本發(fā)明涉及振動檢測領(lǐng)域，具體涉及一種自適應(yīng)采樣頻率追蹤方法。

背景技術(shù)：

目前已知的對振動采樣都是基于經(jīng)驗值，或者直接選擇取最大值對振動進行采樣。傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗值的方法需要人為干預(yù)；選取最大值的方法在很多情況下都導(dǎo)致過采樣，在系統(tǒng)振動頻率一定的情況下，過高的采樣頻率意味著在單位時間能獲取的數(shù)據(jù)點數(shù)量過高，不但不能增加系統(tǒng)的敏感度，反而會導(dǎo)致傳感器能耗的增加，并造成過多的計算資源以及存儲資源的消耗；同時，一段振動頻率發(fā)生了改變，傳統(tǒng)的方式需要人為進行重新設(shè)置，無法自動更新。對于一個具體設(shè)備設(shè)置的一種頻率采樣模式不能應(yīng)用到另一具體設(shè)備，需要頻繁的針對不同設(shè)備型號、設(shè)備地基穩(wěn)定度，采集裝置的安裝位置及振動來源的動作模式重新設(shè)置采樣模式，導(dǎo)致頻率采樣模式不具備普適性。系統(tǒng)定期跟蹤需要檢測的振動頻率時，會出現(xiàn)頻率漂移現(xiàn)象，在一些應(yīng)用場景中，由于機械老化、周圍環(huán)境的變化或人為干預(yù)等原因，導(dǎo)致捕捉的振動點發(fā)生漂移現(xiàn)象。對于上述過采樣和振動漂移的問題，目前缺少相應(yīng)的解決方案。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提出一種自適應(yīng)采樣頻率追蹤方法，通過自適應(yīng)的頻率采樣方式能在保證檢測精度的同時，自動采用合理的采樣頻率，降低系統(tǒng)的能耗，并且適時跟蹤振動頻率變化的趨勢。

為達到上述發(fā)明的目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種自適應(yīng)采樣頻率追蹤方法，包括如下步驟：

步驟S10，以移位寄存器集保存大于等于兩秒的振動數(shù)據(jù)；

步驟S20，通過自適應(yīng)閾值判斷當前開關(guān)門振動是否發(fā)生，是則對包含開關(guān)門動作的振動數(shù)據(jù)求取第一功率譜密度分布，否則以第一時間間隔對步驟S10保存的振動數(shù)據(jù)求取其第二功率譜密度分布；

步驟S30，求取第一功率譜密度分布與第二功率譜密度分布的差值，并對差值計算其最大功率累加值；

步驟S40，取達到最大功率累加值閾值的頻率記錄最大值f_max，并對同樣最大功率的數(shù)據(jù)點通過關(guān)于頻率的統(tǒng)計方法得到統(tǒng)計上最大頻率f′_max；

步驟S50,判斷頻率記錄最大值f_max與統(tǒng)計上最大頻率f′_max之間的偏差是否達到閾值，是則更新振動傳感器的采樣頻率f_s，k后進入步驟S10，其中s表示固有振動，k為整數(shù)的時間點，否則結(jié)束采樣頻率的更新。

進一步，所述步驟S50對偏差的判斷及操作具體如下：判斷頻率記錄最大值f_max與統(tǒng)計上最大頻率f′_max之間差值是否超過偏差閾值，是則進一步判斷統(tǒng)計上最大頻率f′_max是否小于采樣頻率降低閾值，若是則縮小采樣頻率f_s，k后進入步驟S10，若其大于采樣頻率降低閾值且小于采樣頻率增加閾值，則保持當前采樣頻率f_s，k；若頻率記錄最大值f_max與統(tǒng)計上最大頻率f′_max之間差值沒有超過偏差閾值，則增加采樣頻率f_s，k后進入步驟S10。

上述方法，還包括步驟S51,設(shè)定頻率增加計數(shù)器T_p和頻率減少計數(shù)器T_N，其初始值為零，當步驟S50縮小采樣頻率，則頻率減少計數(shù)器T_N加1；當步驟S50增加采樣頻率，則頻率增加計數(shù)器T_p加1；當步驟S50執(zhí)行保持采樣頻率后，頻率增加計數(shù)器T_p減1，并且頻率減少計數(shù)器T_N減1。

上述方法，還包括步驟S52,判斷頻率增加計數(shù)器T_p和頻率減少計數(shù)器T_N是否同時小于0，是則采樣頻率穩(wěn)定并結(jié)束，否則返回步驟S10。

上述方法，還包括步驟S53,滿足降低采樣頻率的條件后，判斷是否重復(fù)增減頻率，具體步驟為：

步驟S531,當頻率增加計數(shù)器T_p和頻率減少計數(shù)器T_N滿足：T_p＞2且|T_p-T_N|＜2時，則判定沒有在兩個采樣頻率點之間抖動，并進一步降低采樣頻率，將當前統(tǒng)計最大頻率f′_max作為新的頻率記錄最大值f_max，并且頻率減小計數(shù)器T_N加1，再進入步驟S10；

