振動(dòng)信號(hào)提取方式對(duì)動(dòng)平衡精度的影響

張佳偉，田國(guó)紅

振動(dòng)信號(hào)提取方式對(duì)動(dòng)平衡精度的影響

張佳偉，田國(guó)紅

（遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

在轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡系統(tǒng)中，振動(dòng)信號(hào)基頻幅值和相位的提取對(duì)計(jì)算轉(zhuǎn)子不平衡量的精準(zhǔn)度起著至關(guān)重要的作用。針對(duì)傳統(tǒng)方法提取振動(dòng)信號(hào)幅值相位導(dǎo)致計(jì)算的轉(zhuǎn)子不平衡量出現(xiàn)較大誤差的問題，提出了一種峰值差法對(duì)轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)幅值相位進(jìn)行提取。將峰值差法、相關(guān)性法、快速傅里葉變換（FFT）法分別編寫成LabView轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡振動(dòng)信號(hào)幅值相位提取程序，進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)，對(duì)三種方法計(jì)算出的轉(zhuǎn)子不平衡量進(jìn)行分析對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與相關(guān)性法和FFT法相比，采用峰值差法作為轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡系統(tǒng)提取振動(dòng)信號(hào)基頻幅值相位的程序，計(jì)算出的轉(zhuǎn)子不平衡量誤差更小，更加精準(zhǔn)。

振動(dòng)信號(hào)提?。环逯挡罘?；相關(guān)性法；快速傅里葉變換（FFT）法；LabView；動(dòng)平衡精度

信號(hào)作為信息的載體，包含了各式各樣的特征信息。人們?yōu)榱藦膶?shí)際測(cè)量的信號(hào)中獲得有用的特征信息，必須采用有效的振動(dòng)信號(hào)處理方法[1]。在汽車電機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡測(cè)試中，實(shí)際采集到的轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)是由摻雜多種雜質(zhì)信號(hào)組成的混合信號(hào)，而需要用到的信號(hào)只是與轉(zhuǎn)速同頻的基頻信號(hào)。轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡的過程主要包括：信號(hào)的采集、振動(dòng)信號(hào)基頻幅值相位的提取、轉(zhuǎn)子不平衡量的計(jì)算。其中，振動(dòng)信號(hào)基頻幅值相位的提取是轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡最關(guān)鍵的技術(shù)之一，它的提取精準(zhǔn)程度直接關(guān)乎著轉(zhuǎn)子不平衡量計(jì)算結(jié)果的好壞[2-3]。目前轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡領(lǐng)域中，用到的振動(dòng)信號(hào)基頻提取方法大多為相關(guān)性法[4]和快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform, FFT）法[5]。

本文首先對(duì)相關(guān)性法和FFT法的原理進(jìn)行了說明，并結(jié)合LabView分別編寫了相關(guān)性法和FFT法的振動(dòng)信號(hào)基頻幅值相位提取程序，并將該程序作為轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模塊。然后結(jié)合LabView編程軟件，提出一種峰值差法，作為振動(dòng)信號(hào)基頻幅值相位的處理方式，并編寫成程序。最后，進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)，分別用三種信號(hào)提取程序進(jìn)行轉(zhuǎn)子不平衡量的檢測(cè)，并根據(jù)所計(jì)算的不平衡量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、對(duì)比三種方法的優(yōu)劣。

1 相關(guān)性法和FFT法提取振動(dòng)信號(hào)幅值相位原理及程序

1.1 相關(guān)性法提取基頻信號(hào)幅值相位及程序

轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)的基頻幅值和相位的提取是動(dòng)平衡的基礎(chǔ)，同時(shí)它也是動(dòng)平衡校正最為關(guān)鍵的一步。轉(zhuǎn)子在進(jìn)行動(dòng)平衡時(shí)，傳感器采集的實(shí)際信號(hào)是含有多種雜質(zhì)的混合信號(hào)，而我們實(shí)際需要的，是與轉(zhuǎn)子同頻率、同轉(zhuǎn)速的基頻信號(hào)?；ハ嚓P(guān)處理能夠消除信號(hào)干擾的影響，從混合信號(hào)中提取得到特定頻率信號(hào)的幅值和相位。以下為互相關(guān)法提取振動(dòng)信號(hào)的理論：

