基于半周期積分算法的微小振動測量研究

作者 趙佳楠 張丕狀 中北大學(xué) 信息探測與處理技術(shù)研究所(山西 太原 030051)

趙佳楠(1989-)，男，碩士生，研究方向：基于嵌入式的高速數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)。

摘要：為了能夠監(jiān)測工廠機器的健康狀況，并在機器出現(xiàn)故障征兆時盡早發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計了一套測量其關(guān)鍵部位振動狀態(tài)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了基于FPGA的多通道大容量數(shù)據(jù)采集方案，并使用32片加速度傳感器(型號為MPU6050)作為振動數(shù)據(jù)的采集模塊。對保存下來的數(shù)據(jù)進行了頻譜分析、去噪。當測量振動幅值時，加速度計的輸出信號要經(jīng)兩次積分，引入的漂移將會隨時間越來越大^[1]。為了減少漂移帶來的影響，采用半周期積分算法來繪制機器各個關(guān)鍵部位的振動軌跡。通過繪制的各頻率分量的振動波形，并與歷史記錄相比較，可以起到監(jiān)測機器工作健康狀況的作用。

引言

　　隨著我國工業(yè)化程度越來越高，工廠中參與生產(chǎn)的現(xiàn)代化機器逐漸向大規(guī)模和高精度的特點發(fā)展，機器的各部分零件的銜接緊密程度也越來越高。隨著機器工作時間的增長，各部分零件之間會產(chǎn)生一定的磨損。那么對于機器的健康狀況的檢測就成了一個減少損失很重要的方法。

　　現(xiàn)有的故障診斷方法整體上分成定性分析法和定量分析法兩大類^[2]，其中定量分析法又分為數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法和基于解析模型的方法^[3]。數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法主要由五大類組成：信號處理、粗糙集、多元統(tǒng)計分析、信息融合及機器學(xué)習(xí)。本文是針對該方法中的信號處理分支所進行的算法研究。

　　常見的信號處理分析技術(shù)有以下幾種：幅值域分析、時域分析、頻域分析和時頻域分析——小波分析方法^[4]。在幅值域分析方法中，人們是對采集到的振動點處的加速度信號進行處理，得到其相應(yīng)的速度及幅值曲線。由加速度數(shù)據(jù)獲得振動點的速度及幅值曲線需要經(jīng)過兩次積分，隨著漂移的引入會使得對于積分結(jié)果的分析異常困難。

　　借助于機器振動的周期性以及相對于靜止點的對稱性等特點，本文采用了一種半周期積分算法。該算法能夠很好地消除由于漂移帶來的累積的積分誤差，并將該誤差限制于半個周期內(nèi)。采用該算法獲得的振動點的速度及幅值曲線能夠很好地描述測試點的振動情況。

1 機器健康狀況監(jiān)測原理

1.1 振動點的振動信號來源分析

　　圖1所示為實測的機器振動點的加速度頻譜圖。由圖可知，測試點的振動來源不是單一的，是由連接該振動點的各個零件的振動共同疊加形成的。其疊加后的振動信號通過FFT變換產(chǎn)生的新的諧波分量可以一定程度上反應(yīng)各個機器零件的振動情況。每個零件振動的中心頻率一般是不變的^[5]，但是隨著該零件的磨損程度逐漸加重，該零件振動的中心頻率會發(fā)生一定的偏移，并會對該振動測試點的各振動頻率分量產(chǎn)生明顯的影響^[6]。

