一種檢測機械故障的振動和聲發射信號調理儀的製作方法
2023-05-12 00:37:16
專利名稱：一種檢測機械故障的振動和聲發射信號調理儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種對機械設備故障信號提取後，通過振動和聲發射信號調理技術進行檢測和故障診斷的儀器，屬於機械設備故障檢測儀器技術領域。
背景技術：
機械設備齒輪箱的狀態監測和故障診斷是國內外工程技術領域一直非常關注的課題。目前，設備狀態監測與故障診斷工作在保障機械設備的安全運行，實現基於設備運行狀態進行視情維修、提高機器壽命方面起到了關鍵性的指導作用，並取得了顯著的經濟效益和社會效益。
在工程應用中進行故障診斷，主要是判斷機械零件的損傷程度和發生部位。齒輪箱振動信號的頻率成分非常豐富，根據缺陷零件的不同，元件的故障特徵頻率也不相同。另外，由於早期故障信號十分微弱，往往湮滅在其它強烈的振動信號之中。因此，若僅檢測信號的振動幅值，往往難以發現故障的存在，容易造成漏檢。通過傳統的傅立葉變換對振動信號作頻率分析，可避免部分這種情況，但是也有其局限性，它不具有局部定位能力。
在眾多的故障診斷技術中，利用「三特徵判別法」診斷齒輪箱故障是較為有效的方法之一。故障信號「三特徵判別法」是指在常規傅立葉譜圖上分析平穩功率故障振動信號特徵，在共振解調傅立葉譜圖上分析衝擊功率故障振動信號特徵，利用小波分析衝擊故障振動信號特徵。
「三特徵判別法」對非低速重載齒輪箱的診斷結果較為準確，但對於自動化水平較高且結構和工況複雜的現代機械設備，其診斷結果不夠準確，特徵信息的提取效果仍有待提聞。發明內容
本發明所要解決的技術問題是能夠對自動化水平較高且結構和工況複雜的現代機械設備的故障信號提取效果更好、故障診斷更加準確的檢測機械故障的振動和聲發射信號調理儀。
解決上述技術問題的技術方案是一種檢測機械故障的振動和聲發射信號調理儀，它由共振解調部分、常規信號處理部分和A/D採集卡組成，共振解調部分包括程控放大電路、高Q帶通濾波器、二次諧振電路、包絡檢波電路和抗混疊電路，常規信號處理部分包括通道選擇電路和抗混疊電路，檢測故障的速度或加速度傳感器和聲發射傳感器的輸出信號端與程控放大電路相連接，程控放大電路的輸出端分別與共振解調部分的高Q帶通濾波器和常規信號處理部分通道選擇電路相連接，高Q帶通濾波器與二次諧振電路、包絡檢波電路和抗混疊電路相連接，通道選擇電路與抗混疊電路相連接，共振解調部分的抗混疊電路的輸出端和常規信號處理部分的抗混疊電路的輸出端均與A/D採集卡相連接，A/D採集卡接計算機。
上述檢測機械故障的振動和聲發射信號調理儀，所述程控放大電路包括放大電路CN 102914432 A書明說2/6頁晶片U2和運放器U3，速度或加速度傳感器和聲發射傳感器的輸出信號端接放大電路晶片 U2的輸入端和運放器U3的輸出端，運放器U3的輸出端接到反饋端，運放器U3的輸入端接放大電路晶片U2，放大電路晶片U2的輸出端接高Q帶通濾波器的輸入端。
上述檢測機械故障的振動和聲發射信號調理儀，所述高Q帶通濾波器包括濾波器 U6、運放器U5和晶體振蕩器Y1，運放器U5的輸入端接程控放大電路的放大電路晶片U2的輸出端，運放器U5的反饋端與輸出端相接，運放器U5的輸出端接濾波器U6的輸入端，晶體振蕩器Yl接濾波器U6的時鐘接口端，濾波器U6的輸出端接二次諧振電路的輸入端。
