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1、實用標準文案鎖相技術(shù)在時域平均分析中的應用常云鵬河南鄭州中原工學院電子信息學院信息084摘 要:文章分析了鎖相技術(shù)的基本工作原理,剖析了鎖相環(huán)路工作時的鎖定與跟蹤兩個基本過程。將該技術(shù)的跟蹤工作狀態(tài)運用于齒輪箱故障診斷,在鎖相環(huán)路輸出信號的一個周期內(nèi)發(fā)出一定數(shù)量的脈沖作為時域平均處理的外采樣時鐘,消除了轉(zhuǎn)速不均的影響。對刮板運輸機減速箱中齒輪振動信號進行平均響應譜分析和頻譜細化,從而較精確地找出故障頻率。作為時城平均處理的外采樣時鐘、可消除轉(zhuǎn)速不均的影響,并取得滿意的結(jié)果。關(guān)鍵詞:鎖相技術(shù);齒輪箱故障診斷;時域平均分析1引言時域平均方法
2、是以一定的時標周期去截取信號,然后將截得的信號段離散采樣后的對應點相加求平均,這樣可消除與時標周期無關(guān)的信號分量,平均后信噪比提高了M倍[1～3]。時域平均分析克服了頻域分析中邊帶難以識別及對弱信號反映不靈敏的缺點,能有效診斷出齒輪的微小局部故障。但這種分析方法是在對齒輪振動信號作同步平均的基礎(chǔ)上完成的,所以直接影響分析的準確度。因此,在測取齒輪振動信號的同時,拾取作為同步觸發(fā)的時標脈沖和離散采樣的時鐘信號是一個關(guān)鍵問題[4]。多數(shù)情況下,在時域平均處理時,信號分析儀在做時域平均處理時一般實行脈沖觸發(fā),內(nèi)時鐘（等間隔）采樣,這在大部分情
3、況下是沒問題的。但是,當由于電機的電壓波動或靜、動載荷的變化而引起齒輪轉(zhuǎn)速發(fā)生低頻率的速度飄移或高頻率的速度顫抖時,與轉(zhuǎn)速同步的時標脈沖周期不同,而采樣仍按等時間間隔進行。這樣,在載取的每段信號中采樣點數(shù)不同,從而對時域平均結(jié)果產(chǎn)生較大影響。為了獲得較理想的時域平均結(jié)果,可以用計算機進行二次采樣后同步平均,也可以利用鎖相技術(shù)實現(xiàn)時域上的相位鎖定,進行外時鐘采樣。2鎖相技術(shù)的原理分析鎖相就是相位同步的自動控制[5],實現(xiàn)兩個信號相位同步的自動控制系統(tǒng)稱鎖相環(huán)路(PLL)。鎖相環(huán)路由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)及壓控振蕩器(VCO)組
4、成,如圖1所示。圖1中Vi(t)為輸入信號,VO(t)為輸出信號,Vd(t)與VC(t)為誤差電壓信號。鑒相器比較系統(tǒng)輸入信號Vi(t)與輸出信號VO(t)之間的相位,產(chǎn)生一個對應于兩信號相位差的誤差電壓Vd(t),經(jīng)環(huán)路濾波后得到一個去除高頻分量和噪聲干擾的誤差電壓VC(t),以此電壓去調(diào)整壓控振蕩器輸出信號頻率。鎖相環(huán)路有兩個基本工作過程,即進入鎖定狀態(tài)前的捕獲過程和保持鎖定狀態(tài)的同步跟蹤過程。精彩文檔實用標準文案圖1鎖相環(huán)路狂徒鎖相環(huán)路系統(tǒng)的微分方程為：（1）式中 ——壓控振蕩器的控制靈敏度或增益系數(shù)——鑒相器的靈敏度或線性化增益
5、系數(shù)——輸入、輸出信號的瞬時相位差,、——分別為輸入、輸出信號的瞬時相位P——微分算子設(shè)鎖相環(huán)路輸入一個頻率和相位不變的信號,即（2）(2)式中稱作輸入、輸出信號的固有頻差。將(2)式代入(1)式,得（3）(3)式左邊第1項是瞬時相差?e(t)的微分,代表回路瞬時頻差。第2項是壓控振蕩器受誤差電壓控制而產(chǎn)生的頻率變化,稱控制頻差,瞬時頻差與控制頻差之和總是等于固有頻差?o。當通過環(huán)路作用使控制頻差逐漸加大至固有頻差時,瞬時頻差為零,即壓控振蕩器輸出信號頻率被鎖定在輸入信號頻率上,此時環(huán)路處于“鎖定”狀態(tài)。精彩文檔實用標準文案當鎖相環(huán)路的
6、輸入信號頻率和相位不斷變化時,通過環(huán)路作用使瞬時頻差為零,瞬時相差為一定值。因此,壓控振蕩器輸出信號頻率和相位能跟蹤輸入信號頻率和相位的變化,環(huán)路處于“跟蹤”狀態(tài)。鎖相技術(shù)應用于時域平均分析時,須在環(huán)路輸出端加過零觸發(fā)器、微分電路、整形電路和倍頻器等后續(xù)處理電路,使壓控振蕩器輸出信號的每個周期(跟蹤輸入信號周期)內(nèi)發(fā)生一定數(shù)量的脈沖作為外采樣時鐘。盡管轉(zhuǎn)速不均而引起與之同步的外觸發(fā)時標信號頻率發(fā)生變化,但每個時標周期內(nèi)采樣點數(shù)N保持不變,從而消除轉(zhuǎn)速波動的影響。1時域平均分析測試系統(tǒng)原理框圖,如圖2所示。用JC-2型壓電晶體加速度傳感器
7、在齒輪箱軸承座上提取振動信號,經(jīng)DF-1A電荷放大后,送入SD380Z高精度信號分析儀進行時域平均處理,同時用位移傳感器拾取一個與轉(zhuǎn)速同步的時標脈沖送入信號分析儀進行外觸發(fā)采樣,并且在觸發(fā)的每個周期內(nèi),通過鎖相環(huán)路及后續(xù)處理電路發(fā)生固定數(shù)量(512)的脈沖作為時域平均分析的外采樣時鐘,即采樣點數(shù)N=512,平均次數(shù)取M=100。把同步平均后的波形進一步作平均響應譜分析,如圖3a所示,圖3b表示未經(jīng)時域平均處理的一般功率譜,譜圖用MP5100繪圖儀繪制。由圖3可以看出,兩圖的頻譜結(jié)構(gòu)基本相同,圖中譜峰最高處頻率為775.00Hz,對應齒輪
8、z1=19,z2=30,齒輪轉(zhuǎn)速為1220r/min,嚙合頻率的二次諧波為2fm。圖3中還可看到兩齒輪嚙合頻率基波fm及其3次、4次諧波分量為3fm和4fm,表明兩齒輪發(fā)生嚴重磨損故障。不同的是平均響應譜圖
