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多通道故障信號(hào)的采集處理及實(shí)現(xiàn)

作者: 時(shí)間:2006-05-07 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘要:鑒于故障特征信號(hào)的多樣性,對(duì)機(jī)械設(shè)備需測(cè)取不同的信號(hào)進(jìn)行分析,以提高診斷的合理性。為此我們用面向?qū)ο蟮姆椒▽?shí)現(xiàn)了多通道信號(hào)的數(shù)據(jù)采集,并編制了多種處理算法,提高了信號(hào)的信噪比。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/242277.htm

關(guān)鍵詞:采集 面向?qū)ο?預(yù)處理 故障診斷

機(jī)械設(shè)備故障診斷涉及的面很廣,單從選用的特征信號(hào)來看就有很多種。每種信號(hào)有各自的特點(diǎn),有不同的應(yīng)用場(chǎng)合;而每一種故障又可能表現(xiàn)出若干特征,故障信息可能包含在幾種特征信號(hào)之中。因此,對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)往往需要測(cè)取不同的信號(hào)然后進(jìn)行綜合分析,以提高診斷的可靠性。在實(shí)際中,往往通過多路傳感器綜合測(cè)試,并通過多路A/D轉(zhuǎn)換送入計(jì)算機(jī)從而把所需的包含故障主要信息的特征信號(hào)盡可能提取出來,如圖1。這樣的綜合測(cè)試可全面地測(cè)量出故障信號(hào),測(cè)試時(shí)間少,信號(hào)真實(shí)準(zhǔn)確。為此,我們?cè)冢鳎椋睿洌铮鳎蟓h(huán)境下,采用面向?qū)ο缶幊虒?shí)現(xiàn)了故障信號(hào)的多通道數(shù)據(jù)采集[1][2][3][5]。考慮到測(cè)試信號(hào)含有的噪聲信號(hào),提供并實(shí)現(xiàn)了幾種處理算法,其中主要介紹了倒譜分析在診斷中的應(yīng)用。

1 數(shù)據(jù)采集

1.1 原理

數(shù)據(jù)采集是把代表故障特征的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字離散化。機(jī)械設(shè)備故障特征信號(hào)經(jīng)過電荷放大器和抗混迭濾波器濾去與故障特征信號(hào)無關(guān)的高頻與低頻信號(hào),再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換到達(dá)計(jì)算機(jī)。A/D轉(zhuǎn)換芯片采用ANALOG DIVICES公司產(chǎn)品AD1764,該芯片為12位逐次比較型高速A/D轉(zhuǎn)換芯片,內(nèi)部含有采樣保持器。轉(zhuǎn)換速度的時(shí)間為8.5μs,加上采保時(shí)間1.5μs則完成一次采樣轉(zhuǎn)換的時(shí)間為10μs,因此本板最高采樣頻率為100kHz。A/D板通道控制采用軟件選擇方式,通過通道預(yù)置寄存器任意選擇轉(zhuǎn)換通道。在實(shí)際中使用了A/D轉(zhuǎn)換板上的5個(gè)通道CH1~CH5,且每個(gè)通道的增益可設(shè)。A/D轉(zhuǎn)換的觸發(fā)信號(hào)是由板上定時(shí)器8253的0通道發(fā)出的,通過編程利用8253定時(shí)計(jì)數(shù)器發(fā)出等間隔定時(shí)脈沖來連續(xù)觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換,同時(shí)查詢狀態(tài)位同步讀取數(shù)據(jù),可獲得準(zhǔn)確的采樣頻率。

1.2 軟件實(shí)現(xiàn)

為提高采樣速度,A/D轉(zhuǎn)換程序采用匯編語言編寫,由Borland C++5.0編制的主程序調(diào)用。可完成單通道、多通道以及大容量的數(shù)據(jù)采集,并且可設(shè)置采樣數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、采樣頻率和每一個(gè)通道的程控放大倍數(shù)。參數(shù)設(shè)置全部集成在一個(gè)對(duì)話框類中,有良好的人機(jī)對(duì)話界面,如圖2所示。

其中設(shè)置通道控件彈出一個(gè)對(duì)話框用來設(shè)置通道,最多為5個(gè)通道;設(shè)置頻率控件彈出對(duì)話框可在30Hz~100kHz之間設(shè)置采樣頻率;設(shè)置增益控件彈出對(duì)話框可分別設(shè)置通道增益為1、2、4、6、8、16倍;采樣長(zhǎng)度控件彈出的對(duì)話框允許用戶在(1、2、4、6、8、16、24)×1024點(diǎn)中選擇。這5個(gè)對(duì)話框類都是從基類(TDialog)派生出來的子類,并形成各具自己功能的類。這些類采用了繼承、友員、封裝、多態(tài)的特性,共同完成A/D參數(shù)設(shè)置。其中圖2所對(duì)應(yīng)的對(duì)話框類是最主要的,由它創(chuàng)建和關(guān)閉其它四個(gè)對(duì)話框類的實(shí)例。它有一個(gè)Param結(jié)構(gòu),用戶設(shè)置的A/D參數(shù)多存貯在此結(jié)構(gòu)中。為保存這些參數(shù),定義了如下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):

