振動信號提取方式對動平衡精度的影響

張佳偉，田國紅

振動信號提取方式對動平衡精度的影響

張佳偉，田國紅

（遼寧工業大學 汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121000）

在轉子動平衡系統中，振動信號基頻幅值和相位的提取對計算轉子不平衡量的精準度起著至關重要的作用。針對傳統方法提取振動信號幅值相位導致計算的轉子不平衡量出現較大誤差的問題，提出了一種峰值差法對轉子振動信號幅值相位進行提取。將峰值差法、相關性法、快速傅里葉變換（FFT）法分別編寫成LabView轉子動平衡振動信號幅值相位提取程序，進行轉子動平衡實驗，對三種方法計算出的轉子不平衡量進行分析對比。實驗結果表明：與相關性法和FFT法相比，采用峰值差法作為轉子動平衡系統提取振動信號基頻幅值相位的程序，計算出的轉子不平衡量誤差更小，更加精準。

振動信號提取；峰值差法；相關性法；快速傅里葉變換（FFT）法；LabView；動平衡精度

信號作為信息的載體，包含了各式各樣的特征信息。人們為了從實際測量的信號中獲得有用的特征信息，必須采用有效的振動信號處理方法[1]。在汽車電機轉子的動平衡測試中，實際采集到的轉子振動信號是由摻雜多種雜質信號組成的混合信號，而需要用到的信號只是與轉速同頻的基頻信號。轉子動平衡的過程主要包括：信號的采集、振動信號基頻幅值相位的提取、轉子不平衡量的計算。其中，振動信號基頻幅值相位的提取是轉子動平衡最關鍵的技術之一，它的提取精準程度直接關乎著轉子不平衡量計算結果的好壞[2-3]。目前轉子動平衡領域中，用到的振動信號基頻提取方法大多為相關性法[4]和快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform, FFT）法[5]。

本文首先對相關性法和FFT法的原理進行了說明，并結合LabView分別編寫了相關性法和FFT法的振動信號基頻幅值相位提取程序，并將該程序作為轉子動平衡系統的數據處理模塊。然后結合LabView編程軟件，提出一種峰值差法，作為振動信號基頻幅值相位的處理方式，并編寫成程序。最后，進行轉子動平衡實驗，分別用三種信號提取程序進行轉子不平衡量的檢測，并根據所計算的不平衡量數據進行分析、對比三種方法的優劣。

1 相關性法和FFT法提取振動信號幅值相位原理及程序

1.1 相關性法提取基頻信號幅值相位及程序

轉子振動信號的基頻幅值和相位的提取是動平衡的基礎，同時它也是動平衡校正最為關鍵的一步。轉子在進行動平衡時，傳感器采集的實際信號是含有多種雜質的混合信號，而我們實際需要的，是與轉子同頻率、同轉速的基頻信號。互相關處理能夠消除信號干擾的影響，從混合信號中提取得到特定頻率信號的幅值和相位。以下為互相關法提取振動信號的理論：

設實際所測得的振動信號表達式為

式中，為信號的直流成分；為隨機噪聲；0為基頻信號幅值；0為基頻信號相位；0為基頻對應的角速度；A為諧波信號的幅值；為諧波信號的相位；ω為基頻對應的角速度。

式（1）表示實際測試所獲得的振動信號。

設()、()為實能量信號，其互相關函數為

設與轉子相同頻率的正弦信號和余弦信號分別為

()=sin() （3）

()=cos() （4）

將兩個信號分別與振動信號()進行互相關計算，得

繼續轉換所得的兩個公式，即可得信號的幅值和相位公式為

結合LabView圖形化編程軟件，對互相關法提取振動信號幅值相位進行編程，如圖1所示。

1.2 FFT法提取振動信號的幅值相位及程序

FFT是運用離散傅氏變換（Discrete Fourier Transform, DFT）的一種快速算法。FFT根據離散傅氏變換的奇、偶、虛、實等相關特性，在離散傅立葉變換的算法的基礎上進行改進與優化獲得。

