低频窄带振动信号同步采集提取技术研究

低频窄带振动信号同步采集提取技术研究

■ 刘 超 刘召庆 雒 俊 赵 博 张丹惠

本文介绍了一种崭新的低频窄带振动信号同步采集提取技术。该技术属于涉及信号检测、滤波器技术、直升机自控等技术的交叉研究领域。其核心是提取关键低频窄带振动信号特征向量，以数字化方式实现计算机处理，从而研制成振动主动控制计算机。进而最终实现直升机的真正自动飞行控制。本文提出了低频窄带振动信号同步采集提取技术的原理、方法、研究思路，介绍了其成果，并对国内外相关技术情况进行了对比。

1．前言

1.1.研究背景

低频窄带振动信号同步采集提取技术来源于某振动主动控制计算机。它是实现振动主动控制计算机的关键技术，其主要目的是解决直升机飞行过程中飞机振动过大，只能依靠飞行员操控，无法进行真正自动驾驶的问题。其目的就是让飞行员进行“傻瓜化”的智能操作。笔者基于这样的目的和国内相关研究所开展了多方合作，中航工业计算所为大量基础性研究提供了硬件保证，调拨相关研究人员与作者共同对飞行员进行实地调研和走访，初步研究了需要解决的关键问题，并确定了相关的研究方向。后协调机关、602所等相关单位，以631所为研究班底研究了低频窄带振动信号同步采集提取技术，以及振动主动控制计算机，并完成了相关研制协议书的签订。最终，启动了上述两大专项研究并取得了丰硕的成果，研究了振动主动控制计算机的技术基础，实现了低频窄带振动信号同步采集提取技术。目前，研究成果不仅满足有关的研制协议书的要求，其它相关指标均优于最初的设计。

1.2.应用领域和主要用途

振动信号的采集、分析与处理是工程师常常遇到的问题。通过对振动信号的采集与分析，可以为产品的品质鉴定、发动机故障的检查和预警、飞机轮船或汽车的结构健康分析提供重要的数据支撑。振动信号的实时精确采集可以有效并及时了解产品的工作状态，对产品的健康和品质做出即时的状态判断。尤其在航天航空领域，产品状态的实时掌握，有助于对产品存在安全隐患的地方进行即时反馈，做出实时判断，对影响飞行器安全的产品做出即时的更换和维修。

直升机振动信号具有低频和窄带特性。此类信号一般具有多噪声的特点，因此对有效振动信号的精确提取具有重要意义。本文对低频窄带振动信号同步采集提取技术进行研究，该技术可用于航天航空等工程领域，具有很大的应用价值。

2.性能预期及目标

在直升机应用方面，目前国内尚没有类似的研究和产品，国外也无类似的研究和技术报道，因此只能根据实际情况来预期并确定研究目标。

振动主动控制系统是飞机的重要组成，振动信号的采集与处理尤为重要，精确性高、实时性高、容错性高的振动信号采集是本系统的关键技术。由于直升机的振动频率常处于低频窄带范围，低频窄带振动信号的调理及滤波处理技术的实现是实现该功能的重要手段。

需要注意的是，直升机、飞机等重大装备的研究，往往是以机械功能和需求为研发目标的。而振动主动控制系统的核心是人——飞行驾驶者，这从根本上改变了直升机和飞机的研发思路，不难理解，驾驶者更好的感受或机械装备更“傻瓜化”的智能操作是发挥人最大化利用装备的技术保障。如果人的操作较为不便或机上环境较差，这将极大的影响飞行员及操作员实际的应用效果。振动主动控制系统即是考虑了这种“人”的需求，针对振动信号特性，该技术可处理的性能指标为：

8路振动传感器信号（基于飞行员座椅）同步采集，采集频率为200Hz；

信号通过带通滤波提取21.5±3Hz范围内的振动信号；

实现振动传感器的信号采集，接口类型为IEPE接口，电流源4mA，输入电压范围为+5～+15V，电压采集误差不大于满量程的±1%。

自检测：具有对采集电路状态检测、传感器电路状态检测功能。

3.思路原理及关键技术

3.1关键技术

在振动信号的采集过程中，本文设计了一种多路振动信号振幅实时精确采集电路，具有检测振动传感器状态和线路状态的功能，能够方便可靠的应用于振动信号的采集。该技术的主要特点如下：

振动信号的多路同步采集，FPGA逻辑对多路采集电路进行同步控制，将采集结果保存到内部数据缓冲区，由于FPGA逻辑控制轮询采集速度较快，数据缓冲区存放的是最新数据。

