专利名称：频率自跟踪变尺度随机共振故障诊断系统的制作方法
技术领域：
本发明属于检测技术与自动化装置，具体涉及一种频率自跟踪和变尺度随机共振的检测技术。
背景技术：
随机共振技术起源于上世纪八十年代初，在信号处理的增强放大和检测识别等方面有着独特的优势，已普遍应用于物理、化学、生物、天体、生命等学科中。近年来随机共振技术在机械、电子、信息等工程领域也引起广泛的关注，并开始应用于故障诊断、图象处理、目标跟踪等工程方面。由于随机共振理论研究的是小参数信号，即信号的幅度和频率以及噪声的强度都是小参数，因此当面对大参数的工程信号时，如大强度的噪声或大频率的信号等，小参数的随机共振理论将失效而无法使用。特别是在机械故障的预报诊断方面，还没有一套可操作的、利用此项技术实现故障早期预报的、现成的诊断系统，与具体的实际工程应用目标还相差很远。如何将适应小参数的随机共振技术推广应用到大参数的工程实际中，实现工程实测信号的分析，并为诸如故障的监测和早期预报等实际工程应用提供一种可行的操作系统，这是实现此项技术的难点所在。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于频率自跟踪变尺度随机共振技术的故障预报诊断系统，解决弱故障信号的检测，为实际工程应用提供一种可操作的具体装置。
本发明的技术方案为，整个检测系统由测频仪1、传感器2、A/D转换卡3、双稳电路4、D/A转换卡5、FFT频谱分析仪6组成。关键在于由变尺度调节器7、D/A转换卡5、双稳电路4、A/D转换卡3、以及信号恢复器8依次串接构成一个变尺度随机共振系统(图1中的虚框部分)。被监控设备的运行频率(或周期或转速)由测频仪1跟踪测定，并经第一个A/D转换卡3-1输入至变尺度随机共振系统，变尺度调节器7以测频仪所测得频率的50倍作为采样频率，经A/D转换卡3-1从传感器2获取运行设备的其它物理量信号，如振动、噪声等工程信号，并将此信号进行插值延迟，延迟后的数据经D/A转换卡5输入至双稳电路4产生随机共振，共振后的信号经A/D转换卡3-2输出至信号恢复器8进行信号复原，复原的信号经FFT频谱分析仪6的变换分析后得到设备运行状态的频谱特性，由频谱特性即可检测出设备中存在的故障特征。在电路接法上(如图2)A/D转换卡3-1的1通道和2通道分别接至测频仪1和传感器2，其3通道接双稳电路4的输出端。A/D转换卡3-1的输出同时接入变尺度调节器7和信号恢复器8的输入口，变尺度调节器7的输出接D/A转换卡5的输入，D/A转换卡5的输出接双稳电路4的输入端。信号恢复器8的输出接FFT频谱分析仪6。双稳系统可由运算放大器所组成的模拟电路来实现(如图3所示)，其中s(t)是双稳系统的输入，x(t)是双稳系统的输出，该模拟电路包括积分器、反向器、乘法器、电阻分压器以及电容和电阻。变尺度调节器7和信号恢复器8是根据流程图4编程并固化在只读存储器中的运算器，变尺度调节器完成采样点之间的插值运算，实现对双稳系统的变尺度随机共振调节；信号恢复器的作用与变尺度调节器的相反，它删除采样点间的所有插入值而保留原采样点数据位置。
本发明的特点和有益的效果在于，这种检测系统不仅突破了小参数随机共振的局限性，将随机共振技术推广到了大参数的工程实际应用中，而且利用测频仪准确自动即踪获得了设备的运行频率，克服了因设备工况变化而影响采样频率精度的问题，为变尺度随机共振技术的工程实际应用提供了必要的手段和可靠的保障。本系统可设计为便携式在线实时监测和预报的故障诊断系统，提高了故障诊断的精度，丰富了故障诊断的内容，进一步保障了设备的安全可靠的运行。
附图1为频率自跟踪变尺度随机共振故障诊断系统过程原理图。
附图2为频率自跟踪变尺度随机共振故障诊断系统通道结构图。
附图3为双稳系统模拟电路图。
附图4为频率自跟踪变尺度随机共振故障诊断系统流程图。
附图5轴端垂向采集振动信号曲线图。
附图6采集振动信号的幅频谱特性曲线图。
附图7采集振动信号随机共振时域波形曲线图。
附图8采集振动信号随机共振幅频谱特性曲线图。
具体实施例方式
以下通过实施例对本发明内容做进一步的解释。运行设备的某些故障常常以其特征频率信号形式出现，当故障处于早期萌发状态时，其特征信号往往被噪声完全淹没而不可分辨，为从噪声干扰中检测出表征故障的特征信号，以测频仪1经过A/D转换卡3-1的1通道获得设备的运行频率fo，确定A/D转换卡3-1的2通道的采样频率fs为运行频率fo的50倍，并从传感器2采集得到运行设备的其它物理量信号，如振动、噪声等，此物理量信号作为原始采样数据送入变尺度调节器7。在变尺度调节器内对所有相邻采样点进行插值，插入的点数为N，N从1开始递增，这里采用线性等分插值算法，即插入点数据为两采样点数据的等分值。比如，假设相邻两个采样点的数值分别为xi＝1和xi+1＝7，其间要插入N＝3个点，则被插入的三个点数据值依次为xi+(xi+1-xi)/(N+1)＝2.5，xi+2*(xi+1-xi)/(N+1)＝4，xi+3*(xi+1-xi)/(N+1)＝5.5。插值调节一次，插值后的采样数据便经过D/A转换卡5输入给双稳电路4，共振信号返回输入到A/D转换卡3-2的3通道进行A/D转换，并输入给信号恢复器8。在信号恢复器内，删除N个插入点位置的数据，恢复原采样点共振数据。复原的数据经FFT频谱分析仪6的变换分析后得到设备运行状态的频谱特性，如果频谱特征未达到最佳随机共振状态，那么插入的点数N加1并重复上述设备物理量信号的处理过程进行循环处理，直到故障特征信号在频谱特性中被有效检测出来。
