專利名稱：工程非線性振動檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工程振動檢測領(lǐng)域，具體來講，是一種工程實(shí)測振動加速度信號積分方法以 及基于這種方法的工程非線性振動檢測方法。 技術(shù)背景三向低阻抗型壓電加速度計可同時測量三個正交方向(X, Y， Z)的振動加速度，安裝方便， 使用簡單，在機(jī)械結(jié)構(gòu)、橋梁、大壩和建筑物等的振動加速度測量中發(fā)揮著很大作用。在很 多情況下振動的速度和位移也是兩個重要的物理量，但這兩個物理量的測量不是很方fe，特 別是對大型的結(jié)構(gòu)。理論上加速度信號經(jīng)過一次和二次積分后可得到速度和位移信號，但在 實(shí)際中加速度信號直接經(jīng)過模擬或數(shù)字積分后漂移、遲滯和畸變嚴(yán)重，不能夠作為速度和位 移信號使用。目前國內(nèi)外對數(shù)字積分有一些研究，主要是針對高阻抗型壓電加速度計時域信 號，經(jīng)過時域低通濾波器和高通濾波器后，再對時域信號進(jìn)行積分有些研究是將高阻壓電 加速度計時域信號變換到頻域，在頻域進(jìn)行積分，然后再變換到時域，得到速度或位移信號。 對工程中低阻抗型壓電加速度計信號的正確積分尚沒有完善方法。非線性振動廣泛存在于生產(chǎn)生活的各個方面，有些非線性振動會產(chǎn)生很大的危害，威脅 生產(chǎn)設(shè)備的正常運(yùn)行。確定非線性振動的特征可以有針對性地抑制這種振動，這就要用到非 線性振動的相空間分析。目前非線性振動的相空間分析多是建立理論模型，然后根據(jù)理論模 型的結(jié)果進(jìn)行分析，但理論模型是建立在許多假設(shè)條件下，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，合適的理論模型 不易得到。基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的非線性振動的相空間分析需要加速度、速度和位移信號，工業(yè)現(xiàn) 場用傳感器同時測到這三個信號一般是不可能的。用加速度、速度和位移信號中的一個信號 又可以通過相空間重構(gòu)進(jìn)行相空間分析，但重構(gòu)相空間的嵌入維數(shù)和延遲時間經(jīng)計算得到后 無法驗(yàn)證，這樣重構(gòu)相空間的可信度不高。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明基于上述情況，提供一種工程非線性振動檢測方法，即三向低阻壓電加速度計采 集振動加速度信號的積分方法，并經(jīng)一次積分和二次積分得到三向(X，Y,Z)速度和三向 (X，Y，Z)位移信號；在此基礎(chǔ)上，分別做出非線性振動三向(X，Y，Z)的三維相空間閨再 次利用三維相空間圖檢驗(yàn)相空間重構(gòu)，得到合適的重構(gòu)相空間，然后進(jìn)行非線性特征分析， 得到正確的分析結(jié)果。本發(fā)明工程非線性振動檢測方法，首先用小波非線性閾值濾波分別濾除三向低阻壓電加速度計測得的三個方向的加速度信號的寬頻背景噪聲，然后去除這三個信號中的直流分量。上述三向信號分別進(jìn)行如下處理將信號用快速傅立葉變換變換到頻域，在頻域中設(shè)定 上下限頻率，將上下限頻率以外的信號點(diǎn)置O，保留上下限頻率內(nèi)的信號點(diǎn)，完成頻域?yàn)V波。 然后將處理過的信號經(jīng)過逆快速傅立葉變換變換到時域，用最小二乘法去除趨勢項，得到處 理后的加速度信號。用Simpson的速度計算公式對處理后的加速度信號進(jìn)行數(shù)字積分'，再去 除趨勢項后得到速度信號。