一种自适应采样频率追踪方法与流程

本发明涉及振动检测领域，具体涉及一种自适应采样频率追踪方法。

背景技术：

目前已知的对振动采样都是基于经验值，或者直接选择取最大值对振动进行采样。传统的基于经验值的方法需要人为干预；选取最大值的方法在很多情况下都导致过采样，在系统振动频率一定的情况下，过高的采样频率意味着在单位时间能获取的数据点数量过高，不但不能增加系统的敏感度，反而会导致传感器能耗的增加，并造成过多的计算资源以及存储资源的消耗；同时，一段振动频率发生了改变，传统的方式需要人为进行重新设置，无法自动更新。对于一个具体设备设置的一种频率采样模式不能应用到另一具体设备，需要频繁的针对不同设备型号、设备地基稳定度，采集装置的安装位置及振动来源的动作模式重新设置采样模式，导致频率采样模式不具备普适性。系统定期跟踪需要检测的振动频率时，会出现频率漂移现象，在一些应用场景中，由于机械老化、周围环境的变化或人为干预等原因，导致捕捉的振动点发生漂移现象。对于上述过采样和振动漂移的问题，目前缺少相应的解决方案。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术中存在的问题，提出一种自适应采样频率追踪方法，通过自适应的频率采样方式能在保证检测精度的同时，自动采用合理的采样频率，降低系统的能耗，并且适时跟踪振动频率变化的趋势。

为达到上述发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种自适应采样频率追踪方法，包括如下步骤：

步骤S10，以移位寄存器集保存大于等于两秒的振动数据；

步骤S20，通过自适应阈值判断当前开关门振动是否发生，是则对包含开关门动作的振动数据求取第一功率谱密度分布，否则以第一时间间隔对步骤S10保存的振动数据求取其第二功率谱密度分布；

步骤S30，求取第一功率谱密度分布与第二功率谱密度分布的差值，并对差值计算其最大功率累加值；

步骤S40，取达到最大功率累加值阈值的频率记录最大值f_max，并对同样最大功率的数据点通过关于频率的统计方法得到统计上最大频率f′_max；

步骤S50,判断频率记录最大值f_max与统计上最大频率f′_max之间的偏差是否达到阈值，是则更新振动传感器的采样频率f_s，k后进入步骤S10，其中s表示固有振动，k为整数的时间点，否则结束采样频率的更新。

进一步，所述步骤S50对偏差的判断及操作具体如下：判断频率记录最大值f_max与统计上最大频率f′_max之间差值是否超过偏差阈值，是则进一步判断统计上最大频率f′_max是否小于采样频率降低阈值，若是则缩小采样频率f_s，k后进入步骤S10，若其大于采样频率降低阈值且小于采样频率增加阈值，则保持当前采样频率f_s，k；若频率记录最大值f_max与统计上最大频率f′_max之间差值没有超过偏差阈值，则增加采样频率f_s，k后进入步骤S10。

上述方法，还包括步骤S51,设定频率增加计数器T_p和频率减少计数器T_N，其初始值为零，当步骤S50缩小采样频率，则频率减少计数器T_N加1；当步骤S50增加采样频率，则频率增加计数器T_p加1；当步骤S50执行保持采样频率后，频率增加计数器T_p减1，并且频率减少计数器T_N减1。

上述方法，还包括步骤S52,判断频率增加计数器T_p和频率减少计数器T_N是否同时小于0，是则采样频率稳定并结束，否则返回步骤S10。

上述方法，还包括步骤S53,满足降低采样频率的条件后，判断是否重复增减频率，具体步骤为：

步骤S531,当频率增加计数器T_p和频率减少计数器T_N满足：T_p＞2且|T_p-T_N|＜2时，则判定没有在两个采样频率点之间抖动，并进一步降低采样频率，将当前统计最大频率f′_max作为新的频率记录最大值f_max，并且频率减小计数器T_N加1，再进入步骤S10；

步骤S532，当频率增加计数器T_p和频率减少计数器T_N不满足：T_p＞2且|T_p-T_N|＜2时，则判定在两个采样频率点之间抖动，保持当前采样频率，并进入步骤S52判断是否结束当前自适应采样频率的更新。

上述方法还包括:

步骤S01,判断定时器的时间阈值是否满足，是则触发振动传感器以采样频率f_s，k采集目标的振动频率，并提取当次的振动主频率f_max，i，其中i为采集时序；

步骤S02,对采集的振动主频率做滑动滤波，滑动滤波方法为：

其中为滑动后的主频率，β滑动滤波系数；

步骤S03,判断滑动后主频率是否出现漂移，是则进入步骤S10以重新判断新的满足滑动后主频率不漂移的采样频率。

进一步，所述步骤S03判断滑动后主频率漂移的方法为：比较滑动后主频率是否大于采样频率增加阈值，或者比较滑动后主频率是否小于采样频率降低阈值，任意一个满足则判定滑动后主频率相对于已知的采样目标出现偏移。

