集数据个数 (即假设该齿正常情况下采集数据的个数)。

截取1500组数据(大于7个循环的数据)，使用傅里叶拟合模型对其进行拟合；

傅里叶模型基本表达式为：

选用3次谐波傅里叶模型

y＝a₀+a₁cos(xω)+b₁sin(xω)+

a₂cos(2xω)+b₂sin(2xω)+a₃cos(3xω)+b₃s>

调用Matlab中的拟合工具箱进行拟合计算得到：

a₀＝63.77,a₁＝10.88,b₁＝3.602,a₂＝1.626,b₂＝1.238,a₃＝0.2215,b₃＝0.3759,ω＝0.1543

调用自编Matlab程序，将转速突变点

x＝[70,190,191,291,411,412,512,632,633,733,853,854,954,1074,1175,1295,1296,1396]

依次代入3次谐波傅里叶模型函数进行分析计算，得到其对应y值，即按照拟合函数得到的经过本齿应采集的数据个数，将其记为c2。

4.计算各齿异常系数，分析得到各齿代表的角位移值。

如果在实际测试时，经过本齿采集的数据个数为c1，则非均匀分布的黑白格组所代表的角位移值为正常分布的黑白格组所代表的角位移值的c1/c2倍，定义异常系数α＝c1/c2，正常齿的异常系数α＝1。如果在被测旋转设备外围粘贴的纸带中包含s组黑白格(或s个齿)，其中异常齿m个，正常齿n个， m＜＜n，则异常齿的异常系数表示为α₁,α₂......α_m，可得，对于正常齿，其代表的角位移值为：

因此，任一组黑白格对应的角位移值为α_iθ，其中a_i为异常系数，正常黑白格组的异常系数为1。

调用自编Matlab程序，得到每组黑白格代表的角位移值，将其中6个循环异常齿代表的角位移值经行标示，如图9所示。

6个循环中，分析得到3组异常黑白格组代表的角位移值标准差为0.0056，0.0270，0.0094。可见，在转速周期性波动情况下，经过分析计得到的角位移值有较好的测量精度，证实了本方法的可靠性。

5.计算瞬间角速度

经以上步骤分析可以得到粘贴在被测旋转设备外围每组黑白格实际代表的角位移值，假设某一组黑白格代表的角位移值为α_iθ，ADC的采样率为f_c，本组黑白格产生的速度信号周期内采样到的数据个数为>c，则经过本组黑白格的平均转速为作为经过本段角位移的瞬间转速。

需要指出，本发明在上文描述的实施方式中使用Matlab作为开发工具，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，技术人员在本发明的启示下还可使用其它软甲开发工具进行开发实施，这些均属于本发明的保护范围之内。因此，本实施实例仅用于表达本发明的分析方法和思路，不应当理解为对本发明创造的限制。