專利名稱：一種軸扭轉變形測試中消除振動噪聲的方法
技術領域：
本發明涉及一種測量技術，特別涉及一種軸扭轉變形測試中消除振動噪聲的方法。
背景技術：
軸扭轉變形可以反映軸材料特性、負載特性及安全性等許多信息，在機械工程中是一項基礎但很關鍵的測試技術，其測試包括靜態和動態測量兩個方面。靜態測量中主要是對材料的扭轉力學性能進行測試；在動態測量方面，能夠間接表征旋轉動力機械設備的扭矩、功率等運行狀況信息從而對設備的動力特性、運行可靠性進行監測和故障診斷。因此軸扭轉變形是各種機械產品開發、質量檢驗、優化控制、工況監測和故障診斷等的重要內容。
實現軸扭轉變形測量需要解決傳感器、能量供給和信號傳輸三方面的問題。目前， 國內外研制和開發的傳感器種類很多，從原理上講主要分為應變型、磁彈性型、轉角型等。 應變型是目前國內外使用最多的一種扭轉變形傳感器，它采用在旋轉軸表面貼應變片的傳統方法，利用適當的電路取得信號，然后進行分析處理，該類測試系統應用時需要妥善解決在旋轉條件下的可靠供電和信號傳輸問題。磁彈性型和轉角型因對制作、安裝工藝要求高，目前在工業現場還很少獲得應用。
經對現有技術的文獻檢索發現，文獻“轉軸扭角及扭振測試技術研究”(張曉玲； 唐錫寬，清華大學學報(自然科學版)，1997年08期)提出了采用編碼器來測量軸的扭轉角方法。測量由編碼器發出的脈沖時間間隔可以獲得在裝置編碼器軸斷面處的角速度。 比較軸兩端斷面的角速度，可得到扭轉角速度和其它有關扭角和扭振信息。該文獻提出了一種軸扭轉變形測試的技術方案，但沒有涉及因軸系旋轉而引起振動噪聲的處理問題。
經對現有技術的文獻檢索發現，文獻“基于希爾伯特變換的扭振測量方法及其在齒輪故障診斷中的應用”(孫良環太原理工大學碩士論文，2005 )提出了應用高精度光電編碼器測取扭振信號，當扭振發生時，由于扭振信號對編碼器輸出的脈沖信號進行了頻率調制而產生疏密變化，用希爾伯特變換對此信號進行解調就能得到扭振信號，并嘗試了利用該扭振測量方法對齒輪進行故障診斷的研究。該文獻側重與對扭振信號的測試和分析，沒有涉及扭轉變形與振動信號的分離問題。
經對現有技術的文獻檢索發現。專利“用于測量織機搖軸扭振扭角的裝置”(申請號CN200710023899. 9)公開了一種用于測量織機搖軸扭振扭角的裝置，該裝置用于測量并輸出主軸角位移信號、搖軸中部的應變信號，具有分析搖軸的扭轉角度和扭振大小的演算器。可以看出該專利技術主要是采用了編碼器、傾角傳感器和應變橋來測試角位移和應變， 從而間接得到轉速、搖軸轉動慣量和搖軸的扭振之間的關系。該專利涉及的對象是角位移而不是軸扭轉變形，也沒有涉及振動噪聲信號的處理問題。發明內容
本發明是針對軸扭轉變形動態變化性的問題，提出了一種軸扭轉變形測試中消除振動噪聲的方法，消除了振動對測試結果的影響，解決惡劣條件下高速轉軸的扭轉變形的動態實時測量問題，大大提高測量精度。本發明的技術方案為一種軸扭轉變形測試中消除振動噪聲的方法，通過在被測軸上沿軸向相距一定長度的位置設置等間距的反射柵，并在正對每個反射柵位置置一組激光光纖傳感器組成一個測試通道，在與這組激光光纖傳感器正交位置設置完全相同的另一組激光光纖傳感器組成另外一個測試通道，工作時通過雙通道同步采集存儲獲取包含轉速和扭轉變形信息，包括相位差在內的原始信號；然后分別對兩路原始信號進行經驗模態分解(EMD)，得到包含不同類別信息的各階本征模態函數(IMF)，對兩路信號各階本征模態函數(IMF)的相關分析，提取反映特定載荷作用的本征模態函數(IMF)，最后對該本征模態函數(IMF)取加權平均得到被測信息即軸扭轉變形。所述被測軸上沿軸向相距一定長度上設置等間距的反射柵，反射柵由反光和不反光的等寬條紋組成，沿圓周均勻排列。所述對同步采集存儲的兩路原始信號分別進行經驗模態分解(EMD)數據處理，是把一個時間序列的信號分解成若干不同尺度的本征模態函數(IMF)和一個殘余量，各IMF 反映了信號的局部特性，殘余量反映了信號的趨勢或均值，各IMF要滿足兩個條件第一整個信號中零點數與極點數(包括極大值點和極小值點)相等，至多相差1 ；第二信號上任意一點，由局部極大值點確定的包絡線和由局部極小值點確定的包絡線均值均為零， 即信號關于時間軸局部對稱。本發明的有益效果在于本發明軸扭轉變形測試中消除振動噪聲的方法，與現技術相比，以激光光纖傳感器取代了常用的編碼器，具有結構簡單、成本低、抗干擾能力強、適應惡劣環境的優勢。雙通道測試結構的正交配置、同步采集以及引入經驗模態分解(EMD)和相關分析算法可有效消除因旋轉軸系振動而引入的噪聲干擾，大大提高測量精度。


