一种转子振动位移信号的校准方法及装置

技术领域

本发明涉及旋转机械领域，尤其涉及一种转子振动位移信号的校准方法及装置。

背景技术

根据转子振动位移信号的测试原理，所测量得到转子振动位移响应与转子表面与测量探头的间隙成比例关系，所测得的转子振动位移响应实际上是转子表面与测量探头之间的间隙变化。

然而，由于加工因素或转子表面形貌缺陷的存在，转子测量截面的表面形貌偏离圆形。或者由于安装的不对中，或初始弯曲存在时，使得在转子转动的过程中，转子表面形貌及安装因素导致的间隙变化，也会作为噪声被记录至转子的振动响应中。此时若不对所测得的振动响应进行校准处理，容易致使振动信号淹没在噪声信号中，以至于丢失转子的振动特征。

现有技术中针对该问题多是通过提高转子表面加工精度或装配要求，而对于已经获取转子振动位移数据的试验而言，该些方法于事无补。且无论是提高转子表面加工或是提高装配要求，对于时间、效率、成本等方面均有较大的影响，不利于广泛应用。

为了克服现有技术存在的上述缺陷，本领域亟需一种转子振动位移信号的校准方法及装置，用于校准转子的振动位移响应信号，避免由于加工或是装配所导致的转子振动信号淹没在测量噪声中，无需改变转子加工进度或装配要求，提升转子振动信号的测量精度。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

为了克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种转子振动位移信号的校准方法，包括：基于预设低转速下的转子振动数据，获取转子振动的角域校正信号；以及将该角域校正信号转换为时域校正信号，在该转子的振动位移信号中减去该时域校正信号以去除该振动位移信号中的噪声信号。

在一实施例中，优选地，该获取转子振动的角域校正信号，包括：基于转子的转速脉冲序列确定转子的整周期采样点，该整周期采样点表示在该转速脉冲序列中该转子每转一圈至整周期点时所对应的数据编号；截取一段时间区间内，该转子在预设低转速下的振动数据；根据该整周期采样点、该转速脉冲序列的脉冲采样频率以及振动信号采样频率，对该时间区间内的该振动数据以圈为单位进行分割以获取每圈的时域校正信号；以及将该时域校正信号转换至角域以获取该转子振动的角域校正信号。

在一实施例中，优选地，该预设低转速不大于该转子一阶临界转速的15％且转速波动不大于10rpm。

在一实施例中，优选地，该获取转子振动的角域校正信号，还包括：在将该时域校正信号转换至角域之前，将该时域校正信号转换至频域以获得频域校正信号，对该频域校正信号进行频域滑动平均处理；以及将滑动平均后的该频域校正信号再转换至时域以获取经处理后的时域校正信号。

在一实施例中，优选地，该获取转子振动的角域校正信号，还包括：对该转子振动的角域校正信号按对应的相位点进行平均或执行角域滤波以获取经处理后的角域校正信号。

在一实施例中，优选地，该基于转子的转速脉冲序列确定转子的整周期采样点，包括：获取该转速脉冲序列中的上升沿序列或下降沿序列；基于转速采样轴齿数与传动比计算等效齿数，该等效齿数表示该转子每转一周在转速采样轴上转过的圈数；基于该上升沿序列或该下降沿序列以及该等效齿数构造相对应地等效上升沿序列或等效下降沿序列，该等效上升沿序列或等效下降沿序列表示该转子转动一周所经过的上升沿或下降沿；以及基于该等效上升沿序列或等效下降沿序列相应地在该上升沿序列或该下降沿序列中进行插值以确定该整周期采样点。

在一实施例中，优选地，该根据该整周期采样点、该转速脉冲序列的脉冲采样频率以及振动信号采样频率，对该时间区间内的该振动数据以圈为单位进行分割以获取每圈的时域校正信号，包括：确定该转子的整周期采样序列号，该整周期采样序列号等于该整周期采样点乘以该振动信号采样频率与该脉冲采样频率的比值；以及根据该整周期采样序列号以及该时间区间的起止点对该时间区间内的该振动数据以圈为单位进行分割以获取该转子转动时每圈的该时域校正信号。

在一实施例中，优选地，该将该角域校正信号转换为时域校正信号，包括：将该角域校正信号转换为阶域校正信号，再将该阶域校正信号转换为频域校正信号，最后将该频域校正信号转换为该时域校正信号。

在一实施例中，优选地，该校准方法还包括：基于多个不同预设低转速下的转子振动数据，获取多个该转子振动的角域校正信号，并转换成多个时域校正信号；以及将该多个时域校正信号的平均值作为最终时域校正信号，基于该最终时域校正信号去除该振动位移信号中的噪声信号。