用Simpson的位移計算公式對速度信號進(jìn)行數(shù)字積分，用最小二 乘法去除趨勢項，得到位移信號。將三個方向的加速度、速度和位移信號分別做三個方向的三維相空間圖，根據(jù)此三圖中 的相軌線，可以初歩確定是否發(fā)生了非線性振動及非線性振動的類型。對于實(shí)際測量的一向(X，Y,Z中的一向)加速度信號，確定嵌入維數(shù)和時間延遲后可重 構(gòu)此向的相空間。重構(gòu)相空間是否可信，用下面的方法檢驗(yàn)將嵌入維數(shù)定為3，初步計算得到時間延遲量T，設(shè)加速度信號為fl,(")， w = 1,2，3，… ..,先， 二個延遲信號為fl(" + r)和fl(" + 2"，將(fl(" + 2r)， a(" + r)， )做三維重構(gòu)相空間圖，與上面得到的相空間圖進(jìn)行對比，不斷修正延遲量的值，直到兩圖相似，這時的延遲量就是 合適的。再用正確的延遲量計算得到嵌入維數(shù)。用最后得到的嵌入維數(shù)和延遲量進(jìn)行相空間 重構(gòu)和其它計算，確定此向的非線性振動的發(fā)生和類型和特征。另兩向(Y，Z)的加速度信號 也重復(fù)上述過程，確定非線性振動的發(fā)生、類型和特征。本發(fā)明工程非線性振動檢測方法，己在大型機(jī)械結(jié)構(gòu)如軋鋼機(jī)械和大型選煤振動篩的非 線性振動檢測中發(fā)揮了積極作用。其優(yōu)點(diǎn)與積極效果在于1. 本方法適用于工程實(shí)際的非線性振動檢測，檢測效果較好。例如，成功地檢測出某大 型軋鋼的強(qiáng)烈的異常的非線性振動，為消除這種異常振動奠定了基礎(chǔ)在大型選煤振動篩的 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測中發(fā)揮重要作用，保證了設(shè)備的正常運(yùn)行；2. 本發(fā)明檢測非線性振動不需建立檢測對象的精確數(shù)學(xué)模型，使用振動加速度信號進(jìn)行 處理即可實(shí)現(xiàn)檢測，可操作性強(qiáng)；3. 本發(fā)明不會對被檢測對象造成破壞或?qū)ζ涔ぷ髟斐捎绊?，簡單方便?. 本發(fā)明使用的傳感器為三向加速度計，可檢測到對象的三個方向的振動狀態(tài)，所以能全面掌握對象的運(yùn)行情況，及時發(fā)現(xiàn)問題。5. 本發(fā)明簡單實(shí)用，易于在工程對象中推廣使用。


圖1是本發(fā)明實(shí)測加速度信號積分過程圖2是本發(fā)明實(shí)測加速度一次積分信號與實(shí)測速度信號 圖3是本發(fā)明實(shí)測加速度二次積分信號與實(shí)測位移信號具體實(shí)施方式
本發(fā)明工程非線性振動檢測方法，根據(jù)其所實(shí)施的技術(shù)方案，下面通過實(shí)施例進(jìn)一歩詳細(xì)描述其方法步驟(一)將三軸低阻抗壓電加速度計用磁座吸于所測結(jié)構(gòu)上，加速度計通過耦合器連接到 信號處理機(jī)或通過耦合器連接到A/D轉(zhuǎn)換板，再將信號送入計算機(jī)。采集到三向(X,Y,Z)加速度信號(X， Y， Z三向信號分別為x(w)，:K")，z(w))。(二)用小波非線性閩值濾波濾除采集到的加速度信號的寬頻背景噪聲(jc(")，K"),z(/0濾波后分別為i("),j)(/0，s(/0 )。以下以x方向的信號為例說明處理過憲(a) 由信噪比選擇合適的小波基。信噪比定義為■=201og(_i^L_) (1) 式中jWO表示測得的加速度信號的標(biāo)準(zhǔn)方差，設(shè)濾波后信號為w")，信噪比越大則信號去噪的效果也就較好，輸出信噪比可以作為檢驗(yàn)不同小波函數(shù)消噪效果的一個標(biāo)準(zhǔn)。