专利名称：一种超低频振动参数量值的快速测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种超低频振动參数量值的快速測量方法及装置，属于力学測量技术领域。
背景技术：
振动是自然界里一个极为基本的物理现象，振动测量技术是力学计量测试领域的基本技术之一，意义重大且影响深远。很多应用场合的測量需要获取速度、位移、加速度量值，这类传感器大多是通过振动测量的方式进行校准和标定的，力学领域里影响深远的材料疲劳特性试验、飞机等大型装备的定寿命试验等均是通过振动及其測量方式实现的。其它如地震监测、石油勘探、核试验监测等很多场合需要使用振动测量手段。描述振动的物理量通常使用位移、速度、加速度三种之ー进行，三者既有区别又互 相联系，并有确定函数关系，速度是位移的微分变量，而加速度则是速度的微分变量。振动測量所关心的最終結果主要是振动幅度、振动频率以及振动相位延迟，其它參数如振动波形失真、振动漂移等则属于辅助參数。振动测量中，数学表述均使用正弦波表示，其幅度、频率等參数量值的确定通常需要多个振动波形周期，在绝大多数情况下，都能获得很好的效果，但是在面对超低频振动测量时，表现出测量响应时间过长的难题。例如，用于地震监测技术中的超低频振动台，其振动周期为1000s，ー个周期波形产生需要相当长的时间，按照传统的振动测量方法，在这样长的时间里，測量系统无法获取有关振动的參数信息，仅仅可测量获得一段振动波形而已。这也导致很难快速获得超低频振动的幅度和频率等信息，振动幅度和频率等參数量值的测量值的实时刷新很难实现。

发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的局陷，提出ー种超低频振动參数量值的快速測量方法及装置，以虚拟仪器的方式在超低频正弦振动测量过程中实现振动幅度和频率等參数量值的快速測量，其核心思路是使用少于ー个波形周期的正弦振动波形(例如十分之ー个波形周期)获取振动信号的幅度和频率等參数量值。本发明是通过以下技术方案实现的。本发明的ー种超低频振动參数量值的快速測量方法，具体包括以下步骤I)利用振动传感设备将表征超低频振动的位移、速度或者加速度物理信号转变成电信号波形；2)利用数据采集系统，将步骤I)所述电信号波形转换成表征振动信号波形的波形数据序列Yi,其中i表示数据序列中采样点序号且i = 1,2,…，n，n为数据序列的长度，再将数据序列Ji送给计算机数据处理设备；3)计算机数据处理设备对输入的数字序列进行正弦波拟合，获得拟合正弦振动波形的幅度J、角频率 和初始相位タ，具体为
3. I对正弦振动波形信号进行数学描述，为
y(0 = :Asin(27rft -\-φ)其中，A为正弦振动波形的幅值，f为正弦振动波形的频率，0为正弦振动波形的初始相位；对步骤2)中输入到计算机数据处理设备的波形数据序列yi进行数学描述，为
Yi = y(ti) = y((i-l) · Δ τ ), i = 1,2, ...,η其中Λ τ为采样时间间隔且Λ τ = 1/ν ；3. 2计算机数据处理设备对波形数据序列yi(i = 1,2,…，η)进行正弦波形四參
数拟合，获得拟合信号
y(i) = A ·sin(<y -i + φ) + D其中，^为正弦振动波形的幅度拟合值， 为正弦振动波形的角频率拟合值，多为正弦振动波形的初始相位拟合值，D为正弦振动波形的直流分量值拟合值；正弦振动波形频率拟合值/为
ΓI^ (O-Vf =-
In4)根据步骤3)的拟合处理結果，以虚拟仪器方式显示超低频振动參数。上述步骤3. 2中进行正弦波形四參数拟合的过程为(I)设定初始參数，具体包括待测的正弦波频率预期值为ち，角频率预期值ω。=
2πも八，波形采集序列所含信号不足ー个周期且个数为P，波形采集的数据序列占用时间长度为τ，则ち< I/ τ，选取另ー个足够小的正数因子q，使得被估计的正弦频率ち> q/τ，因而 f0 e [q/ τ , 2/ τ ]；(2)设定拟合迭代停止条件中收敛參数为he，he是ー个接近于O的足够小的正数；(3)从已知采样时刻t1; t2, . . . , tn得到的正弦波采集样本为y1; J2, , yn，用计点法获得信号波形占用时间长度为τ = (η-1)/ν，确定目标频率も的存在区间[q/T，2/τ ];(4)确定迭代左边界频率;^ = q/τ和迭代左边界角频率= 2 π fj/v以及迭代右边界频率fK = 2/ τ和迭代右边界角频率ωκ = 2 fE/v,令中值角频率ωΜ =(ω Ε+ ω L) /2 ；(5)在迭代左边界角频率ωぃ迭代右边界角频率ωκ和中值角频率ωΜ上分別利用频率已知的三參数正弦波形拟合公式计算各自的拟合残差P (ωふP (ωΕ)和P (ωΜ)；(6)若P (ω) < η · P (ωΜ)，则令迭代右边界角频率ωκ= ωΜ，迭代左边界角频率不变，重复执行步骤(5) 步骤￠)，其中η为判据因子；(7)若P (ω)彡η · P (ωΜ)，则必有ω κ < 2 ω。，确定左边界角频率为，右边界角频率ωκ，按照优选法原则，选取两个中值角频率分别为ωΜ = coL+0. 618Χ (COk-Col)和ωΤ = ωκ-0· 618X (COk-Col);
