专利名称：一种消除信号相位随机误差的方法
技术领域：
本发明属于信号测试技术领域，涉及振动的测试、分析和控制领域；特别是需要精 确相位信息的测量、分析、控制领域，如转子的动平衡。
背景技术：
在信号的相位测试中，一般均需要基准相位传感器(以下称为键相传感器)—— 称由键相传感器测量获取的信号为键相信号——获取测试信号零时刻时，不同频率分量相 对基准位置(以下称为键相点)之间的相位信息。传统的测试方法为1)设置采样频率和 采样长度，采集获取测试信号及其键相信号；幻分析键相信号，选择键相点；；3)取测试信中 键相点之后的数据(可以包含键相点)进行FFT变换，获取其频率、相位及其幅值信息；4) 对步骤3)获取的频域信息进行频谱修正以获得更精确的频率、幅值和相位信息。考虑信号采集的开始时间具有随机性、采集的数据信号具有离散性，如附图2所 示，获得的键相信号键相点的位置在键相槽内是变化的；如果按照上述方法进行键相信号 处理，不同采样时刻所获得的信号的初始相位具有一定的随机误差，如图3所示，该误差与 采样频率、信号的频率和采样的起始时刻等参量相关；在对信号进行FFT变换时，键相点位 置的选择，对于信号FFT变换的幅值影响很小，而键相点位置的随机误差将会累加至信号 的FFT变换相位中。在主动降振、消噪操作过程中，精确的相位是操作成功的必要条件；如 图附图4所示，在进行动平衡时，大的相位误差直接影响平衡后的残余振动量。

发明内容
鉴于上述方法测量获得的振动信号的相位具有一定的随机误差难于消除，本发明 提供一种消除信号相位随机误差的方法(以下简称相位随机误差修正法)。上述所示的信号分析方法，在信号相位分析中，容易受键相点的选择和采样的起 始时间影响；虽然可以通过提高采样频率，减小工作频率下相邻采样点之间的相位差，来降 低信号随机误差的影响，但是，增加采样频率的同时，信号采集的数据量也随之增加，导致 后续信号处理的工作任务的增加；单一的提高采样频率，在控制随机误差影响方面是一个 效率很低的方法。在对键相信号特点进行详细研究后，本发明提出了相位随机误差修正法。相位随机误差修正法，该方法是在键相信号键相点相位随时间变化的理论研究基 础上提出的，该方法中的采样频率和采样长度均是以控制采集的随机误差为目的选取的。 相位随机误差修正法消除信号采集随机误差的具体的方案如下步骤一设定工作频率的随机误差e，根据e值，计算、选择信号采样频率和采样长 度；步骤二 采集、获取测试信号及其键相信号；步骤三搜索并存储键相信号中各键相点的位置值；步骤四选择测试信号，对其进行FFT变换；步骤五确定测试信号的分析频率，对测试数据FFT变换结果进行频谱校正，获取准确的分析频率及其相位值；步骤六根据分析频率，采样频率，计算键相信号中各键相点的相位值；并对其进 行分析、处理，确定分析频率相位修正值；步骤七根据测试信号的分析频率相位、相位修正值，对分析频率相位进行进一步 修正计算；步骤八改变分析频率重复步骤五 步骤七，获取其它分析频率的相位；步骤九更换测试通道信号重复步骤四 步骤八，获取其它信号的分析频率信 息；本发明是以平稳信号采样时间与键相点误差关系研究为基础，以统计学参量预估 理论为依据，对测试信号的随机误差进行消除的。本发明提供的相位随机误差修正法在获 取信号的精确相位信息方面，开辟了新的思路，主要创新点在于1、本发明提供了相位随机误差修正法的完整操作方法及其步骤；2、为了能将分析频率信息的随机误差控制在一个精确的频率范围内，本发明公开 了基于随机误差控制精度的数据采样频率的计算方法。3、为了能将分析频率信息的随机误差控制在一个精确的频率范围内，本发明公开 了基于随机误差控制精度的最小采样长度计算方法。4、为了能获取准确的键相点相位修正值，本发明公开了多种相位修正值估计方法。相位随机误差修正法是基于对键相位置相位随时间的变化关系分析的基础上提 出的，理论和实践证明该方法可以将采集的随机误差控制在精确的范围内。


图1 “相位随机误差修正法”的操作流程图。图2键相信号在轴键相点位置采集点的随机波动示意图；图中，P为键槽边缘即键 相“零”相位点位置，X1、X2、X3为不同时刻键相信号采集得到的键相点示意位置。图3键相误差波动示意图，X1、X2、X3、X4、X5，为不同时刻键相点相位相对于“零” 相位的误差值，S为相邻采样点之间的相位差值。图4相位误差对主动降噪和消噪结果影响示意图。
具体实施例方式为了更清楚的理解本发明，以下结合附图作进一步的详细说明。本发明公开的相位随机误差修正法，是基于对键相位置相位随时间的变化关系分 析的基础上提出的。其具体实施步骤如下步骤一设定工作频率的随机误差e，根据e值，计算、选择信号采样频率和采样长 度；步骤二 采集、获取测试信号及其键相信号；步骤三搜索并存储键相信号中各键相点的位置值；步骤四选择测试信号，对其进行FFT变换；步骤五确定测试信号的分析频率，对测试数据FFT变换结果进行频谱校正，获取