圖1 互相關法提取幅值相位程序

在實際的工程和應用中，當對一個振動信號進行分析處理時，最常用的方法是，用鍵相信號先截取一段所需信號，比如可以截取2N-1個點。若是要將時域信號轉換成頻域信號，則可以通過直接對這2N-1個點進行FFT變換的方式，提取出該信號的幅值和相位。

結合LabView圖形化編程軟件，對FFT法提取振動信號幅值相位進行編程，如圖2所示。

圖2 FFT法提取幅值相位程序

2 峰值差法提取振動信號幅值相位

為提高轉子動平衡系統精度，提高轉子不平衡量檢測的精準性，本文提出一種峰值差法對轉子的振動信號基頻幅值相位進行提取。

峰值差法的原理為對振動信號進行濾波之后，濾波之后的振動信號可用一系列連續的點來表示，LabView可通過特定的波形波峰檢測函數，對該波形進行檢索，提取出一段時間下的振動信號的幅值及其時間（相對點數位置），通過對各個峰值求和取平均值作為該振動信號的幅值。相位是一個相對量，該方法下的相位為與同時用光電傳感器進行采集的轉速信號差值。光電傳感器采集的轉速信號為方波形周期信號，振動信號為正弦信號，通過波形波峰檢測函數，檢測出轉速信號每個上升沿的位置，檢測正弦信號波峰位置，由于檢測的為同一轉子，所以該周期信號與正弦信號的頻率一樣，理論上轉速信號上升沿的位置與正弦信號波峰位置的差值是一定的，在每個正弦信號中，其相鄰的波峰與波峰之間的時間間隔構成一個周期，相差角度為360°，一個周期的點數可用后一個波峰時刻的位置點數減去前一個波峰時刻的位置點數，該點數差即為一個周期360°的點數；正弦信號與方波信號的點數差除以一個周期的點數，再乘以360°，即為振動信號的相位。

結合LabView圖形化編程軟件，對峰值差法提取振動信號幅值相位進行編程，如圖3所示。

圖3 峰值差法提取幅值相位程序

3 轉子動平衡實驗

3.1 實驗要求

實驗所用到的相關參數均按照《平衡機的描述檢驗與評定》（GB/T 4201—2006）的標準進行選取[6]。

（1）轉子的要求：轉子需使用標準中規定的標準轉子，本文所使用的標準轉子參數如表1中所示。

表1 標準轉子技術參數

（2）試重的要求：試重質量不能超過標準中規定的質量。

mar=mar（9）

式中，mar為轉子的最小可達剩余不平衡量，g.mm；mar為轉子最小可達剩余不平衡度，也稱動平衡精度等級，g.mm/kg；表示轉子的質量，kg。

雙面動平衡轉子每側試重質量計算公式為

式中，為轉子的每側試重，g；為轉子的半徑，mm。

3.2 動平衡計算流程

轉子安放簡圖，如圖4所示。

圖4 轉子安放簡圖

（1）在無試重的情況下保持轉子在規定轉速下運動，通過傳感器測得、兩側的原始振動信號，該信號為矢量，包含大小與相位，用0、0表示。

（2）取一試重，將該試重放在校正I面上，保持轉子在與上次相同轉速下轉動，測得此時、兩側傳感器信號，用01和01表示。

（3）將試重取下放在校正面II上，保持轉子在與上次相同轉速下轉動，測得此時、兩側傳感器信號，用02和02表示。

（4）校正I面上、處的變化量為1、1，校正II面上、處的變化量為2、2。

校正I面上、處的影響系數為11、12，校正II面上、處的影響系數為21、22。

影響系數標定后，轉子不平衡質量即可用該系數進行求取。

式中，1為I側不平衡質量；2為II側不平衡質量。

3.3 不平衡量計算及結果分析

實驗條件如下：取5 kg標準轉子，設置轉速為2 000 r/min，轉子平衡精度為G2.5，采樣率為1 024 Hz，由于實驗所用標準轉子是已被調平的轉子，所以在轉子、兩側90度處加試重0.762g作為轉子的初始狀態，以便進行動平衡系統不平衡量的檢測。對采集后的數據分別用峰值差法、相關性法、FFT法進行振動信號幅值與相位的提取，進行轉子不平衡量的計算。

