基于數(shù)值積分的加速度信號測取位移方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于數(shù)值積分的加速度信號測取位移方法，屬于信號處理領(lǐng)域。該方法先對離散加速度信號進(jìn)行數(shù)值積分，再對積分后的信號利用包絡(luò)法進(jìn)行修正。經(jīng)兩次積分，兩次包絡(luò)法修正后就可以得到位移信號。該方法利用包絡(luò)法來修正積分后的速度和位移信號，能夠很好的消除積分過程產(chǎn)生的趨勢項(xiàng)和抑制噪聲的干擾，進(jìn)而得到有效的位移信號。
【專利說明】基于數(shù)值積分的加速度信號測取位移方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種測取位移信號的方法，具體地涉及一種通過對加速度信號進(jìn)行數(shù)值積分來獲得位移信號的方法，屬于信號處理領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，可通過微分方法將位移轉(zhuǎn)換為速度和加速度，相反，則可通過積分方法將加速度轉(zhuǎn)換為速度和位移。工程實(shí)踐中，許多場合很難直接測取到位移信號，這就需要將加速度信號進(jìn)行積分以得到速度信號和位移信號。實(shí)際上，利用加速度傳感器進(jìn)行測量還具有方便和經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。
[0003]硬件積分電路可實(shí)現(xiàn)加速度、速度和位移間的轉(zhuǎn)換。但是積分精度受制于具體的硬件電路，甚至?xí)胁ㄐ位?，而且硬件電路一旦設(shè)定，對其進(jìn)行標(biāo)定和修正的工作量較大。在當(dāng)今信息時(shí)代，隨著數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展，軟件積分方法已受到關(guān)注，具有了很大的市場需求。
[0004]軟件積分使用了數(shù)值積分方法，同樣面臨一些難題。由于溫度變化造成的零點(diǎn)漂移等原因，會(huì)使加速度信號中含有趨勢項(xiàng)，而且加速度信號中會(huì)帶有噪聲。趨勢項(xiàng)和噪聲對積分變換的結(jié)果影響較大，會(huì)導(dǎo)致位移曲線產(chǎn)生畸變，甚至完全失真。也就是說，直接對加速度信號進(jìn)行積分不能得到期望的位移信號。采用最小二乘法、濾波法等方法能夠去除直流分量的影響。但是，除了直流分量，一些低頻成分也是趨勢項(xiàng)的重要內(nèi)容，何況還有噪聲帶來的影響。因此，如何估計(jì)積分后的低頻成分及范圍，仍然是軟件積分面臨的一個(gè)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有數(shù)值積分方法不能有效的從加速度信號中獲取位移信號的缺點(diǎn)，提供一種基于數(shù)值積分的加速度信號測取位移方法，利用包絡(luò)法來修正積分后的速度和位移信號，消除積分過程趨勢項(xiàng)的影響和抑制噪聲的干擾。
[0006]本發(fā)明的基于數(shù)值積分的加速度信號測取位移方法，具體包括如下步驟:
步驟1，對測取的加速度信號進(jìn)行濾波，并進(jìn)行離散化處理，得到離散加速度信號；
步驟2，對步驟I的離散加速度信號進(jìn)行數(shù)值積分，得到速度信號；
步驟3，對步驟2的速度信號進(jìn)行包絡(luò)法處理，得到修正后的速度信號；
所述的包絡(luò)法，具體包括如下步驟:
①找出信號的所有局部極值點(diǎn)，得到極大值和極小值序列；
②分別對極大值和極小值序列進(jìn)行分段三次樣條插值擬合得到上包絡(luò)和下包絡(luò)；
③計(jì)算上、下包絡(luò)的均值；
④從步驟①的信號中減去包絡(luò)的均值，得到修正后的信號。
[0007]步驟4，對步驟3的速度信號進(jìn)行數(shù)值積分，得到位移信號；
步驟5，對步驟4的位移信號進(jìn)行包絡(luò)法處理，得到修正后的位移信號。
[0008]所述的包絡(luò)法，其方法同步驟3的包絡(luò)法。[0009]有益效果
本發(fā)明利用包絡(luò)法來估計(jì)積分后信號的趨勢項(xiàng)，具有方法簡單，易于編程實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。本發(fā)明的基于數(shù)值積分的加速度信號測取位移方法，能夠很好的消除積分過程產(chǎn)生的趨勢項(xiàng)和抑制噪聲的干擾，進(jìn)而得到有效的位移信號。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明的基于數(shù)值積分的加速度信號測取位移方法的流程圖；
圖2為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】中直接積分與包絡(luò)法修正后位移信號的對比；
圖3為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】中一個(gè)壓縮機(jī)實(shí)際振動(dòng)信號；
圖4為對圖3的信號進(jìn)行直接積分與包絡(luò)法修正后速度信號的對比；
圖5為對圖3的信號進(jìn)行直接積分與包絡(luò)法修正后位移信號的對比。
【具體實(shí)施方式】
