专利名称：一种轴扭转变形测试中消除振动噪声的方法
技术领域：
本发明涉及一种测量技术，特别涉及一种轴扭转变形测试中消除振动噪声的方法。
背景技术：
轴扭转变形可以反映轴材料特性、负载特性及安全性等许多信息，在机械工程中是一项基础但很关键的测试技术，其测试包括静态和动态测量两个方面。静态测量中主要是对材料的扭转力学性能进行测试；在动态测量方面，能够间接表征旋转动力机械设备的扭矩、功率等运行状况信息从而对设备的动力特性、运行可靠性进行监测和故障诊断。因此轴扭转变形是各种机械产品开发、质量检验、优化控制、工况监测和故障诊断等的重要内容。
实现轴扭转变形测量需要解决传感器、能量供给和信号传输三方面的问题。目前， 国内外研制和开发的传感器种类很多，从原理上讲主要分为应变型、磁弹性型、转角型等。 应变型是目前国内外使用最多的一种扭转变形传感器，它采用在旋转轴表面贴应变片的传统方法，利用适当的电路取得信号，然后进行分析处理，该类测试系统应用时需要妥善解决在旋转条件下的可靠供电和信号传输问题。磁弹性型和转角型因对制作、安装工艺要求高，目前在工业现场还很少获得应用。
经对现有技术的文献检索发现，文献“转轴扭角及扭振测试技术研究”(张晓玲； 唐锡宽，清华大学学报(自然科学版)，1997年08期)提出了采用编码器来测量轴的扭转角方法。测量由编码器发出的脉冲时间间隔可以获得在装置编码器轴断面处的角速度。 比较轴两端断面的角速度，可得到扭转角速度和其它有关扭角和扭振信息。该文献提出了一种轴扭转变形测试的技术方案，但没有涉及因轴系旋转而引起振动噪声的处理问题。
经对现有技术的文献检索发现，文献“基于希尔伯特变换的扭振测量方法及其在齿轮故障诊断中的应用”(孙良环太原理工大学硕士论文，2005 )提出了应用高精度光电编码器测取扭振信号，当扭振发生时，由于扭振信号对编码器输出的脉冲信号进行了频率调制而产生疏密变化，用希尔伯特变换对此信号进行解调就能得到扭振信号，并尝试了利用该扭振测量方法对齿轮进行故障诊断的研究。该文献侧重与对扭振信号的测试和分析，没有涉及扭转变形与振动信号的分离问题。
经对现有技术的文献检索发现。专利“用于测量织机摇轴扭振扭角的装置”(申请号CN200710023899. 9)公开了一种用于测量织机摇轴扭振扭角的装置，该装置用于测量并输出主轴角位移信号、摇轴中部的应变信号，具有分析摇轴的扭转角度和扭振大小的演算器。可以看出该专利技术主要是采用了编码器、倾角传感器和应变桥来测试角位移和应变， 从而间接得到转速、摇轴转动惯量和摇轴的扭振之间的关系。该专利涉及的对象是角位移而不是轴扭转变形，也没有涉及振动噪声信号的处理问题。发明内容
本发明是针对轴扭转变形动态变化性的问题，提出了一种轴扭转变形测试中消除振动噪声的方法，消除了振动对测试结果的影响，解决恶劣条件下高速转轴的扭转变形的动态实时测量问题，大大提高测量精度。本发明的技术方案为一种轴扭转变形测试中消除振动噪声的方法，通过在被测轴上沿轴向相距一定长度的位置设置等间距的反射栅，并在正对每个反射栅位置置一组激光光纤传感器组成一个测试通道，在与这组激光光纤传感器正交位置设置完全相同的另一组激光光纤传感器组成另外一个测试通道，工作时通过双通道同步采集存储获取包含转速和扭转变形信息，包括相位差在内的原始信号；然后分别对两路原始信号进行经验模态分解(EMD)，得到包含不同类别信息的各阶本征模态函数(IMF)，对两路信号各阶本征模态函数(IMF)的相关分析，提取反映特定载荷作用的本征模态函数(IMF)，最后对该本征模态函数(IMF)取加权平均得到被测信息即轴扭转变形。所述被测轴上沿轴向相距一定长度上设置等间距的反射栅，反射栅由反光和不反光的等宽条纹组成，沿圆周均勻排列。所述对同步采集存储的两路原始信号分别进行经验模态分解(EMD)数据处理，是把一个时间序列的信号分解成若干不同尺度的本征模态函数(IMF)和一个残余量，各IMF 反映了信号的局部特性，残余量反映了信号的趋势或均值，各IMF要满足两个条件第一整个信号中零点数与极点数(包括极大值点和极小值点)相等，至多相差1 ；第二信号上任意一点，由局部极大值点确定的包络线和由局部极小值点确定的包络线均值均为零， 即信号关于时间轴局部对称。本发明的有益效果在于本发明轴扭转变形测试中消除振动噪声的方法，与现技术相比，以激光光纤传感器取代了常用的编码器，具有结构简单、成本低、抗干扰能力强、适应恶劣环境的优势。双通道测试结构的正交配置、同步采集以及引入经验模态分解(EMD)和相关分析算法可有效消除因旋转轴系振动而引入的噪声干扰，大大提高测量精度。
