專利名稱：一種軸扭轉(zhuǎn)變形測試中消除振動噪聲的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量技術(shù)，特別涉及一種軸扭轉(zhuǎn)變形測試中消除振動噪聲的方法。
背景技術(shù)：
軸扭轉(zhuǎn)變形可以反映軸材料特性、負載特性及安全性等許多信息，在機械工程中是一項基礎(chǔ)但很關(guān)鍵的測試技術(shù)，其測試包括靜態(tài)和動態(tài)測量兩個方面。靜態(tài)測量中主要是對材料的扭轉(zhuǎn)力學性能進行測試；在動態(tài)測量方面，能夠間接表征旋轉(zhuǎn)動力機械設(shè)備的扭矩、功率等運行狀況信息從而對設(shè)備的動力特性、運行可靠性進行監(jiān)測和故障診斷。因此軸扭轉(zhuǎn)變形是各種機械產(chǎn)品開發(fā)、質(zhì)量檢驗、優(yōu)化控制、工況監(jiān)測和故障診斷等的重要內(nèi)容。
實現(xiàn)軸扭轉(zhuǎn)變形測量需要解決傳感器、能量供給和信號傳輸三方面的問題。目前， 國內(nèi)外研制和開發(fā)的傳感器種類很多，從原理上講主要分為應變型、磁彈性型、轉(zhuǎn)角型等。 應變型是目前國內(nèi)外使用最多的一種扭轉(zhuǎn)變形傳感器，它采用在旋轉(zhuǎn)軸表面貼應變片的傳統(tǒng)方法，利用適當?shù)碾娐啡〉眯盘枺缓筮M行分析處理，該類測試系統(tǒng)應用時需要妥善解決在旋轉(zhuǎn)條件下的可靠供電和信號傳輸問題。磁彈性型和轉(zhuǎn)角型因?qū)χ谱鳌惭b工藝要求高，目前在工業(yè)現(xiàn)場還很少獲得應用。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，文獻“轉(zhuǎn)軸扭角及扭振測試技術(shù)研究”(張曉玲； 唐錫寬，清華大學學報(自然科學版)，1997年08期)提出了采用編碼器來測量軸的扭轉(zhuǎn)角方法。測量由編碼器發(fā)出的脈沖時間間隔可以獲得在裝置編碼器軸斷面處的角速度。 比較軸兩端斷面的角速度，可得到扭轉(zhuǎn)角速度和其它有關(guān)扭角和扭振信息。該文獻提出了一種軸扭轉(zhuǎn)變形測試的技術(shù)方案，但沒有涉及因軸系旋轉(zhuǎn)而引起振動噪聲的處理問題。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，文獻“基于希爾伯特變換的扭振測量方法及其在齒輪故障診斷中的應用”(孫良環(huán)太原理工大學碩士論文，2005 )提出了應用高精度光電編碼器測取扭振信號，當扭振發(fā)生時，由于扭振信號對編碼器輸出的脈沖信號進行了頻率調(diào)制而產(chǎn)生疏密變化，用希爾伯特變換對此信號進行解調(diào)就能得到扭振信號，并嘗試了利用該扭振測量方法對齒輪進行故障診斷的研究。該文獻側(cè)重與對扭振信號的測試和分析，沒有涉及扭轉(zhuǎn)變形與振動信號的分離問題。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)。專利“用于測量織機搖軸扭振扭角的裝置”(申請?zhí)朇N200710023899. 9)公開了一種用于測量織機搖軸扭振扭角的裝置，該裝置用于測量并輸出主軸角位移信號、搖軸中部的應變信號，具有分析搖軸的扭轉(zhuǎn)角度和扭振大小的演算器。可以看出該專利技術(shù)主要是采用了編碼器、傾角傳感器和應變橋來測試角位移和應變， 從而間接得到轉(zhuǎn)速、搖軸轉(zhuǎn)動慣量和搖軸的扭振之間的關(guān)系。該專利涉及的對象是角位移而不是軸扭轉(zhuǎn)變形，也沒有涉及振動噪聲信號的處理問題。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對軸扭轉(zhuǎn)變形動態(tài)變化性的問題，提出了一種軸扭轉(zhuǎn)變形測試中消除振動噪聲的方法，消除了振動對測試結(jié)果的影響，解決惡劣條件下高速轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)變形的動態(tài)實時測量問題，大大提高測量精度。