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(jī)器的健康狀況，并在機(jī)器出現(xiàn)故障征兆時盡早發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計(jì)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(jìn)行了頻譜分析、去噪。當(dāng)測量振動幅值時，加速度計(jì)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(jī)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(jī)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(jī)器逐漸向大規(guī)模和高精度的特點(diǎn)發(fā)展，機(jī)器的各部分零件的銜接緊密程度也越來越高。隨著機(jī)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(jī)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(jì)分析、信息融合及機(jī)器學(xué)習(xí)。本文是針對該方法中的信號處理分支所進(jìn)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(diǎn)處的加速度信號進(jìn)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(diǎn)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(jī)器振動的周期性以及相對于靜止點(diǎn)的對稱性等特點(diǎn)，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(diǎn)的速度及幅值曲線能夠很好地描述測試點(diǎn)的振動情況。

1 機(jī)器健康狀況監(jiān)測原理

1.1 振動點(diǎn)的振動信號來源分析

　　圖1所示為實(shí)測的機(jī)器振動點(diǎn)的加速度頻譜圖。由圖可知，測試點(diǎn)的振動來源不是單一的，是由連接該振動點(diǎn)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(jī)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(diǎn)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(yán)重，其運(yùn)轉(zhuǎn)時會加重測試點(diǎn)的低頻分量;如果一個零件發(fā)生斷裂等嚴(yán)重的損壞，更是會直接影響到測試點(diǎn)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(diǎn)一般選擇為各個零部件結(jié)合部，對于該監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測才具有一定的參考價(jià)值。

　　其次，對于采集到的振動點(diǎn)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(diǎn)：一是傳感器本身的零漂，二則是重力加速度在測試點(diǎn)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(dú)進(jìn)行處理。

　　最后，將每一個單獨(dú)分離出來的頻率分量，通過半周期積分算法進(jìn)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。該系統(tǒng)采用USB口通過上位機(jī)對存儲于FLASH中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，再在PC機(jī)上通過MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及軌跡恢復(fù)。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

　　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(diǎn)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(jìn)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(jī)對該系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)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(biāo)定

　　對于單頻率微小振動軌跡的繪制，需要克服以下難點(diǎn)：

　　1) 如何消除傳感器本身的零漂;

　　2) 如何標(biāo)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(zhǔn)精度為±3 %。

　　為提高振動點(diǎn)的測量精度，在使用加速度計(jì)前需要對其各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。我們采用一種標(biāo)定零漂和標(biāo)度因子的六姿態(tài)校準(zhǔn)方法，并建立標(biāo)定方程來提高振動軌跡繪制精度。