一种多通滤波的电涡流传感器数据采集转速的方法

一种多通滤波的电涡流传感器数据采集转速的方法

1发展多功能转子试验台旋转是指在单位时间内通过圆周运动的物体的旋转周期数。许多旋转机械都是重要的操作参数。旋转测量一直是科学研究和工业领域的一个重要问题。自行开发研制的小型多功能转子试验台,是为开展振动测试、故障诊断和转子动力学等方面的研究而研制的一个多功能平台,目前已在上面实现了基于Intermet的远程实验。在实验中,转子转速的准确测量十分重要。2温度和转速测量测量系统设备比较简单,主要由一个铁质测速圆盘、一个电涡流传感器、一个PCI-9118DG数据采集卡和一台计算机组成,见图1。在测速圆盘的圆周上均匀分布着6个小孔,电涡流传感器安装在垂直于圆盘并对准小孔的位置,这样转子转动1周,电涡流传感器就会输出6个周期信号。该信号由电涡流传感器拾取,然后通过PCI-9118DG采集卡进入计算机,经过一系列处理和计算,即可得到转速。电涡流传感器选用HZ-8500型非接触式电涡流传感器,探头规格为Φ5。PCI-9118DG是高效、多功能数据采集卡,能进行12位A/D、D/A转换,数字输入、输出,精度高,稳定性好,在数据采集、过程控制和自动化方面得到大量应用。实验台转子由直流调速电动机驱动,可实现大范围(0～10000r/min)无级调速。转速的测量实际上是对转子旋转引起的周期信号的频率进行测量。转速测量方法有多种,本文采用计数法进行转速测量,即在一定时间间隔内,根据被测信号的周期数求转速。在本系统中,测速圆盘上有i=6个小孔,转子每转一周,电涡流传感器将输出6个周期信号。假设在采样时间t内,单位为s,检测到m个周期信号,则转子转速n,单位为r/min,可由下式求得:由于PCI-9118DG采集卡没有提供时间间隔测量的调用函数,因而不能直接对转速进行测定。但ADLink公司的PCIS-DASK软件驱动程序为我们提供了一种异步双缓冲采集模式,采用这种数据采集方式,当数据缓冲区中已经采集到一半的数据时,这一半的数据就可以先传送出来,同时采集卡不间断地继续采集数据,并将数据存放在另一半缓冲区中。通过程序控制可以反复不断地先读取一半缓冲区的数据,再读取另一半缓冲区的数据,这样就能长时间连续不断地采集数据。由于采集过程是不间断的,采样频率又是固定不变的,因此在知道采样个数的情况下,就可以用如下方法求得采样时间。设采样频率为f,单位为Hz,采样缓冲区大小为k,则采集卡采集到缓冲区一半数据的时间t可由下式得到:将式(2)代入式(1)可得:数据采集时,采样频率f、缓冲区大小k和测速圆盘小孔数i均为已知,这样,只需求得采样时间t内的周期信号个数m,即可求得转速。3周期数的滤波和计数从上面的分析可以看出,如何获得采样时间t内的周期信号个数m,是准确计算转速的关键。从电涡流传感器得到的周期性电压信号不是真正意义上的脉冲信号,信号中存在严重的干扰。图2所示为采样频率f=20kHz,缓冲区大小k=4000,转速为3000r/min时,采集得到的半个缓冲区大小的原始数据波形图,此时通过式(2)可计算得采样时间t=0.1s.由于信号中存在大量的干扰,很难直接计算信号的周期数,因此需要先对信号进行滤波处理,使信号变得平滑,再通过阈值判断,将其转化为脉冲信号,然后对脉冲进行计数,从而得到信号周期数。本文设计了一个Butterworth低通滤波器,实时地对采集到的数据进行处理。图3为经过Butterworth低通滤波后的信号,滤波器参数如下:通带截止频率350Hz,阻带截止频率450Hz,通带最大衰减0.05dB,阻带最大衰减16dB.为了再次削弱强干扰信号的影响,便于计算机对周期数进行计数,需要对滤波后的信号进行0、1转换,使其变为脉冲信号。取一电压阈值U0,当电压信号大于U0时,信号置1,否则信号置0。图3为电压阈值U0=0.5V时,经过0、1转换后的脉冲信号图。从图上可以看出,此时信号的脉冲个数等于信号的周期数。因此电涡流传感器信号先经过滤波和0、1转换处理,计算机就比较容易对其周期数进行计数。系统软件采用VisualC++6.0编程实现,其中数据采集部分调用了PCIS-DASK软件包中的函数,转速计算程序流程图见图5。在用Butterworth低通滤波器进行滤波时,滤波器参数的设置比较重要。当转速较低时,通带截止频率和阻带截止频率应稍微小一些,以便有效地滤掉高频干扰信号;当转速较高时,滤波器的通带截止频率和阻带截止频率则应大一些,否则有可能将有用的周期信号也全部滤掉了,出现无法测量的情况。4错误分析和改进措施本文所述的转速测量方法其误差来源主要有两个方面。4.1避免高频干扰信号在实验中发现,直流电机的直流调速装置是一个很强的干扰源,当滤波器设计不恰当时,并不能有效地滤掉干扰信号,从而影响脉冲计数。比如在转速比较低时,滤波器参数,尤其是通带截止频率和阻带截止频率也应设置得比较小,尽可能有效地滤掉高频干扰信号。实际测量情况表明:当通带截止频率和阻带截止频率的取值约为(或略大于)实际转速值的1/10时,滤波效果比较好。4.2测量方案设计由于采用计数法进行转速测量,采样时间的起始点和终点具有随机性,不一定正好对应整数个周期,这样就会造成不足一个脉冲信号的多计或少计,因此脉冲计数误差是不可避免的。当测速圆盘上的小孔比较少时,多计(或少计)一个脉冲对转速的影响相当大。例如本系统测速圆盘上有i=6个小孔,当采样频率f的取值和缓冲区大小k的取值相等时,从式(3)可以计算出,多计(或少计)1个脉冲,转速误差将达20r/min.有3种措施可以减少因脉冲计数误差造成的测量误差。一种措施是增加圆盘小孔个数i.从式(3)可以看出,i越大,因多计(或少计)一个脉冲对转速计算的影响越小。在本系统中,如果测速圆盘小孔个数增加到i=60,则多计(或少计)一个脉冲造成的误差将减小到2r/min.但测速圆盘小孔个数也不是越多越好,尤其对于转速很高时,这种方法不是太适合。另一种措施是尽量选择小的采样频率和大的缓冲区。但采样频率受采样定理的限制不能设得太小,缓冲区也受采集卡驱动程序的限制而不可能设得太大,因此这种措施也比较受限。第三种措施是对连续多次测量结果求平均。如将连续10次或20次的测量结果求平均,这样误差会大大减小。本系统中,当采样频率f=20kHz,缓冲区大小k=20000时,取连续20次的平均值(相当于求10s内的平均转速),此时可将多计(或少计)一个脉冲的影响减小到1r/min.由于是求一段时间内的平均值,因此这种措施也有一些限制,它仅对平稳转速测量比较有效。如果转速变化较大(如转子启动或停止时),则平均次数不能过多,否则测量结果灵敏度会降低,滞后现象比较明显。在小型多功能转子试验台上进行实验时,转子一般运行平稳,因此采用最后一种措施,即取20次连续测量结果的平均值。为了验证所述方法的准确性,在实验中,同时采用了LF-802A多功能智能转速计测量转子转速,两种测量结果相差不超过1r/min,证明这种方法确实可行,完全满足平稳转速情况下转速测量的需要。5系统的