typedef sturct{

int Number; //總共采集通道數(shù)

double Frequency; //采樣頻率

unsigned int Length; //采樣數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

int Channel[5]; //采樣通道號(hào)

int Gain[5]; //采樣通道增益

}Param

參數(shù)設(shè)置好后即可啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換,為便于以后的離線信號(hào)分析把采樣進(jìn)來的數(shù)據(jù)保存成文件,該文件格式為:

采樣數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

采樣頻率

通道數(shù)

通道號(hào)次序

每通道的增益

數(shù)據(jù)部分

……

數(shù)據(jù)部分是用四位十六進(jìn)制數(shù)表示,由于A/D為12位,數(shù)據(jù)的最后一位無意義,每個(gè)數(shù)占一行。多通道采樣,則數(shù)據(jù)交替放置。例如對(duì)于以下數(shù)據(jù):

4000

1024

1 2 0 3 4

2 1 2 2 2

acb0

75a0

……

表示采樣頻率為4000Hz,每通道采樣長(zhǎng)度為1024點(diǎn),同時(shí)對(duì)5個(gè)通道進(jìn)行采樣,采樣通道號(hào)為1、2、0、3、4,所對(duì)應(yīng)的放大倍數(shù)分別為2、1、2、2、2,隨后是采樣進(jìn)來的數(shù)據(jù)。

2 預(yù)處理

由于各種客觀因素的影響,信號(hào)中常?;煊性肼?。有時(shí)噪聲可把信號(hào)“淹沒”,信號(hào)通過A/D 后的離散信號(hào),又帶來了A/D轉(zhuǎn)換器的量化噪聲。因此,在對(duì)該信號(hào)進(jìn)行譜分析之前,有必要對(duì)它進(jìn)行預(yù)處理,提高信噪比。

在預(yù)處理前,首先進(jìn)行通道設(shè)置決定對(duì)哪個(gè)通道的信號(hào)進(jìn)行處理。如信號(hào)比較弱,可對(duì)信號(hào)放大即設(shè)置增益從而便于分析,如圖3。

2.1平滑濾波

平滑濾波是為了濾掉高頻噪聲,其計(jì)算公式由下式給出。

設(shè)x(n)的長(zhǎng)度為N,即n=2,3...N-3;

則x(n)=1 / 35[-3x(n-2)+12x(n-1)+17x(n)+12x(n+1)-3x(n+2)]

對(duì)于n=0,1和n=N-2,N-1四個(gè)點(diǎn)的平滑,公式如下:x(0)=1 / 70[69x(0)+41x(1)-6x(2)+4x(3)-x(4)]

x(1)=1 / 35[2x(0)+27x(1)+12x(2)-8x(3)+2x(4)]

x(N-2)=1 / 35[2x(N-5)-8x(N-4)+12x(N-3)+27x(N-2)+2x(n-1)]

x(N-1)=1 / 70[-x(N-5)+4x(N-4)-6x(N-3)+4x(N-2)+69x(N-1)]

2.2去脈沖干擾

脈沖干擾的計(jì)算如下:

設(shè)有信號(hào)y(n),n=1,2···N,其中N是4的倍數(shù)。

對(duì)y(i),y(i+1),y(i+2),y(i+3)四個(gè)數(shù)值分別從大到小進(jìn)行排序,得到:

y′(i),y′(i+1),y′(i+2),y′(i+3)其中i=0,4,8···N/4;

則去脈沖干擾后的信號(hào)為:

Y(i)=Y(i+1)=Y(i+2)=Y(i+3)=[y′(i+1)+y′(i+2)]/2

2.3時(shí)域平均

時(shí)域平均是從混有噪聲干擾的信號(hào)中提取指定的周期信號(hào),消除信號(hào)中與給定周期無關(guān)的信號(hào)。對(duì)機(jī)械圖象以一定的周期為間隔截取信號(hào),然后將所截得的信號(hào)段疊加平均,這樣可消除信號(hào)中的非周期分量和隨機(jī)干擾,保留確定的周期分量。

設(shè)一信號(hào)x(t)由周期信號(hào)f(t)和白噪聲n(t)組成

x(t)=f(t)+n(t)

以f(t)的周期截取信號(hào)x(t)的數(shù)據(jù)段,共截N段,再把各段中的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)相加,由于信號(hào)與白噪音的不相關(guān)性,可得:

x(ti)=Nf(ti)+Nn(ti)

