在频谱质量好的情况下测量物体的振动基频的方法与流程

本发明涉及数字信号处理技术，具体涉及在频谱质量好的情况下测量物体的振动基频的方法。

背景技术：

振动基频是各种物体的一个重要物理参数，能够反映物体或者物理结构的物理状态和特性。对振动基频的测量被广泛应用于结构健康检测、物体探伤等。测量物体的振动基频的通常方法是，首先使用传感器以一定的采样频率测量物体的物理量(例如加速度、速度或者位移等)，然后对测得的物理量做快速傅里叶变换(FFT)而得到FFT功率谱，最后从FFT功率谱中人工识别出物体的振动基频。这种人工识别振动基频的方式比较麻烦，依赖于个人的经验，而且结果往往不够准确。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种能够在频谱质量好的情况下自动地而且比较准确地测量物体的振动基频的方法。

根据本发明，一种在频谱质量好的情况下测量物体的振动基频的方法包括以下步骤：

使用传感器以采样频率r测量物体的物理量，其中r在该物体的振动基频的10倍到50倍之间；

对该物理量做快速傅里叶变换(FFT)，得到FFT功率谱，其中，FFT运算点数N不小于4096；

对FFT功率谱进行预处理，得到FFT功率谱中的峰值功率谱；以及

对于循环变量u＝1,2,…,p的每一个取值，其中p为得到的FFT功率谱中的峰值功率谱中的峰值的数量，按以下方式执行一轮循环操作，除非在下述条件下提前退出循环：找出FFT功率谱中的峰值功率谱中幅度最大的u个频点n₁,n₂,…,n_u，将这u个频点两两做差，得到个频点，将这个频点连同原始的u个频点n₁,n₂,…,n_u一共个频点从小到大排序，得到排序后的频点m_i(i＝1,2,…,)；从m₁开始遍历这些排序后的频点，对于遍历的每一个频点m_i，计算匹配度其中W为最接近的整数，并设置相应的匹配值y_i,j(j＝1,2,…,u)，若x_i,j大于预定匹配阈值σ，其中0<σ≤0.1，则y_i,j＝0，否则y_i,j＝1，然后计算基频相似度若z_i小于预定相似度阈值R，其中0.5<R<1，则继续遍历，否则停止遍历，并提前退出循环，确定当前遍历的频点m_i为候选振动基频点x₂，通过运算而得到该物体的候选振动基频f₂。

本发明能够在频谱质量好的情况下以较高精度自动测量物体的振动基频，而不需要人工识别基频。

附图说明

图1是根据本发明的在频谱质量好的情况下测量物体的振动基频的方法的流程图。

具体实施方式

下面将参照图1详细描述根据本发明的在频谱质量好的情况下测量物体的振动基频的方法的各个步骤。

如图1所示，在步骤S1，使用传感器以采样频率r测量物体的物理量(例如加速度、速度或者位移等)，其中r在该物体的振动基频的10倍到50倍之间。在步骤S2，对该物理量做快速傅里叶变换(FFT)，得到FFT功率谱，其中，FFT运算点数N不小于4096。这里，为了保证本发明的测量方法的准确性，对采样频率r和FFT运算点数N的取值范围进行了限定。

在步骤S3，对FFT功率谱进行预处理，得到FFT功率谱中的峰值功率谱。步骤S3的主要目的是找到FFT功率谱中突出的峰值。通常情况下，物体的振动基频或其高次谐波会在FFT功率谱中的峰值位置。

本领域技术人员能够理解，步骤S3可通过多种方式来实现。例如，步骤S3可包括：扫描FFT功率谱，如果扫描到的频点是极大值点，则不作处理，否则直接置零，从而在扫描完毕后得到FFT功率谱中的峰值功率谱。

可替换地，步骤S3可包括：

对FFT功率谱进行滑动平均处理，得到FFT平滑功率谱，其中滑动平均处理所取的窗口宽度为5～20个频点，从而能够显著降低FFT功率谱中干扰峰值的影响；

将FFT平滑功率谱的第1点到第M-1点直接置零(由于频谱中低频段的峰值会降低振动基频测量的准确度，这样处理可排除低频段的峰值的影响)，其中M为之间的整数(一般取一个较小的整数，例如)；

