相位与频谱校正方法.pdf

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1、相位与频谱校正方法陈兴辉100076中国运载火箭技术研究院北京京航公司谷玉海胡北赵恒张巧玲100192北京信息科技大学机电系统测控重点实验室摘要在旋转机械的振动监测与故障诊断中。相位是一个很重要的信息，现在已越来越受到人们的重视，本文介绍了实际振动监测中相位的相关知识，并使用软件对采集的信号的频率，幅值，相位进行校正。仿真分析和实际应用都达到了很好的效果。关键词相位频谱校正1概述针对设备故障诊断中有时会出现一个频谱特征对应几种故障的情况，如果进行频谱结合相位分析方法就能帮助我们比较准确地确定故障的真正原因，全息谱就是利用相位信息，使设备的振动得到全面的反映，以

2、提高故障诊断的准确率。另外在做动平衡时，由相位读数可以推算出振动信号高点，知道机械滞后角后，就可以求出转子上不平衡量的方向。由此我们有必要研究相位的含义，以及如何比较准确地得到相位的值。2相位的含义目前国内使用的不同型号的振动仪器．尽管都采用脉冲测相。但测得的振动信号的相位含义不同。其主要差别表现在两个方面。一是标准信号是导前还是滞后；二是振动信号上取点位置不同。由此造成了不同型号的振动仪测得的振动相位含义各不相同。日本明石DEP—D型表的相位表示标准脉冲信号前沿滞后于振动信号第一个正向过零点的角度。美国BentlyDVF-2，DVF-3，TK-20，’n(-

3、84，108，208振动仪的相位含义是标准脉冲信号前沿导前振动信号第一个正峰值的角度。日本明石DEP—E型表，其相位表示标准脉冲信号前沿导前振动信号第一个正向过零点的角度。北京京航公司3538动平衡仪，振动相位表示标准脉冲信号前沿滞后振动信号第一个正峰值的角度。由于直接对现场采集的信号进行傅里叶变换分析，其信号频率、幅值、相位都有一定的误差．尤其是相位的误差会很大，所以应该对其进行校正。校正方法主要有采用整周期采样然后进行傅里叶变换和首先进行傅里叶变换然后用算法进行校正。3整周期采样’非整周期采样又称为非同步采样。其模拟信号频率分量的幅值会在数字域中产生泄露，

4、应用DFr变换不能精确分析模拟信号频谱。而整周期采样又称为同步采样，它可以用DFI"变换精确分析连续周期信号的频谱。实现对信号同步采样的技术．主要有硬件同步技术和软件同步技术。硬件同步技术利用硬件电路动态锁定连续周期信号的频率．并对周期信号进行分频，用倍频后的输出作为采样启动信号。硬件同步主要有三个局限性：一是捕捉信号的频率范围有限。二是锁定需要时间，不适合于瞬态分析，三是电路比较复杂。价格比较昂贵。软件同步技术通过软件调整采样频率或采样点数来进行整周期采样。但是需要先采集得到转子的基频。本文用latbview对信号进行了仿真分析，发现整周期采样时信号的频率．

5、幅值和相位误差都比较小。4频谱校正技术要实现相位误差补偿，硬件相位校正方法的电路价格比较昂贵，用软件实现整周期采样则要先采集得到转子的基频，而采用算法实现就不需得到转子的基频，也不会增加硬件的成本。频谱校正的原理有很多的方法。本文使用的方法可以在未知窗函数频谱数学表达式的情况下，通过对连592续两段离散信号进行谱分析获得相位差并对相位及频率进行精确校正。校正原理：将采集到的原始单频率信号分为连续的两段样本(图I)．设每段点数为Ⅳ，则两段信号的函数表达式分别为相位0茹l(t)=Asin(2"rfot+Oo)x2(t)=Asin(2"巧fot+矾)第一段信号第二段

6、信号、八八八八八八VV屹丹．)√VV＼图I连续两段单频率成分信号的时域波形(1)(2)其中A为原始信号的幅值．五为其频率，Oo、吼分别是两信号的初始相位角。对上述两段信号分别加相同的窗函数并进行离散傅里叶变换，r为窗函数的周期。则式(2)可变换为茗2(‘)=asin(21rfot+01)=Asin(21rfot+2百／or+岛)(3)简化后得巩+21rfoT=0l(4)其中／o=Z(J}+Ak)／N，k为峰值谱线号．触(Ak=-0．5一o．5)为频率校正量，T=M，Z为采样频率。代入式(3)，则可得2订(蠡+Ak)+00=巩由于k是整数，对相位而言，21r为周

7、期，故21rk可忽略不计，式(5)可简化为矾一Oo=△居×21r(6)因而可得到归一化后的频率校正量表达式肚：华(7)式(7)中的％、巩都是未知的．但峰值谱线k处的相位角可通过离散傅里叶变换公式求得0t----tan。1(惫)㈦，I，冠分别为峰值谱线的虚部和实部。对两段信号都是加相同的窗函数后再进行离散傅里叶变换，变换后的相频函数在窗函数主瓣内不但都具有线性关系。而且斜率相同(图2)，则有So20,o一△J}黼(9)0I=以l一△后×冒相位校正量的可写为AO=0l—Oo=巩I一只曲(10)将式(10)代入式(7)便可得到(5)名专弋一O髫七+10t＼信号I日、

8、太厂。卜觖弋O≮七+l信号2图2两段信