基于微型傳感器的旋轉機械角域振動信號獲取裝置和方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及機械傳動領域，尤其涉及一種基于微型傳感器的旋轉機械角域振動信 號獲取裝置和方法。
【背景技術】
[0002] 旋轉機械廣泛應用于電力，石化，冶金，煤炭，核能，制造，航空，軍事等工業，是生 產中的關鍵設備。然而，由于許多無法避免的因素的影響，旋轉構件容易出現各種故障，弓丨 起機械設備事故，甚至造成巨大的經濟損失與人員傷亡，產生嚴重的社會影響。旋轉機械在 運行過程中，轉速往往發生變化，由此導致產生的振動信號非平穩，為早期故障的正確識別 和預示帶來了困難。
[0003] 以旋轉構件角位置為橫坐標的角域振動信號可以克服轉速波動對信號平穩性帶 來的影響。目前，針對旋轉機械角域振動信號的獲取方法，國內外學者已經進行了大量的研 究工作。
[0004] -些學者提出硬件階次跟蹤方法，為旋轉機械安裝轉速計，通過鑒相裝置與頻率 合成器實時調整振動信號采樣頻率，使其與參考軸轉速變化一致，采集到的信號即為角域 信號。
[0005] 另一種為計算角域重采樣方法，為旋轉機械安裝旋轉編碼器，同步采集編碼器脈 沖與振動加速度信號，再根據脈沖信號中包含的角位置信息對振動信號進行二次采樣，得 到角域信號。
[0006] 前述方法都需要額外安裝轉速計或旋轉編碼器，而在一些場合中不具備安裝此類 額外傳感器的條件，故此時前述角域振動信號采集方法不適用。同時，傳統的角域振動信號 獲取方法將加速度傳感器固定于機器殼體或軸承座上，旋轉構件發生故障時，故障振動信 號經復雜的傳遞路徑傳播至傳感器位置時，振動能量已明顯衰減，故障特征無法有效提取。 所以亟需本領域技術人員解決相應的技術問題。
【發明內容】
[0007] 本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題，特別創新地提出了一種基于微 型傳感器的旋轉機械角域振動信號獲取裝置和方法。
[0008] 為了實現本發明的上述目的，本發明提供了一種基于微型傳感器的旋轉機械角域 振動信號獲取裝置，包括:加速度傳感器安裝在旋轉機械齒輪的徑向，所述旋轉機械齒輪安 裝加速度傳感器的位置設置凹槽，將所述加速度傳感器放入凹槽中，所述加速度傳感器信 號輸出端連接滑環轉子端，滑環定子端連接信號采集儀器的信號接收端，所述滑環定子端 安裝在旋轉軸上，所述旋轉機械齒輪圓心處開設鍵槽，所述旋轉軸從旋轉機械齒輪的圓心 處穿出。
[0009] 所述的基于微型傳感器的旋轉機械角域振動信號獲取裝置，優選的，還包括滑環；
[0010] 所述滑環轉子端套在旋轉軸上，所述滑環定子端連接信號采集儀器。
[0011] 所述的基于微型傳感器的旋轉機械角域振動信號獲取裝置，優選的，所述加速度 傳感器為單軸微型加速度傳感器。
[0012] 所述的基于微型傳感器的旋轉機械角域振動信號獲取裝置，優選的，所述旋轉機 械齒輪徑向內側或者外側安裝加速度傳感器。
[0013] 本發明還公開一種基于微型傳感器的旋轉機械角域振動信號獲取方法，包括如下 步驟：
[0014] S1，通過加速度傳感器采集旋轉機械齒輪振動加速度信號，并將所得信號經過線 性相位濾波器進行濾波；
[0015] S2,對濾波后信號進行群延遲修正，獲取低頻轉速信號數據和高頻振動加速度信 號數據；
[0016] S3,通過希爾伯特變換得到該加速度傳感器的瞬時角位置參考信號數據，對高頻 振動加速度信號數據進行重采樣，得到角域振動加速度信號值。
[0017] 所述的基于微型傳感器的旋轉機械角域振動信號獲取方法，優選的，所述S1包括：
[0018] 從微型加速度傳感器采集的離散數字信號用數組s表示，信號長度為m個采樣點：
[0019] s = [s(0) s(l). . .s(m)]T
[0020] 將所得信號s分別通過線性相位低通濾波器和線性相位高通濾波器，濾波器抽頭 權系數分別用線性相位低通濾波數組WL和線性相位高通濾波數組WH表示，濾波器階數為N， 濾波器群延遲分別為低通濾波TL個采樣點和高通濾波TH個采樣點：
[0021] WL=[WL(0) wl(1) . . .wl(N)]t,
[0022] wh=[wh(0) wh( 1). . .wh(N)]t〇
[0023] 所述的基于微型傳感器的旋轉機械角域振動信號獲取方法，優選的，所述S2包括：