設(shè)實(shí)際所測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)表達(dá)式為

式中，為信號(hào)的直流成分；為隨機(jī)噪聲；0為基頻信號(hào)幅值；0為基頻信號(hào)相位；0為基頻對(duì)應(yīng)的角速度；A為諧波信號(hào)的幅值；為諧波信號(hào)的相位；ω為基頻對(duì)應(yīng)的角速度。

式（1）表示實(shí)際測(cè)試所獲得的振動(dòng)信號(hào)。

設(shè)()、()為實(shí)能量信號(hào)，其互相關(guān)函數(shù)為

設(shè)與轉(zhuǎn)子相同頻率的正弦信號(hào)和余弦信號(hào)分別為

()=sin() （3）

()=cos() （4）

將兩個(gè)信號(hào)分別與振動(dòng)信號(hào)()進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，得

繼續(xù)轉(zhuǎn)換所得的兩個(gè)公式，即可得信號(hào)的幅值和相位公式為

結(jié)合LabView圖形化編程軟件，對(duì)互相關(guān)法提取振動(dòng)信號(hào)幅值相位進(jìn)行編程，如圖1所示。

1.2 FFT法提取振動(dòng)信號(hào)的幅值相位及程序

FFT是運(yùn)用離散傅氏變換（Discrete Fourier Transform, DFT）的一種快速算法。FFT根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實(shí)等相關(guān)特性，在離散傅立葉變換的算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化獲得。

圖1 互相關(guān)法提取幅值相位程序

在實(shí)際的工程和應(yīng)用中，當(dāng)對(duì)一個(gè)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析處理時(shí)，最常用的方法是，用鍵相信號(hào)先截取一段所需信號(hào)，比如可以截取2N-1個(gè)點(diǎn)。若是要將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào)，則可以通過直接對(duì)這2N-1個(gè)點(diǎn)進(jìn)行FFT變換的方式，提取出該信號(hào)的幅值和相位。

結(jié)合LabView圖形化編程軟件，對(duì)FFT法提取振動(dòng)信號(hào)幅值相位進(jìn)行編程，如圖2所示。

圖2 FFT法提取幅值相位程序

2 峰值差法提取振動(dòng)信號(hào)幅值相位

為提高轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡系統(tǒng)精度，提高轉(zhuǎn)子不平衡量檢測(cè)的精準(zhǔn)性，本文提出一種峰值差法對(duì)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)信號(hào)基頻幅值相位進(jìn)行提取。

峰值差法的原理為對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波之后，濾波之后的振動(dòng)信號(hào)可用一系列連續(xù)的點(diǎn)來表示，LabView可通過特定的波形波峰檢測(cè)函數(shù)，對(duì)該波形進(jìn)行檢索，提取出一段時(shí)間下的振動(dòng)信號(hào)的幅值及其時(shí)間（相對(duì)點(diǎn)數(shù)位置），通過對(duì)各個(gè)峰值求和取平均值作為該振動(dòng)信號(hào)的幅值。相位是一個(gè)相對(duì)量，該方法下的相位為與同時(shí)用光電傳感器進(jìn)行采集的轉(zhuǎn)速信號(hào)差值。光電傳感器采集的轉(zhuǎn)速信號(hào)為方波形周期信號(hào)，振動(dòng)信號(hào)為正弦信號(hào)，通過波形波峰檢測(cè)函數(shù)，檢測(cè)出轉(zhuǎn)速信號(hào)每個(gè)上升沿的位置，檢測(cè)正弦信號(hào)波峰位置，由于檢測(cè)的為同一轉(zhuǎn)子，所以該周期信號(hào)與正弦信號(hào)的頻率一樣，理論上轉(zhuǎn)速信號(hào)上升沿的位置與正弦信號(hào)波峰位置的差值是一定的，在每個(gè)正弦信號(hào)中，其相鄰的波峰與波峰之間的時(shí)間間隔構(gòu)成一個(gè)周期，相差角度為360°，一個(gè)周期的點(diǎn)數(shù)可用后一個(gè)波峰時(shí)刻的位置點(diǎn)數(shù)減去前一個(gè)波峰時(shí)刻的位置點(diǎn)數(shù)，該點(diǎn)數(shù)差即為一個(gè)周期360°的點(diǎn)數(shù)；正弦信號(hào)與方波信號(hào)的點(diǎn)數(shù)差除以一個(gè)周期的點(diǎn)數(shù)，再乘以360°，即為振動(dòng)信號(hào)的相位。