步驟S532，當頻率增加計數(shù)器T_p和頻率減少計數(shù)器T_N不滿足：T_p＞2且|T_p-T_N|＜2時，則判定在兩個采樣頻率點之間抖動，保持當前采樣頻率，并進入步驟S52判斷是否結(jié)束當前自適應(yīng)采樣頻率的更新。

上述方法還包括:

步驟S01,判斷定時器的時間閾值是否滿足，是則觸發(fā)振動傳感器以采樣頻率f_s，k采集目標的振動頻率，并提取當次的振動主頻率f_max，i，其中i為采集時序；

步驟S02,對采集的振動主頻率做滑動濾波，滑動濾波方法為：

其中為滑動后的主頻率，β滑動濾波系數(shù)；

步驟S03,判斷滑動后主頻率是否出現(xiàn)漂移，是則進入步驟S10以重新判斷新的滿足滑動后主頻率不漂移的采樣頻率。

進一步，所述步驟S03判斷滑動后主頻率漂移的方法為：比較滑動后主頻率是否大于采樣頻率增加閾值，或者比較滑動后主頻率是否小于采樣頻率降低閾值，任意一個滿足則判定滑動后主頻率相對于已知的采樣目標出現(xiàn)偏移。

進一步，所述偏差閾值為θ_thfs，k，其中θ_th為閾值系數(shù)；所述采樣頻率增加閾值為α_2fs，k，其中α₂為采樣提高判斷系數(shù)；所述采樣頻率降低閾值為α_1fs，k-1，其中α₁為采樣降低判斷系數(shù)，f_s，k-1為前一次采樣頻率。

進一步，所述步驟S40的最大功率累加值閾值是80％的最大功率累加值。

進一步，所述獲得統(tǒng)計上最大頻率f′_max的方法為：持續(xù)記錄同樣最大功率的數(shù)據(jù)點，通過異常值檢測方法剔除異常的數(shù)據(jù)點，從各數(shù)據(jù)點統(tǒng)計篩選出頻率最大的數(shù)據(jù)點，該數(shù)據(jù)點的頻率即為統(tǒng)計上最大頻率。

本發(fā)明的一種自適應(yīng)采樣頻率追蹤方法，不僅可以應(yīng)用于開關(guān)門等在基礎(chǔ)振動外存在額外附加振動的檢測，也可以應(yīng)用于普通的振動采集場景中。該自適應(yīng)的采樣頻率檢測有助于降低傳統(tǒng)固定采樣頻率導(dǎo)致的額外計算存儲等消耗，同時通過振動頻率漂移的跟蹤使本方法能夠適應(yīng)設(shè)備在時間維度產(chǎn)生的漸進性變化，相對于傳統(tǒng)的固定頻率采樣方式，本方法提高了振動采樣功能在時間上的可靠性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種自適應(yīng)采樣頻率追蹤方法的步驟圖。

圖2為本發(fā)明的一種自適應(yīng)采樣頻率追蹤方法的頻率更新流程圖。

圖3a為正常振動與額外振動在時域上振動能量曲線的對比示意圖。

圖3b為正常振動與額外振動在頻域上功率曲線的對比示意圖。

圖4為額外振動功率圖。

圖5為本發(fā)明的一種自適應(yīng)采樣頻率追蹤方法的頻率漂移更新流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部實施例。

對于任何物體的而言，其具有一個瞬時加速度a[t]，其中t為某個瞬時時間點，當通過3D加速度傳感器，以一定的采樣頻率對設(shè)備持續(xù)的采集捕捉其加速度值時，就能得到離散序列的加速度值a[n],其中n為采集數(shù)據(jù)的離散時間點。正常狀態(tài)下，設(shè)備以固有的振動頻率a_s[n]進行工作。當設(shè)備產(chǎn)生額外振動時，該振動將會對設(shè)備產(chǎn)生一個額外疊加的加速度a_Δ[n]，此時的檢測振動值為

a[n]＝a_s[n]+a_Δ[n]……(1)

參看圖1與圖2，本發(fā)明實施例的一種自適應(yīng)采樣頻率追蹤方法的步驟圖和頻率更新流程圖。作為一個具體實施例，本方法在基于自適應(yīng)閾值檢測的基礎(chǔ)上，進一步通過分析開關(guān)門動作的功率密度譜特點，確定最優(yōu)的設(shè)備采樣頻率。