本发明的另一方面还提供了一种转子振动位移信号的校准装置，包括：存储器；以及与该存储器耦接的处理器，该处理器配置用于执行以上任一项所描述的转子振动位移信号的校准方法的步骤。

本发明提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以上任一项所描述的转子振动位移信号的校准方法的步骤。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1是根据本发明的一实施例绘示的转子振动位移信号的校准方法的方法流程示意图；

图2是根据本发明的一实施例绘示的获取转子振动的角域校正信号的方法流程示意图；

图3是根据本发明的一实施例绘示的去除转子振动位移信号中的噪声信号的方法流程示意图；

图4是根据本发明的一实施例绘示的角域校准数据的雷达图；

图5是根据本发明的一实施例绘示的校准前后转速-幅值变化示意图；

图6是根据本发明的一实施例绘示的校准前后转速-相位变化示意图；以及

图7是根据本发明的另一方面绘示的转子振动位移信号的校准装置的装置结构示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合优选实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，在以下的说明中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“水平”、“垂直”应被理解为该段以及相关附图中所绘示的方位。此相对性的用语仅是为了方便说明之用，其并不代表其所叙述的装置需以特定方位来制造或运作，因此不应理解为对本发明的限制。

能理解的是，虽然在此可使用用语“第一”、“第二”、“第三”等来叙述各种组件、区域、层和/或部分，这些组件、区域、层和/或部分不应被这些用语限定，且这些用语仅是用来区别不同的组件、区域、层和/或部分。因此，以下讨论的第一组件、区域、层和/或部分可在不偏离本发明一些实施例的情况下被称为第二组件、区域、层和/或部分。

为了克服现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供了一种转子振动位移信号的校准方法及装置，用于校准转子的振动位移响应信号，避免由于加工或是装配所导致的转子振动信号淹没在测量噪声中，无需改变转子加工进度或装配要求，提升转子振动信号的测量精度。

图1是根据本发明的一实施例绘示的转子振动位移信号的校准方法的方法流程示意图。

请参照图1，本发明提供的转子振动位移信号100包括：

步骤101：基于预设低转速下的转子振动数据，获取转子振动的角域校正信号；以及

步骤102：将该角域校正信号转换为时域校正信号，在该转子的振动位移信号中减去该时域校正信号以去除该振动位移信号中的噪声信号。

下面以实施例具体展开说明。

在一实施例中，该获取转子振动的角域校正信号，可以包括：

基于转子的转速脉冲序列确定转子的整周期采样点，该整周期采样点表示在该转速脉冲序列中该转子每转一圈至整周期点时所对应的数据编号。

例如，先获取转子的转速脉冲时域数据，也就是转速脉冲序列p，以及转速脉冲采样频率fsN、转速采样轴齿数nTooth及转速测量轴与主轴之间的传动比TR。基于转子的转速脉冲序列确定转子的整周期采样点，可以包括下面几个步骤：

首先获取该转速脉冲序列p中的上升沿序列或下降沿序列pp，该序列存储了转速脉冲序列中上升沿或下降沿所对应的序列号；

再基于转速采样轴齿数nTooth与传动比TR计算等效齿数nTooth_eq，等效齿数nTooth_eq＝nTooth*TR，该等效齿数表示该转子每转一周在转速采样轴上转过的圈数，是获取整周期采样的关键。在实际操作中，对于传动比TR可以采用高精度数值类型例如double类型。

接着基于该上升沿序列或该下降沿序列pp的长度lenPP，以及该等效齿数nTooth_eq构造相对应地等效上升沿序列或等效下降沿序列，该等效上升沿序列或等效下降沿序列是等差序列，公差为等效齿数，表示该转子转动一周所经过的上升沿或下降沿。

最后，基于该等效上升沿序列或等效下降沿序列index_pp_eq相应地在该上升沿序列或该下降沿序列中进行插值以确定该整周期采样点indexT，indexT＝interp(1:length(pp),pp,index_pp_eq)，其中interp(x,y,x1)函数的功能是以(x,y)为数据源，在x1点处插值，获取y1，该整周期采样点序列indexT代表的是在转速脉冲序列p中，转子整周期点对应的数据编号。

获得整周期采样点后，在该实施例中，获取转子振动的角域校正信号，还可以包括：

截取一段时间区间内，该转子在预设低转速下的振动数据。

在一实施例中，该预设低转速不大于该转子一阶临界转速的15％且转速波动不大于10rpm。预设低转速的设置可以使得所获取的转子振动位移信号中尽可能的去除振动特征量而保留由于形貌特征或安装缺陷所导致的噪声分量，从而作为校正信号用于转子振动信号的校准工作。

