CN100491954C - 一种基于纯振动信号的发动机状态检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发动机领域，旨在一种基于纯振动信号的发动机状态检测装置及方法。该装置包括传感器、数据采集设备、手持式状态检测设备和服务器；手持式状态检测设备和数据采集设备集成为手持式巡检仪；传感器与手持式巡检仪相连；手持式巡检仪与服务器相连。该方法包括以下步骤：(1)按发动机型号分类，通过手持式巡检仪采集振动信号形成知识库；(2)实时监测被测发动机的运行状态；(3)对保存在服务器的历史数据进行分析，形成经验库；(4)检测被测发动机，利用经验库判断发动机的运行状态。本发明设备造价低，安装方便，易于拆装，便于推广；多种故障诊断方法，有很高的判断成功率；能够实时监测振动状态及实现历史数据回放。

Description

一种基于纯振动信号的发动机状态检测装置及方法

技术领域

本发明涉及发动机领域，更具体的说，是涉及一种基于纯振动信号的发动机状态检测装置及方法。

背景技术

随着市场竞争的加剧，人们对发动机性能要求越来越高，而发动机恶劣的工作条件又使传统的监测技术无法更好的预测及判断发动机的运行状态。传统诊断经验得出发动机工作异常，除调整不当的因素外，主要原因在于磨损带来的密封性能下降。国内外许多公司为解决发动机的运行状态检测问题，研究开发了多种发动机部件状态的检测和诊断技术。

铁谱诊断技术可以通过较低的投资，在无须机器解体的情况下，发现各运转部件早期疲劳失效，并做磨损机理研究，且效果较好。其缺点是：随机误差大，重复性精度低；观测分析要依靠主观经验：制谱手续繁琐，自动化程度低；不能分析非铁磁性磨粒；只适用于润滑油润滑的运转部件的故障诊断，对于用脂润滑的运转部件较困难。

供油提前角变化量测定技术在发动机动态情况下进行的。发动机低速或高速时供油提前角的变化量超过极限值，说明燃油高压泵的柱塞、出油阀或喷油器已严重磨损，将导致燃烧恶化、功率下降。其缺点是精度低，误差大，不能敏捷反映其磨损缓变过程，自动化程度低，且诊断范围在于供油系统。

还有很多单项测试技术。例如：发动机的密封性、气缸压力及其平衡性、曲轴箱窜气量、尾气排放和起动系的测试等手段。作为单项测试，检测范围有极大的局限性，不能对发动机的整体性能进行较好的评价。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种基于纯振动信号的发动机状态检测装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的。

一种基于纯振动信号的发动机状态检测装置，包括传感器、数据采集设备、手持式状态检测设备和服务器；所述的手持式状态检测设备和数据采集设备集成为手持式巡检仪；所述的传感器与手持式巡检仪相连；所述的手持式巡检仪与服务器相连。

作为一种改进，所述的数据采集设备是基于MSP430的双通道数据采集卡。

作为一种改进，所述的手持式状态检测设备是使用了实时监测软件的掌上电脑。

作为一种改进，所述的服务器是利用数据管理软件进行数据管理的PC机。

作为一种改进，所述的传感器是压电式传感器。

作为一种改进，还包括数据传输线和充电设备。

一种基于纯振动信号的发动机状态检测方法，包括以下步骤：

(1)按发动机型号分类，通过手持式巡检仪采集在正常运行状态下的发动机的振动信号，形成知识库，利用服务器的数据管理软件计算出各项振动静态参数的判断标准；

(2)手持式巡检仪根据静态参数的判断标准实时监测被测发动机的运行状态；

(3)对保存在服务器的历史数据进行分析，通过长期观察对比正常波形与异常波形的差异，结合发动机实际故障情况，形成故障诊断的经验库；

(4)通过手持式巡检仪检测被测发动机，观测其时域/频域实时波形，利用经验库判断发动机的运行状态。

作为一种改进，还包括对服务器的数据管理软件和手持式巡检仪的实时监测软件的使用。

作为一种改进，所述的实时监测软件主要由系统控制模块、参数配置模块、数据采集模块、数据处理模块、图形显示模块和文件管理模块六部分组成；

(1)系统控制模块：控制数据采集设备的起停和设置数据采集设备的采样参数；

(2)参数配置模块：通过调用参数配置文件对被测发动机的类型、工况、测点、采样参数进行配置；

(3)数据采集模块：与数据采集设备通信，接收数据采集设备采集到的信号数据包、按预定数据包协议进行解包和数据预处理；

(4)数据处理模块：数据处理模块是用各种数据处理方法，对采集到的数据进行数学处理；

(5)图形显示模块：显示时域波形图、幅频波形图和相频波形图。

(6)文件管理模块：将缓冲区中的数据转存到手持式状态检测设备的内存中，并提供写日志文件接口给数据处理模块和读取参数配置文件。

作为一种改进，所述的数据管理软件由发动机类型管理模块、手持式巡检仪管理模块、班组信息管理模块、样本数据管理模块和图形显示模块五部分组成；

(1)发动机器类型管理模块：发动机类型的注册、属性修改、注销及注册统计；

(2)手持式巡检仪管理模块：手持式巡检仪的注册、属性修改、注销及注册统计；手持式巡检仪配置及与班组的关联；

(3)班组信息管理模块：班组的注册，密码服务，注销及注册统计；

(4)样本数据管理模块：样本的增加、删除和查询；从手持式巡检仪所保存的数据文件中获取数据样本，存储到数据库形成知识库；通过大量学习知识库而获得正常运行状态时各参数的标准及范围；计算某特定时刻的静态参数值，并与标准比较，判断该时刻的运行状态；数据预处理，FFT变换，功率谱变换，自相关变换；