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種軸扭轉(zhuǎn)變形測試中消除振動噪聲的方法，通過在被測軸上沿軸向相距一定長度的位置設(shè)置等間距的反射柵，并在正對每個反射柵位置置一組激光光纖傳感器組成一個測試通道，在與這組激光光纖傳感器正交位置設(shè)置完全相同的另一組激光光纖傳感器組成另外一個測試通道，工作時通過雙通道同步采集存儲獲取包含轉(zhuǎn)速和扭轉(zhuǎn)變形信息，包括相位差在內(nèi)的原始信號；然后分別對兩路原始信號進行經(jīng)驗模態(tài)分解(EMD)，得到包含不同類別信息的各階本征模態(tài)函數(shù)(IMF)，對兩路信號各階本征模態(tài)函數(shù)(IMF)的相關(guān)分析，提取反映特定載荷作用的本征模態(tài)函數(shù)(IMF)，最后對該本征模態(tài)函數(shù)(IMF)取加權(quán)平均得到被測信息即軸扭轉(zhuǎn)變形。所述被測軸上沿軸向相距一定長度上設(shè)置等間距的反射柵，反射柵由反光和不反光的等寬條紋組成，沿圓周均勻排列。所述對同步采集存儲的兩路原始信號分別進行經(jīng)驗模態(tài)分解(EMD)數(shù)據(jù)處理，是把一個時間序列的信號分解成若干不同尺度的本征模態(tài)函數(shù)(IMF)和一個殘余量，各IMF 反映了信號的局部特性，殘余量反映了信號的趨勢或均值，各IMF要滿足兩個條件第一整個信號中零點數(shù)與極點數(shù)(包括極大值點和極小值點)相等，至多相差1 ；第二信號上任意一點，由局部極大值點確定的包絡(luò)線和由局部極小值點確定的包絡(luò)線均值均為零， 即信號關(guān)于時間軸局部對稱。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明軸扭轉(zhuǎn)變形測試中消除振動噪聲的方法，與現(xiàn)技術(shù)相比，以激光光纖傳感器取代了常用的編碼器，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、抗干擾能力強、適應惡劣環(huán)境的優(yōu)勢。雙通道測試結(jié)構(gòu)的正交配置、同步采集以及引入經(jīng)驗模態(tài)分解(EMD)和相關(guān)分析算法可有效消除因旋轉(zhuǎn)軸系振動而引入的噪聲干擾，大大提高測量精度。


圖1為本發(fā)明被測軸、反射柵及光纖傳感器安裝位置示意； 圖2為本發(fā)明軸扭轉(zhuǎn)變形測試電路的原理框圖3為本發(fā)明軸扭轉(zhuǎn)變形測試光纖傳感器輸出經(jīng)精密整形后的波形圖及相位差圖； 圖4為本發(fā)明軸扭轉(zhuǎn)變形測試中一路測試信號經(jīng)EMD后的各階IMF圖。
具體實施例方式如圖1所示，在被測軸上沿軸向相距一定長度的表面設(shè)置等間距的反射柵(即反射和不反射光的條帶)，反射柵可通過機械加工或熱處理形成，要求寬窄均勻，邊沿平齊，機械加工原則上不能影響軸本身的機械特性，軸向距離可根據(jù)安裝空間、材料特性以及測試靈敏度和分辨率要求來確定，圓周方向反射柵條紋數(shù)目可根據(jù)測試的動態(tài)特性要求來確定，為方便數(shù)據(jù)處理，建議取6的倍數(shù)，本實施列為30。如附圖1所示，A/B, C/D兩組四個激光光纖傳感器選用Keyence (基恩士) FS-V30超大功率傳感器，可在苛刻環(huán)境下進行穩(wěn)定的長距離檢測，具有33 μ s全球最快的響應速度。光纖傳感器通過滑套垂直固定，A/B，C/D兩組正交配置。當軸以一定的負荷旋轉(zhuǎn)時，A，B兩個傳感器輸出為具有一定相位差的脈沖信號，假設(shè)傳感器A，B分別對應 60個黑白相間的色標，那么每轉(zhuǎn)有30個脈沖，假設(shè)采樣時間為t，脈沖數(shù)為N，那么轉(zhuǎn)速 = |，被測軸受扭后，在軸向距離L上產(chǎn)生的相對扭轉(zhuǎn)變形角 30 χ 艮口 θ =ML / JG式中J-被測軸截面的極慣性矩 L-軸向變形長度 G-軸剪切彈性模量此變形角可由A，B兩路信號的相位差Φ來反映了，如附圖3所示光纖傳感器輸出經(jīng)精密整形后的波形圖及相位差圖。
