一種用于振動信號全矢譜分析的數據採集裝置的製作方法

2023-11-03 16:20:47

專利名稱：一種用于振動信號全矢譜分析的數據採集裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及機械設備故障診斷領域，特別是一種機械振動信號的採集裝置。
背景技術：
在設備診斷中，故障診斷的準確性、穩定性及可靠性是設備診斷裝置能否解決工 程問題的關鍵所在。全矢譜分析將同源多振動傳感器信息融合技術與旋轉機械機理相結 合，有效的提升故障診斷的可靠性。傳統的振動信號採集裝置和方法，主要形式如下1.巡迴採樣，滿足振動信號波 形和頻譜分析的需要，單通道或多通道的組織形式，且在多通道的情況下，每個採集通道之 間是獨立的，各路信號之間不同步，存在時間上的超前和滯後關係；2.同步採樣，採集到的 是多路信號發生在同一個時刻的結果，多路信號之間沒有時間上的超前和滯後；3.整周期 採樣和同步整周期採樣，多用於旋轉機械振動信號採集；而且現有採集設備，對同時需要處 理直流信號和交流信號的場合，均採用獨立的通道進行處理，無法保證交、直流信號時間上 的同步性。現有採集方法和設備無法有效滿足採用全矢譜理論對同源信號有效融合的需 要。

發明內容
本發明的目的是提供一種用于振動信號全矢譜分析的數據採集裝置，用以解決現 有技術不能全面採樣，而且採集數據缺乏同步性的問題。為實現上述目的，本發明的方案是一種用于振動信號全矢譜分析的數據採集裝 置，該裝置包括嵌入式CPU，嵌入式CPU上接設有傳感器接口電路，所述傳感器接口電路設 有至少一個傳感器輸入接口，每個傳感器輸入接口至少對應一個如下傳感器速度傳感器、 加速度傳感器、位移傳感器；所述傳感器接口電路輸出通過一個交直分離電路分別連接一 個用於處理交流信號的放大、濾波電路和一個用於處理直流信號的放大電路，所述處理交 流信號的放大、濾波電路和處理直流信號的放大電路的輸出端均連接一個A/D轉換模塊， 所述A/D轉換模塊與所述嵌入式CPU的對應埠連接；所述嵌入式CPU輸出埠上還設有 受控於嵌入式CPU、為傳感器接口模塊對應的傳感器供電的恆流源模塊。本發明提供的採集裝置，不僅能夠根據平面全面全矢譜、空間全矢譜、轉子空間振 型分析的需要進行數據採集，也可以滿足常規的振動信號採集需要。有效提高了大型旋轉 機械故障診斷的準確性和可靠性。採集裝置能夠提供多路可配置的輸入通道，其中一路為 鍵相通道，其餘為振動通道，振動通道若在用渦流位移傳感器，則數據在電路板上進行交、 直流分離，分離後的信號分別進入8路AD轉換通道。AD轉換器對8路信號採用同步採樣， 依次轉換的方式以保證進行信息融合的數據的同時性。因為直流信號表徵的是機器運轉過 程中傳感器安裝的平衡位置，即傳感器與被測轉子的平均間隙，是多組數據的平均值，不需 要嚴格同步，而交流振動部分是進行全矢譜分析的關鍵信號源，所以，在電路板走線上，保 證各個振動交流通道的信號線長度相當。在AD轉換上，採樣保持器同時對各路信號採樣並保持，然後逐路進行 轉換，保證所轉換的是同一時刻送入保持器的信號。該裝置上還設有鍵相信號輸入電路，所述鍵相信號輸入電路包括輸入端用於接鍵 相信號的固態繼電器，所述固態繼電器輸出端連接所述嵌入式CPU的對應輸入埠。所述 固態繼電器採用TLP521。所述A/D轉換模塊包括兩片AD7865，兩片AD7865共用一個由所 述嵌入式CPU提供的外部時鐘，它們的讀寫控制線對應連接在一起，它們的輸入端對應不 同所述傳感器接口電路的傳感器輸入埠，輸出埠並聯後連接所述嵌入式CPU的對應端 口。所述交直分離電路採用隔直電路進行隔直。所述A/D轉換模塊還設有用於數字邏輯的 CPLD。所述CPLD採用MAX7000系列的EMP7256。嵌入式CPU上還設有用於人機互動的觸摸 屏。所述嵌入式CPU上還設有存儲與通信模塊。所述嵌入式CPU採用SC32442B，並裝載嵌 入式Linux作業系統。