結(jié)合LabView圖形化編程軟件，對(duì)峰值差法提取振動(dòng)信號(hào)幅值相位進(jìn)行編程，如圖3所示。

圖3 峰值差法提取幅值相位程序

3 轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)要求

實(shí)驗(yàn)所用到的相關(guān)參數(shù)均按照《平衡機(jī)的描述檢驗(yàn)與評(píng)定》（GB/T 4201—2006）的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選取[6]。

（1）轉(zhuǎn)子的要求：轉(zhuǎn)子需使用標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子，本文所使用的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子參數(shù)如表1中所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子技術(shù)參數(shù)

（2）試重的要求：試重質(zhì)量不能超過標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的質(zhì)量。

mar=mar（9）

式中，mar為轉(zhuǎn)子的最小可達(dá)剩余不平衡量，g.mm；mar為轉(zhuǎn)子最小可達(dá)剩余不平衡度，也稱動(dòng)平衡精度等級(jí)，g.mm/kg；表示轉(zhuǎn)子的質(zhì)量，kg。

雙面動(dòng)平衡轉(zhuǎn)子每側(cè)試重質(zhì)量計(jì)算公式為

式中，為轉(zhuǎn)子的每側(cè)試重，g；為轉(zhuǎn)子的半徑，mm。

3.2 動(dòng)平衡計(jì)算流程

轉(zhuǎn)子安放簡(jiǎn)圖，如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)子安放簡(jiǎn)圖

（1）在無試重的情況下保持轉(zhuǎn)子在規(guī)定轉(zhuǎn)速下運(yùn)動(dòng)，通過傳感器測(cè)得、兩側(cè)的原始振動(dòng)信號(hào)，該信號(hào)為矢量，包含大小與相位，用0、0表示。

（2）取一試重，將該試重放在校正I面上，保持轉(zhuǎn)子在與上次相同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)得此時(shí)、兩側(cè)傳感器信號(hào)，用01和01表示。

（3）將試重取下放在校正面II上，保持轉(zhuǎn)子在與上次相同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)得此時(shí)、兩側(cè)傳感器信號(hào)，用02和02表示。

（4）校正I面上、處的變化量為1、1，校正II面上、處的變化量為2、2。

校正I面上、處的影響系數(shù)為11、12，校正II面上、處的影響系數(shù)為21、22。

影響系數(shù)標(biāo)定后，轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量即可用該系數(shù)進(jìn)行求取。

式中，1為I側(cè)不平衡質(zhì)量；2為II側(cè)不平衡質(zhì)量。

3.3 不平衡量計(jì)算及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)條件如下：取5 kg標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子，設(shè)置轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，轉(zhuǎn)子平衡精度為G2.5，采樣率為1 024 Hz，由于實(shí)驗(yàn)所用標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子是已被調(diào)平的轉(zhuǎn)子，所以在轉(zhuǎn)子、兩側(cè)90度處加試重0.762g作為轉(zhuǎn)子的初始狀態(tài)，以便進(jìn)行動(dòng)平衡系統(tǒng)不平衡量的檢測(cè)。對(duì)采集后的數(shù)據(jù)分別用峰值差法、相關(guān)性法、FFT法進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)幅值與相位的提取，進(jìn)行轉(zhuǎn)子不平衡量的計(jì)算。