上述檢測機械故障的振動和聲發射信號調理儀，所述二次諧振電路包括運放器U7 和濾波器U8，運放器U7的輸入端接高Q帶通濾波器的濾波器U6的輸出端，運放器U7的反饋端與輸出端相接，運放器U7的輸出端接濾波器U8的輸入端，濾波器U8的輸出端接包絡檢波電路的輸入端。
上述檢測機械故障的振動和聲發射信號調理儀，所述包絡檢波電路包括運放器 UA、UB、二極體Dl、D2，二次諧振電路的輸出端分別接運放器UA、UB的輸入端，二極體Dl接在運放器UA的輸出端與反饋端之間，運放器UB的反饋端與輸出端相接，運放器UA的輸出端與運放器UB的輸出端相連接，二極體D2反向接在運放器UA的輸出端與運放器UB的輸出端之間，運放器UB的輸出端接抗混疊電路的輸入端。
本發明的有益效果如下(I)針對齒輪箱早期微弱故障信號，利用硬體共振解調技術進行信號調理，可有效濾除噪聲信號，只對富含高頻成分的衝擊進行響應，可極大的提高信噪比，效果明顯優於基本信號處理。
(2)將共振解調技術同時應用在被測對象的振動和聲發射信號處理中，可從兩種不同的角度對設備進行監測，能夠更加全面的了解其運行情況，並及時的發現故障隱患。
(3)本發明構造了一種新型的振動和聲發射信號調理儀用於提取故障特徵信息， 其兼具常規信號處理和共振解調處理兩種方式，可實現對設備早期故障和中晚期故障的全面監測，信號調理效果良好。
(4)針對生產現場背景噪聲大、工況惡劣的特點，本發明的信號調理儀的電路抗幹擾設計嚴密，能使得本發明在複雜環境中保持正常工作，具有良好的穩定性和可靠性。
(5)本發明的信號調理儀使用靈活方便，可作為獨立的單元應用到已有的在線設備監測系統當中，改善已有故障診斷系統的性能，降低系統升級的成本，有效提高生產現場的齒輪箱故障診斷率。
圖I是本發明的電路原理框圖；圖2是本發明的電信號處理結構框圖；圖3是本發明的電信號流程圖；圖4是程控放大電路原理圖；圖5是高Q帶通濾波器；圖6是二次諧振濾波電路原理圖；圖7是包絡檢波電路原理圖；4圖8是通道選擇電路原理圖。
具體實施方式
本發明的目的是改進「三特徵判別法」提取特徵信息和診斷設備故障的效果，研製一種新型的振動和聲發射信號調理儀。
本發明在「三特徵判別法」的基礎上，結合聲發射信號故障診斷方法，以齒輪箱作為被測對象，以振動和聲發射信號作為信息載體，運用硬體共振解調技術實現信號調理，研製基於共振技術的新型振動和聲發射信號調理儀，從而有效提取早期微弱故障衝擊信號和中晚期故障信號特徵，以實現設備的全面監測和故障診斷。
基於共振解調技術的新型振動和聲發射信號調理儀，其基本設計思路為利用速度或加速度傳感器和聲發射傳感器測取被測設備在運行過程中的振動和聲發射信號，經由自主研製的共振解調信號調理儀對傳感器輸出信號進行採集和處理，通過設置一個諧振頻率 遠遠高於常規頻率的「共振器」去處理振動和聲發射信號，把微弱故障衝擊信號從檢測信號中提取出來，將調理過的數據送入A/D採集卡後輸入到工控機中，結合小波分析方法診斷設備故障，了解設備的運行狀況，以實現設備在線監測和故障診斷。
以下結合附圖對本發明進行說明。
圖I是本發明的電原理框圖。
圖中顯示，本發明包括硬體共振解調技術和常規信號處理兩部分。