圖1是「雙傳感器採樣矢譜分析」方式，渦流傳感器的交直信號分離示意圖； 圖2是「四傳感器採樣信息融合」方式，傳感器布置圖3是本發明的採集裝置結構圖； 圖4是AD7865與CPU的連接原理圖； 圖5是加速度傳感器恆流源供電電路； 圖6是隔直電路原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步詳細的說明。如圖3、圖4所示的採集裝置，該裝置包括嵌入式CPU，嵌入式CPU上接設有傳感器 接口電路，傳感器接口電路設有四個傳感器輸入接口，每個傳感器輸入接口能夠對應一個 如下傳感器速度傳感器、加速度傳感器、位移傳感器；傳感器接口電路輸出通過一個交直 分離電路分別連接一個用於處理交流信號的放大、濾波電路和一個用於處理直流信號的放 大電路，上述處理交流信號的放大、濾波電路和處理直流信號的放大電路的輸出端均連接 一個A/D轉換模塊，A/D轉換模塊與嵌入式CPU的對應埠連接；嵌入式CPU輸出埠上還 設有受控於嵌入式CPU、為傳感器接口模塊對應的傳感器供電的恆流源模塊。該裝置上還 設有鍵相信號輸入電路，包括輸入端用於接鍵相信號的固態繼電器，所述固態繼電器輸出 端連接所述嵌入式CPU的對應輸入埠。固態繼電器採用光耦器件TLP521。A/D轉換模塊 包括兩片AD7865，兩片AD7865共用一個由嵌入式CPU提供的外部時鐘，它們的讀寫控制線 對應連接在一起，它們的輸入端對應四路傳感器輸入埠，共有八路A/D轉換通道，輸出端 口並聯後連接所述嵌入式CPU的對應埠，轉換器的位數為14位。交直分離電路採用隔直 電路進行隔直，圖6為隔直電路原理圖。A/D轉換模塊還設有用於數字邏輯的CPLD，CPLD 採用MAX7000系列的EMP7256，能夠實現轉速測量時的計數器(也包括鍵相脈衝計數)，以及 總線擴展等數字邏輯。嵌入式CPU上還設有存儲與通信模塊，採用64MB NAND FLASH存儲 MicroSD卡存儲採集數據，內部128MB SDRAM作為內存。嵌入式CPU採用SC32442B，並裝載 嵌入式Linux作業系統。嵌入式CPU上還設有用於人機互動的觸控螢幕，採用四線電阻式觸 摸屏作為輸入設備，用AD7843設計其接口電路，輸出採用6. 4吋TFT液晶屏，640 X 480的顯示解析度。本發明的採集策略，滿足矢譜分析，同時兼顧常規振動測量的需要，具體採集方式 支持單傳感器採樣、雙傳感器採樣矢譜分析、雙傳感器採樣非矢譜分析、四傳感器採樣信 息融合、四傳感器採樣非信息融合5種方式；分析方法包括常規波形分析、幅值譜分析、單 平面矢譜分析(矢幅值譜、矢功率譜、矢倒頻譜)、單面動平衡分析、軸心位置、軸心軌跡、轉 子空間振動形態分析。

本發明提供了用於全矢譜信息融合的數據採集設備，有效的彌補了傳統振動測量 方法和實現設備的不足，能夠有效的實現多通道、振動(交流)和位移(直流)的同步採集，並 按全矢譜分析的需要，將多通道數據進行有效融合，對大型旋轉機械採用更全面的數據進 行診斷，有效提高大型旋轉機械故障診斷的準確性和可靠性。數據採集系統支持ICP加速度傳感器、速度傳感器和電渦流位移傳感器。位移信 號需要進行交、直分離，加速度和速度信號不做交、直分離。如圖6所示，不管採用何種傳 感器，交流振動部分都是要採集的信號，當採用加速度或速度傳感器時，通過控制模擬開關 ADG5413的控制端，使其進入直流採樣電路的信號截止，並在採集程序上控制對應的AD通 道不進行轉換；當為渦流位移傳感器時，控制ADG5413的控制角，使得ADG5413的2腳與3 腳導通，對交流振動和直流間隙電壓進行採樣。