(b) 選擇合適的分解層次分解層次數(shù)Level<log2(JV/Z:) (2) (2)式中W是信號jc(")的點(diǎn)數(shù)，丄是小波基的有限支撐長度。(c) 根據(jù)選定的小波基和分解層次數(shù)，對信號x(w)進(jìn)行小波分解。(d) 非線性閾值處理軟閾值處理，即把信號的絕對值與指定的閾值進(jìn)行比較，小于或 等于閾值的點(diǎn)變?yōu)榱?，大于閾值的點(diǎn)變?yōu)樵擖c(diǎn)值與閾值的差；硬閾值處理，即把信號的絕對 值與指定的閾值進(jìn)行比較，小于或等于閾值的點(diǎn)變?yōu)榱?，大于閾值的點(diǎn)保持不變。將軟閾值 處理和硬閾值處理后的信號比較，選擇一種合適的方法。(e) 將處理過的信號由小波逆變換對信號重構(gòu)，得到信號JE(w)。 (三)去除信號中的直流分量。加速度信號中難免有直流分量，而直流分量對后面的積分會有很大影響，因此要去除直 流分量。去直流的方法是求出N個采樣點(diǎn)的平均值jc二》(") (3)再用采樣點(diǎn)的值減去平均值即可JC'(") = i(")-i (4)(四)去了直流分量的信號Jc'(")就可以進(jìn)行基于FFT變換的頻域?yàn)V波，其表達(dá)式為:尸 = ^罪);!:',2緒 (5)"0式中J'為信號JC'的離散傅立葉變換，//(.)為濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)，由它來確定濾 波器的方式和特點(diǎn)，帶通濾波器的頻響函數(shù)為lo (其他)式中/,為下限截止頻率，A/為頻率分辨率，/,為上限頻率。把信號X'(")用快速傅立葉變換變換到頻域，在頻域中設(shè)定上下限頻率，將上下限頻率以外的信號點(diǎn)置0，保留上下限頻率內(nèi)的信號點(diǎn)，完成頻域?yàn)V波。然后把處理過的信號經(jīng)過逆 快速傅立葉變換變換到時域。(五) 用多項式最小二乘法去除(四)所得信號中存在的趨勢項。這時的信號為處理過 的加速度信號A(W)。(六) 用Simpson的速度計算公式對信號進(jìn)行數(shù)字積分，得到速度信號。把速度信號再 用最小二乘法去除趨勢項，得到處理過的速度信號、(")。Simpson的速度計算公式如下<formula>formula see original document page 6</formula> (7)6式中"-0,l,2，…，W-l; Af為采樣時間。當(dāng)"-l為負(fù)數(shù)時取該點(diǎn)值為零。(七) 用Simpson的位移計算公式對速度信號進(jìn)行數(shù)字積分，得到位移信號，再用最小 二乘法去除趨勢項，得到處理過的位移信號^(w)。位移計算公式如下<formula>formula see original document page 6</formula> (8)6(八) 積分效果如圖2， 3。另兩向(Y,Z)的加速度信號y(")，z(")處理方法同上。(九) 將上面得到的某一向的加速度、速度和位移信號(如fl,(")，^("),^("))做三維相空間圖，根據(jù)此圖中的相軌線的分布和結(jié)構(gòu)，可以初歩確定這一向是否發(fā)生了非線性振動 及非線性振動的類型。另兩向(Y，Z)是否發(fā)生了非線性振動及非線性振動的類型判斷方法同 理。(十)實(shí)際研究的動力系統(tǒng)的維數(shù)可能不一定是3維。單變量時間序列隱含整個系統(tǒng)的 運(yùn)動規(guī)律，可由單變量時間序列重新構(gòu)造相空間。對于實(shí)際測量并處理后的加速度信號fl,(")，確定嵌入維數(shù)和時間延遲后可重構(gòu)相空間。