[0024] 濾波后的信號為低通濾波信號&和高通濾波信號SH表示，即原始信號與濾波器抽 頭權數組的卷積運算結果：
[0025]
[0026]
[0027] 由于濾波器對信號相位的延遲作用，濾波后的信號存在不同長度的群延遲，為同 步濾波后的兩組信號，以便后續重采樣計算，需要對兩組信號進行群延遲修正，即分別將兩 組信號從時域上向前移動和個采樣點，修正后的信號即為低頻轉速信號SR與高頻振動 加速度信號SA，
[0028] sr=[sl(tl) sl(tl+1). · .SL(m)]T，
[0029] sa=[sh(th) sh(th+1). . .sh(iii)]t〇
[0030] 所述的基于微型傳感器的旋轉機械角域振動信號獲取方法，優選的，所述S3包括：
[0031] 對低頻轉速信號進行希爾伯特變換得到復數解析信號，再對復解析信號求幅角提 取轉速信號的瞬時相位，所述加速度傳感器的瞬時角位置，用SP表示：
[0032] sp = Arg(Hilbert(SR))
[0033] 以SP作為參考角度信號，對原始時域振動信號SA進行重采樣，為角域振動加速度信 號。
[0034] 所述的基于微型傳感器的旋轉機械角域振動信號獲取方法，優選的，所述S3中重 采樣步驟包括：
[0035] S3-1，讀取旋轉機械齒輪第一個采樣點的角度值和加速度值；
[0036] S3-2,將該采樣點的加速度值存入角域信號數組中；
[0037] S3-3,將該采樣點設置為參考點；
[0038] S3-4，讀取下一個采樣點的角速度值；
[0039] S3-5,將該下一個采樣點與參考點的角度值相減；
[0040] S3-6,如果相減之后的角度值大于等于1度則執行S3-2,如果小于一度則舍棄該采 樣點的加速度值，重新執行S3-4。
[0041] 綜上所述，由于采用了上述技術方案，本發明的有益效果是：
[0042] 通過單個加速度傳感器同時獲取轉速和轉子振動加速度兩種信息，且獲取的角域 信號不受內部振動傳遞路徑的影響，對轉子故障更加敏感，為旋轉機械故障的預示與診斷 提供了新的途徑。
[0043] 本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
【附圖說明】
[0044] 本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得 明顯和容易理解，其中：
[0045] 圖1是本發明加速度傳感器位置示意圖；
[0046] 圖2是本發明總體示意圖；
[0047] 圖3是本發明加速度傳感器獲得的信號包含低頻正弦信號與高頻振動加速度信號 示意圖；
[0048] 圖4是本發明低頻振動信號的頻率示意圖；
[0049] 圖5是本發明振動信號獲取計算結果示意圖；
[0050] 圖6是本發明總體工作流程圖。
【具體實施方式】
[0051] 下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
[0052]在本發明的描述中，需要理解的是，術語"縱向"、"橫向"、"上"、"下"、"前"、"后"、 "左"、"右"、"豎直"、"水平"、"頂"、"底" "內"、"外"等指示的方位或位置關系為基于附圖所 示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝 置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限 制。
[0053]在本發明的描述中，除非另有規定和限定，需要說明的是，術語"安裝"、"相連"、 "連接"應做廣義理解，例如，可以是機械連接或電連接，也可以是兩個元件內部的連通，可 以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對于本領域的普通技術人員而言，可以根據 具體情況理解上述術語的具體含義。
[0054] 本專利提出一種角域振動信號獲取方法，通過單個加速度傳感器同時獲取轉速和 轉子振動加速度兩種信息，且獲取的角域信號不受內部振動傳遞路徑的影響，對轉子故障 更加敏感，為旋轉機械故障的預示與診斷提供了新的途徑。
[0055] 如圖1所示，本發明提供了一種基于微型傳感器的旋轉機械角域振動信號獲取裝 置，包括:加速度傳感器安裝在旋轉機械齒輪的徑向，所述旋轉機械齒輪安裝加速度傳感器 的位置設置凹槽，將所述加速度傳感器放入凹槽中，所述加速度傳感器信