多通道故障信號的采集處理及實(shí)現(xiàn)

摘要：鑒于故障特征信號的多樣性，對機(jī)械設(shè)備需測取不同的信號進(jìn)行分析，以提高診斷的合理性。為此我們用面向?qū)ο蟮姆椒▽?shí)現(xiàn)了多通道信號的數(shù)據(jù)采集，并編制了多種處理算法，提高了信號的信噪比。

關(guān)鍵詞：采集 面向?qū)ο?預(yù)處理 故障診斷

機(jī)械設(shè)備故障診斷涉及的面很廣，單從選用的特征信號來看就有很多種。每種信號有各自的特點(diǎn)，有不同的應(yīng)用場合；而每一種故障又可能表現(xiàn)出若干特征，故障信息可能包含在幾種特征信號之中。因此，對于一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)往往需要測取不同的信號然后進(jìn)行綜合分析，以提高診斷的可靠性。在實(shí)際中，往往通過多路傳感器綜合測試，并通過多路Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換送入計(jì)算機(jī)從而把所需的包含故障主要信息的特征信號盡可能提取出來，如圖１。這樣的綜合測試可全面地測量出故障信號，測試時(shí)間少，信號真實(shí)準(zhǔn)確。為此，我們在ｗｉｎｄｏｗｓ環(huán)境下，采用面向?qū)ο缶幊虒?shí)現(xiàn)了故障信號的多通道數(shù)據(jù)采集[１][２][３][５]?？紤]到測試信號含有的噪聲信號，提供并實(shí)現(xiàn)了幾種處理算法，其中主要介紹了倒譜分析在診斷中的應(yīng)用。

１ 數(shù)據(jù)采集

１.１ 原理

數(shù)據(jù)采集是把代表故障特征的模擬信號進(jìn)行數(shù)字離散化。機(jī)械設(shè)備故障特征信號經(jīng)過電荷放大器和抗混迭濾波器濾去與故障特征信號無關(guān)的高頻與低頻信號，再經(jīng)過Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換到達(dá)計(jì)算機(jī)。Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換芯片采用ＡＮＡＬＯＧ ＤＩＶＩＣＥＳ公司產(chǎn)品ＡＤ１７６４，該芯片為１２位逐次比較型高速Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部含有采樣保持器。轉(zhuǎn)換速度的時(shí)間為８．５μｓ，加上采保時(shí)間１．５μｓ則完成一次采樣轉(zhuǎn)換的時(shí)間為１０μｓ，因此本板最高采樣頻率為１００ｋＨｚ。Ａ／Ｄ板通道控制采用軟件選擇方式，通過通道預(yù)置寄存器任意選擇轉(zhuǎn)換通道。在實(shí)際中使用了Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換板上的５個(gè)通道ＣＨ１～ＣＨ５，且每個(gè)通道的增益可設(shè)。Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換的觸發(fā)信號是由板上定時(shí)器８２５３的０通道發(fā)出的，通過編程利用８２５３定時(shí)計(jì)數(shù)器發(fā)出等間隔定時(shí)脈沖來連續(xù)觸發(fā)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換，同時(shí)查詢狀態(tài)位同步讀取數(shù)據(jù)，可獲得準(zhǔn)確的采樣頻率。

１.２ 軟件實(shí)現(xiàn)

為提高采樣速度，Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換程序采用匯編語言編寫，由Ｂｏｒｌａｎｄ Ｃ＋＋５．０編制的主程序調(diào)用?？赏瓿蓡瓮ǖ?、多通道以及大容量的數(shù)據(jù)采集，并且可設(shè)置采樣數(shù)據(jù)長度、采樣頻率和每一個(gè)通道的程控放大倍數(shù)。參數(shù)設(shè)置全部集成在一個(gè)對話框類中，有良好的人機(jī)對話界面，如圖２所示。

其中設(shè)置通道控件彈出一個(gè)對話框用來設(shè)置通道，最多為５個(gè)通道；設(shè)置頻率控件彈出對話框可在３０Ｈｚ～１００ｋＨｚ之間設(shè)置采樣頻率；設(shè)置增益控件彈出對話框可分別設(shè)置通道增益為１、２、４、６、８、１６倍；采樣長度控件彈出的對話框允許用戶在（１、２、４、６、８、１６、２４）×１０２４點(diǎn)中選擇。這５個(gè)對話框類都是從基類（ＴＤｉａｌｏｇ）派生出來的子類，并形成各具自己功能的類。這些類采用了繼承、友員、封裝、多態(tài)的特性，共同完成Ａ／Ｄ參數(shù)設(shè)置。其中圖２所對應(yīng)的對話框類是最主要的，由它創(chuàng)建和關(guān)閉其它四個(gè)對話框類的實(shí)例。它有一個(gè)Ｐａｒａｍ結(jié)構(gòu)，用戶設(shè)置的Ａ／Ｄ參數(shù)多存貯在此結(jié)構(gòu)中。為保存這些參數(shù)，定義了如下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

ｔｙｐｅｄｅｆ ｓｔｕｒｃｔ{

ｉｎｔ Ｎｕｍｂｅｒ； ／／總共采集通道數(shù)

ｄｏｕｂｌｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ； ／／采樣頻率

ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ Ｌｅｎｇｔｈ； ／／采樣數(shù)據(jù)長度

ｉｎｔ Ｃｈａｎｎｅｌ[５]； ／／采樣通道號

ｉｎｔ Ｇａｉｎ[５]； ／／采樣通道增益

}Ｐａｒａｍ

參數(shù)設(shè)置好后即可啟動Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換，為便于以后的離線信號分析把采樣進(jìn)來的數(shù)據(jù)保存成文件，該文件格式為：

采樣數(shù)據(jù)長度

采樣頻率

通道數(shù)

通道號次序

每通道的增益

數(shù)據(jù)部分

……

數(shù)據(jù)部分是用四位十六進(jìn)制數(shù)表示，由于Ａ／Ｄ為１２位，數(shù)據(jù)的最后一位無意義，每個(gè)數(shù)占一行。多通道采樣，則數(shù)據(jù)交替放置。例如對于以下數(shù)據(jù)：

４０００

１０２４

５

１ ２ ０ ３ ４

２ １ ２ ２ ２

ａｃｂ０

７５ａ０

……

表示采樣頻率為４０００Ｈｚ，每通道采樣長度為１０２４點(diǎn)，同時(shí)對５個(gè)通道進(jìn)行采樣，采樣通道號為１、２、０、３、４，所對應(yīng)的放大倍數(shù)分別為２、１、２、２、２，隨后是采樣進(jìn)來的數(shù)據(jù)。

２ 預(yù)處理

由于各種客觀因素的影響，信號中常?；煊性肼?。有時(shí)噪聲可把信號“淹沒”，信號通過Ａ／Ｄ 后的離散信號，又帶來了Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的量化噪聲。因此，在對該信號進(jìn)行譜分析之前，有必要對它進(jìn)行預(yù)處理，提高信噪比。

在預(yù)處理前，首先進(jìn)行通道設(shè)置決定對哪個(gè)通道的信號進(jìn)行處理。如信號比較弱，可對信號放大即設(shè)置增益從而便于分析，如圖３。

２.１平滑濾波

平滑濾波是為了濾掉高頻噪聲，其計(jì)算公式由下式給出。

設(shè)ｘ(ｎ)的長度為Ｎ，即ｎ＝２,３．．．Ｎ－３；

則ｘ(ｎ)＝1 / 35[－３ｘ(ｎ－２)＋１２ｘ(ｎ－１)＋１７ｘ(ｎ)＋１２ｘ(ｎ＋１)－３ｘ(ｎ＋２)]

對于ｎ＝０,１和ｎ＝Ｎ－２,Ｎ－１四個(gè)點(diǎn)的平滑，公式如下：ｘ(０)＝1 / 70[６９ｘ(0)＋４１ｘ(１)－６ｘ(２)＋４ｘ(３)－ｘ(４)]

ｘ(１)＝1 / 35[２ｘ(０)＋２７ｘ(１)＋１２ｘ(２)－８ｘ(３)＋２ｘ(４)]

ｘ(Ｎ－２)＝1 / 35[２ｘ(Ｎ－５)－８ｘ(Ｎ－４)＋１２ｘ(Ｎ－３)＋２７ｘ(Ｎ－２)＋２ｘ(ｎ－１)]

ｘ(Ｎ－１)＝1 / 70[－ｘ(Ｎ－５)＋４ｘ(Ｎ－４)－６ｘ(Ｎ－３)＋４ｘ(Ｎ－２)＋６９ｘ(Ｎ－１)]

２．２去脈沖干擾

脈沖干擾的計(jì)算如下：

設(shè)有信號ｙ(ｎ)，ｎ＝１，２···Ｎ，其中Ｎ是４的倍數(shù)。

對ｙ(ｉ)，ｙ(ｉ＋１)，ｙ(ｉ＋２)，ｙ(ｉ＋３)四個(gè)數(shù)值分別從大到小進(jìn)行排序，得到:

ｙ′(ｉ)，ｙ′(ｉ＋１)，ｙ′(ｉ＋２)，ｙ′(ｉ＋３)其中ｉ＝０，４，８···Ｎ／４；

則去脈沖干擾后的信號為：

Ｙ(ｉ)＝Ｙ(ｉ＋１)＝Ｙ(ｉ＋２)＝Ｙ(ｉ＋３)＝[ｙ′(ｉ＋１)＋ｙ′(ｉ＋２)]／２

２．３時(shí)域平均

時(shí)域平均是從混有噪聲干擾的信號中提取指定的周期信號，消除信號中與給定周期無關(guān)的信號。對機(jī)械圖象以一定的周期為間隔截取信號，然后將所截得的信號段疊加平均，這樣可消除信號中的非周期分量和隨機(jī)干擾，保留確定的周期分量。

設(shè)一信號ｘ(ｔ)由周期信號ｆ(ｔ)和白噪聲ｎ(ｔ)組成

ｘ(ｔ)＝ｆ(ｔ)＋ｎ(ｔ)