硬體共振解調技術主要包含三個環節諧振濾波將相應的高頻共振信號提取出來以提升信噪比；包絡檢波電路對濾波後輸出的信號進行絕對值檢波；對低頻解調波採用信號分析方法以判斷故障。硬體共振解調電路由程控放大電路，高Q帶通濾波器，二次諧振電路，包絡檢波電路和抗混疊電路組成。其中，對高Q帶通濾波器和包絡檢波的主要性能要求是窄帶性、穩定性、光滑性及保留衝擊信號特徵的完整性。常規信號處理電路則由通道選擇電路和抗混疊電路組成。
圖2是本發明的電信號處理結構框圖。
圖中顯示，每一路加速度/速度傳感器或聲發射傳感器採集到的信號，經由本發明後會變為兩路輸出信號，分別為解調信號和非解調信號，用以表徵不同時期的設備故障信息。其電路結構並列，並可串聯多個通道同時工作，以滿足現場應用中對測點的需求量， 具有良好的擴展性能。
共振解調診斷方法主要用於發現軸承故障初期的衝擊信號，即實現早期故障診斷；當故障發生且較嚴重時，使用共振解調技術處理的效果並不好，應採用傳統的對測得信號直接進行頻譜分析的方法取得較為理想的監測效果。因此，本發明的信號調理儀設計了另外一路只經過簡單的放大濾波處理的非解調信號，其輸出信號直接輸送到A/D採集卡中，並傳輸到上位機進行信號處理與分析，實現常規信號處理的故障診斷，同時也與輸出的解調信號相對比，從而全面的監測設備運行狀態。
圖3是本發明的電信號流程圖。
圖中顯示，檢測信號在信號調理儀整個處理過程中的邏輯走向分為兩路。為得到反映設備故障的有效信息，調理儀設計為一路輸入信號分兩路輸出。其中，一路信號採用了共振解調技術進行處理，輸出解調信號；另一路信號只進行常規處理，輸出非解調信號。採CN 102914432 A書明說4/6頁用以上設計，一方面可針對早期微弱衝擊進行共振解調信號處理，改善軸承早期故障診斷效果；另一方面，當故障發生且較嚴重時，也可以同時實現對中後期故障的狀態監測，並可對兩組輸出進行對比分析，從而實現對不同時期的設備故障的全面監測。
圖4是程控放大電路原理圖，為了防止信號失真，在信號調理儀前端設計了程控放大電路。通過傳感器採集的共振波形經過程控放大後，將得到更易於處理的原始信號。
圖中顯示，程控放大電路包括放大電路晶片U2和運放器U3，速度或加速度傳感器和聲發射傳感器的輸出信號端接放大電路晶片U2的輸入端和運放器U3的輸出端,運放器 U3的輸出端接到反饋端，運放器U3的輸入端接放大電路晶片U2，放大電路晶片U2的輸出端接高Q帶通濾波器的輸入端。
本實例的放大電路晶片U2為PGA205晶片，程控放大電路以PGA205晶片為核心， 對信號進行放大處理，避免幅值微弱的傳感器輸出信號在傳輸過程中產生衰減，造成信號失真。PGA205是美國Burr-Brown公司生產的低價格、多用途的可編程增益放大器,可用兩位TTL或CMOS邏輯信號A0、Al對其增益進行數字選擇。PGA205的增益檔級為1、2、4、8V/ V，最大增益誤差為±0.05%。電路晶片經雷射校正，最大失調電壓只有50 μ V，失調溫漂為O.25yV/°C。PGA205採用雙電源供電，電源電壓為±4. 5 ± 18V，也可以用於電池供電系統，輸入電流最大為2ηΑ，靜態電流為5. 2mA。為使器件達到最高的精度，運放器的輸出端接到反饋端。當電源阻抗較高或有噪聲幹擾時，應在正、負電源引腳各加I μ F的去耦電容。放大器的增益由15、16引腳的邏輯電平決定。其中邏輯「I」定義為大於數字地2V，數字地可以連接到V—或比V+低4V的電源上。