从第M点到第N点扫描FFT平滑功率谱，保留FFT平滑功率谱中的所有极大值点，其他非极大值点全部置零；

再次从第1点到第N点扫描FFT平滑功率谱中的所有非零点，按以下方式得到FFT功率谱中的峰值功率谱：设第k点为当前扫描的非零点，k-1点为上一个扫描的非零点，k+1为下一个扫描的非零点，若第k点的幅度大于第k-1点的幅度和第k+1点的幅度或者第k点与最近非零点的距离不小于预定距离阈值D，其中D为之间的整数(一般取一个与M接近的整数)，则不做处理而继续扫描第k+1点，否则将第k点置零(这样处理的目的是去除在FFT功率谱中距离很接近的两个峰值中的幅度较小者，这是因为两个很接近的峰值会影响振动基频测量的准确度)。

在步骤S4，采用频率匹配法，得到该物体的候选振动基频f₂。具体地说，对于循环变量u＝1,2,…,p的每一个取值，其中p为在步骤S3得到的FFT功率谱中的峰值功率谱中的峰值的数量，按以下方式执行一轮循环操作，除非在下述条件下提前退出循环：找出FFT功率谱中的峰值功率谱中幅度最大的u个频点n₁,n₂,…,n_u，将这u个频点两两做差，得到个频点，将这个频点连同原始的u个频点n₁,n₂,…,n_u一共个频点从小到大排序，得到排序后的频点m_i(i＝1,2,…,)；从m₁开始遍历这些排序后的频点，对于遍历的每一个频点m_i，计算匹配度其中W为最接近的整数，并设置相应的匹配值y_i,j(j＝1,2,…,u)，若x_i,j大于预定匹配阈值σ，其中0<σ≤0.1(σ一般取一个接近0的数，例如0.01)，则y_i,j＝0，否则y_i,j＝1，然后计算基频相似度若z_i小于预定相似度阈值R，其中0.5<R<1(R一般取一个接近1的数，例如0.75)，则继续遍历，否则停止遍历，并提前退出循环，确定当前遍历的频点m_i为候选振动基频点x₂，通过运算而得到该物体的候选振动基频f₂。

可选地，为了提高本发明的测量方法的准确度，可以在步骤S4之后，采用窗口加权法得到该物体的候选振动基频f₁，并比较候选振动基频f₁与候选振动基频f₂以确定候选振动基频f₁或f₂为该物体的振动基频(步骤S5)。

具体地说，步骤S5可包括：

对于频点x＝M,M+1,…,的每一个取值，其中M为之间的整数(一般取一个较小的整数，例如)，按以下方式得到相应的评估参数E_x：在第x点，第2x点，第3x点，…，第x点处(即频点x及其各次谐波处)，以频点为中心设置一种中心为最大值1而边缘为最小值0的窗口(例如矩形窗、三角窗、余弦窗等)，该窗口的宽度为之间的整数(一般取一个较小的整数，例如)；将在步骤S3得到的FFT功率谱中的峰值功率谱与该窗口相乘，得到FFT窗口加权功率谱；将FFT窗口加权功率谱中的非零幅度值累加后除以得到评估参数E_x；

找到E_x(x＝M,M+1,…,)中的最大值E_xmax，将E_xmax所对应的频点作为候选振动基频点x₁，并通过运算而得到该物体的候选振动基频f₁；

比较候选振动基频f₁与候选振动基频f₂，若满足其中V为最接近的整数，则确定候选振动基频f₂为该物体的振动基频，否则确定候选振动基频f₁为该物体的振动基频。

以上描述了本发明的实施例，上述说明仅是示例性的，而非限制性的。基于上述说明，本领域的普通技术人员容易想到对本发明的实施例的各种修改和变更，这些修改和变更都在本发明的范围内。