CN103604404B - 基于数值积分的加速度信号测取位移方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于数值积分的加速度信号测取位移方法法，属于信号处理领域。该方法先对离散加速度信号进行数值积分，再对积分后的信号利用包络法进行修正。经两次积分，两次包络法修正后就可以得到位移信号。该方法利用包络法来修正积分后的速度和位移信号，能够很好的消除积分过程产生的趋势项和抑制噪声的干扰，进而得到有效的位移信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种测取位移信号的方法，具体地涉及一种通过对加速度信号进行数值积分来获得位移信号的方法，属于信号处理领域。
背景技术
众所周知，可通过微分方法将位移转换为速度和加速度，相反，则可通过积分方法将加速度转换为速度和位移。工程实践中，许多场合很难直接测取到位移信号，这就需要将加速度信号进行积分以得到速度信号和位移信号。实际上，利用加速度传感器进行测量还具有方便和经济的特点。
硬件积分电路可实现加速度、速度和位移间的转换。但是积分精度受制于具体的硬件电路，甚至会有波形畸变，而且硬件电路一旦设定，对其进行标定和修正的工作量较大。在当今信息时代，随着数字技术的快速发展，软件积分方法已受到关注，具有了很大的市场需求。
软件积分使用了数值积分方法，同样面临一些难题。由于温度变化造成的零点漂移等原因，会使加速度信号中含有趋势项，而且加速度信号中会带有噪声。趋势项和噪声对积分变换的结果影响较大，会导致位移曲线产生畸变，甚至完全失真。也就是说，直接对加速度信号进行积分不能得到期望的位移信号。采用最小二乘法、滤波法等方法能够去除直流分量的影响。但是，除了直流分量，一些低频成分也是趋势项的重要内容，何况还有噪声带来的影响。因此，如何估计积分后的低频成分及范围，仍然是软件积分面临的一个难题。
发明内容
本发明的目的是为解决现有数值积分方法不能有效的从加速度信号中获取位移信号的缺点，提供一种基于数值积分的加速度信号测取位移方法，利用包络法来修正积分后的速度和位移信号，消除积分过程趋势项的影响和抑制噪声的干扰。
本发明的基于数值积分的加速度信号测取位移方法，具体包括如下步骤：
步骤1，对测取的加速度信号进行滤波，并进行离散化处理，得到离散加速度信号；
步骤2，对步骤1的离散加速度信号进行数值积分，得到速度信号；
步骤3，对步骤2的速度信号进行包络法处理，得到修正后的速度信号；
所述的包络法，具体包括如下步骤：
①找出信号的所有局部极值点，得到极大值和极小值序列；
②分别对极大值和极小值序列进行分段三次样条插值拟合得到上包络和下包络；
③计算上、下包络的均值；
④从步骤①的信号中减去包络的均值，得到修正后的信号。
步骤4，对步骤3的速度信号进行数值积分，得到位移信号；
步骤5，对步骤4的位移信号进行包络法处理，得到修正后的位移信号。
所述的包络法，其方法同步骤3的包络法。
有益效果
本发明利用包络法来估计积分后信号的趋势项，具有方法简单，易于编程实现等特点。本发明的基于数值积分的加速度信号测取位移方法，能够很好的消除积分过程产生的趋势项和抑制噪声的干扰，进而得到有效的位移信号。
附图说明
图 1 为本发明的基于数值积分的加速度信号测取位移方法的流程图；
图 2 为本发明的具体实施方式中直接积分与包络法修正后位移信号的对比；
图 3为本发明的具体实施方式中一个压缩机实际振动信号；
图 4为对图3的信号进行直接积分与包络法修正后速度信号的对比；
图 5为对图3的信号进行直接积分与包络法修正后位移信号的对比。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
基于数值积分的加速度信号测取位移方法，其总体技术方案如图1所示，具体包括如下步骤：
步骤1，对测取的加速度信号进行滤波，并进行离散化处理，得到长度为N的离散信号，记为；
