信号采集与数据分析-信号采集与分析系统
Time:2023-10-06 12:03:10
关于信号采集与数据分析的问题，我们总结了以下几点，给你解答：
信号采集与数据分析
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文 |明律言法
编辑 |明律言法
前言机械泵船舶发动机的正常运行状态对船舶的安全和经济性至关重要，通过路谱采集，可以实时监测机械泵船舶发动机的振动、声音、温度等参数。
及时掌握发动机的工作状态和健康状况，实现预防性维护和故障排除，因此，合理有效的路谱采集方案，对于提升机械泵船舶发动机的维护水平和减少船舶运营成本具有重要意义。
哪些路谱采集技术适用于机械泵船舶发动机
（1）振动传感器是最常用的一种路谱采集技术，它通过感知发动机产生的振动信号，并将其转换为电信号进行采集和分析。
振动传感器的原理是基于发动机内部运转过程中的震动和冲击所产生的振动波形，通过采集和分析振动信号，可以了解发动机的旋转速度、不平衡情况、轴承磨损、故障振动等状态信息。
（2）声音传感器用于采集发动机产生的声音信号，通过分析声音频谱和特征参数来判断发动机的状态和健康状况，其原理是将声音波形转换为电信号，并进行数字化处理。
声音传感器可以检测到发动机的噪声水平、不良工作声音等信息，从而提供关于气缸压力、爆震情况、排气系统状态等的线索。
（3）温度传感器用于监测发动机的温度变化，并采集温度数据，其原理是通过感知发动机不同部位的温度变化，并将其转换为电信号。
温度传感器可以提供关于冷却水温度、润滑油温度、排气温度等参数，从而判断发动机的热态工作情况和散热系统的状态。
如何保证采集的准确性和稳定性
选择合适的传感器，并根据发动机的特点和采集需求正确安装传感器，传感器的选择要考虑其测量范围、灵敏度、抗干扰能力等参数，以确保能够准确采集相关信号。
在进行路谱采集前，进行信号质量的检测，排除传感器故障、信号干扰等问题，以确保采集到的数据准确可靠。
合理设置数据采集的参数，例如采样频率、采样时间间隔等，以满足采集需求，并避免数据丢失或过度冗余。
对采集到的数据进行滤波处理，去除高频噪声和干扰，以保留有用的信号，常用的滤波方法包括低通滤波、中值滤波等。
进行数据的校正和校准，以消除传感器的非线性、零点漂移等误差，提高数据的准确性，例如，可以利用标准仪器或实验结果对采集到的数据进行校正和修正。
常用的数据处理方法包括：
将时间域的路谱数据转换为频域，分析不同频率上的信号能量分布和频谱特征，以识别故障特征频率和共振频率等信息。
对路谱数据进行时域统计分析，如均值、标准差、峰值等，以获得信号的时域特征和统计指标。
利用统计学方法对采集到的数据进行分析，如相关性分析、聚类分析等，以发现数据之间的关系和规律。
利用机器学习、人工智能等技术开发故障诊断算法，通过对大量采集数据的学习和训练，实现对发动机状态和故障的自动诊断与判别。
船用发动机路谱采集方法
1.1测试理论船舶轴系转动过程中在负载的作用下轴系会发生扭转的物理现象,轴系状态主要包括轴系的扭矩和轴功率等信息，轴功率是船舶主机及其动力装置最重要的性能参数。
船舶动力机械的轴功率与扭矩和转速的乘积成正比,故常采用间接测量方法，通过间接测量轴的输出扭矩和转速,再得到轴系的功率，计算公式如下:
式中:P—轴功率,kW;T—轴系的输出扭矩,N·m;n—输出的轴转速,r/min。由此可见,轴功率的测量关键在于扭矩和转速的精准测量，轴系转速是反映旋转轴运动快慢的物理量,轴转速测量技术已经十分成熟,其测量是采用转速传感器测量系统来完成。
扭矩测量大多数是采用应变型传感器和相位差式扭矩传感器，应变片技术成熟,具有应用范围广、测量精度高、性能稳定等特点，重点介绍应变片式测量船舶推进系统轴系扭矩的方法。
由材料力学知,当轴受扭矩作用时,轴表面有最大剪应力τmax，轴表面的单元体为纯剪应力状态，在与轴线成45°和135°的方向上有最大正应力σ1和σ2，其值为|σ1|=|σ2|=τmax。
相应的变形为ε1和ε2，在材料弹性极限内，剪切应变ε与剪切应力剪应力τ成线性关系，但由于剪切应变是角应变，无法通过应变片直接测量。
所以常常通过测量轴线与偏离轴线夹角为45°和135°方向上的两个应变值之差来确定剪切应变。
从工作原理来看，只要沿被测轴偏角为45°和135°方向上布置一对应变片，并接入到应变仪的半桥工作电路中，无线扭矩传感器节点采集的应变量就是剪切应变值，由该剪切应变值可换算得到被测扭矩值。
具体推理过程如下：若测得沿轴线45°方向的应变ε1，则相应的剪应力为
劣势:1、由于需要专用设备测量轴应变，而目前由于设备可选的局限性，设备的采购价格较高。