图1为本发明被测轴、反射栅及光纤传感器安装位置示意； 图2为本发明轴扭转变形测试电路的原理框图3为本发明轴扭转变形测试光纤传感器输出经精密整形后的波形图及相位差图； 图4为本发明轴扭转变形测试中一路测试信号经EMD后的各阶IMF图。
具体实施例方式如图1所示，在被测轴上沿轴向相距一定长度的表面设置等间距的反射栅(即反射和不反射光的条带)，反射栅可通过机械加工或热处理形成，要求宽窄均勻，边沿平齐，机械加工原则上不能影响轴本身的机械特性，轴向距离可根据安装空间、材料特性以及测试灵敏度和分辨率要求来确定，圆周方向反射栅条纹数目可根据测试的动态特性要求来确定，为方便数据处理，建议取6的倍数，本实施列为30。如附图1所示，A/B, C/D两组四个激光光纤传感器选用Keyence (基恩士) FS-V30超大功率传感器，可在苛刻环境下进行稳定的长距离检测，具有33 μ s全球最快的响应速度。光纤传感器通过滑套垂直固定，A/B，C/D两组正交配置。当轴以一定的负荷旋转时，A，B两个传感器输出为具有一定相位差的脉冲信号，假设传感器A，B分别对应 60个黑白相间的色标，那么每转有30个脉冲，假设采样时间为t，脉冲数为N，那么转速 = |，被测轴受扭后，在轴向距离L上产生的相对扭转变形角 30 χ 艮口 θ =ML / JG式中J-被测轴截面的极惯性矩 L-轴向变形长度 G-轴剪切弹性模量此变形角可由A，B两路信号的相位差Φ来反映了，如附图3所示光纤传感器输出经精密整形后的波形图及相位差图。
同理传感器C，D两路信号也会产生同样的相位差。
测试电路模块如附图2所示，系统以FPGA为核心，进行相位检测和双通道信号同步采集存储，为后续信号处理提供原始数据。电路系统采取模块化的设计思想，包括电源电路、放大电路、精密整形电路、FPGA主控电路、Flash存储电路、通讯电路。反射栅和激光光纤传感器将扭矩信号转化成电信号，经放大整形后送入精密整形电路得到两路同频方波， 两路同频方波在FPGA内部经过异或运算得到表征相位差的脉冲信号，然后采用等精度测量技术测量其周期和脉宽，并将测量结果送到Flash存储芯片AT45DB081中存储，需要时可将数据从存储器中读出并经串口发送到上位机进行显示或后续处理。
如图4所示为一路测试信号经EMD后的各阶IMF图，对同步采集存储的两路原始信号分别进行经验模态分解(EMD)数据处理，基本思想是把一个时间序列的信号分解成若干不同尺度的本征模态函数(IMF)和一个残余量。各IMF反映了信号的局部特性，残余量反映了信号的趋势或均值。各IMF要满足两个条件①整个信号中零点数与极点数 (包括极大值点和极小值点)相等，至多相差1;②信号上任意一点，由局部极大值点确定的包络线和由局部极小值点确定的包络线均值均为零，即信号关于时间轴局部对称。具体分解过程可采用如附图4所示的以下方法(1)首先确定出信号x(t)的所有极大值点和极小值点，然后将所有极大值点和极小值点分别用三次样条曲线拟合，从而获得信号的上包络曲线和下包络曲线，计算出它们的平均值曲线1111(0，用x(t)减去mi(t)得hjt)= x(t) —mi(t);不满足IMF的两个条件，则将Ill (t)作为原信号重复第(1)步， 直到满足条件，完成IMF第一阶分解得=C1U) = hlk(t); (3)从原信号中减去C1 (t)得第一阶剩余信号r“t) =x(t) — C“t)，再把r“t)作为新的原信号，重复第(1)、(2)步依次得到 C2(t)，r2(t),C3(t)，r3(t)、…Cn(t)，rn(t) ； (4)当 rn(t)成为一个单调函数时，筛分结束。由此得到把原始数据表示为固有模态函数分量和一个残余项之和。
