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基于EXCEL的設(shè)備振動頻譜分析系統(tǒng)

2019-09-11 12:18:30薛亞芳喬文生艾士娟
設(shè)備管理與維修 2019年8期
關(guān)鍵詞:信號分析

薛亞芳,喬文生,艾士娟,劉 欣

(1.中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院,山西太原 030051;2.北京航天拓?fù)涓呖萍加邢挢?zé)任公司,北京 100176)

0 引言

振動頻譜分析軟件是設(shè)備診斷常用的重要工具之一,在工作中首選儀器制造廠商研制的專業(yè)軟件。但作為振動分析的從業(yè)人員應(yīng)了解頻譜分析軟件的基本原理,甚至自己動手編寫一個簡單的頻譜分析軟件。利用Matlab,VB,VC,C#,LabView 等專業(yè)編程軟件可以實現(xiàn)。利用Microsoft Office 2016 中的ECXEL軟件,實現(xiàn)以北京航天拓?fù)涔旧a(chǎn)的HG8900 數(shù)據(jù)采集故障診斷系統(tǒng)檢測的振動數(shù)據(jù)為對象,進(jìn)行頻譜分析的方法。HG8900 數(shù)據(jù)采集故障診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)文件以Tab 為分隔符,以文本文件形式保存,便于用戶進(jìn)行二次開發(fā)。

1 標(biāo)準(zhǔn)正弦信號的生成與分析

在信號分析中,常常以簡諧信號分析入手,判斷分析系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,再分析其他復(fù)雜信號,因此分析系統(tǒng)應(yīng)首先實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)正弦(余弦)信號的生成與分析,并關(guān)注頻譜分析過程中應(yīng)注意的技術(shù)細(xì)節(jié)。

假設(shè)有一信號為:y=a0+a1sin(2πf1t+φ1)+a2sin(2πf2t+φ2)。式中a0為直流量;a1,a2分別為兩正弦信號的幅度;f1,f2為頻率;φ1,φ2為初相角。這7 個參數(shù)在分析系統(tǒng)中為手動輸入量,可以調(diào)整,便于檢驗分析系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

頻譜分析中一定要注意“零均值”處理,即首先求取信號序列的算術(shù)平均值,然后再用原始信號中的每個數(shù)值減去算術(shù)平均值,這樣處理后的信號在做頻譜分析時不會在0 Hz 處存在明顯的頻率分量,國內(nèi)外部分頻譜分析儀的0 Hz 分量明顯就是這個原因。

利用EXCEL 軟件實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)正弦信號的生成與頻譜分析功能主要分5 個步驟:

(1)啟動EXCEL 軟件,將“Sheet1”改名為“標(biāo)準(zhǔn)波形生成與分析”,在“A”列的1 行到10 行分別填入“參數(shù)名稱”,在“B”列分別填入?yún)?shù)值,見圖1。

(2)“C”列第2 行開始填入公式“=$B$4*SIN(2*PI()*$B$5*(ROW($C2)-2)/(2.56*$B$2)+$B$6*PI()/180)+$B$7*SIN(2*PI()*$B$8*(ROW($C2)-2)/(2.56*$B$2)+$B$9*PI()/180)+$B$10”用于存儲原始波形數(shù)據(jù),這里的sin 函數(shù)變量按弧度計算,因此要將常用度數(shù)變換為弧度。在“D2”單元格寫入公式“=AVERAGE(C2:C1025)”用于存放原始波形數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值?!癊”列填入公式“=C2-$D$2”用于存放“零均值處理”后的波形數(shù)據(jù)。見圖2。

(3)如果“數(shù)據(jù)”菜單中沒有“數(shù)據(jù)分析”子項,則在“開發(fā)工具”菜單中選擇“Excel 加載項”,勾選“分析工具庫”及“分析工具庫-VBA”。如果“數(shù)據(jù)”菜單中已經(jīng)有“數(shù)據(jù)分析”子菜單則可從其“分析工具”中選擇“傅利葉分析”對“E2:E1025”進(jìn)行分析,生成的數(shù)據(jù)存入“G2:G1025”。傅利葉分析得到的是復(fù)數(shù)序列,對“G2:G1025”求模存入“H”列,即在在“H2:H1025”輸入公式“=IMABS(G2)/512”。至此就得到了頻譜分析的幅值譜數(shù)值,篇幅所限這里不予討論相位譜分析編寫過程。另為了對比有無“零均值處理”在頻譜分析中的影響,同樣對原始波形信號進(jìn)行傅利葉分析并求模。分別存于“I”列和“J”列。如圖3 所示。