圖1為本發明被測軸、反射柵及光纖傳感器安裝位置示意； 圖2為本發明軸扭轉變形測試電路的原理框圖3為本發明軸扭轉變形測試光纖傳感器輸出經精密整形后的波形圖及相位差圖； 圖4為本發明軸扭轉變形測試中一路測試信號經EMD后的各階IMF圖。
具體實施例方式如圖1所示，在被測軸上沿軸向相距一定長度的表面設置等間距的反射柵(即反射和不反射光的條帶)，反射柵可通過機械加工或熱處理形成，要求寬窄均勻，邊沿平齊，機械加工原則上不能影響軸本身的機械特性，軸向距離可根據安裝空間、材料特性以及測試靈敏度和分辨率要求來確定，圓周方向反射柵條紋數目可根據測試的動態特性要求來確定，為方便數據處理，建議取6的倍數，本實施列為30。如附圖1所示，A/B, C/D兩組四個激光光纖傳感器選用Keyence (基恩士) FS-V30超大功率傳感器，可在苛刻環境下進行穩定的長距離檢測，具有33 μ s全球最快的響應速度。光纖傳感器通過滑套垂直固定，A/B，C/D兩組正交配置。當軸以一定的負荷旋轉時，A，B兩個傳感器輸出為具有一定相位差的脈沖信號，假設傳感器A，B分別對應 60個黑白相間的色標，那么每轉有30個脈沖，假設采樣時間為t，脈沖數為N，那么轉速 = |，被測軸受扭后，在軸向距離L上產生的相對扭轉變形角 30 χ 艮口 θ =ML / JG式中J-被測軸截面的極慣性矩 L-軸向變形長度 G-軸剪切彈性模量此變形角可由A，B兩路信號的相位差Φ來反映了，如附圖3所示光纖傳感器輸出經精密整形后的波形圖及相位差圖。
同理傳感器C，D兩路信號也會產生同樣的相位差。
測試電路模塊如附圖2所示，系統以FPGA為核心，進行相位檢測和雙通道信號同步采集存儲，為后續信號處理提供原始數據。電路系統采取模塊化的設計思想，包括電源電路、放大電路、精密整形電路、FPGA主控電路、Flash存儲電路、通訊電路。反射柵和激光光纖傳感器將扭矩信號轉化成電信號，經放大整形后送入精密整形電路得到兩路同頻方波， 兩路同頻方波在FPGA內部經過異或運算得到表征相位差的脈沖信號，然后采用等精度測量技術測量其周期和脈寬，并將測量結果送到Flash存儲芯片AT45DB081中存儲，需要時可將數據從存儲器中讀出并經串口發送到上位機進行顯示或后續處理。
如圖4所示為一路測試信號經EMD后的各階IMF圖，對同步采集存儲的兩路原始信號分別進行經驗模態分解(EMD)數據處理，基本思想是把一個時間序列的信號分解成若干不同尺度的本征模態函數(IMF)和一個殘余量。各IMF反映了信號的局部特性，殘余量反映了信號的趨勢或均值。各IMF要滿足兩個條件①整個信號中零點數與極點數 (包括極大值點和極小值點)相等，至多相差1;②信號上任意一點，由局部極大值點確定的包絡線和由局部極小值點確定的包絡線均值均為零，即信號關于時間軸局部對稱。具體分解過程可采用如附圖4所示的以下方法(1)首先確定出信號x(t)的所有極大值點和極小值點，然后將所有極大值點和極小值點分別用三次樣條曲線擬合，從而獲得信號的上包絡曲線和下包絡曲線，計算出它們的平均值曲線1111(0，用x(t)減去mi(t)得hjt)= x(t) —mi(t);不滿足IMF的兩個條件，則將Ill (t)作為原信號重復第(1)步， 直到滿足條件，完成IMF第一階分解得=C1U) = hlk(t); (3)從原信號中減去C1 (t)得第一階剩余信號r“t) =x(t) — C“t)，再把r“t)作為新的原信號，重復第(1)、(2)步依次得到 C2(t)，r2(t),C3(t)，r3(t)、…Cn(t)，rn(t) ； (4)當 rn(t)成為一個單調函數時，篩分結束。由此得到把原始數據表示為固有模態函數分量和一個殘余項之和。
