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通過傳感器采集到的周期脈沖信號(hào)來計(jì)算轉(zhuǎn)軸、發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)轉(zhuǎn)速的基本算法

2018-11-02 21:48:36·  來源：公眾號(hào)：信號(hào)分析應(yīng)用及算法  作者：徐浩  
　
在振動(dòng)噪音的測試分析過程中，獲得準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)軸、發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)的轉(zhuǎn)速是良好數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)。本文將介紹通過傳感器采集到的周期脈沖信號(hào)來計(jì)算轉(zhuǎn)軸、發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)轉(zhuǎn)
“在振動(dòng)噪音的測試分析過程中，獲得準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)軸、發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)的轉(zhuǎn)速是良好數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)。本文將介紹通過傳感器采集到的周期脈沖信號(hào)來計(jì)算轉(zhuǎn)軸、發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)轉(zhuǎn)速的基本算法”
 
01
—
傳感器采集的原始信號(hào)
圖1是通過激光測速傳感器測量轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的示意圖。轉(zhuǎn)軸上藍(lán)色部分代表在其上貼的反光紙，當(dāng)激光探頭照射到反光紙上時(shí)，探頭接收到反射信號(hào)，從而產(chǎn)生一個(gè)高（或低）電平。
圖1
圖2是通過霍爾元件測量轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速（發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸）的示意圖?？拷筋^部分產(chǎn)生高電平，遠(yuǎn)離部分產(chǎn)生低電平。
圖2
用傳感器采集到類似圖1或圖2的信號(hào)后才能精確的進(jìn)行轉(zhuǎn)速計(jì)算。 可以看出，圖 2信號(hào)較圖1更為復(fù)雜（每4個(gè)方波信號(hào)才形成一個(gè)周期）。因?yàn)閳D1是圖2的特殊形式，所以下面我們著重介紹圖2信號(hào)計(jì)算轉(zhuǎn)速的算法。
 
02
—
計(jì)算轉(zhuǎn)速的重要參數(shù)
圖3第一幅圖是采集到的傳感器信號(hào)總覽，第二幅圖是其中0～0.5s的細(xì)節(jié)圖 。從圖中可以看出每4個(gè)方波形成一個(gè)周期。
圖3
基于傳感器采集到的信號(hào)來計(jì)算轉(zhuǎn)速，有兩個(gè)很重要的參數(shù)：1）觸發(fā)條件，包括觸發(fā)值( Trig Level )，觸發(fā)方向 (Up/Down)。2）skip數(shù)（不同的軟件有不同的叫法，有的叫divider，有的叫skip等）。
圖4第一幅圖舉了個(gè)例子：Trig Level=6, Up (上升沿）觸發(fā)。具體算法是：遍歷各點(diǎn)，當(dāng)某個(gè)點(diǎn)<6, 緊接著下一個(gè)點(diǎn)>=6 時(shí)，該點(diǎn)（或緊接著的下一個(gè)點(diǎn)）即被標(biāo)識(shí)出來（圖中紅色、藍(lán)色、黑色、綠色圓圈處）。
如果是 Trig Level=6, Down (下降沿）觸發(fā)。則算法是：遍歷各點(diǎn)，當(dāng)某個(gè)點(diǎn)>6, 緊接著下一個(gè)點(diǎn)<=6 時(shí)，該點(diǎn)（或緊接著的下一個(gè)點(diǎn)）即被標(biāo)識(shí)出來。
圖4
圖5第一幅圖被標(biāo)識(shí)出來的點(diǎn)分別用不同的顏色顯示是為了講解方便，但實(shí)際的算法不會(huì)去標(biāo)識(shí)顏色。
在算法上，計(jì)算機(jī)是這么數(shù)豆子的：
第0個(gè) 觸發(fā)點(diǎn)（ 記錄 ）， 第1個(gè) 觸發(fā)點(diǎn)（忽略），第2個(gè)觸發(fā)點(diǎn)（忽略）， 第3個(gè) 觸發(fā)點(diǎn)（忽略）；
第4個(gè)觸發(fā)點(diǎn)（ 記錄 ），第5個(gè)觸發(fā)點(diǎn)（忽略），第6個(gè)觸發(fā)點(diǎn)（忽略），第7個(gè)觸發(fā)點(diǎn)（忽略）；
第8個(gè)觸發(fā)點(diǎn)（ 記錄 ），第9個(gè)觸發(fā)點(diǎn)（忽略），第10個(gè)觸發(fā)點(diǎn)（忽略），第11個(gè)觸發(fā)點(diǎn)（忽略）；
。。。
圖5
所以設(shè)置 skip數(shù)=4 時(shí)，就可以在數(shù)據(jù)分析窗口時(shí)間內(nèi)，跳過非等間距的高電平，從而準(zhǔn)確計(jì)算轉(zhuǎn)速，如圖5第二幅圖。
圖5中的算例，一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期的時(shí)間是：0.375s/3=0.125s，轉(zhuǎn)動(dòng)頻率是1/0.125s=8Hz，則轉(zhuǎn)速為：8 [round/s] * 60 [s/min.]=480 [RPM：Round Per Minute]。

03
—
總結(jié)
計(jì)算轉(zhuǎn)速時(shí)，有以下幾點(diǎn)需要注意：
1）傳感器信號(hào)的采樣頻率Fs要根據(jù)被測的最高轉(zhuǎn)速及skip數(shù)來制定。圖6（高轉(zhuǎn)速）中的采樣頻率較為合適。如果在高轉(zhuǎn)速采樣頻率較低，會(huì)導(dǎo)致觸發(fā)點(diǎn)識(shí)別的不準(zhǔn)確，所以有些數(shù)采系統(tǒng)會(huì)單獨(dú)用一路高采樣率的通道來采集用來計(jì)算轉(zhuǎn)速的傳感器信號(hào)。
理論上: Fs>最高轉(zhuǎn)速[RPM]/60*skip數(shù)*2; 
一般工程上：Fs>最高轉(zhuǎn)速[RPM]/60*skip數(shù)*5；
對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)來說：如果采集齒輪信號(hào)（舉例：缺2齒的60齒轉(zhuǎn)速輪，最高轉(zhuǎn)速時(shí)6000RPM）, 那么Fs>6000/60*58*5=29000Hz；
圖6
2）對(duì)于電機(jī)來說，和發(fā)動(dòng)機(jī)不同（發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速約800 RPM），電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速時(shí)0 RPM。所以當(dāng)轉(zhuǎn)速很低時(shí)， 如果數(shù)據(jù)窗口長度取值較小 ，有可能取不到兩個(gè)同樣位置的觸發(fā)點(diǎn)（如圖7，整個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)沒有兩個(gè) 紅色 觸發(fā)點(diǎn)），即形成不了一個(gè)整周期，從而計(jì)算不出來轉(zhuǎn)速，這一點(diǎn)需要注意。
圖7
以上是基于傳感器信號(hào)的轉(zhuǎn)速計(jì)算算例。后續(xù)會(huì)介紹基于振動(dòng)信號(hào)階次切片的轉(zhuǎn)速值反算。
另外，通過設(shè)置觸發(fā)條件判斷關(guān)鍵位置的算法在圖像識(shí)別判斷邊界上也會(huì)經(jīng)常用到，后續(xù)也會(huì)通過算例詳細(xì)講解。 
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