下面是一个具体实例。
假设一台回转设备存在轻微不平衡故障，测频仪测到该设备的工频为50Hz，以2500Hz的采样频率在该设备的轴端垂向采集其振动信号如图5所示，采样点数为4000点(显示400点)，未经任何处理，该振动信号的FFT幅频谱特性如图6所示，显然表征不平衡故障的50Hz周期成分被噪声完全淹没而不可辨识。当插入点数N＝58进行变尺度随机共振时，在FFT幅频谱特性的50Hz处有一明显的谱峰如图8所示，该谱峰就是对应不平衡故障的50Hz周期成分，表明故障特征信号被有效地检测出来，相应的时域随机共振波形如图7所示。
双稳电路图3参数为R＝10KΩ，R1＝R2＝110KΩ，C＝150pf，乘法器A、B系数的乘积取为0.0036。对于每一次插值调节，信号在双稳系统中的随机共振状态由分压器K1进行调节产生，K2固定在一个适当位置不变。
参考文献[1]P.Jung，P.Hnggi，Amplification of small signal via stochastic resonance.1991，Phys.Rev.A，44(12)8032. V.Galdi，V.Pierro and IM Pinto.Evaluation of stochastic-resonance-based detectors of weak harmonicsignals in additive white Gaussian noise.1998，Phys.Rev.E，57(6)6470-6478. 卢志恒等.随机共振问题Fokker-Planck方程的数值研究.1993，物理学报，42(12)1556-1565. 冷永刚，王太勇等。“二次采样随机共振频谱研究与应用初探”。物理学报，2004，53(3)717-723。
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权利要求
1.频率自跟踪变尺度随机共振故障诊断系统，主要由测频仪(1)、传感器(2)、A/D转换卡(3)、双稳电路(4)、D/A转换卡(5)、FFT频谱分析仪(6)组成，其特征在于由变尺度调节器(7)、D/A转换卡(5)、双稳电路(4)、A/D转换卡(3)以及信号恢复器(8)依次串接构成一个变尺度随机共振系统，设备的运行频率参数和其它物理量信号分别由测频仪(1)和传感器(2)同时经过A/D转换卡(3-1)输入至变尺度随机共振系统，产生变尺度随机共振的信号，此信号输入至FFT频谱分析仪(6)。
2.按照权利要求1所述的频率自跟踪变尺度随机共振故障诊断系统，其特征在于在所述的变尺度调节器(7)中对A/D转换卡(3-1)输入的非运行频率数据进行插值延迟，进行变尺度参数调节运算，双稳电路(4)产生随机共振。
3.按照权利要求1所述的频率自跟踪变尺度随机共振故障诊断系统，其特征在于在所述的信号恢复器(8)中对A/D转换卡(3-2)输出的信号进行延迟恢复。
4.按照权利要求1至3所述的频率自跟踪变尺度随机共振故障诊断系统，其特征在于A/D转换卡(3-1)的1通道和2通道分别接至测频仪(1)和传感器(2)，其3通道接双稳电路(4)的输出端，A/D转换卡(3-1)的输出同时接入变尺度调节器(7)和信号恢复器(8)的输入口，变尺度调节器(7)的输出接D/A转换卡(5)的输入，D/A转换卡(5)的输出接双稳电路(4)的输入端，信号恢复器(8)的输出接FFT频谱分析仪(6)。
全文摘要
频率自跟踪变尺度随机共振故障诊断系统，涉及频率自跟踪和变尺度随机共振技术。由测频仪、传感器、A/D转换卡、双稳电路、D/A转换卡、FFT频谱分析仪等部件加之变尺度调节器和信号恢复器连接构成一个频率自跟踪变尺度随机共振系统。以测频仪得到频率的50倍为采样频率，从传感器获取信号并输入至变尺度随机共振系统，变尺度调节器对所得数据插值延迟、变尺度调节运算，使双稳电路产生随机共振。信号恢复器对共振信号做延迟恢复，并输出给FFT频谱分析仪进行频谱特性分析。本发明的特点是将随机共振技术应用到大参数的工程实际中，克服了因工况变化而影响采样频率精度的问题，提高了故障诊断的精度，进一步保障了设备安全可靠的运行。
文档编号G01R23/16GK1595180SQ20041001993
公开日2005年3月16日 申请日期2004年7月9日 优先权日2004年7月9日
发明者冷永刚, 王太勇, 郭焱 申请人:天津大学