從上述的EMD分解過程可以看出，這種分解方法可以理解為以信號的極值特征尺度為度量的篩分過程。信號從最小的特征尺度進行篩分，從而獲得最短周期的固有模態函數，隨后，經過一層層的篩分，獲得周期長度逐漸增大的多IMF，這個過程也體現了多分辨分析的濾波過程。越早分解出來的本征模函數頻率越高，第一個分解出來的代表原信號的最高頻率成份。這種濾波器充分保留了信號本身的非線性和非平穩特征，具有自適應強，對信號類型沒有限制的特點。利用這些特征可以有效的去除信號的噪聲干擾，充分保留信號的局部特征。在信號的濾波和去噪中具有很大的優勢。在本測試中，振動噪聲信號頻率性對較高，對應與較低階的IMF，被測扭轉變形一般為靜態和準靜態，信號頻率性對較低，對應與較高階的IMF。由于在軸上正交位置測量得到的振動信號具有一定的隨機性，兩組信號的相關性較低。而被測的扭轉變形信號是有相同的載荷作用引起的，理論上在正交位置處也完全相同，且采用了同步采集，所以理論上兩路信號的具有很強的相關性。因此通過對兩路信號各階本征模態函數(IMF)從高到底對應作相關分析，提取相關系數大于設定閾值的本征模態函數(IMF)作為有效信號，然后對兩組有效信號做加權平均來得到被測信息即軸扭轉變形的測試結果。
權利要求
1.一種軸扭轉變形測試中消除振動噪聲的方法，其特征在于，通過在被測軸上沿軸向相距一定長度的位置設置等間距的反射柵，并在正對每個反射柵位置置一組激光光纖傳感器組成一個測試通道，在與這組激光光纖傳感器正交位置設置完全相同的另一組激光光纖傳感器組成另外一個測試通道，工作時通過雙通道同步采集存儲獲取包含轉速和扭轉變形信息，包括相位差在內的原始信號；然后分別對兩路原始信號進行經驗模態分解(EMD)，得到包含不同類別信息的各階本征模態函數(IMF)，對兩路信號各階本征模態函數(IMF)的相關分析，提取反映特定載荷作用的本征模態函數(IMF)，最后對該本征模態函數(IMF)取加權平均得到被測信息即軸扭轉變形。
2.根據權利要求1所述軸扭轉變形測試中消除振動噪聲的方法，其特征在于，所述被測軸上沿軸向相距一定長度上設置等間距的反射柵，反射柵由反光和不反光的等寬條紋組成，沿圓周均勻排列。
3.根據權利要求1所述軸扭轉變形測試中消除振動噪聲的方法，其特征在于，所述對同步采集存儲的兩路原始信號分別進行經驗模態分解(EMD)數據處理，是把一個時間序列的信號分解成若干不同尺度的本征模態函數(IMF)和一個殘余量，各IMF反映了信號的局部特性，殘余量反映了信號的趨勢或均值，各IMF要滿足兩個條件第一整個信號中零點數與極點數(包括極大值點和極小值點)相等，至多相差1 ；第二信號上任意一點，由局部極大值點確定的包絡線和由局部極小值點確定的包絡線均值均為零，即信號關于時間軸局部對稱。
全文摘要
本發明涉及一種軸扭轉變形測試中消除振動噪聲的方法，通過在被測軸上沿軸向相距一定長度的位置設置等間距的反射柵，并在正對每個反射柵位置置一組激光光纖傳感器組成一個測試通道，在與這組激光光纖傳感器正交位置設置完全相同的另一組激光光纖傳感器組成另外一個測試通道，通過雙通道同步采集兩路原始信號進行經驗模態分解(EMD)，得到包含不同類別信息的各階本征模態函數(IMF)，對兩路信號各階本征模態函數(IMF)的相關分析，提取反映特定載荷作用的本征模態函數(IMF)，最后對該本征模態函數(IMF)取加權平均得到被測信息即軸扭轉變形。具有結構簡單、成本低、抗干擾能力強、適應惡劣環境的優勢。大大提高測量精度。
文檔編號G01B11/16GK102494626SQ20111036669
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月18日 優先權日2011年11月18日
發明者嚴康平, 吉小軍, 戴明, 易海鷗, 李濤, 王佩君 申請人:中國船舶重工集團公司第七0四研究所