基於陣列式聲發射器的分布式機械故障實時監測裝置及方法

2023-06-11 04:20:46

專利名稱：基於陣列式聲發射器的分布式機械故障實時監測裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種基於聲發射傳感器對整個系統機械故障的實時監測裝置及方法， 尤其適用於機械軸承、機械加工刀具斷裂等機械故障的監測。
背景技術：
目前聲發射故障檢測以其優良的監測特性在工業生產領域得到了廣泛的發展和 應用，利用聲發射技術可以對加工中心刀具、機械軸承等故障進行診斷，對電站壓力容器無 損檢測，故障產生時，聲發射信號在某一特定頻帶的信號能量顯著增加，一般在很高頻段， 比一般的機械振動頻率要高得多，採用對聲發射信號的時域分析和頻域分析相結合的方法 判斷故障。工業現場中多數情況下是單片機控制的方式，容易造成生產效率不高，人力、物 力資源的極大浪費，而且一個完整的工作流水線需要很多故障檢測裝置。鑑於此設計了以 PC機作為上位機、RS485通信接口的陣列式聲發射傳感器作為下位機的分布式監控系統， 對各聲發射傳感器進行遠程監控和實時數據的採集，從而達到生產設備的合理化設置和檢 測效率的極大提高。

發明內容
技術問題本發明的目的是針對已有技術中存在的問題，提供一種結構簡單，方法 簡便，易實現，成本低，快速準確，效果好的基於陣列式聲發射器的分布式機械故障實時監 測裝置及方法。技術方案本發明的檢測裝置是由陣列式聲發射傳感器、前置放大器、帶通濾波 器、多通道高速AD轉換器、單片機、RS-485總線、高通濾波器、包絡分析器、低通濾波器、故 障識別器以及故障指示組成，陣列式聲發射傳感器的四路輸出信號直接通過通過前置放大 器與帶通濾波器，經放大濾波後經多通道高速AD轉換後輸入到單片機，單片機首先對四路 信號進行預處理和信息融合，然後將融合後的信號通過485總線傳送給上位機進行分析判 斷，上位機對信號進行濾波、頻譜分析、故障識別，最後進行故障顯示和報警。所述的每個傳感器頭都是由不同諧振頻率的聲發射傳感器組合在一起，組成陣列 式傳感器，用以增加故障檢測的頻帶範圍；該裝置採用分布式檢測方法，多個下位機經485 總線連接到一個上位機上進行信號處理；所述的聲發射傳感器、前置放大器、信息採集卡均 由集成模塊構成；從聲發射源發出的故障波信號經介質傳播後到達陣列傳感器，四個傳感 器頭接收到信號後輸出電信號，四路信號分別經放大濾波後，分別輸入ADC0809的INO IN3端，ADC0809的OE端、ALE端和START端分別與megal6單片機的P3. 3、Ρ3· 4和Ρ3. 5管 腳相連接，ADC0809的ADDA與megal6單片機的P3. 6管腳連接，ADDB和ADDC連接到megal6 單片機的P3. 7管腳，ADC0809的DO D7分別與megal6的P0. 0 P0. 7管腳相連接，megal6 的P3. 0、P3. 1和P3. 2分別與MAX485的1、4和2、3管腳相連接。單片機的輸出信號實際上 並不符合RS232的標準，採用RS232/RS485的串行通信接口連接，同時為了提高系統的抗幹擾能力和工作的可靠性，在進行RS232/RS485轉換時對通信系統進行光電隔離；上位機是 一臺安裝有FFT分析軟體的PC機。本發明基於陣列式聲發射器的分布式機械故障實時監測裝置的定位定向方法a、在機械系統的軸承等部位安裝陣列式聲發射傳感器，傳感器實時採集機械運轉 的故障信號；b、故障信號經放大、濾波處理形成一定頻帶內有輸出的的故障信號，故障信號經 高速採樣送入單片機；C、單片機根據幹擾信號的頻率範圍單獨處理特定傳感器的信號，濾掉特定頻段的 幹擾信號，然後將處理過的特定傳感器信號與其他傳感器信號融合；d、單片機接到上位機命令後，將融合後的數字量信號通過485總線傳送至上位 機；e、上位機對從總線上接收到的故障信號進行高通濾波、包絡分析、低通濾波等處 理後，判斷出故障是否存在，如有故障發生實時報警並顯示出精確位置和故障類型。有益效果本發明在於採用陣列式聲發射傳感器以及分布式網絡結構監測網絡， 不同諧振頻率的聲發射傳感器組合在一起擴展測量帶寬，對於不同的機械故障以特定的頻 率顯示；分布式網絡結構用於對整個工作系統進行多點實時監測，分散的監控系統，集中式 數據分析。


