检测键相信号周期的新方法研究

　　0 引言

　　转速测量是获取旋转机械状态信息的一种重要手段[1]，也是实现振动信号整周期采样的一个必要条件。目前，转速测量通常是用硬件实现，在旋转机械的转轴上开一个槽，同时将电涡流传感器对准这个槽。旋转机械每旋转一周，就会产生一个脉冲信号，通常称之为键相信号。测量键相信号的周期即可获得旋转机械的转速，对键相信号也可以作为振动信号整周期采样的触发信号。

　　硬件方法比较常见的有数字锁相环、单片机等实现形式。胡劲松等提出了一种适用于单片机的转速预估算法，可以提高旋转机械整周期采样精度，实际使用效果较好[2]。杨国田等采用 68HC12 微控制器进行转速、相位的测量以及同步整周期采样触发信号的生成,并且实现了转速的非线性预测[3]。硬件方法需要特殊的电路，会增加成本，也不够灵活。

　　软件方法，通常用过零检测来确定脉冲信号的周期，张韧等提供了一种计算键相信号周期的算法，通过比较采样电压和参考电压，将其中一个采样点作为过零点[4]，这种算法的精度完全由采样频率决定，误差较大。过零检测在电力信号谐波分析领域有比较多的应用，张秀丽等介绍了一种线性插值算法来确定信号的过零点[5]，这种算法的精度比较文献[4]的算法有所提高。软件方法因零点检测法，由一两个采样点来估计零点位置，精度无法与硬件方法比较，而且易受到噪声的影响。

　　本文提出一种新的软件方法测量脉冲信号的周期，用重心法测量脉冲周期，这种方法用较多的采样点参与计算。将重心法和过零检测技术做了比较，并且将重心法应用到振动信号整周期采样中。

　　1 重心法检测脉冲周期

　　如图1，旋转机械的键相信号有一定的宽度，图中小圆点表示键相脉冲的采样点。参考电压不一定为0，但为了方便说明，参考电压设定为0V。脉冲所在位置就由这些采样点来估计。为了充分利用这些采样点提供的信息，减小噪声的影响，应该有尽量多的采样点参与计算，而不仅仅是过零点附近的几个采样点。因此，可以计算这些采样点的重心来确定脉冲位置，即箭头所在位置。参与计算的采样点由参考电压来确定，采样电压大于参考电压的参与计算，即为画了竖线的采样点。可得到以下公式：

　　2 重心法和过零法的比较

　　里所指的过零点技术，是指信号的采样值穿越某个参考值，不是特指穿越0 点。如果采样点不恰好是过零点，那么过零点用线性插值方法来获取，图2 和图1 是同一个脉冲波形，由参考电压上下的两个点来确定过零点，即箭头所在位置。在实际计算时，需要解方程。