數字輸入電平TTL與COMS兼容。當使用邏輯「O」 時，大約有I μ A的電流從數字輸入腳流出，使用邏輯電平「I」時電流為O。PGA205對數字輸入邏輯信號(Α0、Α1)沒有鎖存功能，邏輯輸入信號的變換將立即引起新的增益選擇，切換時間大約為1μ S。輸入邏輯Α1、Α0與增益的關係為(0、0)放大I倍，(0、1)放大2倍，(I、O)放大4倍，(I、I)放大8倍。該部分電路可實現對信號的1, 2，4，8增益放大效果,具有良好的實用性。
圖5是高Q帶通濾波器，高Q帶通濾波器和二次諧波電路將對信號做預處理。寬頻帶的故障衝擊脈衝信號在加速度傳感器的安裝諧振頻率處得到了大幅度加強，經過高Q 帶通濾波處理後，只保留衝擊性故障信號共振頻率附近的頻率段，而常規的幹擾噪聲由於多分布在低頻段內而得以消除。
圖中顯示，高Q帶通濾波器包括濾波器U6、運放器U5和晶體振蕩器Υ1，運放器U5 的輸入端接程控放大電路的放大電路晶片U2的輸出端，運放器U5的反饋端與輸出端相接， 運放器U5的輸出端接濾波器U6的輸入端，晶體振蕩器Yl接濾波器U6的時鐘接口端，濾波器U6的輸出端接二次諧振電路的輸入端。
本實例的濾波器U6採用Maxim公司生產的模擬集成濾波器ΜΑΧ268，ΜΑΧ268是為精密濾波應用而設計的開關電容有源濾波器，內部包含一個放大器和兩個二階濾波部分， 其中心頻率、品質因數和操作模式都可以通過管腳輸入選擇。一個輸入時鐘和一個5位的輸入(F0、FU F2、F3、F4)可精確地設定濾波器的中心頻率。品質因數可以在O. 5到64之間選擇。晶片內兩個濾波部分的時鐘是分離開來的，可以外接一個外部時鐘或者晶體振蕩器。`
圖6是二次諧振濾波電路原理圖。6
圖中顯示，二次諧振電路包括運放器U7和濾波器U8，運放器U7的輸入端接高Q帶通濾波器的濾波器U6的輸出端，運放器U7的反饋端與輸出端相接，運放器U7的輸出端接濾波器U8的輸入端，濾波器U8的輸出端接包絡檢波電路的輸入端。
本實例的運放器U7為AD711晶片，AD711晶片組成放大電路，與濾波器U8連接， 濾波器U8採用了美國Burr-BiOwn公司推出的高集成度通用有源濾波器UAF42AP，它可廣泛應用於低通、帶通和高通濾波器設計中。UAF42AP採用的是典型的狀態變量模擬結構，內部集成了 I個反相放大器和2個積分器，該積分器包括了 1000pf(±0.5%)的電容，因此較好地解決了 有源濾波器設計中獲得低損耗電容的問題。
在傳感器的信號處理過程中，由於前端一般都會混入50KHz的交流電源噪聲，在後端的處理中必須要通過濾波器將其濾掉。帶通濾波既可以保持信號完成，又能去除不需要的頻率分量，符合設計要求。為了提高信號的處理效果，當濾波要求較高時，可通過多個濾波單元級聯的方式來實現。當多個濾波單元級聯時，要儘量按照Q值從小到大的順序排列，以保證帶通濾波器可以實現較大的動態範圍，達到更好的濾波效果。當Q值從小到大排列時，增益G也應按照相應的順序排列。增益從小到大的排列順序，可避免因前級放大倍數太多，而造成的後級輸入飽和。
圖7是包絡檢波電路原理圖。
包絡檢波電路包括運放器UA、UB、二極體Dl、D2，二次諧振電路的輸出端分別接運放器UA、UB的輸入端，二極體Dl接在運放器UA的輸出端與反饋端之間，運放器UB的反饋端與輸出端相接，運放器UA的輸出端與運放器UB的輸出端相連接，二極體D2反向接在運放器UA的輸出端與運放器UB的輸出端之間,運放器UB的輸出端接抗混疊電路的輸入端。