如圖1所示，分離後的模擬信號被送入不同 的AD轉換通道，當進行多通道信息融合時，可根據實際需要和現場安裝條件選用一種傳感 器進行，且要求各個通道傳感器類型應一致；當採用矢譜方法分析旋轉機械轉子某一截面 上(如軸承支撐處振動)振動時，可用加速度傳感器、速度傳感器或渦流位移傳感器，且要求 配對的兩個傳感器類型一致；當測量轉子並分析軸心軌跡、軸心位置和空間振動形態時，要 求採用電渦流位移傳感器，或通過旋轉機械監測系統的表架(渦流傳感器輸出)將相應信號 接入採集設備。該採集裝置可以支持各種傳感器採集方式，根據採用的傳感器個數，採集方式主 要有單傳感器採樣、雙傳感器採樣矢譜分析、雙傳感器採樣非矢譜分析、四傳感器採樣信 息融合、四傳感器採樣非信息融合。(1)單傳感器採樣用於常規的一個傳感器的採集分析， 用於從拾取的設備振動敏感點數據，得到振動的嚴重程度和故障類型。該方式可用加速度、 速度或位移傳感器；(2)雙傳感器採樣矢譜分析用於同一個截面上的兩個傳感器進行矢譜 信息融合的場合，用於獲取旋轉機械某一個截面的軸心軌跡、軸心位置和全矢譜，並根據轉 軸在某一個支撐截面處的振動狀況，確定機組運行正常與否、故障類型。該方式進行軸心軌 跡和軸心位置分析時必須用位移傳感器，做矢譜分析時(矢功率譜、矢幅值譜、矢倒頻譜)可 用加速度、速度或位移傳感器；(3)雙傳感器採樣非矢譜分析用於常規的兩個傳感器採樣 的場合，不需要數據融合。該採集方式可用加速度、速度或位移傳感器；(4)四傳感器採樣 信息融合，在轉軸的兩個支撐處同時採樣，並將所得信息融合以求取轉子空間振動形態。該 採集方式要求採用位移傳感器；(5)四傳感器採樣非信息融合用於需要同時採集設備上四 個不同位置的振動，且測點之間不必具有相關性，不需要信息融合的場合。該採集方式可以 使用加速度、速度或位移傳感器。採用不同數量的傳感器，只需要在相應的傳感器接口電路 提供的接口中接設對應的傳感器即可。如圖1所示為「雙傳感器採樣矢譜分析」方式，渦流 傳感器的交直信號分離示意圖。圖2所示為「四傳感器採樣信息融合」方式，傳感器的布置 方式，以圖2為主視圖，其左視圖如圖1左部。
加速度傳感器和速度傳感器的安裝採用磁力座安裝，吸合到機械設備表面，測量 齒輪箱或軸承振動；渦流傳感器採用非接觸測量，固定在軸瓦或者支撐上測量轉子振動； 當做平面矢譜分析時，可用加速度、速度或位移傳感器，傳感器要求垂直布置在某一個截 面；當做軸心軌跡或軸心位置時，採用電渦流傳感器；當求取轉子空間振動形態時，採用渦 流傳感器，在一個轉子的兩個支撐處的兩個截面安裝布置傳感器。鍵相信號的作用有三(1)在雙通道採樣矢譜分析這種採集方式下，進行動平衡 分析時，提供矢譜動平衡分析的相位信息，用於確定添加試重的位置；(2)提供雙通道或四 通道同步整周期採樣時的觸發信號，軟體檢測到鍵相脈衝到來的時候，觸發採樣；(3)用於 測量旋轉機械轉速。鍵相信號的採集利用電渦流位移傳感器得到，旋轉機械運行過程中，轉 子上的鍵相槽每次通過傳感器位置時，傳感器輸出一個電脈衝，採集系統依此脈衝信號作 為一次採樣的起始點，根據的連續兩個脈衝信號的時間差，獲得轉子當前轉速。 插入傳感器後採集裝置通過外部中斷檢測到有傳感器插入，並提醒用戶根據提示 選擇所插入的傳感器類型。加速度傳感器需要恆流源供電，若選加速度傳感器，則會自動打 開相應的傳感器恆流源開關，如圖5所示，恆流源採用LM334，恆流源用於給加速度傳感器 供電。打開恆流源後，若加速度傳感器連接正常，則HCPL-M600有電流流過，GPG3引腳(連接 CPU引腳)電平由高變低。在傳感器確定以後，用戶可以輸入旋轉機械轉速，採樣長度，每周 期採樣點數三個參數，並選擇打開通道，選擇要進行採樣的通道個數。如果用戶忘記設置， 系統會默認採用通道1進行單通道採樣，採樣長度1024點，機械轉速3000轉/分，每周期 採樣32點。用戶可以選擇打開多個通道，如2個或4個。採集完成後，若為單通道，根據傳 感器類型，可作常規的振動加速度、速度或位移的波形、頻譜和統計分析；若為多通道，除可 做針對某一個通道的常規分析外，還可以根據提示選擇配對通道，用以進行數據融合矢譜 分析。