5准确的分析频率及其相位值；步骤六根据分析频率，采样频率，计算键相信号中各键相点的相位值；并对其进 行分析、处理，确定分析频率相位修正值；步骤七根据测试信号的分析频率相位、相位修正值，对分析频率相位进行进一步 修正计算；步骤八改变分析频率重复步骤五 步骤七，获取其它分析频率的相位；步骤九更换测试通道信号重复步骤四 步骤八，获取其它信号的分析频率信 息；发明人对本发明方法进行过多次实验数据验证，以下是发明人给出的两个具体实 施例。需要说明的是，这些实例仅为证明本发明方法的有效性的实例，本申请不限于这些实 施例。实例1 实验介绍该实验是对一组模拟信号进行随机采集，以确定信号的初始相位。模拟信号为:y= 30 X cos (2 X π XfwX (st+t》)。实验中信号频率fv取149. 54Hz ；采样频率fs取10000 ；数据长度Ie取IOM ；st 为信号的起始时刻(实验过程中，以10为单位，以0为起始时刻，90为终止时刻，改变St 的值模拟信号采集的随机性)；、为采样时间序列(起始时刻为0，时间间隔为采样时间间 隔)。假设信号的初始相位prim_ang为30°，则模拟生成的键相信号为
权利要求
1.一种消除信号相位随机误差的方法，其特征在于，该方法的采样频率和采样长度的 设置是基于信号分析频率相位的随机误差控制量e进行选取的；该方法是以优化、估计、计 算采集起始时刻与键相“零点”位置之间的真实相位偏移值为基础，对分析信号快速傅里叶 变换分析频率对应的相位值进行修正，控制采样随机误差对分析频率信号相位的影响量；所述方法包含步骤步骤一根据工作基准频率随机误差控制量e，选择信号采样频率和采样长度； 步骤二 采集并获取测试信号及其键相信号； 步骤三获取键相信号中各键相位置序列； 步骤四测试信号快速傅里叶变换变换；步骤五确定分析频率，并根据分析频率，对测试数据快速傅里叶变换的变换结果进行 频谱校正，获取准确的分析频率及其相位值；步骤六根据分析频率，采样频率，计算键相序列中各键相位置的相位值；并分析、处 理键相位置相位信息，确定分析频率相位修正值；步骤七根据测试信号的分析频率相位、相位修正值，对分析频率相位进行修正计算； 步骤八如果需要改变分析频率重复步骤五 步骤七； 步骤九如果需要更换测试通道信号重复步骤四 步骤八。
2.如权利要求1所述消除信号相位随机误差的方法，其特征在于，所述步骤一中采样 频率和采样长度的选择皆以控制采样随机误差为目的选取的；假设fw为分析信号的工作 频率；fs为采样频率；Ie为采样长度；采样频率和采样长度选择方法如下NS为正整数，各 参数满足以下条件ι>>0；fw采样频率与随机误差关系[v fs J \ fsJj釆样长度与随机误差关系τ 360Ie >-。
3.如权利要求1所述消除信号相位随机误差的方法，其特征在于，所述步骤六中，假 设叫为键相信号中第i个键相点的位置值为待分析信号的频率，的倍频；《 Ici 为计算频率为频率时，第i键相点相位偏移值；相位修正值的计算步骤如下,/σ, χ 360(一)计算αk”其中《之=^ x^y^；(二)将相位αh变换至0 360区间；(三)估计相位修正值。
4.如权利要求3所述消除信号相位随机误差的方法，其特征在于，所述步骤(三)的相 位估计方法为(1)以α &的最大值或者最小值作为相位修正值；(2)统计估计α Iii波动 区间的中间值为相位修正值；(3)统计估计α Iii波动区间的中间值及其波动区间长度，以 波动区间中间值和波动区间半长作为Ciki的极值估计相位修正值；(4)综合方法一与方法四的极值，进行更精确极值估计。
全文摘要
本发明公开了一种消除信号相位随机误差的方法。该方法是以优化、估计、计算采集起始时刻与键相“零点”位置之间的真实相位偏移值为基础，以真实相位偏移值修正测试信号快速傅里叶变换(FFT)的相位值，进而消除采样随机误差对信号的影响。本发明提出的相位修正方法，在信号采集随机相位误差控制方面具有先验性，理论和实验证明，按照本发明方法操作，可以将测试信号的单次采样随机误差控制在满意的精度范围。相位是振动测试、分析、控制领域的重要参量，因此该方法的提出，在工业现场降振、消噪中，将有十分广泛的应用。
文档编号G01M1/08GK102095552SQ20101057293
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月3日 优先权日2010年12月3日
发明者廖与禾, 林京, 王琇峰, 赵明, 郎根峰 申请人:西安交通大学