圖中顯示，本實例的包絡檢波電路採用了絕對值檢波解調的方式。絕對值變換器的輸出電壓將正比於輸入電壓的絕對值，其實質就是一種比較理想的全波檢波電路。由於反相型絕對值變換電路難以實現高阻抗，故此處採用同相型絕對值變換電路。由於採用同相端輸入方式，其輸入阻抗高。但必須同時注意共模電壓輸入範圍和共模抑制比帶來的誤差。
衝擊性故障信號在經過絕對值包絡解調後檢出共振波的外包絡，得到一個與故障衝擊頻率相一致的脈衝串。將高頻共振波轉換為低頻包絡信號，即實現共振解調功能。另外，為濾除解調信號中高頻幹擾，設計了低通濾波器。經包絡分析器和低通濾波器處理後， 可進一步剔除時域尖峰信號的幹擾，為後續故障識別提供較穩定的信號。
圖8是通道選擇電路原理圖。
圖中顯示，該電路設計以ANALOG DEVICES公司生產的ADG409為主，其是一款單晶片CMOS多通道高性能模擬多路復用器，內置4個差分通道。它根據2位二進位地址線AO 和Al所確定的地址，將4路差分輸入之一切換至公共差分輸出。該器件提供EN輸入，用來使能或禁用器件。禁用時，所有通道均關斷。通過ADG409進行的通道選擇電路實際上是實現對不同通道的電阻對的選擇，通過選擇不同的電阻對來調節低通濾波部分的截止頻率以達到不同頻率的選通功能，使信號調理板可靈活的變化參數，實現對不同範圍信號的選擇。 為了達到上述信號處理的目的，此處使用ADG409與UAF42AP晶片構成可由通道選擇控制截止頻率的可控低通濾波電路。該通道選擇電路可分別導通截止頻率為250Ηζ、514Ηζ、1Κ、5Κ 的濾波電路，實現對傳感器拾取的中後期故障信號的信號調理及故障診斷。
本實例的通道選擇電路適用於被測對象發生變化的場合。當被測對象改變時，其固有頻率和故障特徵頻率也會發生變化，所以需要針對不同的頻率範圍調整常規信號處理通道的低通濾波截止頻率。在確定測試對象的頻率範圍後，可根據其參數值對通道進行選擇和設置，從而適應不同低通頻段的需求。另外，在進行多通道測量時，也可由控制部分進行調整，每隔一定時間，開通某個通道，進行數據採集。
本實施例中提供的信號調理儀採集方式如下(O以機械設備的齒輪箱作為被測對象，將振動和聲發射傳感器分別安裝在被測點上， 使傳感器、信號調理儀、數據採集卡相連，並開啟上位機軟體。
(2)進入軟體的系統參數設置界面，輸入軸承或齒輪的各項參數信息，確定故障特徵頻率，設定用於獲取信號的通道，設置信號採集的相關參數。
(3)啟動設備監測系統，被測對象的振動和聲發射信號由傳感器獲取，送入信號調理儀中進行處理，每一路傳感器輸入信號將分為調製信號和非調製新哈兩路輸出，然後經由A/D轉化，將電壓信號轉化為數位訊號，送入計算機。
(4)在工作界面中顯示信號的時域圖和頻域圖，結合小波分析方法。通過觀察信號調理儀 輸出信號的波形，比較振動和聲發射信號經處理後輸出的調製和非調製信號的波形圖，實現設備監測和故障診斷。
(5)對採集數據進行存儲，以便以後的研究和應用。
權利要求
