用模式匹配的转子振动信号同步整周期重采样方法研究

　　1　引言

　　旋转机械的振动信号是反映旋转机械工作状态的重要信号之一,振动信号分析一般采用频谱分析的方法。对于旋转机械的振动信号,采用整周期采样可以 消除或减弱频谱分析中的非整周期采样存在的谱泄漏和栅栏效应,有利于振动信号的精确分析以及旋转机械状态监测和故障诊断。因此,研究旋转机械振动信号整周 期采样方法有重要意义。

　　牛玉广等人结合旋转机械振动信号检测系统的工程实践,设计出随工作频率自动调整采样频率的采样控制电路,该电路可方便地实现与计算机的连接,简 化采集系统的软硬件设计,并具有一定的通用性[1]115-116。杨国田等人介绍一种利用PCL818数据采集卡进行16通道同步整周期采样的实现方 案,实验结果表明,振动数据采集正常,各个周期同步良好[2]25-27。张韧等人介绍一种应用重采样技术的旋转机械振动信号的整周期采样方法,通过三次 样条插值从定时采样的数据中获得整周期采样的数据,经过实验证明是可行的[3]58-59。文红举等人通过同步采集振动信号和转速信号的方法,用软件实现 整周期重采样[4]16-18。贾文超等人应用DSP(digital signal process)技术和整周期自适应采样算法,实现砂轮振动信号倍频采样,并且给出砂轮动平衡测试中的具体应用[5]793-795。V. Staudt等人通过先把信号和窗函数相乘,然后进行快速傅里叶变换的方法进行信号的周期估计[6]953-956。C. I. Byrnes等人通过构造滤波器组对信号滤波,获得信号的周期[7]3190-3203。文献[1]115-116[2]25-27的方法采用硬件实现, 整周期脉冲是通过测量过去的转速,并预测下周转速来实现的,因此有系统复杂,在转速变化较快情况下有周期采集不准,相位误差较大的缺点;文献 [3]58-59的方法利用键相信号的峰峰值和平均值来搜索周期起止点,在某些情况下会出错,可靠性不是很好;文献[4]16-18的方法只能进行整周期 采集,没有振动信号同步相位的信息;文献[5]793-795的方法是通过泰勒级数展开,然后去除高次项而获得近似公式,因此,在转速变化较大时整周期采 集精度也会受到较大的影响;文献[6]953-956[7]3190-3203的方法获得的周期不是很准确,不宜用于信号的整周期采样。本文针对这些不 足,提出利用模式匹配的转子振动信号同步整周期采样方法,较好地解决这些问题。

　　2　方法原理

　　本方法的研究对象为采用等时间间隔同步采样的转子键相和振动信号数据。

　　图1和图2所示信号是在本特利公司的转子试验台上由自制的数据采集系统同步采集得到,数据长度为1 000点,键相信号也作为一路振动信号同步采集,采样频率为6 400 Hz,转速为2 250 r/min,处于升速阶段。图1为振动信号波形和傅里叶变换后的幅值谱,由转速可得转频为37.5 Hz,由图可见,幅值谱由于周期采集不准,频谱泄漏较严重。图2为键相信号波形和幅值谱。