一种基于声音的高速交流涡轮风机速度检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于声音的高速交流涡轮风机速度检测方法。首先启动涡轮风机，使用带有录音功能的设备靠近电机录制电机转动的声音，并保存为音频文件。其次在Matlab中将音频文件转换为.mat格式的音频数据，音频数据包含左、右两个通道的数据，并采用低通滤波器对两个通道的音频数据进行数字滤波。然后对滤波后的两个通道音频数据进行相加，并进行FFT分析，获得音频数据的幅频特性图。最后在幅频特性图中寻找幅值的最大值，最大值对应的频率即为电机的供电频率，根据电机供电频率和电机极对数计算出转速。本发明专利技术仅需一个具有录音功能的设备和数字信号分析软件，即可快速便捷地完成高速交流涡轮风机测速。成高速交流涡轮风机测速。成高速交流涡轮风机测速。

【技术实现步骤摘要】
一种基于声音的高速交流涡轮风机速度检测方法


[0001]本专利技术属于交流电机速度检测技术，特别涉及一种基于声音的高速交流涡轮风机速度检测方法。

技术介绍

[0002]目前，测量交流电机转速的方法主要有两种，一是通过电机内部的传感器测量，二是通过电机外部的转速测量仪测量。传感器测量主要采用霍尔传感器或者光电编码器，此方法主要为电机控制器反馈实时的位置信号，然后由控制器计算电机转速，在设备调试阶段可以通过上位机软件实时查看控制器计算的电机转速，然而在设备开发完成之后一般不能实时查看控制器中的转速信息。
[0003]转速测量仪主要通过电机转轴来测量电机转速，分为接触式和光电式。接触式转速测量仪将电机转轴与测量仪转轴接触，测量仪转轴随电机转轴转动，电机的转速信息传递给转速测量仪，由转速测量仪中的传感器计算出电机转速；光电式转速测量仪首先要在电机转轴上贴一块反光条，然后光电式转速测量仪发出红外信号静止照射转动的电机转轴，通过计算反光条反射的时间间隔来计算电机转速。
[0004]上述两种电机转速测量方法均以电机转轴为载体。第一种首先需要将位置传感器安装在转轴上，然后传感器根据电机速度发出不同频率的脉冲信号，最后由控制器根据传感器脉冲信号的数量和时间计算转速。第二种方法首先需要在电机转轴上贴反光条，然后向反光条发射红外信号，最后测量红外信号的返回时间来计算转速。然而，在一些电机设备中，电机可能被封装在设备内部，外部无法获取控制器信息，电机转轴通常也不会暴露在外面，所以上述两种测量转速的方法不再适用。
专利
技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术提供了一种基于声音的高速交流涡轮风机速度检测方法。交流电机声音信号中存在供电频率的信息，通过供电频率和电机极对数可以计算出电机转速，根据此原理来计算转速的总体过程为：首先录制电机运行时的声音信号，其次对声音数据进行提取和滤波，通过快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)得到滤波后声音数据的幅频特性，然后在找出幅值最大的频率点，此频率点即为供电频率，最后通过供电频率和电机极对数计算出电机转速。
[0006]本专利技术具体步骤如下：
[0007]步骤1：启动涡轮风机，使用带有录音功能的设备靠近电机，录制电机转动的声音，并将录制的声音保存为音频文件。
[0008]步骤2：为了对音频文件进行频域的分析，在Matlab中将步骤1中的音频文件转换为.mat格式的音频数据，转换后的音频数据包含左、右两个通道的音频数据。
[0009]步骤3：采用低通滤波器对步骤2中两个通道的音频数据进行数字滤波，并保存滤波后的音频数据。
[0010]步骤4：对步骤3中滤波后的两个通道音频数据进行相加，并进行FFT分析，获得音频数据的幅频特性图。
[0011]步骤5：在步骤4中幅频特性图中寻找幅值的最大值，最大值对应的频率即为电机的供电频率。
[0012]步骤6：根据步骤5中的电机供电频率和电机极对数计算出转速。
[0013]本专利技术的优点在于：
[0014](1)不需要外接速度传感器，例如霍尔传感器或光电编码器。
[0015](2)不需要利用电机的任何部件，例如接触式或光电式转速测量仪需要利用电机的转轴来测量转速。
[0016](3)不需要专业的测量工具，仅需一个具有录音功能的设备和数字信号分析软件即可完成测速工作。