每種方法均采集3次數據進行穩定性分析，計算出的結果如表2所示。

表2 不同方法提取振動信號的轉子不平衡量計算表

分析表2中數據可得

（1）每種方法分別進行了3次轉子不平衡量的計算，其中峰值差法計算出的3次不平衡質量的波動更小，穩定性更好。

（2）峰值差法計算出的不平衡質量與初始添加的0.762g試重質量更加接近，說明峰值差法提取不平衡質量的幅值相位的方式誤差更小，更精確。

4 結論

基于LabView圖形化編程軟件，分別針對相關性法、FFT法、峰值差法編寫了振動信號基頻幅值相位提取程序，并進行轉子動平衡實驗，進行轉子不平衡量的檢測。實驗結果表明，與相關性法和FFT法相比，采用峰值差法作為轉子動平衡系統提取振動信號基頻幅值相位的程序，計算出的轉子不平衡量誤差更小，更加精準。

[1] 李舜酩,郭海東,李殿榮.振動信號處理方法綜述[J].儀器儀表學報,2013,34(8):1907-1915.

[2] 牟玉喆,潘鑫,高金吉,等.基于LabVIEW的不平衡振動信號相位實時提取方法研究[J].工業儀表與自動化裝置,2015(5):17-20.

[3] 郭俊華,伍星,柳小勤,等.轉子動平衡中振動信號幅值相位的提取方法研究[J].機械與電子,2011(10):6-10.

[4] 李斌,羅敏,王俊英,等.自適應整周期采樣和相關濾波在轉子動平衡中的應用[J].機械設計與制造,2016 (10):74-77,82.

[5] 李振興.細化FFT的短時傅立葉變換方法[J].四川兵工學報,2010,31(2):133-135,141.

[6] 全國試驗機標準化技術委員會.平衡機的描述檢驗與評定:GB/T 4201—2006[S].北京:中國標準出版社, 2006.

Influence of Vibration Signal Extraction Method on Dynamic Balance Accuracy

ZHANG Jiawei, TIAN Guohong

( School of Automobile and Traffic Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121000, China )

In the rotor dynamic balance system, the extraction of fundamental frequency amplitude and phase of vibration signal plays an important role in calculating the accuracy of rotor imbalance. In view of the large error in the calculated rotor unbalance caused by the traditional method of extracting the amplitude and phase of vibration signal, a peak difference method is proposed to extract the amplitude and phase of rotor vibration signal. The peak difference method, correlation method and fast fourier transform(FFT)method are written into LabView rotor dynamic balance vibration signal amplitude and phase extraction program respectively. The rotor dynamic balance experiment is carried out, and the rotor unbalance calculated by the three methods is analyzed and compared. The experimental results show that compared with the correlation method and FFT method, using the peak difference method as the program to extract the amplitude and phase of the fundamental frequency of the vibration signal in the rotor dynamic balance system, the calculated rotor unbalance error is smaller and more accurate.

Vibration signal extraction;Peak difference method;Correlation method; Fast fourier transform(FFT) method;LabView;Dynamic balance accuracy

U464.331.1

A

1671-7988(2022)24-119-05

U464.331.1

A

1671-7988(2022)24-119-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.024.022

張佳偉（1995—），男，碩士，研究方向為車輛 CAD/CAE/CAM技術、測試控制與編程，E-mail:1063604547 @qq.com。