　　如果一個零件的磨損情況較為嚴重，其運轉(zhuǎn)時會加重測試點的低頻分量;如果一個零件發(fā)生斷裂等嚴重的損壞，更是會直接影響到測試點的諧振頻率分布。

1.2 振動信號的處理與分析

　　首先，被測振動點一般選擇為各個零部件結(jié)合部，對于該監(jiān)測點的監(jiān)測才具有一定的參考價值。

　　其次，對于采集到的振動點的加速度數(shù)據(jù)，我們需要經(jīng)過頻譜分析，判斷出哪些頻率分量具有監(jiān)測意義。頻譜中存在不小的直流分量，這是需要我們?nèi)コ舻?。直流分量的來源有以下兩點：一是傳感器本身的零漂，二則是重力加速度在測試點振動方向上的分量。濾掉直流分量后，將具有監(jiān)測意義的諧振頻率分量分離出來，并單獨進行處理。

　　最后，將每一個單獨分離出來的頻率分量，通過半周期積分算法進行處理，繪制出該頻率分量的幅值曲線。通過對該幅值曲線進行幅值域分析，獲取其無量綱的幅值域參數(shù)，如裕度、峭度、波形、峰峰值、脈沖、斜度等，并與歷史記錄相比較，可以明顯地顯示出異常產(chǎn)生，以此來起到監(jiān)測機器健康狀況的作用。

2 硬件結(jié)構(gòu)以及算法處理

　　本系統(tǒng)采用基于FPGA的大容量存儲采集系統(tǒng)來監(jiān)測機器的振動情況。其硬件結(jié)構(gòu)為：主控芯片采用的是Xilinx公司的Spartan-3E系列的XC3S500E，同時使用了4片三星公司的NAND FLASH (K9NBG08U5A)芯片，該芯片每片有4GB的存儲容量;加速度傳感器采用的是MPU6050，其為6軸加速度陀螺儀傳感器。主控芯片內(nèi)部采用了MicroBlaze核進行數(shù)據(jù)處理，由于其內(nèi)部數(shù)據(jù)以及地址總線都是32位，因此，在不采用模擬開關(guān)的情況下，最多可以同時對32路傳感器進行數(shù)據(jù)存儲。該系統(tǒng)采用USB口通過上位機對存儲于FLASH中的數(shù)據(jù)進行讀取，再在PC機上通過MATLAB進行數(shù)據(jù)處理以及軌跡恢復(fù)。

2.1 硬件設(shè)計

　　硬件的數(shù)據(jù)采集存儲結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，使用的傳感器模塊大小為40mm×20mm。傳感器模塊采用柔性印制電路板，便于緊貼被測振動點表面。

2.2 硬件程序

　　FPGA內(nèi)部調(diào)用了MicroBlaze、中斷等IP核，并且通過調(diào)用自己寫的一個DMA程序生成的IP核來進行直接數(shù)據(jù)存儲，加快了數(shù)據(jù)存儲速率。

　　在SDK中，通過C語言寫了FLASH、USB及I2C的一些驅(qū)動函數(shù)，通過上位機對該系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集速率以及存儲采集時間的配置，可以根據(jù)不同的監(jiān)測條件選擇合適的數(shù)據(jù)采集模式。

2.3 硬件相關(guān)參數(shù)

　　普通的單軸或者雙軸加速度傳感器都是垂直于振動方向的，無法進行測量。因此，選用了具有測量Z軸加速度功能的傳感器MPU6050。

　　其加速度的測量范圍選定為±16g，采樣頻率為1kHz，輸出接口為I²C，內(nèi)置AD的分辨率為16位。

2.4 加速度傳感器的標定

　　對于單頻率微小振動軌跡的繪制，需要克服以下難點：

　　1) 如何消除傳感器本身的零漂;

　　2) 如何標定傳感器本身的比例因子靈敏系數(shù);

　　3) 如何消除數(shù)據(jù)的積分累積誤差。

　　如表1，數(shù)據(jù)手冊表明傳感器Z軸零漂范圍為±80mg，而比例因子靈敏系數(shù)的初始校準精度為±3 %。

　　為提高振動點的測量精度，在使用加速度計前需要對其各項參數(shù)進行標定。我們采用一種標定零漂和標度因子的六姿態(tài)校準方法，并建立標定方程來提高振動軌跡繪制精度。