进一步，所述偏差阈值为θ_thfs，k，其中θ_th为阈值系数；所述采样频率增加阈值为α_2fs，k，其中α₂为采样提高判断系数；所述采样频率降低阈值为α_1fs，k-1，其中α₁为采样降低判断系数，f_s，k-1为前一次采样频率。

进一步，所述步骤S40的最大功率累加值阈值是80％的最大功率累加值。

进一步，所述获得统计上最大频率f′_max的方法为：持续记录同样最大功率的数据点，通过异常值检测方法剔除异常的数据点，从各数据点统计筛选出频率最大的数据点，该数据点的频率即为统计上最大频率。

本发明的一种自适应采样频率追踪方法，不仅可以应用于开关门等在基础振动外存在额外附加振动的检测，也可以应用于普通的振动采集场景中。该自适应的采样频率检测有助于降低传统固定采样频率导致的额外计算存储等消耗，同时通过振动频率漂移的跟踪使本方法能够适应设备在时间维度产生的渐进性变化，相对于传统的固定频率采样方式，本方法提高了振动采样功能在时间上的可靠性。

附图说明

图1为本发明的一种自适应采样频率追踪方法的步骤图。

图2为本发明的一种自适应采样频率追踪方法的频率更新流程图。

图3a为正常振动与额外振动在时域上振动能量曲线的对比示意图。

图3b为正常振动与额外振动在频域上功率曲线的对比示意图。

图4为额外振动功率图。

图5为本发明的一种自适应采样频率追踪方法的频率漂移更新流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。

对于任何物体的而言，其具有一个瞬时加速度a[t]，其中t为某个瞬时时间点，当通过3D加速度传感器，以一定的采样频率对设备持续的采集捕捉其加速度值时，就能得到离散序列的加速度值a[n],其中n为采集数据的离散时间点。正常状态下，设备以固有的振动频率a_s[n]进行工作。当设备产生额外振动时，该振动将会对设备产生一个额外叠加的加速度a_Δ[n]，此时的检测振动值为

a[n]＝a_s[n]+a_Δ[n]……(1)

参看图1与图2，本发明实施例的一种自适应采样频率追踪方法的步骤图和频率更新流程图。作为一个具体实施例，本方法在基于自适应阈值检测的基础上，进一步通过分析开关门动作的功率密度谱特点，确定最优的设备采样频率。

所述的自适应阈值检测，采用如下方法实现：

步骤A10，根据加速度传感器的当前加速度值，求出当前振动能量；

步骤A20，振动能量数据流进入低通滤波器得到当前的振动能量均值；振动能量数据流还进入移位寄存器集，对移位寄存器集的存储区间所存振动能量数据取均值，再减去调整后的振动能量均值，得到振动能量区间均值；

步骤A30，振动能量区间均值通过滑动平均法，计算出振动能量的动态阈值；

步骤A40，设定标记位flag表示振动持续状态，初始的标记位flag为0；判断振动能量区间均值是否大于两倍的动态阈值，且标记位flag是否为0，是则标记位flag设为1，并记录当前时刻t1作为振动开始时间，并再次回到步骤A10更新振动能量区间均值和动态阈值；反之当振动能量区间均值小于等于两倍的动态阈值，则将标记位设为0，并记录当前时间t2作为振动结束时间；

步骤A50,判断振动开始与结束的时间间隔是否小于预设值，是则判定当前振动为真实的外部振动；否则判定当前振动为偶发性振动，并返回步骤A10。

本方法的自适应采样频率追踪方法，具体步骤如下：

步骤S10,以移位寄存器集的方式保存大于等于两秒的振动数据；具体的，假设当前的采样频率为M Hz,移位寄存器集保存振动数据的窗口大小为N_fft,使得N_fft≥2M且N_fft为2的整数次幂，例如当f_s＝100Hz，则N_fft＝256；

步骤S20，通过自适应阈值检测，判断设备当前的开关门振动是否发生，在没有发生开关门振动时，以一定时间间隔对保存的窗口，即该窗口大小的振动数据，求取其功率频谱，经过加权平均，可以求出固有振动产生的第二功率谱密度分布P_s(f),f为频率；当检测到开关门振动发生时，对包含该开关门动作的振动数据的窗口求取第一功率谱密度分布P(f),参看图3b所示的第一功率谱密度分布P(f)与第二功率谱密度分布P_s(f)的对比图；

步骤S30,求取第一功率谱密度分布P(f)与第二功率谱密度分布P_s(f)的差值ΔP_w(f)＝P(f)-P_s(f)，并对该差值ΔP_w(f)计算其最大功率累加值Q_c(f)，具体为：