同理傳感器C，D兩路信號也會產(chǎn)生同樣的相位差。
測試電路模塊如附圖2所示，系統(tǒng)以FPGA為核心，進行相位檢測和雙通道信號同步采集存儲，為后續(xù)信號處理提供原始數(shù)據(jù)。電路系統(tǒng)采取模塊化的設(shè)計思想，包括電源電路、放大電路、精密整形電路、FPGA主控電路、Flash存儲電路、通訊電路。反射柵和激光光纖傳感器將扭矩信號轉(zhuǎn)化成電信號，經(jīng)放大整形后送入精密整形電路得到兩路同頻方波， 兩路同頻方波在FPGA內(nèi)部經(jīng)過異或運算得到表征相位差的脈沖信號，然后采用等精度測量技術(shù)測量其周期和脈寬，并將測量結(jié)果送到Flash存儲芯片AT45DB081中存儲，需要時可將數(shù)據(jù)從存儲器中讀出并經(jīng)串口發(fā)送到上位機進行顯示或后續(xù)處理。
如圖4所示為一路測試信號經(jīng)EMD后的各階IMF圖，對同步采集存儲的兩路原始信號分別進行經(jīng)驗模態(tài)分解(EMD)數(shù)據(jù)處理，基本思想是把一個時間序列的信號分解成若干不同尺度的本征模態(tài)函數(shù)(IMF)和一個殘余量。各IMF反映了信號的局部特性，殘余量反映了信號的趨勢或均值。各IMF要滿足兩個條件①整個信號中零點數(shù)與極點數(shù) (包括極大值點和極小值點)相等，至多相差1;②信號上任意一點，由局部極大值點確定的包絡(luò)線和由局部極小值點確定的包絡(luò)線均值均為零，即信號關(guān)于時間軸局部對稱。具體分解過程可采用如附圖4所示的以下方法(1)首先確定出信號x(t)的所有極大值點和極小值點，然后將所有極大值點和極小值點分別用三次樣條曲線擬合，從而獲得信號的上包絡(luò)曲線和下包絡(luò)曲線，計算出它們的平均值曲線1111(0，用x(t)減去mi(t)得hjt)= x(t) —mi(t);不滿足IMF的兩個條件，則將Ill (t)作為原信號重復第(1)步， 直到滿足條件，完成IMF第一階分解得=C1U) = hlk(t); (3)從原信號中減去C1 (t)得第一階剩余信號r“t) =x(t) — C“t)，再把r“t)作為新的原信號，重復第(1)、(2)步依次得到 C2(t)，r2(t),C3(t)，r3(t)、…Cn(t)，rn(t) ； (4)當 rn(t)成為一個單調(diào)函數(shù)時，篩分結(jié)束。由此得到把原始數(shù)據(jù)表示為固有模態(tài)函數(shù)分量和一個殘余項之和。
從上述的EMD分解過程可以看出，這種分解方法可以理解為以信號的極值特征尺度為度量的篩分過程。信號從最小的特征尺度進行篩分，從而獲得最短周期的固有模態(tài)函數(shù)，隨后，經(jīng)過一層層的篩分，獲得周期長度逐漸增大的多IMF，這個過程也體現(xiàn)了多分辨分析的濾波過程。越早分解出來的本征模函數(shù)頻率越高，第一個分解出來的代表原信號的最高頻率成份。這種濾波器充分保留了信號本身的非線性和非平穩(wěn)特征，具有自適應強，對信號類型沒有限制的特點。利用這些特征可以有效的去除信號的噪聲干擾，充分保留信號的局部特征。在信號的濾波和去噪中具有很大的優(yōu)勢。在本測試中，振動噪聲信號頻率性對較高，對應與較低階的IMF，被測扭轉(zhuǎn)變形一般為靜態(tài)和準靜態(tài)，信號頻率性對較低，對應與較高階的IMF。由于在軸上正交位置測量得到的振動信號具有一定的隨機性，兩組信號的相關(guān)性較低。而被測的扭轉(zhuǎn)變形信號是有相同的載荷作用引起的，理論上在正交位置處也完全相同，且采用了同步采集，所以理論上兩路信號的具有很強的相關(guān)性。