每種方法均采集3次數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，計(jì)算出的結(jié)果如表2所示。

表2 不同方法提取振動(dòng)信號(hào)的轉(zhuǎn)子不平衡量計(jì)算表

分析表2中數(shù)據(jù)可得

（1）每種方法分別進(jìn)行了3次轉(zhuǎn)子不平衡量的計(jì)算，其中峰值差法計(jì)算出的3次不平衡質(zhì)量的波動(dòng)更小，穩(wěn)定性更好。

（2）峰值差法計(jì)算出的不平衡質(zhì)量與初始添加的0.762g試重質(zhì)量更加接近，說明峰值差法提取不平衡質(zhì)量的幅值相位的方式誤差更小，更精確。

4 結(jié)論

基于LabView圖形化編程軟件，分別針對(duì)相關(guān)性法、FFT法、峰值差法編寫了振動(dòng)信號(hào)基頻幅值相位提取程序，并進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行轉(zhuǎn)子不平衡量的檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與相關(guān)性法和FFT法相比，采用峰值差法作為轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡系統(tǒng)提取振動(dòng)信號(hào)基頻幅值相位的程序，計(jì)算出的轉(zhuǎn)子不平衡量誤差更小，更加精準(zhǔn)。

[1] 李舜酩,郭海東,李殿榮.振動(dòng)信號(hào)處理方法綜述[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2013,34(8):1907-1915.

[2] 牟玉喆,潘鑫,高金吉,等.基于LabVIEW的不平衡振動(dòng)信號(hào)相位實(shí)時(shí)提取方法研究[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2015(5):17-20.

[3] 郭俊華,伍星,柳小勤,等.轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡中振動(dòng)信號(hào)幅值相位的提取方法研究[J].機(jī)械與電子,2011(10):6-10.

[4] 李斌,羅敏,王俊英,等.自適應(yīng)整周期采樣和相關(guān)濾波在轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2016 (10):74-77,82.

[5] 李振興.細(xì)化FFT的短時(shí)傅立葉變換方法[J].四川兵工學(xué)報(bào),2010,31(2):133-135,141.

[6] 全國(guó)試驗(yàn)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).平衡機(jī)的描述檢驗(yàn)與評(píng)定:GB/T 4201—2006[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2006.

Influence of Vibration Signal Extraction Method on Dynamic Balance Accuracy

ZHANG Jiawei, TIAN Guohong

( School of Automobile and Traffic Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121000, China )

In the rotor dynamic balance system, the extraction of fundamental frequency amplitude and phase of vibration signal plays an important role in calculating the accuracy of rotor imbalance. In view of the large error in the calculated rotor unbalance caused by the traditional method of extracting the amplitude and phase of vibration signal, a peak difference method is proposed to extract the amplitude and phase of rotor vibration signal. The peak difference method, correlation method and fast fourier transform(FFT)method are written into LabView rotor dynamic balance vibration signal amplitude and phase extraction program respectively. The rotor dynamic balance experiment is carried out, and the rotor unbalance calculated by the three methods is analyzed and compared. The experimental results show that compared with the correlation method and FFT method, using the peak difference method as the program to extract the amplitude and phase of the fundamental frequency of the vibration signal in the rotor dynamic balance system, the calculated rotor unbalance error is smaller and more accurate.

Vibration signal extraction;Peak difference method;Correlation method; Fast fourier transform(FFT) method;LabView;Dynamic balance accuracy

U464.331.1

A

1671-7988(2022)24-119-05

U464.331.1

A

1671-7988(2022)24-119-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.024.022

張佳偉（1995—），男，碩士，研究方向?yàn)檐囕v CAD/CAE/CAM技術(shù)、測(cè)試控制與編程，E-mail:1063604547 @qq.com。