[0017]综上，本专利技术可以快速便捷地完成高速交流涡轮风机测速。
附图说明
[0018]图1为电机声音计算转速的流程图；
[0019]图2为FIR滤波器结构图；
[0020]图3为FIR滤波器幅频特性图；
[0021]图4为FIR滤波器相频特性图；
[0022]图5为FIR滤波前后的音频数据波形；
[0023]图6为音频信号幅频特性图。
具体实施方式
[0024]接下来将结合实施例程和附图对本专利技术进行详细说明。
[0025]本专利技术根据涡轮风机的声音计算电机的转速，整个计算的流程如附图1所示。首先开启交流涡轮风机至一个固定转速，录制和保存电机的声音，然后将保存的声音数据进行数字滤波，并对滤波后的数据进行FFT分析，找出最大幅值对应的频率，此频率为供电频率，最后通过供电频率和极对数计算出电机的实时转速。实施例程将以表1中的涡轮风机为例，通过声音计算该涡轮风机在8975r/min运行时的转速。接下来将结合附图说明具体实施步骤。
[0026]表1本专利技术所使用的涡轮风机参数
[0027][0028]步骤1：开启交流涡轮风机，电机运行时会发出声音，其中有一部分包含为电机供电的电磁声音，根据这部分电磁声音来确定供电频率，并通过供电频率来计算电机转速，此步骤对应附图1中的标号
①
。
[0029]使用具有录音功能的设备靠近电机，录制电机转动的声音，并将录制的声音保存为音频文件，音频文件的格式可以为WAVE(.wav)、OGG(.ogg)、FLAC(.flac)、AU(.au)、AIFF
(.aiff、.aif)、AIFC(.aifc)、MP3(.mp3)和MPEG
‑
4AAC(.m4a、.mp4)，此步骤对应附图1中的标号
②
和标号
③
。
[0030]步骤2：为了对声音进行FFT分析，需要将步骤2中的音频文件转化换实际录音设备采样的音频数据，这里采用Matlab中的audioread函数进行转换，转化后的音频数据为.mat格式，音频数据包含左、右两个通道，此步骤对应附图1中的标号
④
。
[0031]步骤3：对步骤2中.mat格式的音频数据进行低通滤波处理，并保存。此步骤对应附图1中的标号
⑤
。本专利技术采用最小阶有限冲激响应(Finite Impluse Response,FIR)滤波器，FIR滤波器的差分方程为：
[0032][0033]式中，x(n)、y(n)、M和b(k)分别代表滤波器的输入、输出、阶数和滤波系数，与式(1)对应的FIR结构如附图2所示。
[0034]滤波器的设计主要考虑电机转速的频率范围，通常情况下涡轮风机的最高转速低于100000r/min，在该转速下对应的电机供电频率为1666.67Hz，所以将通带截止频率设置为1600Hz，阻带起始频率设置为2000Hz。对于指标通带纹波和阻带衰减而言，取值越小，FIR滤波器的阶数越高，滤波器效果更理想，但计算量和内存空间占用率更高，具体的滤波器参数如表2所示，滤波器的幅频和相频特性曲线分别如附图3和附图4所示。针对不同的电机转速，可重新设计滤波器以满足速度范围要求。
[0035]表2FIR滤波器的设计参数
[0036][0037]在8975r/min转速下滤波前后的音频信号波形如附图5所示，由图5可知，原音频信号存在着与速度信息无关的高频噪声信号，波形纹波较大，通过FIR低通滤波抑制高本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于声音的高速交流涡轮风机速度检测方法，其特征在于包括如下具体步骤：步骤1：启动涡轮风机，使用带有录音功能的设备靠近电机，录制电机转动的声音，并将录制的声音保存为音频文件；步骤2：在Matlab中将音频文件转换为.mat格式的音频数据，转换后的音频数据包含左、右两个通道的音频数据；步骤3：采用低通滤波器对两个通道的音频数据进行数字滤波，并保存滤波后的音频数据；步骤4：对步骤3中滤波后的两个通道的音频数据进行相加，并进行FFT分析，获得音频数据的幅频特性图；步骤5：在幅频特性图中寻找幅值的最大值，最大值对应的频率即为电机的供电频率；步骤6：根据电机供电频率和电机极对数计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：王家军，辛壮壮，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：