以ｆ(ｔ)的周期截取信號ｘ(ｔ)的數(shù)據(jù)段，共截Ｎ段，再把各段中的對應(yīng)數(shù)據(jù)相加，由于信號與白噪音的不相關(guān)性，可得：

ｘ(ｔｉ)＝Ｎｆ(ｔｉ)＋Nｎ(ｔｉ)

再對ｘ(ｔｉ)平均，得輸出信號ｙ(ｔｉ)

ｙ(ｔｉ)＝ｆ(ｔｉ)＋ｎ(ｔｉ)／N

輸出信號的白噪聲是輸入信號ｘ(ｔ)中的白噪聲的１／N倍，即信噪比提高了N倍。

用１０２６Ｈｚ的頻率采樣信號ｙ(ｋｔ)：

ｙ(ｋｔ)＝５×ｓｉｎ(２×π×９×ｋｔ)＋６×ｓｉｎ(２×π×３８×ｋｔ)

并對此信號進(jìn)行時(shí)域平均，如圖４(ａ)，可提取出頻率為３８Ｈｚ的高頻信號。圖４(ｂ)的上半部分圖形顯示原始信號，下半部分顯示被提取出的信號。

若想繼續(xù)提取頻率為９Ｈｚ的信號，可激活圖４(ｂ)所顯示窗口的“繼續(xù)時(shí)域平均”菜單項(xiàng)，輸入被提取周期的點(diǎn)數(shù)為１１４，繼續(xù)時(shí)域平均得到圖形如圖４(ｃ)，其中上半部分表示提取出頻率為３８Ｈｚ后的時(shí)域信號，下半部分表示被提取出的頻率為９Ｈｚ的信號。

３ 譜分析

頻譜分析在許多方面比時(shí)域分析更直觀和有效，因而它一直被作為設(shè)備診斷不可缺少的手段。系統(tǒng)在譜分析時(shí)，應(yīng)首先進(jìn)行譜分析設(shè)置，該項(xiàng)主要設(shè)置兩項(xiàng)參數(shù)－通道號和數(shù)據(jù)的增益。而倒頻譜分析具有特殊的優(yōu)越性，它把振動源和路徑分開，降低了從信號源到測量點(diǎn)的某些隨機(jī)傳遞路徑的影響。對于齒輪箱系統(tǒng)的診斷，由于故障齒輪運(yùn)行時(shí)存在著幅值調(diào)制和頻率調(diào)制現(xiàn)象，因而齒輪箱振動信號在嚙合頻率及其高次諧波兩邊出現(xiàn)以軸的轉(zhuǎn)動頻率為調(diào)制頻率的調(diào)制邊帶。當(dāng)故障變嚴(yán)重時(shí)，調(diào)制邊帶數(shù)目增多，幅值增大，從功率譜上難以判斷其狀態(tài)，而利用倒譜可以提取邊帶的變化信息，以診斷系統(tǒng)的故障狀態(tài)。鑒于篇幅關(guān)系，在此只介紹倒譜的分析過程。在實(shí)現(xiàn)上對采集信號不僅可進(jìn)行倒譜分析并能對其進(jìn)行編刪，去掉其不必要的峰值再通過倒譜的反過程運(yùn)算，得到將原始信號分離后的功率譜。圖５(ａ)是故障信號的倒譜分析時(shí)域波形顯示，可看出它主要由４０Ｈｚ和５００Ｈｚ的信號組成，且采樣頻率設(shè)為２０００Ｈｚ。

從圖５(ａ)功率譜圖部分可看出在４０Ｈｚ和５００Ｈｚ兩邊分別有邊頻帶產(chǎn)生，其中低頻部分的相對幅值較小，在譜圖上顯示不明顯，為此可通過倒譜的編刪削弱高頻成分的能量，使低頻部分突出。功率譜上的坐標(biāo)與倒譜上的“倒頻”之間呈倒數(shù)關(guān)系，功率譜上的高頻成分反映在倒頻上就是低倒頻成分，為削減高頻能量，首先求其倒頻ｑ＝１／５００＝０．００２；而從倒譜圖上可看出在倒頻為０．００２時(shí)，其對應(yīng)的倒譜值最大，可通過對話框?qū)ζ溥M(jìn)行編刪，如圖５(ｂ)，編刪后的結(jié)果如圖５(ｃ)。

由圖５(ｃ)的功率譜部分，看出雖然高頻成分的分布情況依然如故，但其幅度已大大降低(可比較圖５(ａ)和圖５(ｃ)功率譜的幅值坐標(biāo))，且低頻部分的頻率成分已比較清晰地顯示出來。

機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜，振源較多。為合理得到診斷結(jié)果，需提取多個(gè)特征信號進(jìn)行信號分析。為此我們在Ｗｉｎｄｏｗｓ環(huán)境下，采用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)實(shí)現(xiàn)了多通道信號的數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理，增加了系統(tǒng)的柔性、可擴(kuò)充性。用戶可根據(jù)實(shí)際要求設(shè)置采樣通道、采樣長度、通道增益、采樣頻率等Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換參數(shù)，并進(jìn)行信號處理。以此為基礎(chǔ)的ＤＳＰ系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中取得了良好的應(yīng)用效果。