因此通過對兩路信號各階本征模態(tài)函數(shù)(IMF)從高到底對應作相關(guān)分析，提取相關(guān)系數(shù)大于設(shè)定閾值的本征模態(tài)函數(shù)(IMF)作為有效信號，然后對兩組有效信號做加權(quán)平均來得到被測信息即軸扭轉(zhuǎn)變形的測試結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種軸扭轉(zhuǎn)變形測試中消除振動噪聲的方法，其特征在于，通過在被測軸上沿軸向相距一定長度的位置設(shè)置等間距的反射柵，并在正對每個反射柵位置置一組激光光纖傳感器組成一個測試通道，在與這組激光光纖傳感器正交位置設(shè)置完全相同的另一組激光光纖傳感器組成另外一個測試通道，工作時通過雙通道同步采集存儲獲取包含轉(zhuǎn)速和扭轉(zhuǎn)變形信息，包括相位差在內(nèi)的原始信號；然后分別對兩路原始信號進行經(jīng)驗模態(tài)分解(EMD)，得到包含不同類別信息的各階本征模態(tài)函數(shù)(IMF)，對兩路信號各階本征模態(tài)函數(shù)(IMF)的相關(guān)分析，提取反映特定載荷作用的本征模態(tài)函數(shù)(IMF)，最后對該本征模態(tài)函數(shù)(IMF)取加權(quán)平均得到被測信息即軸扭轉(zhuǎn)變形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述軸扭轉(zhuǎn)變形測試中消除振動噪聲的方法，其特征在于，所述被測軸上沿軸向相距一定長度上設(shè)置等間距的反射柵，反射柵由反光和不反光的等寬條紋組成，沿圓周均勻排列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述軸扭轉(zhuǎn)變形測試中消除振動噪聲的方法，其特征在于，所述對同步采集存儲的兩路原始信號分別進行經(jīng)驗模態(tài)分解(EMD)數(shù)據(jù)處理，是把一個時間序列的信號分解成若干不同尺度的本征模態(tài)函數(shù)(IMF)和一個殘余量，各IMF反映了信號的局部特性，殘余量反映了信號的趨勢或均值，各IMF要滿足兩個條件第一整個信號中零點數(shù)與極點數(shù)(包括極大值點和極小值點)相等，至多相差1 ；第二信號上任意一點，由局部極大值點確定的包絡(luò)線和由局部極小值點確定的包絡(luò)線均值均為零，即信號關(guān)于時間軸局部對稱。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種軸扭轉(zhuǎn)變形測試中消除振動噪聲的方法，通過在被測軸上沿軸向相距一定長度的位置設(shè)置等間距的反射柵，并在正對每個反射柵位置置一組激光光纖傳感器組成一個測試通道，在與這組激光光纖傳感器正交位置設(shè)置完全相同的另一組激光光纖傳感器組成另外一個測試通道，通過雙通道同步采集兩路原始信號進行經(jīng)驗模態(tài)分解(EMD)，得到包含不同類別信息的各階本征模態(tài)函數(shù)(IMF)，對兩路信號各階本征模態(tài)函數(shù)(IMF)的相關(guān)分析，提取反映特定載荷作用的本征模態(tài)函數(shù)(IMF)，最后對該本征模態(tài)函數(shù)(IMF)取加權(quán)平均得到被測信息即軸扭轉(zhuǎn)變形。具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、抗干擾能力強、適應惡劣環(huán)境的優(yōu)勢。大大提高測量精度。
文檔編號G01B11/16GK102494626SQ20111036669
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月18日
發(fā)明者嚴康平, 吉小軍, 戴明, 易海鷗, 李濤, 王佩君 申請人:中國船舶重工集團公司第七0四研究所