步骤2，对步骤1的离散加速度信号进行数值积分，得到速度信号，记为；
所述的数值积分方法，有时域积分和频谱积分两种方法;
步骤3，对步骤2的速度信号进行包络法处理，得到修正后的速度信号；
所述的包络法，具体包括如下步骤：
①找出速度信号的所有局部极值点，得到极大值和极小值序列；
②分别对极大值和极小值序列进行分段三次样条插值拟合得到上包络和下包络；
③计算上、下包络的均值，即；
④从步骤①的信号中减去包络的均值，得到修正后的速度信号，即；
步骤4，对步骤3的速度信号进行数值积分，得到位移信号，记为；
所述的数值积分，其方法同步骤2的数值积分方法；
步骤5，对步骤4的位移信号进行包络法处理，得到修正后的位移信号。
所述的包络法，具体包括如下步骤：
①找出位移信号的所有局部极值点，得到极大值和极小值序列；
②分别对极大值和极小值序列进行分段三次样条插值拟合得到上包络和下包络；
③计算上、下包络的均值，即；
④从步骤①的信号中减去包络的均值，得到修正后的位移信号，即；
实施例1
以一个时变信号为例来进行说明。时变信号如图2a所示，图2b给出了直接进行两次数值积分得到的位移信号，图2c给出了经包络法修正后的位移信号。由图2b可知，直接积分得到的位移信号中有一个很明显的趋势项，而由图2c可知，经包络法修正后的位移信号波形基本上关于0线对称。这表明，包络法很好的去除了直接积分产生的趋势项。
实施例2
以某型号压缩机实际振动信号为例来进行说明。实际振动信号如图3所示，由图3可知，该信号的成分很复杂。图4给出了对图3的信号进行直接积分与包络法修正后速度信号的对比。由图4可知，直接积分得到的速度信号虽然能够显示出一点波动的形状，但是一些低频的趋势项占据了主导，而经包络法修正后的速度信号则很好的展示了振动的波形。
图5给出了对图3的信号进行直接积分与包络法修正后位移信号的对比。由图5可知，直接积分得到的位移信号完全被低频的趋势项所主导，而经包络法修正后的位移信号则完全去除了趋势项。
通过对比图4和图5的积分结果可知，包络法能够很好的去除低频趋势项对积分结果的影响，经包络法修正后能够得到有效的位移信号。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.基于数值积分的加速度信号测取位移方法，其特征在于：
步骤1，对测取的加速度信号进行滤波，并进行离散化处理，得到长度为N的离散信号，记为a(n)，n＝1，2，…N；
步骤2，对步骤1的离散加速度信号a(n)进行数值积分，得到速度信号，记为v0(n)；
所述的数值积分方法，有时域积分和频谱积分两种方法；
步骤3，对步骤2的速度信号v0(n)进行包络法处理，得到修正后的速度信号v(n)；
步骤3中所述的包络法，具体包括如下步骤：
①找出速度信号v0(n)的所有局部极值点，得到极大值和极小值序列；
②分别对极大值和极小值序列进行分段三次样条插值拟合得到上包络eu(n)和下包络ed(n)；
③计算上、下包络的均值e0(n)，即e0(n)＝[eu(n)+ed(n)]/2；
④从步骤①的信号v0(n)中减去包络的均值e0(n)，得到修正后的速度信号，即v(n)＝v0(n)-e0(n)；
步骤4，对步骤3的速度信号v(n)进行数值积分，得到位移信号，记为s0(n)；所述的数值积分，其方法同步骤2的数值积分方法；
步骤5，对步骤4的位移信号s0(n)进行包络法处理，得到修正后的位移信号s(n)；
步骤5中所述的包络法，具体包括如下步骤：
①找出位移信号s0(n)的所有局部极值点，得到极大值和极小值序列；
②分别对极大值和极小值序列进行分段三次样条插值拟合得到上包络eu(n)和下包络ed(n)；
③计算上、下包络的均值e1(n)，即e1(n)＝[eu(n)+ed(n)]/2；
④从步骤①的信号s0(n)中减去包络的均值e1(n)，得到修正后的位移信号，即s(n)＝s0(n)-e1(n)。
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