(8)在左边界角频率上执行频率已知的三參数正弦曲线拟合获得拟合幅度ん、拟合相位外、拟合直流分量队、拟合残差Pぃ在右边界角频率ωκ上执行频率已知的三參数正弦曲线拟合获得拟合幅度Ak、拟合相位卿、拟合直流分量Dk、拟合残差P κ，在中值角频率ω Μ上执行频率已知的三參数正弦曲线拟合获得拟合幅度Αμ、拟合相位·^Μ、拟合直流分量DM、拟合残差PM，在中值角频率ωτ上执行频率已知的三參数正弦曲线拟合获得拟合幅度At、拟合相位灼ヽ拟合直流分量Dt、拟合残差P τ ；(9)若Pm < Pt,则最小拟合残差P = ΡΜ，有[ωτ, ωκ]，參量更新为
—ω τ, ω τ — w Μ, ο Μ — ο L+0. 618 X (ο Ε— ο L);右 P Μ > P τ，则取小拟合残差 P — P τ，有ω0 e [coL，ωΜ]，參量更新为 ωκ = ωΜ, ωΜ = ωτ, ωτ = ωκ_0· 618X ( Qr-Ql)；(10)判定若 I (Pm-Pt)/ρτ I 彡 he，则重复步骤(5) 步骤(10);若 |(pM-pT)/PtI <he，则停止迭代，此时又分为两种情況若最小拟合残差P = Pt，获得四參数拟合正弦曲线參数为2 ==P，拟合过程结束；若最小拟合残差P = PM， 获得四參数拟合正弦曲线參数为、多=认/、乃=^^、P ,拟合过程结束。—种超低频振动參数量值的快速測量装置，用于实现上述超低频振动參数量值的快速測量方法，包括振动传感设备、数据采集系统和计算机数据处理设备，其中待测的表征超低频振动的位移、速度或者加速度物理信号进入振动传感设备后转换成电信号波形输出给数据采集系统，数据采集系统再将电信号波形转换为波形数字序列后送入计算机数据处理设备，计算机数据处理设备再将输入的数字序列进行处理，得到超低频振动的參数量值也即幅值和频率的測量结果并对结果进行输出。有益效果本发明的方法及装置，以虚拟仪器方式实现超低频正弦振动信号幅度值和频率值的快速測量，可以仅仅使用不足ー个周期的部分波形获得其振动幅度、频率等量值，例如在仅有十分之ー个波形周期下即可以实现振动參量的測量，达到获得低频振动快速測量与实时刷新数据的效果。本发明具有快速測量超低频振动量值的特点，可用于制作超低频振动測量系统、測量仪器设备等，并可以用于超低频振动參数的计量校准。


图I为本发明采用光电测量方案时快速測量装置的结构示意图；图2为本发明采用机电测量方案时快速測量装置的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进ー步说明。实施例ー种超低频振动參数量值的快速測量方法，具体包括以下步骤I)利用振动传感设备将表征超低频振动的位移、速度或者加速度物理信号转变成电信号波形；2)利用数据采集系统，将步骤I)所述电信号波形转换成表征振动信号波形的波形数据序列Yi,其中i表示数据序列中采样点序号且i = 1,2,…，n，n为数据序列的长度，再将数据序列Ji送给计算机数据处理设备；
数据序列的长度η以及数据采样速率V根据被测振动信号频率预估值f设定，设定原则为保证每个波形周期内要多于500个采样点并且所采样的数据少于振动信号的2个波形周期，采样的数据的取值范围取为O. I 2个波形周期数；3)计算机数据处理设备对输入的数字序列进行正弦波拟合，获得拟合正弦振动波形的幅度J、角频率 和初始相位多，具体为3. 1对正弦振动波形信号进行数学描述，为
权利要求
1.ー种超低频振动參数量值的快速測量方法，其特征在于，包括以下步骤 1)利用振动传感设备将表征超低频振动的位移、速度或者加速度物理信号转变成电信号波形； 2)利用数据采集系统，将步骤I)所述电信号波形转换成表征振动信号波形的波形数据序列Yi,其中i表示数据序列中采样点序号且i = 1,2,…，η, η为数据序列的长度，再将数据序列Ji送给计算机数据处理设备； 3)计算机数据处理设备对输入的数字序列进行正弦波拟合，获得拟合正弦振动波形的幅度2、角频率 和初始相位多，具体为3.I对正弦振动波形信号进行数学描述，为