圖1是本發明的聲發射信號參數的定義示意圖；圖2是本發明系統結構總示意圖；圖3是本發明下位機部分原理圖；圖4是本發明裝置工作流程圖。
具體實施例方式該裝置由上位機和下位機組成，上位機21和下位機23通過485總線36相連接， 上位機21由安裝有數位訊號處理軟體的電腦以及故障顯示部分構成，數位訊號處理包括 高通濾波、包絡分析、低通濾波以及故障識別等環節；下位機包括聲發射傳感器31、前置放 大器32、帶通濾波器33、多通道高速A/D轉換器34和單片機35，其中聲發射傳感器31的 輸出端與前置放大器32輸入端相連接，前置放大器32輸出端連接帶通濾波器33，帶通濾波 器33的輸出信號經高速AD採樣34傳至單片機35，單片機35將機械故障信息經485總線 接口 36發送至BAS總線37，BAS總線37通過RS232/RS48522轉換器與上位機相連接。陣列式聲發射傳感器本裝置傳感器頭採用四個型號為SR40的聲發射傳感器，四 個傳感器中心頻率分別為160kHz、200kHz、240kHz和280kHz，當機器工作過程中聲發射傳 感器將AE轉換成電信號，為了防止噪聲的混入採用前置放大器和濾波器分別進行增幅和 濾波，調理後的信號適合後續處理和分析。前置放大器對傳感器輸出和後續處理電路的阻抗匹配和信號放大，由於聲發射 電壓幅值小，頻率分布廣，且信噪比低，本裝置選用高S/N和高增益的前置放大器。所述的 前置放大器型號是PAI。
帶通濾波器前置放大器的輸出信號含有大量工頻幹擾信號和無關的高頻電噪 音，選用在通頻帶內有良好傳輸特性和良好截止頻率的帶通濾波器，四個傳感器頭輸出的 電信號分別經過中心頻率為160kHz、200kHz、240kHz和280kHz，頻帶寬度為80kHz，經過帶 通濾波器有效地剔除工頻和超高頻幹擾。模數轉換本裝置採用ADC0809高速多通道AD轉換晶片，四路信號分別輸入到芯 片的INO IN3輸入端，高速採樣後由單片機對信號進行預處理，首先對特定信號進行噪聲 濾波，剔除特定頻帶的噪聲，其次將四路信號進行信息融合，形成初級的故障信號，最後將 融合後的故障信號發送至輸出端，等待上位機的讀取。PC機和下位機通信信號經AD轉換通過atmegaie單片機傳輸到總線上去，單片 機的輸出信號實際上並不符合RS232的標準，因此採用RS232/RS485的串行通信接口連接， 同時為了提高系統的抗幹擾能力和工作的可靠性，在進行RS232/RS485轉換時對通信系統 進行光電隔離。串行通信接口的硬體電路採用UART方式；軟體的實現採用上位機查詢、下 位機中斷和查詢兩種方式相結合的通信方式。下位機部分以串行口中斷服務方式給出，串 行口方式2和方式3結合。當上位機需要發送或接收下位機數據時，下位機以中斷方式來 接收或發送；當下位機根據需要向上位機回複數據或上位機下傳數據時下位機進入查詢方 式通信模塊，將通信標誌位置位以等待主機響應。該系統中單片機不能主動往RS485總線 上發送數據，必須等待上位機發送的指令，並且任何時刻只能有一個單片機處於發送狀態， 但所有單片機必須處於接收狀態；若下位機為做好接收或發送準備，就從中斷程序返回，在 主程序中做準備，等待上位機再次和下位機聯絡，使下位機再次進入串行口中斷。上位機系統採用基於WindowsXP為平臺的Lab View分析軟體對實時數據進行 處理並實時顯示。系統還具有數據更新存儲、故障診斷專家系統、系統管理、在線幫助、歷史 記錄查詢、分析等功能。並可根據用戶要求進行擴展。採用的測試參數有事件計數、振鈴計 數、能量、幅度、上升時間和持續時間。聲發射事件數表示產生裂紋的個數，把一個事件信號 用多個寬度相同的脈衝信號表示，採用諧振能量因子判別法判別機械故障的情況，故障產 生聲發射時釋放能量，而且其發出的聲發射波具有較寬的頻帶，因而會有一部分能量落在 傳感器的諧振區內引起傳感器諧振，故障越嚴重，檢測到的能量就越大。釋放能量的大小與 故障的嚴重程度有關。基於陣列式聲發射器的分布式機械故障實時現場監測裝置的監測方法採用分布 式檢測方法，多個下位機經485總線連接到一個上位機上進行信號處理；所述的上位機以 Windows作為平臺採用Lab view對信號進行分析，通過FFT分析軟體，包括包絡分析、故障 識別等對實時數據進行處理並實時顯示，具體方法包括以下步驟a、在機械系統的軸承等部位安裝陣列式聲發射傳感器，傳感器實時採集機械運轉 的故障信號；b、故障信號經放大、濾波處理形成一定頻帶內有輸出的的故障信號，故障信號經 高速採樣送入單片機；C、單片機根據幹擾信號的頻率範圍單獨處理特定傳感器的信號，濾掉特定頻段的 幹擾信號，然後將處理過的特定傳感器信號與其他傳感器信號融合；d、單片機接到上位機命令後，將融合後的數字量信號通過485總線傳送至上位 機；