所述的自適應(yīng)閾值檢測，采用如下方法實現(xiàn)：

步驟A10，根據(jù)加速度傳感器的當前加速度值，求出當前振動能量；

步驟A20，振動能量數(shù)據(jù)流進入低通濾波器得到當前的振動能量均值；振動能量數(shù)據(jù)流還進入移位寄存器集，對移位寄存器集的存儲區(qū)間所存振動能量數(shù)據(jù)取均值，再減去調(diào)整后的振動能量均值，得到振動能量區(qū)間均值；

步驟A30，振動能量區(qū)間均值通過滑動平均法，計算出振動能量的動態(tài)閾值；

步驟A40，設(shè)定標記位flag表示振動持續(xù)狀態(tài)，初始的標記位flag為0；判斷振動能量區(qū)間均值是否大于兩倍的動態(tài)閾值，且標記位flag是否為0，是則標記位flag設(shè)為1，并記錄當前時刻t1作為振動開始時間，并再次回到步驟A10更新振動能量區(qū)間均值和動態(tài)閾值；反之當振動能量區(qū)間均值小于等于兩倍的動態(tài)閾值，則將標記位設(shè)為0，并記錄當前時間t2作為振動結(jié)束時間；

步驟A50,判斷振動開始與結(jié)束的時間間隔是否小于預(yù)設(shè)值，是則判定當前振動為真實的外部振動；否則判定當前振動為偶發(fā)性振動，并返回步驟A10。

本方法的自適應(yīng)采樣頻率追蹤方法，具體步驟如下：

步驟S10,以移位寄存器集的方式保存大于等于兩秒的振動數(shù)據(jù)；具體的，假設(shè)當前的采樣頻率為M Hz,移位寄存器集保存振動數(shù)據(jù)的窗口大小為N_fft,使得N_fft≥2M且N_fft為2的整數(shù)次冪，例如當f_s＝100Hz，則N_fft＝256；

步驟S20，通過自適應(yīng)閾值檢測，判斷設(shè)備當前的開關(guān)門振動是否發(fā)生，在沒有發(fā)生開關(guān)門振動時，以一定時間間隔對保存的窗口，即該窗口大小的振動數(shù)據(jù)，求取其功率頻譜，經(jīng)過加權(quán)平均，可以求出固有振動產(chǎn)生的第二功率譜密度分布P_s(f),f為頻率；當檢測到開關(guān)門振動發(fā)生時，對包含該開關(guān)門動作的振動數(shù)據(jù)的窗口求取第一功率譜密度分布P(f),參看圖3b所示的第一功率譜密度分布P(f)與第二功率譜密度分布P_s(f)的對比圖；

步驟S30,求取第一功率譜密度分布P(f)與第二功率譜密度分布P_s(f)的差值ΔP_w(f)＝P(f)-P_s(f)，并對該差值ΔP_w(f)計算其最大功率累加值Q_c(f)，具體為：

步驟S40,取達到最大功率累加值閾值的頻率，在本實施例中，以80％的最大功率累加值作為閾值，參看圖3所示的額外振動功率圖，虛線在左側(cè)即為則80％振動能量所在點的主振動頻率，即目標振動的頻率記錄最大值f_max為：

f_max＝max{f|Q_c(f)≤0.8}……(3)；

并對同樣最大功率的數(shù)據(jù)點通過關(guān)于頻率的統(tǒng)計方法得到統(tǒng)計上最大頻率f′_max，具體是實施方式是持續(xù)記錄同樣的功率點f_max，1,f_max，2,…f_max，N，其中N為統(tǒng)計的振動數(shù)據(jù)點；對上述功率點采用異常值檢測方法，剔除異常的數(shù)據(jù)點后得到統(tǒng)計上最大頻率f′_max，所述的異常值檢測方法，在本實施例中可以優(yōu)選采用基于鄰近度的異常值檢測方法，還可以采用基于密度或基于模型的檢測方法；

步驟S50,判斷頻率記錄最大值f_max與統(tǒng)計上最大頻率f′_max之間的偏差是否存在較大的偏差，對該較大的偏差在具體判斷時，是與多個閾值進行比較，是則根系采樣頻率后進入步驟S10，否則結(jié)束頻率跟蹤。

對步驟S50在此以具體實施例如下說明：

由于振動傳感器的限制，對目標設(shè)備的采樣頻率只能為離散的值，已知振動傳感器的可取采樣頻率為f_s，i，其中i∈[0，N_s]且f_s，i＜f_s，i+1；當前振動傳感器采用的采樣頻率為f_s，k,若為初次運行振動檢測，當前采樣頻率初始化為最大采樣值或人為設(shè)定的值，對于目標設(shè)備振動的頻率記錄最大值f_max初始化為統(tǒng)計上最大頻率f′_max；設(shè)定頻率增加計數(shù)器T_p和頻率減少計數(shù)器T_N，其初始值均為零；

