CN100480648C - 用于振动感测和分析的方法和仪器 - Google Patents

Abstract

一种用于感测和测量应力波的方法和仪器。所述方法包括以下步骤：a)感测运动，其中所述运动包括应力波分量和振动分量；b)使用高通滤波器将所述应力波分量从所述振动分量中分离，以创建与所述应力波成比例的信号；c)放大所述信号以产生放大的信号；d)在预定时间间隔上用采样和保持峰值检测器处理所述放大的信号，以确定在所述预定时间周期上所述放大信号的峰值；e)创建与所述放大信号的所述所确定峰值成比例的输出信号；以及f)重复步骤d)和e)。本发明还包括用于实现该方法的仪器。

Description

用于振动感测和分析的方法和仪器

技术领域

本发明通常涉及改进的振动感测和分析方法及仪器。更具体，本发明涉及用于测量机械的宏观的和微观振动的方法和仪器，其包括可选择高通滤波器、对数放大器、采样和保持峰值检测器以及峰值平均器的使用。

背景技术

通常通过轴承由固定主体支撑旋转部件，在该轴承处，诸如，将轴承的外座圈永久地附装到外壳体上，并且内座圈永久地附装到旋转轴上。滚子(roller)放置在内和外座圈之间，并且通过适宜的润滑油，允许旋转元件带有少许约束地自由转动。如果滚动元件经受导致其操作离开旋转中心的力，则通过轴承将力传送到固定主体，引起外壳体的轻微振荡运动。放置在壳体上的诸如加速度计的振动传感器将输出信号，该信号与正常的固定主体的振荡运动线性相关。可以有许多引起机械壳体的这种振荡宏观运动的原因。将这种运动的分析称为振动分析。其用于监测旋转设备的状态，以提供潜在故障的早期预警。这种宏观运动更广泛地是模态激发。这种激发源可以是不平衡、未对准、不正确的齿轮啮合、相对于其壳体松动的机械、损坏的轴承等。

除了在宏观级上引入的振荡运动(振动)之外，在轴承、齿轮等中许多共同经历的故障还在微观级上引入应力波包，其从初始地点在介质(诸如，金属)中传播开。这些应力波包是短期的、微小至数毫秒的、瞬时的事件，它们伴随着诸如金属对金属碰撞、疲劳裂纹、摩擦的事件以及类似事件。应力波初始源通常集中在生成主“S”波的小区域内。由于“S”波从初始地点传播开，因此，它们引入了穿越在壳体表面上的“纹波”。该纹波将导致在加速度计(其响应于绝对运动)或诸如应变计的其他传感器等中的输出。由于加速度计通常是用于宏观(振动)运动监测的选择的传感器，因此，还采用加速度计作为应力波分析的选择的传感器是合乎逻辑的。

对这些应力波包的适宜分析提供了对机械故障的存在的有价值的洞察以及在识别故障严重性中的辅助。典型地，简单地通过将传感器(加速度计)路由通过高通滤波器，以滤去传感器(加速度计)输出的低频振动驱动分量，将应力作用(activity)容易地从更宏观的(振动)运动作用中分离。“应力波”分析的首要特性是这样的事实，即应力波仅在出现故障的情况(即，生成应力波的故障类型，其中该故障类型是很多的)下出现。通过捕获应力波的级值(诸如峰值g-级值)(该峰值级值必须是观察足够时间的峰值，例如约10+次回转)和趋势，提供了关于旋转机械的健康状态的非常可靠的指标。这对于旋转滚子轴承尤其正确。

本专利的发明检测应力波的存在并输出出现在预设时间周期上的应力波作用的峰值g-级值。在优选实施例中，该时间周期包括被监测机械(轴承)的10+次回转，尽管较少的回转可能足够。输出可以是连续的(电压、电流、光)，并且该输出在每个预设时间增量的结束处被更新，和/或在自动的意义上是周期性的(例如，通过无线装置在固定时间间隔上发送的级值)或从外部源被询问(interrogated)。从本发明的仪器获得的峰值g-级值将：a)被确定趋势和b)启动警报/错误级值。警报/错误级值将具有由适宜的组执行的预定行为级值(actionlevel)。