圖1 參數(shù)名稱及參數(shù)值

圖2 零均值處理

圖3 頻率值、傅利葉變換及求模

(4)根據(jù)分析頻率、采樣點數(shù)(譜線數(shù))等信息,計算各頻率分量的頻率值。即在“F2:F402”填入公式“=$B $2* (ROW($F3)-2)/$B$3*2.56”,該列數(shù)值可以作為頻譜圖的橫坐標(biāo)。

(5)對原始波形數(shù)據(jù)、零均值處理后的波形數(shù)據(jù)添加圖表進(jìn)行分析,橫坐標(biāo)為數(shù)據(jù)點數(shù),縱坐標(biāo)為波形數(shù)據(jù)值。對原始波形的頻譜、零均值處理后的頻譜分別添加圖表進(jìn)行分析,橫坐標(biāo)為“F”列頻率值,縱坐標(biāo)為“J”列和“H”列的計算值。需要注意的是,頻譜數(shù)據(jù)只需要取前一半譜線分析即可。按照采樣定理,可以分析的最高頻率f1為采樣頻率fs的一半,即f1=fs/2。為了保證信號的準(zhǔn)確性,工程上一般選擇f1=fs/2.56。例如1024 點的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅利葉變換可得到1024 條譜線,但是數(shù)學(xué)計算上存在負(fù)頻率,前512 條譜線與后512 條譜線是對稱的,實際上關(guān)注的是正頻率部分對應(yīng)的譜線,也就是說正頻率有512 線,通常情況下由于頻率混疊和時域截斷的影響,一般認(rèn)為401 線到512 線的頻譜精度不高而不予考慮,故僅分析前400 條譜線。即當(dāng)采樣頻率為2560 Hz 時,理論上最高可分析到1280 Hz 的信號,但實際上僅分析2560/2.56=1000 Hz 以內(nèi)的信號。原始波形和零均值處理后波形對比見圖4。

如圖5 所示,原始波形幅值譜在0 Hz 處存在直流分量,經(jīng)零均值處理后的幅值譜則沒有。至此,基于EXCEL 的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號的生成與頻譜分析功能已經(jīng)實現(xiàn)。

圖4 原始波形與零均值處理后的波形對比

圖5 原始波形頻譜與零均值處理后波形頻譜對比

2 文本型數(shù)據(jù)的讀入與分析功能

在上述功能的實現(xiàn)中采用了“列”的方式存儲數(shù)據(jù),本節(jié)設(shè)計中嘗試用“行”存儲數(shù)據(jù)。首先增加“Sheet2”并更名為“讀數(shù)據(jù)文件”。為了便于將波形及頻譜圖集中顯示于上部,將數(shù)據(jù)存放于26 行?!癆”列及“B”列前幾行依然存放參數(shù)名稱及參數(shù)值。從“數(shù)據(jù)”菜單中選擇“獲取外部數(shù)據(jù)”中的“自文本”按步驟導(dǎo)入文本數(shù)據(jù)文件。將公式“=COUNT($26:$26)”填入“B4”單元格,自動讀取采樣點數(shù);采樣頻率填入“B3”,分析頻率填入“B2”,計算公式為“=B3/2.56”。

選擇“開發(fā)工具”中的“插入”,再選擇“表單控件”中的按鈕控件,在表單上增加一按鈕,命名為“分析”,錄制或修改宏命令,并將宏命令與“分析”命令按鈕關(guān)聯(lián)。宏命令的主要目的是針對不同數(shù)據(jù)文件采用點數(shù)、采樣頻率可能不同,要根據(jù)不同采樣點數(shù)計算各頻率分量的頻率值,以及自動設(shè)置傅利葉分析的數(shù)據(jù)范圍。

部分宏指令為:點選某文本型數(shù)據(jù)文件,讀入到數(shù)據(jù)存放行,進(jìn)行分析則實現(xiàn)如圖6 所示分析功能。

圖6 文本型數(shù)據(jù)文件頻譜分析功能

3 結(jié)束語

通過以上各步驟的實施,實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)正弦信號的生成與分析,驗證了頻譜分析功能的準(zhǔn)確性;實現(xiàn)了利用EXCEL 針對HG8900 數(shù)據(jù)采集故障診斷系統(tǒng)的文本型振動數(shù)據(jù)的頻譜分析。通過對比分析明確了“零均值處理”在頻譜分析中的作用,同時也拓展了辦公軟件的專業(yè)分析功能,如進(jìn)一步挖掘,將可以實現(xiàn)許多個性化的分析功能。

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