[0011]為了更好的說明本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0012]基于數(shù)值積分的加速度信號測取位移方法，其總體技術(shù)方案如圖1所示，具體包括如下步驟:
步驟I，對測取的加速度信號進(jìn)行濾波，并進(jìn)行離散化處理，得到長度為#的離散信號，記為βΟ), η = \Χ...Ν ；
步驟2，對步驟I的離散加速度信號進(jìn)行數(shù)值積分，得到速度信號，記為ν0(?)；
所述的數(shù)值積分方法，有時(shí)域積分和頻譜積分兩種方法；
步驟3，對步驟2的速度信號％(?)進(jìn)行包絡(luò)法處理，得到修正后的速度信號ν(?)； 所述的包絡(luò)法，具體包括如下步驟:
①找出速度信號％(?)的所有局部極值點(diǎn)，得到極大值和極小值序列；
②分別對極大值和極小值序列進(jìn)行分段三次樣條插值擬合得到上包絡(luò)\(.力和下包絡(luò)
③計(jì)算上、下包絡(luò)的均值％(?),即句0)= [&(?)+Q(X)]/2 ；
④從步驟①的信號V0M中減去包絡(luò)的均值％(?),得到修正后的速度信號，即v(?) = v0(?)-e0(?)； 步驟4，對步驟3的速度信號v(?)進(jìn)行數(shù)值積分，得到位移信號，記為SbCQ ;
所述的數(shù)值積分，其方法同步驟2的數(shù)值積分方法；
步驟5，對步驟4的位移信號％(?)進(jìn)行包絡(luò)法處理，得到修正后的位移信號。
[0013]所述的包絡(luò)法，具體包括如下步驟:
①找出位移信號％(?)的所有局部極值點(diǎn)，得到極大值和極小值序列；②分別對極大值和極小值序列進(jìn)行分段三次樣條插值擬合得到上包絡(luò)eu(n)和下包絡(luò) ；
③計(jì)算上、下包絡(luò)的均值el(n) 即el(n)+ed(n))/2
④從步驟①的信號％(?)中減去包絡(luò)的均值^②)，得到修正后的位移信號，即s(n) = s0(n)-S1(n)；
實(shí)施例1
以一個(gè)時(shí)變信號為例來進(jìn)行說明。時(shí)變信號如圖2a所示，圖2b給出了直接進(jìn)行兩次數(shù)值積分得到的位移信號，圖2c給出了經(jīng)包絡(luò)法修正后的位移信號。由圖2b可知，直接積分得到的位移信號中有一個(gè)很明顯的趨勢項(xiàng)，而由圖2c可知，經(jīng)包絡(luò)法修正后的位移信號波形基本上關(guān)于O線對稱。這表明，包絡(luò)法很好的去除了直接積分產(chǎn)生的趨勢項(xiàng)。
[0014]實(shí)施例2
以某型號壓縮機(jī)實(shí)際振動(dòng)信號為例來進(jìn)行說明。實(shí)際振動(dòng)信號如圖3所示，由圖3可知，該信號的成分很復(fù)雜。圖4給出了對圖3的信號進(jìn)行直接積分與包絡(luò)法修正后速度信號的對比。由圖4可知，直接積分得到的速度信號雖然能夠顯示出一點(diǎn)波動(dòng)的形狀，但是一些低頻的趨勢項(xiàng)占據(jù)了主導(dǎo)，而經(jīng)包絡(luò)法修正后的速度信號則很好的展示了振動(dòng)的波形。
[0015]圖5給出了對圖3的信號進(jìn)行直接積分與包絡(luò)法修正后位移信號的對比。由圖5可知，直接積分得到的位移信號完全被低頻的趨勢項(xiàng)所主導(dǎo)，而經(jīng)包絡(luò)法修正后的位移信號則完全去除了趨勢項(xiàng)。
[0016]通過對比圖4和圖5的積分結(jié)果可知，包絡(luò)法能夠很好的去除低頻趨勢項(xiàng)對積分結(jié)果的影響，經(jīng)包絡(luò)法修正后能夠得到有效的位移信號。
[0017]以上所述的具體描述，對發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.基于數(shù)值積分的加速度信號測取位移方法，其特征在于:具體包括如下步驟: 步驟1，對測取的加速度信號進(jìn)行濾波，并進(jìn)行離散化處理，得到離散加速度信號； 步驟2，對步驟I的離散加速度信號進(jìn)行數(shù)值積分，得到速度信號； 步驟3，對步驟2的速度信號進(jìn)行包絡(luò)法處理，得到修正后的速度信號； 步驟4，對步驟3的速度信號進(jìn)行數(shù)值積分，得到位移信號； 步驟5，對步驟4的位移信號進(jìn)行包絡(luò)法處理，得到修正后的位移信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)值積分的加速度信號測取位移方法，其特征在于:所述的步驟2和步驟4中的數(shù)值積分，有時(shí)域積分和頻譜積分兩種方法。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)值積分的加速度信號測取位移方法，其特征在于:所述的步驟3和步驟5中包絡(luò)法，具體包括如下步驟: 找出信號的所有局部極值點(diǎn)，得到極大值和極小值序列； 分別對極大值和極小值序列進(jìn)行分段三次樣條插值擬合得到上包絡(luò)和下包絡(luò)； 計(jì)算上、下包絡(luò)的均值； 從步驟①的信號中減去`包絡(luò)的均值，得到修正后的信號。
【文檔編號】G01B21/02GK103604404SQ201310637543
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月3日
【發(fā)明者】楊彥利, 伉大儷 申請人:大連圣力來監(jiān)測技術(shù)有限公司