由于设备需要额外安装在测试船舶尾轴上，设备安装空间要求较高。
1.2通过采集船舶发动机的进气压力、发动机转速推理发动机路谱理论阐述通过试验室发动机数据分析可知，在稳态工况下，柴油机的功率和进气压力成一定的正比例关系，也就是说对同一型号发动机，在已知试验室的扭矩、转速、进气压力等万有数据时，通过实际船舶运行时采集的进气压力和转速，可以反推出实际船舶运行的扭矩。
(一）数据采集方法
通过一种能记录并存储数据的仪表，用转速传感器、排气温度传感器、进气压力传感器以及仪表和传感器的联接线束，采集发动机转速、排气温度、进气压力。
（二）采集的数据分析
利用采集到的发动机转速、排气温度、进气压力等数据,然后用matlab分析软件和脚本对数据进行处理和分析，从而得到相应的发动机路谱，采用某型号发动机进气压力和转速分析的发动机路谱。
（三）方案准确性的验证
对推理出发动机扭矩准确性验证，通过对某型号发动机用方案一和方案二同时采集，并得出的两种采集方案的路谱数据分析。
其中根据转速和进气压力推理所得，扭矩值与应变片实测值误差在2%左右，误差较小，且趋势基本吻合，可以作为路谱分析的参考。
此方案特点:优势:
1、操作简单，对船舱环境没有特殊要求。
2、由于测量参数(转速、进气压力和排气温度)来自于发动机仪表，设备稳定性号，采集时间长。
劣势:
1、对于瞬态工况较多的船舶，发动机进气压力和排气温度相比扭矩的响应性不及时，误差较大，导致推理的扭矩误差较大。
应用情况
目前两种船舶运行数据采集方案都有应用，针对国内市场，采用应变片采集轴功率方法较为普遍。
针对国外渔船市场，由于出海打渔周期长，仪表采集进气压力和发动机转速的方法应用的较多，分别在土耳其、阿联酋、孟加拉、越南、韩国都有应用。
通过采集的数据，可了解和检验船体-主机-推进器三者之间匹配的优劣，同时也是对旧船舶机、桨工作状态与故障诊断的重要依据，目前,推进系统运行数据的采集已成为各大船厂进行的项目之一。
目前已经查明了多起因螺旋桨匹配造成的发动机故障，如:发动机转速无法达到额定转速的故障以及发动机冒黑烟等故障并予以解决。
展望
通过以上两种船舶发动机路谱采集方案的介绍，在进行船舶发动机工况数据采集时，就能根据船舶的运行情况，以及船舱的环境情况非常明确地选择所对应的采集方案。
具体来说，对于工况较稳定的或船舱环境无法安装轴应变采集设备的船舶，选用方案二更合适;
对于瞬态工况较多且船舱空间较宽敞的船舶，选用方案一更合适，利用上述方案采集的船舶运行数据达到一定数量后，可以建立某一地区细分市场的船舶工况数据库，然后利用大数据信息以及智慧云平台，为以后的船舶清洁能源发展和航道或海域的健康管理提供数据支撑。
同时可以根据数据库信息，形成船舶细分市场的行业匹配规范，指导用户合理规范地进行发动机选型，螺旋桨匹配，齿轮箱选型，另外，发动机厂家可以利用船舶运行数据库信息开发动力性更强、更省油的发动机，助力中国船舶动力的发展。
结论
机械泵船舶发动机路谱采集方案的研究对于提高发动机的运行效率、降低维护成本具有重要作用。
合理选择采集技术、设计有效的采集方案、进行准确的数据处理和分析，能够实现实时监测、预防性维护，提高机械泵船舶发动机的可靠性和经济性。
未来的研究方向包括进一步提高路谱采集技术的准确性和稳定性，开发智能化的数据处理和分析算法，以更好地满足船舶运营的需求。
参考文献
[1]张敬国.轮机工程测试技术[M].武汉:华中理工大学出版社,1999.
[2]刘鸿文.材料力学I[M].北京:高等教育出版社.2017.7.
[3]严兆大.热能与动力机械测试技术[M].北京:机械工业出版社,2000.
[4]陈柯行,土刚.扭矩转速传感器的发展与研究[J].航空计测技术.2003,23(6):5-6
信号采集与分析系统
bus system
【计】 总线系统
还有个意思 公交车系统
公交系统
system bus interface circuit
英[ˈsistəm bʌs ˈintəfeis ˈsə:kit]美[ˈsɪstəm bʌs ˈɪntɚˌfes ˈsɚkɪt]
释义
系统总线接口电路
1
signal acquisition system designed hardware circuitry and software workflow, and analysis of the system bus, given the system interface circuit related.
设计了信号采集系统的硬件电路及其软件工作流程，并分析了系统总线，给出系统相关的接口电路。
信号采集与数据分析实训报告
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