基于频谱分析的天文望远镜跟踪实验系统故障诊断

　　0　引　　言

　　天文望远镜跟踪系统是天文望远镜重要部分,它的运行性能直接影响到望远镜的正常观测和观测精度。因此,天文望远镜对跟踪系统的误差来源分析、运行状态检测和故障诊断有着十分重要的现实意义。运用故障诊断技术研究天文望远镜跟踪系统故障的性质,分析误差来源,首先要获得天文望远镜跟踪系统运行状态的诊断信息。获得诊断信息的方法有很多种,如直接观察、振动检测、位置检测、速度检测、磨损检测和运行性能监测等[1]。对天文望远镜跟踪系统而言,除位置检测、速度检测之外,振动检测也是重要的方法之一。本文由实验获得大天区面积多目标光纤光谱望远镜LAMOST的摩擦驱动试验装置的振动信号,提取出振动的频率特征,分析出摩擦驱动实验系统的振动源。

　　1　望远镜跟踪系统响应和信号处理[2-4]

　　1.1　系统响应分析

　　天文望远镜跟踪系统主要由轴系、驱动系统、减速系统、测角系统等机电系统组成,因此,跟踪系统的运行由机电系统多种因素决定,跟踪系统的运行位置是多因素决定的多元函数:

　　Φ=F(x,y,…u,…) (1)

　　当系统结构不完善时,必然有一定的误差,从而引起整个跟踪系统的运行误差,即:

　　各独立分量的叠加就是系统的总误差。为了提高系统精度,必须分析每一分量对总量的影响。采集天文望远镜跟踪系统振动信号,进行信号处理,把采集的信号变换到频率域,分离出不同的谐波分量,找出误差的来源,以便分别消除。

　　1.2　功率谱分析

　　假设x(t)是各态历经的平稳随机过程的样本函数,经采样后,获得离散时间序列x(k),k=1,2…N-1,N为一个离散序列的采样点数。

　　离散时间序列的DFT为:

　　直接傅立叶变换计算功率谱密度为:

　　为了对振动信号功率谱估计有较高的置信度,对采集的数据进行了多次平均。线性平均为:

　　为了得出中间的平均结果,一般采用递推格式:

　　功率谱分析提取信号的频域特征,依据能量在不同频率上的情况来判断系统的状态,功率谱图反映了系统的状态信息。据没有故障就没有谱线的理论,在谱线对应的频率处,就存在着振动,相应有一个故障存在。所以把功率谱图与系统中的元件和机构参数联系起来,找出系统存在的故障。

　　2　振动测试和数据分析

　　2.1　测试装置、仪器和测试过程

　　实验装置如图1所示。测试的目的是拾取摩擦盘和电机的振动信号。实验时,采用加速度传感器,采集大摩擦盘的切向振动加速度,由此矢量来全面反映大摩擦盘的振动状态。传感器安装在电机上,以获得电机的振动信号。