e、上位機對從總線上接收到的故障信號進行高通濾波、包絡分析、低通濾波等處 理後，判斷出故障是否存在，如有故障發生實時報警並顯示出精確位置和故障類型。
權利要求
一種基於陣列式聲發射器的分布式機械故障實時現場監測裝置，其特徵在於該裝置由上位機和下位機組成，上位機(21)和下位機(23)通過485總線(36)相連接，上位機(21)由安裝有數位訊號處理軟體的電腦以及故障顯示部分構成，數位訊號處理包括高通濾波、包絡分析、低通濾波以及故障識別等環節；下位機包括聲發射傳感器(31)、前置放大器(32)、帶通濾波器(33)、多通道高速A/D轉換器(34)和單片機(35)，其中聲發射傳感器(31)的輸出端與前置放大器(32)輸入端相連接，前置放大器(32)輸出端連接帶通濾波器(33)，帶通濾波器(33)的輸出信號經高速AD採樣(34)傳至單片機(35)，單片機(35)將機械故障信息經485總線接口(36)發送至BAS總線(37)，BAS總線(37)通過RS232/RS485(22)轉換器與上位機相連接。
2.根據權利要求1所述的基於陣列式聲發射器的分布式機械故障實時現場監測裝置， 其特徵在於所述的聲發射傳感器(31)由不同諧振頻率的聲發射傳感器組合在一起，組成 陣列式傳感器，用以增加故障檢測的頻帶範圍，根據幹擾信號的頻率範圍單獨處理特定傳 感器的信號，再將去除掉幹擾信號的特定傳感器信號與其他傳感器頭的信號進行融合。
3.根據權利要求1所述的基於陣列式聲發射器的分布式機械故障實時現場監測裝置， 其特徵在於所述的前置放大器(32)型號是PAI。
4.根據權利要求1所述的基於陣列式聲發射器的分布式機械故障實時現場監測裝置， 其特徵在於所述的帶通濾波器(33)包括運放LF444AF、反饋電阻和電容組。
5.根據權利要求1所述的基於陣列式聲發射器的分布式機械故障實時現場監測裝置， 其特徵在於所述的高速AD採樣(34)型號為ADC0809。
6.根據權利要求1所述的基於陣列式聲發射器的分布式機械故障實時現場監測裝置， 其特徵在於所述的單片機型號為atmegaie。
7.—種如權利要求1所述的基於陣列式聲發射器的分布式機械故障實時現場監測裝 置的監測方法，其特徵在於採用分布式檢測方法，多個下位機經485總線連接到一個上位 機上進行信號處理；所述的上位機以Windows作為平臺採用Lab view對信號進行分析，通 過FFT分析軟體，包括包絡分析、故障識別等對實時數據進行處理並實時顯示，具體方法包 括以下步驟a、在機械系統的軸承等部位安裝陣列式聲發射傳感器，傳感器實時採集機械運轉的故障信號；b、故障信號經放大、濾波處理形成一定頻帶內有輸出的的故障信號，故障信號經高速 採樣送入單片機；C、單片機根據幹擾信號的頻率範圍單獨處理特定傳感器的信號，濾掉特定頻段的幹擾 信號，然後將處理過的特定傳感器信號與其他傳感器信號融合；d、單片機接到上位機命令後，將融合後的數字量信號通過485總線傳送至上位機；e、上位機對從總線上接收到的故障信號進行高通濾波、包絡分析、低通濾波等處理後， 判斷出故障是否存在，如有故障發生實時報警並顯示出精確位置和故障類型。
全文摘要
本發明是一種基於陣列式聲發射器的分布式機械故障實時監測裝置及方法，其檢測裝置是由陣列式聲發射傳感器、前置放大器、帶通濾波器，多通道高速AD轉換器、單片機、485總線以及上位機構成，其檢測方法是將陣列式聲發射傳感器安裝在機械軸承的端蓋等需要檢測的機械部位，聲發射傳感器輸出的故障信號先由前置放大器放大，再經帶通濾波器濾波，然後進行高速採樣進行模數轉換後由單片機經總線將信號傳至上位機，由上位機進行一系列地信號處理，信號處理包括高通濾波、包絡分析、低通濾波、故障識別以及故障指示，不僅可以實現機械故障的實時監測，而且實現對多個機械或者一個系統多個監測點的監測，節約成本。
文檔編號G08C19/00GK101943682SQ20101027490
公開日2011年1月12日 申請日期2010年9月7日 優先權日2010年9月7日
發明者劉永春, 唐守鋒, 童敏明, 童紫原 申請人:中國礦業大學