權利要求
1.一種用于振動信號全矢譜分析的數據採集裝置，其特徵在於，該裝置包括嵌入式 CPU,嵌入式CPU上接設有傳感器接口電路，所述傳感器接口電路設有至少一個傳感器輸入 接口，每個傳感器輸入接口至少對應一個如下傳感器速度傳感器、加速度傳感器、位移傳 感器；所述傳感器接口電路輸出通過一個交直分離電路分別連接一個用於處理交流信號的 放大、濾波電路和一個用於處理直流信號的放大電路，所述處理交流信號的放大、濾波電路 和處理直流信號的放大電路的輸出端均連接一個A/D轉換模塊，所述A/D轉換模塊與所述 嵌入式CPU的對應埠連接；所述嵌入式CPU輸出埠上還設有受控於嵌入式CPU、為傳感 器接口模塊對應的傳感器供電的恆流源模塊。
2.根據權利要求1所述的一種用于振動信號全矢譜分析的數據採集裝置，其特徵在 於，該裝置上還設有鍵相信號輸入電路，所述鍵相信號輸入電路包括輸入端用於接鍵相信 號的固態繼電器，所述固態繼電器輸出端連接所述嵌入式CPU的對應輸入埠。
3.根據權利要求2所述的一種用于振動信號全矢譜分析的數據採集裝置，其特徵在 於，所述固態繼電器採用TLP521。
4.根據權利要求1所述的一種用于振動信號全矢譜分析的數據採集裝置，其特徵在 於，所述A/D轉換模塊包括兩片AD7865，兩片AD7865共用一個由所述嵌入式CPU提供的外 部時鐘，它們的讀寫控制線對應連接在一起，它們的輸入端對應不同所述傳感器接口電路 的傳感器輸入埠，輸出埠並聯後連接所述嵌入式CPU的對應埠。
5.根據權利要求1所述的一種用于振動信號全矢譜分析的數據採集裝置，其特徵在 於，所述交直分離電路採用隔直電路進行隔直。
6.根據權利要求1所述的一種用于振動信號全矢譜分析的數據採集裝置，其特徵在 於，所述A/D轉換模塊還設有用於數字邏輯的CPLD。
7.根據權利要求6所述的一種用于振動信號全矢譜分析的數據採集裝置，其特徵在 於，所述CPLD採用MAX7000系列的EMP7256。
8.根據權利要求1所述的一種用于振動信號全矢譜分析的數據採集裝置，其特徵在 於，所述嵌入式CPU上還設有存儲與通信模塊。
9.根據權利要求1所述的一種用于振動信號全矢譜分析的數據採集裝置，其特徵在 於，所述嵌入式CPU上還設有用於人機互動的觸控螢幕。
10.根據權利要求1-9中任一項所述的一種用于振動信號全矢譜分析的數據採集裝 置，其特徵在於，所述嵌入式CPU採用SC3M42B，並裝載嵌入式Linux作業系統。
全文摘要
本發明涉及一種用于振動信號全矢譜分析的數據採集裝置，包括嵌入式CPU，嵌入式CPU上接設有傳感器接口電路，所述傳感器接口電路設有至少一個傳感器輸入接口，傳感器接口電路輸出通過一個交直分離電路分別連接一個用於處理交流信號的放大、濾波電路和一個用於處理直流信號的放大電路，所述放大、濾波電路和放大電路的輸出端均連接一個A/D轉換模塊，A/D轉換模塊與所述嵌入式CPU的對應埠連接；嵌入式CPU輸出埠上還設有受控於嵌入式CPU、為傳感器接口模塊對應的傳感器供電的恆流源模塊。本發明提供的採集裝置，能夠進行全面檢測，還能夠保證進行信息融合的數據的同時性，有效提高了大型旋轉機械故障診斷的準確性和可靠性。
文檔編號G01H11/06GK102052963SQ20101054477
公開日2011年5月11日 申請日期2010年11月16日 優先權日2010年11月16日
發明者孫俊傑, 李凌均, 王麗雅, 董辛旻, 郝偉, 郝旺身, 陳宏 , 陳磊, 雷文平, 韓捷 申請人:鄭州大學, 鄭州恩普特設備診斷工程有限公司, 韓捷