当监测机械的应力波作用(activity)时，健康的机械将没有或有很小的应力波作用(典型地<0.5g)，但是有故障的机械能够具有相当显著的g-级值(50g是常见的)。因此，合适的感测和分析仪器的动态范围必须在50-100dB范围内。对于操作在线性域内的仪器，该动态范围是不实际的，除非a)比例变化(通过改变增益而向上或向下移动线性范围)或b)定义在其上不做出解决(resolve)尝试的较低信号级值。改进传感器的可替换方法是通过例如使用具有100dB动态范围的、容易可得的对数放大器转换到相对于输入的非线性输出。

在优选实施例中，通过选择在足以包括被监测机械的最少6+次回转的时间间隔上捕获的峰值的值，获得“峰值g-级值”值(由于某些故障仅是每2.5次回转或每类似的回转数达到一次其峰值的值，因此采用大于2.5次回转是必要的)。偶然观察到的峰值的值可以是伪的(诸如，与机械无关)。本发明的传感器的改进是以保持传感器输出的完整性的方式来调节这些“伪”读数。实现其的一个方法是在短的时间持续时间上收集许多“峰值的值”，并且然后基于统计分析选择关于期望时间增量的“峰值的值”(足够包括期望数目的回转)，以分离出统计“异常值”。在优选实施例中，另一个方法是在最近的“N”个观察值上建立“峰值的值”的“连续平均”(“N”可以定义为任何值，但是可能的范围可以是3-10)。可以通过简单的电子装置实现该“运行中”平均。

其他人已经获得了涉及振动分析的各种发明的专利，但是没有一个专利教导如本发明的应力波分析检测和分析。

例如，美国专利申请No.4,729,239(Gordon)公开了一种用于滚球轴承和相关设备的振动测试器。涉及微型滚球轴承的测试的该专利发明使用了：加速度计，用于获得轴承的运动并感测来自其的振动信号；积分器，用于获得速度测量，并且输出以检测由该微型轴承中的缺陷而导致的任何频率。

美国专利No.5,381,692(Winslow等人)公开了一种轴承组件监测系统，其实时测量振动和温度这两者。

美国专利No.5，511,422(Hernandez)公开了一种基于个人计算机的方法和仪器，用于分析和检测在滑动的轴承和其他旋转零件中的故障。该设备使用加速度计传感器和轴编码器感测振动，并由一系列步骤处理信号，以生成相干平均波谱和表示滑动或异步旋转的机械部件的缺陷的导出特性或特定其他特性。

美国专利No.5,703,295(Ishida等人)公开了一种振动感测方法及其仪器。该发明包括：加速度传感器，用于输出对应于振动的感测信号；级值鉴别器，用于加速度计的输出级值超过预设参考级值时生成输出；显示单元，用于显示级值鉴别器的输出；压电陶瓷能量生成单元，用于当其经受振动时生成电荷；以及转换单元，用于将由压电陶瓷生成单元生成的电荷转换为由该仪器使用的DC电源。

美国专利No.5,895,857(Robinson等人)公开了一种振动传感器和处理设备，包括：峰值检测器，其操作用于配置成以在预设时间周期上检测峰值振幅值。

美国专利No.6,053,047(Dister等人)公开了一种诊断系统，用于使用一个振动传感器确定多个轴承中的故障。该系统分析关于临界频率的振动特征，以确定旋转机械的健康状况。

美国专利No.6,116,089(El-Ibiary等人)公开了一种用于识别旋转机械系统中的缺陷的方法和仪器。该发明使用振动特征比较方法，其在存储器中存储健康机械的振动特征，并将其与随后获得的振动特征相比较，以诊断机械的状态。

美国专利No.6,370,957(Filippenko等人)公开了另一种用于旋转机械的预报维护的振动分析方法。该发明使用所收集的振动数据来计算统计振动参数集，诸如均方根值(RMS)、峰度(KU)、波峰因数(CF)、高频包络线(HFE)、以及平均波谱的所选区域的平均值的趋势。这些值的组合用于计算表征旋转机械的机械性状态的两个通用输出值。