2.根据权利要求I所述的ー种超低频振动參数量值的快速測量方法，其特征在于，所述步骤3. 2中进行正弦波形四參数拟合的过程为 (1)设定初始參数，具体包括待测的正弦波频率预期值为ち，角频率预期值《。=2 πも八，波形采集序列所含信号不足ー个周期且个数为P，波形采集的数据序列占用时间长度为τ，则ち≤I/ τ，选取另ー个足够小的正数因子q使得被估计的正弦频率ち> q/τ，因而 f0 e [q/ τ , 2/ τ ]； (2)设定拟合迭代停止条件中收敛參数为he，he是ー个接近于O的足够小的正数； (3)从已知采样时刻tpt2, ... , tn得到的正弦波采集样本为Y1, y2, , yn，用计点法获得信号波形占用时间长度为τ = (η_1)/ν,确定目标频率fQ的存在区间[q/T，2/T]； (4)确定迭代左边界频率れ==q/τ和迭代左边界角频率COlj = 2 fL/v以及迭代右边界频率fK = 2/T和迭代右边界角频率ωκ = 2JifK/v，令中值角频率ωΜ= (qe+ql)/2 ； (5)在迭代左边界角频率ωぃ迭代右边界角频率ωκ和中值角频率ωΜ上分別利用频率已知的三參数正弦波形拟合公式计算各自的拟合残差P (coj、P (ωκ)和P (ωΜ); (6)若P(CO1) < η · P (ωΜ)，则令迭代右边界角频率COli= ωΜ，迭代左边界角频率不变，重复执行步骤(5) 步骤￠)，其中η为判据因子； (7)若P(ω J彡n * P (ωΜ)，则必有ωκ< 2ω。，确定左边界角频率为ωい右边界角频率ωκ，按照优选法原则，选取两个中值角频率分别为COm= COl+0. 618Χ (COk-COl) 和COt= COd-O. 618X (COr-COl); (8)在左边界角频率上执行频率已知的三參数正弦曲线拟合获得拟合幅度怂、拟合相位
3.根据权利要求I所述的ー种超低频振动參数量值的快速測量方法，其特征在于，所述步骤2)中数据序列的长度n以及数据采样速率V根据被测振动信号频率预估值f设定，设定原则为保证每个波形周期内要多于500个采样点并且所采样的数据少于振动信号的2个波形周期，采样的数据的取值范围取为O. I 2个波形周期数。
4.根据权利要求2所述的ー种超低频振动參数量值的快速測量方法，其特征在干，所述步骤⑵中he的优选取值范围为I X 10_4° I X 10_2°。
5.根据权利要求2所述的ー种超低频振动參数量值的快速測量方法，其特征在干，所述步骤(6)中η的优选取值范围为1彡η彡I. 5。
6.ー种超低频振动參数量值的快速測量装置，其特征在于，包括振动传感设备、数据采集系统和计算机数据处理设备，其中待测的表征超低频振动的位移、速度或者加速度的物理信号进入振动传感设备后转换成电信号波形输出给数据采集系统，数据采集系统再将电信号波形转换为波形数字序列后送入计算机数据处理设备，计算机数据处理设备再将输入的数字序列进行处理，得到超低频振动的幅值和频率測量结果并对结果进行输出。
7.根据权利要求6所述的ー种超低频振动參数量值的快速測量装置，其特征在干，所述振动传感设备采用光电测量方案，即振动传感设备由激光干涉仪、信号采集处理电路和波形输出电路组成。
8.根据权利要求6所述的ー种超低频振动參数量值的快速測量装置，其特征在于，所述振动传感设备采用机电测量方案，即振动传感设备由振动传感器和波形输出电路组成。
全文摘要
本发明涉及一种超低频振动参数量值的快速测量方法及装置，属于力学测量技术领域。测量方法是利用小于一个波形周期的局部波形获得振动信号的幅度值和频率，从而实现超低频振动的快速测量；测量装置包括振动传感设备、数据采集系统和计算机数据处理设备。本发明的方法及装置，以虚拟仪器方式实现超低频正弦振动信号幅度值和频率值的快速测量，可以仅仅使用不足一个周期的部分波形获得其振动幅度、频率等量值，达到获得低频振动快速测量与实时刷新数据的效果，避免了传统振动测量方法的必需采样多个波形周期后才能进行幅度和频率的测量，本发明可用于制作超低频振动测量系统、测量仪器设备等，并可以用于超低频振动参数的计量校准。
文档编号G01H11/06GK102661782SQ20121014996
公开日2012年9月12日 申请日期2012年5月14日 优先权日2012年5月14日
发明者张大治, 张大鹏, 李新良, 梁志国, 武腾飞 申请人:中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所