确定了预设低转速，就可以根据转子整周期采样点indexT及转速脉冲信号的采样频率fsN，得到转子的转速曲线，并截取该时间区间内的振动数据，作为初筛数据。

接着，根据该整周期采样点indexT、该转速脉冲序列的脉冲采样频率fsN以及振动信号采样频率fsV，获取对应振动信号的整周期采样序列号indexD＝indexT*fsV/fsN，再根据该时间区间的截断起始时间t_s、终止时间t_e，对该时间区间内的该振动数据以圈为单位进行分割以获取每圈的时域校正信号。

最后将该时域校正信号转换至角域以获取该转子振动的角域校正信号。例如，获取每圈近似不包含振动信号的时域校准信号后，根据转子振动信号的采样频率fsV对噪声信号进行时-角域转换，从而获取角域校准信号。

在一实施例中，优选地，该获取转子振动的角域校正信号，还可以包括：在将该时域校正信号转换至角域之前，将该时域校正信号转换至频域以获得频域校正信号，对该频域校正信号进行频域滑动平均处理；以及将滑动平均后的该频域校正信号再转换至时域以获取经处理后的时域校正信号。

例如，可以对每圈的角域校正信号进行傅里叶变换，获取该圈信号的频域特征。根据该圈对应转速所对应的频率，对每圈的振动信号分别进行频域滑动平均处理，例如频域滤波或以转速对应频率进行多点取平均后，再进行傅里叶逆变换。得到每圈近似不包含振动信号的时域校准信号。

在一实施例中，优选地，该获取转子振动的角域校正信号，还可以包括：对该转子振动的角域校正信号按对应的相位点进行平均或执行角域滤波以获取经处理后的角域校正信号。

例如，对获取的各圈角域噪声信号按对应相位点进行平均，例如角域滤波，得到角域校准数据。

图2是根据本发明的一实施例绘示的获取转子振动的角域校正信号的方法流程示意图。

请参考图2，在一实施例中，获取转子振动的角域校正信号首先执行步骤201：获取转子的转速脉冲时域数据，同时还可以获取转速脉冲采样频率fsN、转速采样轴齿数nTooth及转速测量轴与主轴之间的传动比TR，根据该些参数执行步骤202：确定转子的整周期采样点IndexT，然后获取转子在预设低转速下的转速曲线。接着执行步骤203：根据转子振动采样频率fsV和截断起始时间和终止时间，在转子在预设低转速下的振动时域数据中截取一段时间区间内，该转子的振动时域截断数据VibT。

继而执行步骤204：逐圈分割获取第i圈的转子振动时域数据VibT(i)；步骤205：时频变换获取第i圈转子振动频域数据FFT(i)。

优选地，再基于第i圈转速对应频率fspd(i)执行步骤206：获取第i圈转子振动频域修正数据FFT_Cali(i)；步骤207：执行傅里叶逆变换以获取第i圈转子振动时域修正数据VibT_cali(i)；以及步骤208：执行时角域转换获取第i圈转子振动角域数据VibA(i)。

接着执行步骤209：判断IndexT是否超出振动截断数据范围；若未超出，i＝i+1，回到步骤204，循环执行步骤204～209，直至超出截断范围后，转至步骤210：获取到截断时间内振动角域数据矩阵VibA。

在一实施例中，优选地，可以基于多个不同预设低转速下的转子振动数据，获取多个该转子振动的角域校正信号，并转换成多个时域校正信号；以及将该多个时域校正信号的平均值作为最终时域校正信号，基于该最终时域校正信号去除该振动位移信号中的噪声信号。

也就是步骤211：对所获取到的多个角域校正信号取平均值从而获取到转子振动角域校正信号VibA_Cali。至此，步骤101中的获取转子振动的角域校正信号的全部步骤执行完毕。

在获取到角域校正信号后，就可以执行步骤102，将角域校正信号转换为时域校正信号，从而用以去除转子振动位移信号中的噪声信号。在一实施例中，该将该角域校正信号转换为时域校正信号，可以包括：将该角域校正信号转换为阶域校正信号，再将该阶域校正信号转换为频域校正信号，最后将该频域校正信号转换为该时域校正信号。更具体可参见图3。

图3是根据本发明的一实施例绘示的去除转子振动位移信号中的噪声信号的方法流程示意图。

请参照图3，在一实施例中，去除转子振动位移信号中的噪声信号首先执行步骤301：获取多个低转速下的振动数据，即在设计转子推转试车谱时，选取几个低转速进行停留，对每个低转速的振动数据进行上文所描述的处理方法，从而得到多个预设低转速下的转子振动的时域校正信号。继而步骤302：执行时角频域的转换以将时域校正信号转换为角域振动数据xnoise(θ)，计算各转速下角域振动数据的平均值，例如双重角域滤波，作为后续使用的振动校准数据x