1.一種檢測機械故障的振動和聲發射信號調理儀，其特徵在於它由共振解調部分、 常規信號處理部分和A/D採集卡組成，共振解調部分包括程控放大電路、高Q帶通濾波器、 二次諧振電路、包絡檢波電路和抗混疊電路，常規信號處理部分包括通道選擇電路和抗混疊電路，檢測故障的速度或加速度傳感器和聲發射傳感器的輸出信號端與程控放大電路相連接，程控放大電路的輸出端分別與共振解調部分的高Q帶通濾波器和常規信號處理部分通道選擇電路相連接，高Q帶通濾波器與二次諧振電路、包絡檢波電路和抗混疊電路相連接，通道選擇電路與抗混疊電路相連接，共振解調部分的抗混疊電路的輸出端和常規信號處理部分的抗混疊電路的輸出端均與A/D採集卡相連接，A/D採集卡接計算機。
2.根據權利要求I所述的檢測機械故障的振動和聲發射信號調理儀，其特徵在於所述程控放大電路包括放大電路晶片U2和運放器U3，速度或加速度傳感器和聲發射傳感器的輸出信號端接放大電路晶片U2的輸入端和運放器U3的輸出端，運放器U3的輸出端接到反饋端，運放器U3的輸入端接放大電路晶片U2，放大電路晶片U2的輸出端接高Q帶通濾波器的輸入端。
3.根據權利要求I或2所述的檢測機械故障的振動和聲發射信號調理儀，其特徵在於 所述高Q帶通濾波器包括濾波器U6、運放器U5和晶體振蕩器Y1，運放器U5的輸入端接程控放大電路的放大電路晶片U2的輸出端，運放器U5的反饋端與輸出端相接，運放器U5的輸出端接濾波器U6的輸入端，晶體振蕩器Yl接濾波器U6的時鐘接口端，濾波器U6的輸出端接二次諧振電路的輸入端。
4.根據權利要求3所述的檢測機械故障的振動和聲發射信號調理儀，其特徵在於所述二次諧振電路包括運放器U7和濾波器U8，運放器U7的輸入端接高Q帶通濾波器的濾波器U6的輸出端，運放器U7的反饋端與輸出端相接，運放器U7的輸出端接濾波器U8的輸入端，濾波器U8的輸出端接包絡檢波電路的輸入端。
5.根據權利要求4所述的檢測機械故障的振動和聲發射信號調理儀，其特徵在於所述包絡檢波電路包括運放器UA、UB、二極體Dl、D2，二次諧振電路的輸出端分別接運放器 UA、UB的輸入端，二極體Dl接在運放器UA的輸出端與反饋端之間，運放器UB的反饋端與輸出端相接，運放器UA的輸出端與運放器UB的輸出端相連接，二極體D2反向接在運放器 UA的輸出端與運放器UB的輸出端之間,運放器UB的輸出端接抗混疊電路的輸入端。
全文摘要
一種檢測機械故障的振動和聲發射信號調理儀，屬於機械設備故障檢測儀器技術領域，用於對機械設備故障進行檢測，其技術方案是它由共振解調部分、常規信號處理部分組成，共振解調部分包括程控放大電路、高Q帶通濾波器、二次諧振電路、包絡檢波電路和抗混疊電路，常規信號處理部分包括通道選擇電路和抗混疊電路，檢測故障的傳感器與程控放大電路相連接，程控放大電路的分別與高Q帶通濾波器和通道選擇電路相連接，高Q帶通濾波器與二次諧振電路、包絡檢波電路和抗混疊電路相連接，通道選擇電路與抗混疊電路相連接，抗混疊電路均與A/D採集卡相連接。本發明通過振動和聲發射信號調理技術對機械設備的故障信號提取效果更好、故障診斷更加準確。
文檔編號G01M13/02GK102914432SQ201210409698
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月24日 優先權日2012年10月24日
發明者高立新, 郝倩, 遲桂友, 於根茂, 仝金平, 王宏斌, 劉伍, 王玉兵, 趙玉武 申請人:宣化鋼鐵集團有限責任公司, 北京工業大學, 河北鋼鐵集團有限公司