软硬件协同滤波技术，在硬件低通滤波的基础上，采用软件带通滤波有效去除外部其它干扰信号，实现对直升机中低频窄带振动信号的有效提取，弥补单纯硬件电路处理的不足。

图1 低频窄带振动信号采集调理电路

振动信号采集电路状态检测技术。采集电路处于工作状态时，使用激励电压电路完成电路状态的检测；采集电路处于非工作状态时，使用激励源信号电路完成电路状态的检测。振动传感器状态检测，通过电压采集电路和A/D转化电路对振动传感器与恒流源电压之间的电压进行监控，根据电压值的不同判断振动传感器状态。

3.2研究核心思路

所研究的技术中，必定要将软硬件滤波方法相结合才可以有效的提取低频窄带振动信号。其中通过硬件滤波电路获取窄带信号成本高，并且不易实现，通过软件滤波算法弥补硬件滤波的不足，使提取的振动信号具有较高的精度，该方法具有较高的抗干扰能力。

图2 振动传感器接口电路框图

表1 低频窄带振动信号同步采集提取技术与工程化应用的国内外同类技术比较

该方法中多路振动信号可以实时同步采集，且具有自测试功能。采集电路实时性强，采集精度高，传感器故障或者采集电路故障均能够及时的发现，及时的更新和检修。

初步确定以上思路的可行性。按照以上的设计思路，应采用以下技术：

直升机振动信号具有低频和窄带特性，低频窄带振动信号同步采集提取技术包含振动信号采集调理电路和振动信号带通滤波处理技术。其关键是振动传感器电路结构设计的高效和有效性。

3.3振动传感器电路结构设计

振动信号采集调理电路包括振动信号的接口采集电路、信号调理电路、迟滞比较电路、二阶滤波电路、A/D转换电路、电平转换电路、正弦激励源信号电路、激励源电压电路、恒流源电路以及可编程逻辑电路，如调理电路图1所示。接口采集和信号调理相接，信号调理分别和迟滞比较电路及二阶滤波电路相连，二阶滤波电路和模数转化电路相连，迟滞比较电路和模数转化电路结果经过电平转化进入FPGA中，FPGA将处理结果送到PCI总线中，以上电路流程即完成了振动信号的频率和振幅采集。同时FPGA控制正弦激励源信号电路、控制激励源电压电路对采集电路施加激励，测试采集电路的状态；恒流源电路为振动传感器提供工作电流、同时回采恒流源与传感器之间的电压，用来检测传感器的工作状态。

从图1中提取振动信号幅值采集调理电路，该电路的设计框图如图2所示：

在接口电路中用瞬态抑制管对振动传感器输入的一对差分信号进行过压保护，并通过RC一阶滤波去除干扰和直流分量，再将经过初次滤波后的信号在信号调理电路中放大，信号调理后进行高阶低通滤波，有效的避免了高频信号的干扰，该技术采用了二阶滤波，其衰减可达到-40dB/十倍频程。每路模数转化电路相互独立，具有16位分辨率，采集精度较高，单通道采样率可达到100k/s，依据采样定理，完全满足振动采样要求。电平转换完成A/ D采集电路信号和可编程逻辑器件直接电压的转化。可编程逻辑器件使用PCI总线的时钟对A/D转换电路进行逻辑控制，采集结果保存到内部数据缓冲区。可编程逻辑器件控制A/D采集，不占用CPU的资源，大大提高了CPU的工作效率。

4.与国内外同类技术比较

该研究的国内状况：有类似报道，振动声窄带信号采集与分析（鱼雷技术期刊），比较结果见表1；国外状况：有类似产品，有通用数据采集产品及模块，比较结果见表1。

该技术通过方便的系统构型和成熟的技术实现了窄带振动信号的实时精确采集，已应用于国内某型飞机振动主动控制计算机中（如图3所示），并顺利通过了系统地面联试，实施效果良好。

5.结束语

图3 振动主动控制计算机

本文研究的低频窄带振动信号同步采集提取技术已应用于国内某型飞机振动主动控制系统中，顺利通过了系统地面联试，实施效果良好。该技术通用性强、实现成本低、适用范围广，使用方便，不仅可用于飞机的振动主动控制系统，还可推广到工业领域，具有较高的技术价值和经济效益。

[1] 宫苏梅,张伟.平带系统非线性振动实验研究[J].动力学与控制学报.2014(04)

[2] 陈喆,陈国平.相似理论和模型试验的结构动响应分析运用[J].振动、测试与诊断.2014(06)

[3] 于世涛.活塞式并联机组振动特性分析[J].制冷与空调.2014(12)

[4] 白冰,张立翔.基于三结点单元的主轴横向自振特性分析[J].机械设计.2014(12)

[5] 张磊,曹跃云,郭光林.机械振动系统的频响函数估计方法研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版).2014(06)

（作者单位：刘超、雒俊、张丹惠,陆军航空兵军代局驻西安地区军代室；刘召庆、赵博，西安应用光学研究所。）