根據(jù)以下步驟判斷所述偏差是否為較大偏差，并相應(yīng)更新采樣頻率；

通過步驟S10至步驟S40，獲得更新后的統(tǒng)計上最大頻率f′_max；

判斷當前的統(tǒng)計上最大頻率f′_max與頻率記錄最大值f_max是否滿足：

|f_max-f′_max|≥θ_thfs，k……(4)

其中θ_th為閾值系數(shù)，與當前的采樣頻率有關(guān)，通常θ_th的系數(shù)取值為0.1至0.2范圍內(nèi)；若不等式(4)滿足，則說明當前的統(tǒng)計上最大頻率f′_max與頻率記錄最大值f_max發(fā)生較大偏差，偏差的原因可能是由于采樣頻率過低或本身發(fā)生了頻率漂移導(dǎo)致，因此需要提高采樣頻率f_s，k，即令f_s，k＝f_s，k+1，并且根系頻率記錄最大值f_max，即令f_max＝f′_max，并且更新頻率增加計數(shù)器T_p，其更新方式為T_p＝T_p+1，之后進入步驟S10采集目標設(shè)備的振動頻率，并計算其新的統(tǒng)計上最大頻率f′_max；

判斷當前的統(tǒng)計上最大頻率f′_max與頻率記錄最大值f_max是否滿足：

|f_max f′_max|＜θ_thfs，k……(5)

若不等式(5)滿足，及當前的統(tǒng)計上最大頻率沒有超出閾值，則認為振動傳感器采樣頻率滿足振動要求；在此基礎(chǔ)上進一步判斷是否滿足減少采樣頻率的要求，即：

f′_max＜α1f_s，k-1……(6)

其中α₁為采樣降低判斷系數(shù)，通常取值為0.3-0.4之間，若不等式(6)的判斷為否，即不滿足減少采樣頻率的要求，此時進一步判斷設(shè)備是否滿足當前采樣頻率要求，即：

f′_max＜α_2fs，k……(7)

其中α₂為采樣提高判斷系數(shù)，通常取值為0.9-0.95之間，若上述不等式(7)判斷為真，即設(shè)備不能更滿足當前采樣頻率要求，則提高采樣頻率；否則保持當前采樣頻率，同時更新頻率記錄最大值f_max＝f′_max，并且頻率增加計數(shù)器T_p和頻率減少計數(shù)器T_N分別減1；

若在不等式(6)判斷為真，即滿足繼續(xù)降低采樣頻率的要求，則進行是否重復(fù)增減頻率的判斷，即：

T_p＞2且|T_p-T_N|＜2……(7)

判斷不等式組(7)是否滿足，是則判定沒有在兩個采樣頻率點之間抖動，即反復(fù)在兩個采樣點采樣，此時進一步降低采樣頻率f_s，k＝f_s，k-1，并且更新記錄最高頻率，即令f_max＝f′_max，同時頻率減少計數(shù)器加1，然后重新進入步驟S10采集并計算新的統(tǒng)計上最大頻率f′_max；若不等式組(7)不滿足，即系統(tǒng)在兩個采樣頻率點間抖動，則保持當前采樣頻率，并判斷是否可以結(jié)束當前自適應(yīng)采樣頻率追蹤。

參看圖5，作為另一個具體實施例，系統(tǒng)定期跟蹤需要檢測的振動的頻率的變化趨勢，從而跟蹤可能出現(xiàn)的頻率漂移現(xiàn)象。在一些應(yīng)用場景中，由于機械老化，周圍環(huán)境的變化，人為干預(yù)等原因，需要捕捉的振動點存在漂移現(xiàn)象。本發(fā)明具有跟蹤振動變化趨勢的功能，有助于保證振動的采集能適應(yīng)時間的變化。具體實現(xiàn)為，頻率振動捕捉持續(xù)進行。為了結(jié)合功耗的考慮，設(shè)置定時(次)器，僅當定時(次)器觸發(fā)后會對當次的振動主頻率，即目標振動的頻率記錄最大值進行提取，將其定義為f_max，i，i為采集時序。

采集后的振動主頻率將進行滑動濾波，避免單次采樣偏差導(dǎo)致的錯誤判斷?；瑒訛V波方法為：

程序會對濾波后的頻率判斷，看是否出現(xiàn)了頻率漂移。已知當前的采樣頻率為f_s，k,若

或者

則判斷頻率相對于已知的采樣目標出現(xiàn)了漂移，系統(tǒng)自動進入自適應(yīng)采樣頻率模塊，重新判斷新的合適采用頻率。

上述實施例僅用以說明本發(fā)明而并非限制本發(fā)明所描述的技術(shù)方案；因此，盡管本說明書參照上述的各個實施例對本發(fā)明已進行了詳細的說明，但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，仍然可以對本發(fā)明進行修改或者等同替換；而一切不脫離本發(fā)明的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。