接着执行步骤303：执行角阶域转换以获取阶域振动校准数据xnoise(o)。例如，可以根据以下公式进行角-阶域的转换：

其中，

步骤304：根据转子转速Spd，执行阶-频域的转换以获取频域振动校准数据xnoise(ω)。例如，可以根据以下公式进行阶-频域的转换：

其中，X

步骤305：利用傅里叶逆变换，将频域振动校准数据，转换为时域振动校准数据xnoise(t)：

其中,x

再实时更新时域校准数据，例如可以利用信号模拟器、D-C转换等手段，根据转子转速spd，实时更新该时域校准数据。

步骤306：测得转子位移振动数据x(t)；以及最终执行步骤307：将测得的转子位移振动数据x(t)与校准数据x

通过同步采样，统一至时域进行校准，例如，将该时域校准数据xcali_T(t)输入系统，与转子振动数据x(t)采用同步采样，将测得的转子位移振动数据与校准数据做差后，获得转子实际振动的位移数据。在获取到转子实际振动的位移数据后，可根据需要，进一步开展轨迹、频域、阶次域等分析。至此，本发明提供的转子振动位移信号的校准方法全部执行完毕。

本发明提供的转子振动位移信号的校准方法，通过合理设计试车谱，可用于在线监测、离线分析转子振动时，消除转子加工、安装的影响，获取真实的转子振动特性。同时通过引入转速脉冲信号，提高转子振动位移数据的利用率，避免重复试验，提高效率，节省了成本。

下面可通过几幅实验数据图验证本发明提供的转子振动位移信号的校准方法的有效性。

图4是根据本发明的一实施例绘示的角域校准数据的雷达图。

对某次转子试验中，利用本发明提供的校准方法对存在角不对中的测点数据的进行降噪校准处理。所选取的校准转速为600rpm，在图4所示的雷达图中，径向代表校准数据的角域数值，周向代表校准数据的周向角度。从图4中可以看出，由于角不对中的存在，校准数据呈心形，在约350°时角不对中为最大值。

下面分别就使用与不使用该角域校准数据，对该测点数据进行处理。结合图5、图6，以基频数据为例，说明本发明方法的有效性。

图5是根据本发明的一实施例绘示的校准前后转速-幅值变化示意图。

请参照图5，图5中虚线为校准前的基频数据，实线为校准后的基频数据。从图5中可以看出，由于角不对中的存在，未使用校准数据的结果，在过1阶临界转速(4100rpm)前，幅值先减小后增大，为明显的反共振特征，此外，在高转速时，幅值达0.2mm，量级不对，这两点同时也说明了该处测点的数据质量不高。而在应用了本发明提供的校准方法后，其1阶临界转速(4100rpm)的幅值特征十分明显。且在高转速幅值量级正常，证明了本方法可靠与有效性能。

图6是根据本发明的一实施例绘示的校准前后转速-相位变化示意图。

图6所示的是未使用与使用校准数据前后，转子基频相位的差异。如图6所示，未使用校准数据时，在临界转速前(0-4000rpm)，相位呈现先增大，再减小的趋势，这与理论不符，侧面说明数据质量不高。而在使用校准数据进行校准后，在临界转速前，相位较为稳定(-3.14rad与+3.14rad为周向同一相位点)，且有缓慢下降趋势，在过临界转速(4100rpm)时，相位翻转180°，这与理论相符，也说明了本方法的有效性。

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

图7是根据本发明的另一方面绘示的转子振动位移信号的校准装置的装置结构示意图。

如图7所示，本发明的另一方面还提供了一种转子振动位移信号的校准装置700，包括：存储器701；以及与该存储器701耦接的处理器702，该处理器702配置用于执行以上任一项所描述的转子振动位移信号的校准方法的步骤。

根据本发明的另一方面，本文还提供了一种计算机存储介质的实施例。

该计算机存储介质上存储有计算机程序。该计算机程序被处理器执行时，可以实现上述任意一种转子振动位移信号的校准方法的步骤。

本领域技术人员将可理解，信息、信号和数据可使用各种不同技术和技艺中的任何技术和技艺来表示。例如，以上描述通篇引述的数据、指令、命令、信息、信号、位(比特)、码元、和码片可由电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光学粒子、或其任何组合来表示。

本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。

本案描述的处理器可使用电子硬件、计算机软件或其任何组合来实现。此类处理器是实现为硬件还是软件将取决于具体应用和加诸于系统的整体设计约束。作为示例，本公开中呈现的处理器、处理器的任何部分、或处理器的任何组合可用微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑器件(PLD)、状态机、门控逻辑、分立的硬件电路、以及配置成执行贯穿本公开描述的各种功能的其他合适的处理组件来实现。本公开中呈现的处理器、处理器的任何部分、或处理器的任何组合的功能性可用由微处理器、微控制器、DSP或其他合适的平台执行的软件来实现。

结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读取和写入信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。在替换方案中，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。

在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。