从上述的EMD分解过程可以看出，这种分解方法可以理解为以信号的极值特征尺度为度量的筛分过程。信号从最小的特征尺度进行筛分，从而获得最短周期的固有模态函数，随后，经过一层层的筛分，获得周期长度逐渐增大的多IMF，这个过程也体现了多分辨分析的滤波过程。越早分解出来的本征模函数频率越高，第一个分解出来的代表原信号的最高频率成份。这种滤波器充分保留了信号本身的非线性和非平稳特征，具有自适应强，对信号类型没有限制的特点。利用这些特征可以有效的去除信号的噪声干扰，充分保留信号的局部特征。在信号的滤波和去噪中具有很大的优势。在本测试中，振动噪声信号频率性对较高，对应与较低阶的IMF，被测扭转变形一般为静态和准静态，信号频率性对较低，对应与较高阶的IMF。由于在轴上正交位置测量得到的振动信号具有一定的随机性，两组信号的相关性较低。而被测的扭转变形信号是有相同的载荷作用引起的，理论上在正交位置处也完全相同，且采用了同步采集，所以理论上两路信号的具有很强的相关性。因此通过对两路信号各阶本征模态函数(IMF)从高到底对应作相关分析，提取相关系数大于设定阈值的本征模态函数(IMF)作为有效信号，然后对两组有效信号做加权平均来得到被测信息即轴扭转变形的测试结果。
权利要求
1.一种轴扭转变形测试中消除振动噪声的方法，其特征在于，通过在被测轴上沿轴向相距一定长度的位置设置等间距的反射栅，并在正对每个反射栅位置置一组激光光纤传感器组成一个测试通道，在与这组激光光纤传感器正交位置设置完全相同的另一组激光光纤传感器组成另外一个测试通道，工作时通过双通道同步采集存储获取包含转速和扭转变形信息，包括相位差在内的原始信号；然后分别对两路原始信号进行经验模态分解(EMD)，得到包含不同类别信息的各阶本征模态函数(IMF)，对两路信号各阶本征模态函数(IMF)的相关分析，提取反映特定载荷作用的本征模态函数(IMF)，最后对该本征模态函数(IMF)取加权平均得到被测信息即轴扭转变形。
2.根据权利要求1所述轴扭转变形测试中消除振动噪声的方法，其特征在于，所述被测轴上沿轴向相距一定长度上设置等间距的反射栅，反射栅由反光和不反光的等宽条纹组成，沿圆周均勻排列。
3.根据权利要求1所述轴扭转变形测试中消除振动噪声的方法，其特征在于，所述对同步采集存储的两路原始信号分别进行经验模态分解(EMD)数据处理，是把一个时间序列的信号分解成若干不同尺度的本征模态函数(IMF)和一个残余量，各IMF反映了信号的局部特性，残余量反映了信号的趋势或均值，各IMF要满足两个条件第一整个信号中零点数与极点数(包括极大值点和极小值点)相等，至多相差1 ；第二信号上任意一点，由局部极大值点确定的包络线和由局部极小值点确定的包络线均值均为零，即信号关于时间轴局部对称。
全文摘要
本发明涉及一种轴扭转变形测试中消除振动噪声的方法，通过在被测轴上沿轴向相距一定长度的位置设置等间距的反射栅，并在正对每个反射栅位置置一组激光光纤传感器组成一个测试通道，在与这组激光光纤传感器正交位置设置完全相同的另一组激光光纤传感器组成另外一个测试通道，通过双通道同步采集两路原始信号进行经验模态分解(EMD)，得到包含不同类别信息的各阶本征模态函数(IMF)，对两路信号各阶本征模态函数(IMF)的相关分析，提取反映特定载荷作用的本征模态函数(IMF)，最后对该本征模态函数(IMF)取加权平均得到被测信息即轴扭转变形。具有结构简单、成本低、抗干扰能力强、适应恶劣环境的优势。大大提高测量精度。
文档编号G01B11/16GK102494626SQ20111036669
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年11月18日
发明者严康平, 吉小军, 戴明, 易海鸥, 李涛, 王佩君 申请人:中国船舶重工集团公司第七0四研究所