美国专利申请公开No.US2001/0042229(James)公开了一种故障检测系统，包括积分器，该积分器在检测到故障时在一个方向中计数并且在没有故障检测时在相反方向中计数。该系统使得能够在间歇故障和硬故障之间辨别。

美国专利申请公开No.US2002/0139191(Hedeen等人)公开了一种用于基于条件监测轴承组件的系统和方法。该系统包括放置在轴承组件附近的传感器，其生成表示轴承组件振动运动的幅度和频率的信号。与传感器通信的处理接收来自传感器的信号，并生成表示轴承振动运动的波谱数据。数据库包括表示振幅阈值的数据，用于至少一个预定频率，表征轴承故障。

然而，当上述设备被操作用于配置为检测并监测宏观振动时，如先前所述，在微观级上能够感测其它类型的振动。诸如，金属对金属碰撞、金属疲劳、金属裂纹、摩擦等产生从振动初始位置以声速传播开的应力波包。应力波包通常是短暂的瞬时事件，其只持续数毫秒；它们地集中在生成“S”波的小区域内。由于“S”波从初始地点传播开，因此，产生了穿越壳体表面的“纹波”。在许多情况下，纹波能够引起加速度计(其响应于绝对运动)或诸如应变计的其它类型传感器等的输出。因此，由于宏观运动和微观波这两者都能够引起加速度计中的输出，因此，使用加速度计来进行应力波分析才是合理的。

应力波分析的根本是这样的事实，即应力波仅当故障存在时，也就是生成应力波的故障时，才存在。因而，应力波的分析能够提供对机械性故障存在的有价值的洞察和/或在识别故障严重性中的辅助。

典型地，通过将由振动传感器(加速度计)输出的信号路由通过校准为滤去低频振动信号的高通滤波器，能够将应力波作用从宏观振动中分离。通过捕获诸如峰值g-级值的应力波的级值(其中该峰值级值是观察了例如10+次回转的时间的峰值)并分析输出，能够确定机械的状态或健康，特别是机械包括旋转滚子轴承的情况下。

考虑到如上所述，所需要的是一种方法和仪器，用于使用加速度计感测并测量机械中的宏观和微观振动以创建振动信号、用于用高通滤波器处理振动信号以创建滤波器振动的信号、用于用对数放大器处理过滤的振动信号以产生放大的信号、用于用采样和保持峰值检测器处理放大的信号，以确定所放大信号的峰值，以及，平均所放大信号的峰值。

发明内容

本发明广泛地包括一种用于感测和测量应力波的方法和仪器。该方法包括以下步骤：a)感测运动，其中该运动包括应力波分量和振动分量；b)使用高通滤波器将应力波分量从该振动分量中分离，以创建与应力波成比例的信号；c)放大该信号，以创建所放大的信号；d)在预定时间间隔上，用采样和保持峰值检测器处理所放大的信号，以确定在所述预设时间间隔上的所放大信号的峰值；e)创建与所放大信号的所确定峰值成比例的输出信号；以及f)重复步骤d)和e)。本发明还包括用于实现本发明的该方法的仪器。

在本发明的该仪器的一个实施例中，高通滤波器对于两个不同频率(1KHz和5KHz)是可选择的，尽管该可选择高通滤波器是可选的电路零件。

在本发明的仪器的优选实施例中，该仪器包括：创建至少一个振动信号的加速度计和执行该方法的剩余步骤的电子电路。

本发明的一般目的是提供一种用于感测并测量应力波的方法和仪器。

对于本领域技术人员来说，当考虑到附图和所附权力要求而学习下文详细说明时，本发明的这个和其他目的、特性和优势是显而易见的。

附图说明

图1是说明本发明的仪器的主电路元件的流程图，该电路元件还对应于本发明的方法的主要步骤；

图2说明根据本发明的加速度计及其相关电路元件；

图3说明本发明的可选择高通滤波器；

图4说明本发明的对数放大器；

图5说明本发明的峰值检测器；

图6说明本发明的平均器；

图7说明本发明的输出级；以及

图8说明本发明的定时级。

具体实施方式

首先，应理解在不同视图中的相同参考标号表示相同的电路零件或元件。还应理解，附图中的图形表示带有全部电路元件及其值的实际电路图，足够使得本领域技术人员做出并使用本发明。最后，应理解，虽然所公开的电路表示实践本发明的仪器的最佳模式，但是它决不是唯一的模式。可以通过带有其他零件的其他电路实现本发明的方法。并不是所公开的电路的全部电路元件都是必需的。诸如，在某些应用中，应变计可能优于加速度计。同样，可使用用于电路的高通滤波器(或者，可替换地，带通滤波器)的不同目的频率。