重構(gòu)相空間的時間延遲對重構(gòu)后的相空間是否能反應(yīng)原動力系統(tǒng)的運(yùn)動規(guī)律很重要可用 下面方法檢驗(yàn)(a) 將嵌入維數(shù)定為3，用自相關(guān)函數(shù)初步計算得到時間延遲量T。(b) 取處理后得加速度信號為^(")， 二個延遲信號為fl,(w+2")和fl,("+2z"),將(A(" + 2zO,A(" + 7")，A(w))做三維重構(gòu)相空間圖，與上面得到的相空間圖進(jìn)行對比，不斷修正延遲量的值，直到兩圖相似，這時的延遲量就是合適的。(c) 再用正確的延遲量計算得到嵌入維數(shù)。這時的重構(gòu)相空間的嵌入維數(shù)和時間延遲就 是合適的。(十一)再經(jīng)過其它分析，就能確定X向非線性振動的發(fā)生、類型和特征。 (十二)另兩向(Y，Z)的加速度信號fl,(")，fl-(")處理方法同(九至十一)。
權(quán)利要求
1.工程非線性振動檢測方法，將三軸低阻抗壓電加速度計用磁座吸于所測結(jié)構(gòu)上，加速度計通過耦合器連接到信號處理機(jī)或通過耦合器連接到A/D轉(zhuǎn)換板，再將信號送入計算機(jī)，其特征在于該方法首先用小波非線性閾值濾波分別濾除三向低阻壓電加速度計測得三個方向的加速度信號的寬頻背景噪聲，然后去除這三個信號中的直流分量，再將三向信號分別用快速傅立葉變換變換到頻域，在頻域中設(shè)定上下限頻率，將上下限頻率以外的信號點(diǎn)置0，保留上下限頻率內(nèi)的信號點(diǎn)，完成頻域?yàn)V波，然后將處理過的信號經(jīng)過逆快速傅立葉變換變換到時域，再用最小二乘法去除趨勢項，用Simpson的速度計算公式對信號進(jìn)行數(shù)字積分，再去除趨勢項后得到速度信號；用Simpson的位移計算公式對速度信號進(jìn)行數(shù)字積分，用最小二乘法去除趨勢項，得到位移信號；其次，將三個方向的加速度、速度和位移信號分別做三個方向的三維相空間圖，根據(jù)三維相空間圖中的相軌線，初步確定非線性振動的特點(diǎn)和類型；最后，進(jìn)行重構(gòu)相空間檢驗(yàn)，將嵌入維數(shù)定為3，計算得到時間延遲量，將處理過的加速度信號和由它得到的二個延遲信號做三維重構(gòu)相空間圖，并與上面得到的相空間圖進(jìn)行對比，修正延遲量值，直到兩圖相似，該延遲量就是合適的；再用延遲量計算得到嵌入維數(shù)；用最后得到的嵌入維數(shù)和延遲量進(jìn)行相空間重構(gòu)和計算；確定非線性振動的發(fā)生、類型和特征；另兩向(Y，Z)的加速度信號重復(fù)上述過程。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種工程非線性振動檢測方法，該方法是用小波非線性閾值濾波濾除三向加速度信號的寬頻背景噪聲，再去除信號的直流分量，經(jīng)過頻域?yàn)V波和去除趨勢項后，得到處理過的加速度信號。進(jìn)而由加速度信號經(jīng)一次、二次積分和去除趨勢項得到速度信號和位移信號。用三維相空間圖和經(jīng)此圖驗(yàn)證的重構(gòu)相空間的其它計算，確定非線性振動特征和類型。本發(fā)明利用三向低阻抗型壓電加速度計可同時測量三個正交方向的振動加速度，安裝方便，使用簡單，分析可靠，克服了實(shí)際加速度信號直接經(jīng)過模擬或數(shù)字積分后的漂移、遲滯和畸變問題，在機(jī)械結(jié)構(gòu)、橋梁、大壩和建筑物等工程非線性振動的檢測中發(fā)揮很大作用。
文檔編號G01H1/00GK101221066SQ20081005449
公開日2008年7月16日 申請日期2008年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月25日
發(fā)明者宏 張, 李東文, 兵 武, 熊小晉, 熊曉燕 申請人:太原理工大學(xué)