步骤S40,取达到最大功率累加值阈值的频率，在本实施例中，以80％的最大功率累加值作为阈值，参看图3所示的额外振动功率图，虚线在左侧即为则80％振动能量所在点的主振动频率，即目标振动的频率记录最大值f_max为：

f_max＝max{f|Q_c(f)≤0.8}……(3)；

并对同样最大功率的数据点通过关于频率的统计方法得到统计上最大频率f′_max，具体是实施方式是持续记录同样的功率点f_max，1,f_max，2,…f_max，N，其中N为统计的振动数据点；对上述功率点采用异常值检测方法，剔除异常的数据点后得到统计上最大频率f′_max，所述的异常值检测方法，在本实施例中可以优选采用基于邻近度的异常值检测方法，还可以采用基于密度或基于模型的检测方法；

步骤S50,判断频率记录最大值f_max与统计上最大频率f′_max之间的偏差是否存在较大的偏差，对该较大的偏差在具体判断时，是与多个阈值进行比较，是则根系采样频率后进入步骤S10，否则结束频率跟踪。

对步骤S50在此以具体实施例如下说明：

由于振动传感器的限制，对目标设备的采样频率只能为离散的值，已知振动传感器的可取采样频率为f_s，i，其中i∈[0，N_s]且f_s，i＜f_s，i+1；当前振动传感器采用的采样频率为f_s，k,若为初次运行振动检测，当前采样频率初始化为最大采样值或人为设定的值，对于目标设备振动的频率记录最大值f_max初始化为统计上最大频率f′_max；设定频率增加计数器T_p和频率减少计数器T_N，其初始值均为零；

根据以下步骤判断所述偏差是否为较大偏差，并相应更新采样频率；

通过步骤S10至步骤S40，获得更新后的统计上最大频率f′_max；

判断当前的统计上最大频率f′_max与频率记录最大值f_max是否满足：

|f_max-f′_max|≥θ_thfs，k……(4)

其中θ_th为阈值系数，与当前的采样频率有关，通常θ_th的系数取值为0.1至0.2范围内；若不等式(4)满足，则说明当前的统计上最大频率f′_max与频率记录最大值f_max发生较大偏差，偏差的原因可能是由于采样频率过低或本身发生了频率漂移导致，因此需要提高采样频率f_s，k，即令f_s，k＝f_s，k+1，并且根系频率记录最大值f_max，即令f_max＝f′_max，并且更新频率增加计数器T_p，其更新方式为T_p＝T_p+1，之后进入步骤S10采集目标设备的振动频率，并计算其新的统计上最大频率f′_max；

判断当前的统计上最大频率f′_max与频率记录最大值f_max是否满足：

|f_max f′_max|＜θ_thfs，k……(5)

若不等式(5)满足，及当前的统计上最大频率没有超出阈值，则认为振动传感器采样频率满足振动要求；在此基础上进一步判断是否满足减少采样频率的要求，即：

f′_max＜α1f_s，k-1……(6)

其中α₁为采样降低判断系数，通常取值为0.3-0.4之间，若不等式(6)的判断为否，即不满足减少采样频率的要求，此时进一步判断设备是否满足当前采样频率要求，即：

f′_max＜α_2fs，k……(7)

其中α₂为采样提高判断系数，通常取值为0.9-0.95之间，若上述不等式(7)判断为真，即设备不能更满足当前采样频率要求，则提高采样频率；否则保持当前采样频率，同时更新频率记录最大值f_max＝f′_max，并且频率增加计数器T_p和频率减少计数器T_N分别减1；

若在不等式(6)判断为真，即满足继续降低采样频率的要求，则进行是否重复增减频率的判断，即：

T_p＞2且|T_p-T_N|＜2……(7)

判断不等式组(7)是否满足，是则判定没有在两个采样频率点之间抖动，即反复在两个采样点采样，此时进一步降低采样频率f_s，k＝f_s，k-1，并且更新记录最高频率，即令f_max＝f′_max，同时频率减少计数器加1，然后重新进入步骤S10采集并计算新的统计上最大频率f′_max；若不等式组(7)不满足，即系统在两个采样频率点间抖动，则保持当前采样频率，并判断是否可以结束当前自适应采样频率追踪。

参看图5，作为另一个具体实施例，系统定期跟踪需要检测的振动的频率的变化趋势，从而跟踪可能出现的频率漂移现象。在一些应用场景中，由于机械老化，周围环境的变化，人为干预等原因，需要捕捉的振动点存在漂移现象。本发明具有跟踪振动变化趋势的功能，有助于保证振动的采集能适应时间的变化。具体实现为，频率振动捕捉持续进行。为了结合功耗的考虑，设置定时(次)器，仅当定时(次)器触发后会对当次的振动主频率，即目标振动的频率记录最大值进行提取，将其定义为f_max，i，i为采集时序。

采集后的振动主频率将进行滑动滤波，避免单次采样偏差导致的错误判断。滑动滤波方法为：

程序会对滤波后的频率判断，看是否出现了频率漂移。已知当前的采样频率为f_s，k,若

或者

则判断频率相对于已知的采样目标出现了漂移，系统自动进入自适应采样频率模块，重新判断新的合适采用频率。

上述实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。