通常，在优选实施例中，本发明操作用于配置为检测机械中振动和应力波的存在，并且配置为在预定时间周期上输出应力波作用的峰值g-级值。在优选实施例中，用于检测应力波存在的时间周期包括：包含旋转元件的机械的旋转元件的十次或更多的回转。然而，本领域技术人员应理解，不要求十次回转来确定时间周期。

该仪器的输出可包括连续输出，诸如电压、电流或光，并可在每个预定时间周期结束时被更新。输出还可以是周期性的，即，应力波的级值可以通过无线装置按固定时间间隔传输或从外部源询问。可以分析从该仪器获得的峰值g-级值(确定趋势)，并用来启动警报/故障级值。警报/故障级值可具有由适宜组执行的预定的行为级值。

在优选实施例中，“峰值g-级值”的值是通过在足以包括被监测机械的至少六次(6)回转的时间周期上所捕获的峰值的值中选择而获取。在大多数情况下，由于某些故障仅在每2.5次回转才达到一次其峰值的值，因此，通常有必要引入多于2.5次回转。

应理解，偶然观察的峰值的值可以是错误的。因此，优选实施例包括用于寻址错误读数并维持输出完整性的装置。一个这种装置是在时间周期上收集峰值的值，并且然后通过公知的统计分析和电子零件选择关于该时间周期的峰值的值。另一个装置是在所观察的“n”个值上建立峰值的值的“连续”平均，优选地其中“n”在三(3)和十(10)之间。可以通过使用本领域技术人员共同公知的电子装置产生该连续平均操作。

当检测应力波作用时，健康的机械通常没有应力波作用或有很小的应力波作用(小于0.5g)。然而，有故障的机械能够具有相当显著的g-级值(50.0g)。因此，本发明的动态范围被操作于设置为在100dB动态范围上检测应力波作用。对于在线性域内操作的仪器，100dB动态范围是不实际的，除非通过比例变化方法(通过改变增益而向上或向下移动线性范围)或定义在其上不做出解决尝试的较低信号级值。可替换地，对方法和仪器的改进可包括：通过例如使用容易地可得的具有100dB动态范围的对数放大器，转换到相对于输入的非线性输出。现在转向附图，图1概括地说明振动分析10，示为包括：加速度计11、可选择高通滤波器12、对数放大器13、峰值检测器14以及峰值平均器15。加速度计11是用于测量宏观和微观振动的公知设备。将宏观和微观振动信号从加速度计传递到高通滤波器12，在优选实施例中该高通滤波器12是可选择高通滤波器。在所示的实施例中，用户可以选择传递具有大于1KHz或大于5KHz的频率的信号。关于可选择的滤波器的原因在于已知的故障频率存在于3-4KHz范围内。基于环境，某人可能想要看到低频的信号或者可以选择忽略它们而注意更高的频率。对数放大器13是通过产生对应于相对小的输入变化的大输出变化而最大化输入范围的公知设备。然后该放大的信号传递到采样和保持峰值检测器14，该采样和保持峰值检测器14是简单地在时间上采样、测量并保持信号的最高峰值的公知设备。由可以变化的定时电路控制该峰值检测器。在优选实施例中，将定时电路设置为约7秒，尽管可将其设置为从1-100秒的范围内。一旦检测并测量了峰值，将信号传递到峰值平均器15。峰值平均器的目的是消除错误的振动读数。偶然事件可导致一个或多个单独的高峰值(大于正常)，但是这并不一定表示问题。通过使用峰值平均器，平均化了该单独的峰值，创建了加权效果，结果是暂时的高峰值读数将不会导致错误的振动警报。仅当所平均的峰值超过预定最小值持续了时间周期时，才指示真正的警报条件。