再對(duì)x(ti)平均,得輸出信號(hào)y(ti)

y(ti)=f(ti)+n(ti)/N

輸出信號(hào)的白噪聲是輸入信號(hào)x(t)中的白噪聲的1/N倍,即信噪比提高了N倍。

用1026Hz的頻率采樣信號(hào)y(kt):

y(kt)=5×sin(2×π×9×kt)+6×sin(2×π×38×kt)

并對(duì)此信號(hào)進(jìn)行時(shí)域平均,如圖4(a),可提取出頻率為38Hz的高頻信號(hào)。圖4(b)的上半部分圖形顯示原始信號(hào),下半部分顯示被提取出的信號(hào)。

若想繼續(xù)提取頻率為9Hz的信號(hào),可激活圖4(b)所顯示窗口的“繼續(xù)時(shí)域平均”菜單項(xiàng),輸入被提取周期的點(diǎn)數(shù)為114,繼續(xù)時(shí)域平均得到圖形如圖4(c),其中上半部分表示提取出頻率為38Hz后的時(shí)域信號(hào),下半部分表示被提取出的頻率為9Hz的信號(hào)。

3 譜分析

頻譜分析在許多方面比時(shí)域分析更直觀和有效,因而它一直被作為設(shè)備診斷不可缺少的手段。系統(tǒng)在譜分析時(shí),應(yīng)首先進(jìn)行譜分析設(shè)置,該項(xiàng)主要設(shè)置兩項(xiàng)參數(shù)-通道號(hào)和數(shù)據(jù)的增益。而倒頻譜分析具有特殊的優(yōu)越性,它把振動(dòng)源和路徑分開,降低了從信號(hào)源到測(cè)量點(diǎn)的某些隨機(jī)傳遞路徑的影響。對(duì)于齒輪箱系統(tǒng)的診斷,由于故障齒輪運(yùn)行時(shí)存在著幅值調(diào)制和頻率調(diào)制現(xiàn)象,因而齒輪箱振動(dòng)信號(hào)在嚙合頻率及其高次諧波兩邊出現(xiàn)以軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為調(diào)制頻率的調(diào)制邊帶。當(dāng)故障變嚴(yán)重時(shí),調(diào)制邊帶數(shù)目增多,幅值增大,從功率譜上難以判斷其狀態(tài),而利用倒譜可以提取邊帶的變化信息,以診斷系統(tǒng)的故障狀態(tài)。鑒于篇幅關(guān)系,在此只介紹倒譜的分析過程。在實(shí)現(xiàn)上對(duì)采集信號(hào)不僅可進(jìn)行倒譜分析并能對(duì)其進(jìn)行編刪,去掉其不必要的峰值再通過倒譜的反過程運(yùn)算,得到將原始信號(hào)分離后的功率譜。圖5(a)是故障信號(hào)的倒譜分析時(shí)域波形顯示,可看出它主要由40Hz和500Hz的信號(hào)組成,且采樣頻率設(shè)為2000Hz。

從圖5(a)功率譜圖部分可看出在40Hz和500Hz兩邊分別有邊頻帶產(chǎn)生,其中低頻部分的相對(duì)幅值較小,在譜圖上顯示不明顯,為此可通過倒譜的編刪削弱高頻成分的能量,使低頻部分突出。功率譜上的坐標(biāo)與倒譜上的“倒頻”之間呈倒數(shù)關(guān)系,功率譜上的高頻成分反映在倒頻上就是低倒頻成分,為削減高頻能量,首先求其倒頻q=1/500=0.002;而從倒譜圖上可看出在倒頻為0.002時(shí),其對(duì)應(yīng)的倒譜值最大,可通過對(duì)話框?qū)ζ溥M(jìn)行編刪,如圖5(b),編刪后的結(jié)果如圖5(c)。

由圖5(c)的功率譜部分,看出雖然高頻成分的分布情況依然如故,但其幅度已大大降低(可比較圖5(a)和圖5(c)功率譜的幅值坐標(biāo)),且低頻部分的頻率成分已比較清晰地顯示出來。

機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜,振源較多。為合理得到診斷結(jié)果,需提取多個(gè)特征信號(hào)進(jìn)行信號(hào)分析。為此我們?cè)冢祝椋睿洌铮鳎蟓h(huán)境下,采用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)實(shí)現(xiàn)了多通道信號(hào)的數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理,增加了系統(tǒng)的柔性、可擴(kuò)充性。用戶可根據(jù)實(shí)際要求設(shè)置采樣通道、采樣長(zhǎng)度、通道增益、采樣頻率等A/D轉(zhuǎn)換參數(shù),并進(jìn)行信號(hào)處理。以此為基礎(chǔ)的DSP系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中取得了良好的應(yīng)用效果。



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