在附图2-8种说明了系统的电路。加速度计11(包括加速度计感测设备TX及相关电路)感测宏观和微观振动，并且该电路放大振动信号并将其传递到连接器B处的高通滤波器。图3说明本发明的双可选择高通滤波器。在附图的上半部说明了1KHz的高通滤波器，并且在附图的下半部说明5KHz的高通滤波器。每个滤波器的输入是联接(共同的)，并且开关SX用来选择滤波器中的一个的输出，以将其经由连接器D传递到对数放大器13。

图4中示出的对数放大器13包括：集成电路UX AD8310或等同物以及所示的相关电路。如在本领域中公知，该放大器通过以10为底对数的因数放大在D处出现的输入信号。换句话说，该输出与正输入电压的对数成比例。最终结果是具有非常宽的动态范围的放大器，即，其能够将量值的阶(order)不同(例如，1，10，100，1000)的输入信号转换为线性输出信号(例如，0，20，40，60)。

在连接器F，经过对数放大的信号进入峰值检测器14，如图5所示。峰值检测器用于检测和测量所放大的信号的峰值，但是与如图8所示的定时级电路提供的采样和保持电路结合执行。采样和保持电路的定时是变化的，允许用户通过缩小感兴趣的时间周期来精细调谐该分析。该电路观察峰值持续周期的时间，保持该峰值，然后复位峰值检测器，并且重新启动峰值检测处理。峰值检测器总是检测新的峰值，同时它保持这些峰值持续一段时间，并且平均电路处理最新检测的峰值，将其与先前的峰值进行平均，以及将平均峰值输出为输出信号，在图6中的连接器A处存在。

如图7所示的输出级17处理来自平均器电路的输出信号，并将输出转换为在4-20毫安培范围内的工业标准信号。

因此，可以看到有效地获得了本发明的目的，尽管本领域技术人员可以容易地想象本发明的改进和变化，并且这些变化和改进旨在落在权利要求的范围内。

Claims (13)

1.一种用于感测和测量应力波的方法，包括：

a)感测运动，其中所述运动包括应力波分量和振动分量；

b)使用高通滤波器，将所述应力波分量从所述振动分量中分离，以创建与所述应力波成比例的信号；

c)放大所述信号以创建放大的信号；

d)在预定时间间隔上，用采样和保持峰值检测器处理所述放大的信号，以确定在所述预定时间间隔上所述放大信号的峰值；

e)创建与所述放大信号的所述所确定峰值成比例的输出信号；以及

f)重复步骤d)和e)。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：平均化所述放大信号的所述峰值。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述高通滤波器对多个频率是可选择的。

4.如权利要求2所述的方法，其中所述高通滤波器对1KHz和5KHz是可选择的。

5.如权利要求1所述的方法，其中使用对数放大器完成所述放大。

6.如权利要求1所述的方法，其中使用加速度计完成所述感测。

7.如权利要求1所述的方法，其中使用应变计完成所述感测。

8.一种用于感测和测量应力波的仪器，包括：

a)用于感测运动的装置，其中所述运动包括应力波分量和振动分量；

b)用于将所述应力波分量从所述振动分量中分离、以产生与所述应力波成比例的信号的装置；

c)用于放大所述信号以创建放大的信号的装置；

d)用于在预定时间间隔上用采样和保持峰值检测器处理所述放大的信号、以确定在所述预定时间间隔上所述放大信号的峰值的装置；

e)用于创建与所述放大信号的所述所确定峰值成比例的输出信号的装置；以及

f)用于重复步骤d)和e)的装置。

9.如权利要求8所述的仪器，其中所述用于感测的装置是加速度计。

10.如权利要求8所述的仪器，其中用于感测的所述装置是应变计。

11.如权利要求8所述的仪器，其中用于将所述应力波分量从所述振动分量中分离、以创建与所述应力波成比例的信号的所述装置是高通滤波器。

12.如权利要求11所述的仪器，其中用于将所述应力波从所述振动分量中分离、以创建与所述应力波成比例的信号的所述装置包括可选择的双频高通滤波器，可选择的传递至少两个不同频率上的信号。

13.如权利要求12所述的仪器，其中所述高通滤波器对1KHz或5KHz是可选择的。

Images