(5)图形显示模块：显示某时刻的时域、幅频、相频、自相关、功率谱波形图。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)设备造价低，安装方便，易于拆装，便于推广。

(2)多种故障诊断方法，有很高的判断成功率。

(3)利用PC机的高计算速度和大存储量，实现大量历史数据存储和复杂的数字计算。

(4)手持式巡检仪携带方便，工作条件良好，状态判断迅速。

(5)功能完善的服务器数据管理软件及手持式巡检仪的状态监测软件，能够实时监测振动状态及实现历史数据回放。

附图说明

图1是系统运行流程图。

图2是手持式巡检仪结构图。

图中：1触摸笔、2显示屏开关、3扬声器、4USB接口、5充电显示灯、6触摸显示屏、7下位机开关、8上位机复位、9下位机复位、10充电插孔、11通道1传感器BNC接口、12.下位机工作指示灯、13程序调试口、14通道2传感器BNC接口。

具体实施方式

结合附图，下面通过具体实施例子对本发明进行详细说明。

一、本具体实施例中提供的一种基于纯振动信号的发动机状态检测装置，包括传感器、数据采集设备、手持式状态检测设备和服务器，手持式状态检测设备和数据采集设备集成为手持式巡检仪；所述的手持式巡检仪是使用了实时监测软件的掌上电脑；所述的服务器是利用数据管理软件进行数据管理的PC机。系统流程见附图1。

1、手持式巡检仪的硬件组成：

数据采集设备为基于16位MCU(MSP430)的数据采集卡，与ICP加速度传感器相连接，用于承担两路现场快变及一路缓变数据的采集及预处理，并通过串口传给手持式状态检测设备。

手持式状态检测设备是rz1717PDA，用于实现采集数据的二次处理包括时域/频域显示和静态参数的计算等。手持式状态检测设备与数据采集设备之间采用串口通信，集成于铝制外壳中而构成手持式巡检仪。手持式巡检仪示意图见附图2。

2、传感器安装与接线：

将传感器的磁座固定在被测发动机需要检测的部位和方向，另一端与手持式巡检仪相连。

3、检测装置的软件组成：

系统软件由手持式巡检仪实时监测软件和服务器的数据管理软件两部分组成。

(1)手持式巡检仪实时监测软件：

手持式巡检仪实时监测软件的功能模块结构组成如图所示。根据系统要完成的功能，手持式巡检仪实时监测软件主要由系统控制模块、参数配置模块、数据采集模块、数据处理模块、图形显示模块和文件管理模块六部分组成。

①系统控制模块：控制数据采集设备的起停和设置数据采集设备的采样参数。

②参数配置模块：通过调用参数配置文件对被测发动机的类型、工况、测点、采样参数进行配置。

③数据采集模块：与数据采集设备通信，接收数据采集设备采集到的信号数据包、按预定数据包协议进行解包和数据预处理。

④数据处理模块：数据处理模块是用各种数据处理方法，对采集到的数据进行数学处理，主要功能如下：FFT变换、功率谱变换、自相关变换、静态参数运算；将当前静态参数与标准值对比，判断运行状态和达到警戒值时发出报警信号。

⑤图形显示模块：显示时域波形图、幅频波形图和相频波形图。

⑥文件管理模块：将缓冲区中的数据转存到手持式状态检测设备的内存(flash)或CF卡的文件中；并提供写日志文件接口给数据处理模块和读取参数配置文件。

(2)数据管理软件：

根据系统要完成的功能，服务器数据管理软件主要由发动机类型管理模块、手持式巡检仪管理模块、班组信息管理模块、样本数据管理模块和图形显示模块五部分组成。

①机器类型管理模块：发动机类型的注册、属性修改、注销及注册统计。

②手持式巡检仪管理模块：手持式巡检仪的注册、属性修改、注销及注册统计；手持式巡检仪配置及与班组的关联。

③班组信息管理模块：班组的注册，密码服务，注销及注册统计。

④样本数据管理模块：样本的增加、删除和查询；从手持式巡检仪所保存的数据文件中获取数据样本，存储到数据库形成知识库；通过大量学习知识库而获得正常运行状态时各参数的标准及范围；计算某特定时刻的静态参数值，并与标准比较，判断该时刻的运行状态；数据预处理，FFT变换，功率谱变换，自相关变换。

⑤图形显示模块：显示某时刻的时域、幅频、相频、自相关、功率谱波形图。

二、本发明所提供的检测方法，采取了特别的信号处理程序，根据大量实际数据，形成知识库，来处理振动信号，获得各型号发动机正常运行状态时的静态参数标准。本发明涉及以下四数字信号处理方法：

1、幅频谱法：发动机运行时，旋转部件和往复部件由于齿合、摩擦、冲击等原因而产生不同特征频率的振动信号。在时域波形中不能将其特征频率分离出来。利用FFT将信号变换到频域后即可清晰观察到振动信号的频率分布，通过分析各频率在信号中的幅值大小可以对发动机运行状态进行监测或故障诊断。

2、功率谱法：功率谱表示单位频带内信号功率随频率的变化情况，它反映了信号功率在频域的分布情况。发动机的损坏或不正常运转将引起功率谱图中高额分量即谱峰明显增大。通过对比正常工作的发动机振动加速度信号的功率谱，查找不正常工作时功率谱图中额外谱峰产生的原因以及排除故障的方法。

3、静态参数法：发动机的振动信号往往是随机信号，不能用确切的数学关系式来描述这种信号的数据。但随机数据有其重要特征：相同条件下的大量重复试验，结果就会出现某种统计规律性。本发明分别采用：最大值、最小值、平均值、均方根、标准差、峰峰值、偏度、峭度、烈度、重心频率、均方频率、频率方差等12个时域参数指标。通过对知识库的学习，揭示其统计规律，利用该规律对发动机运行状态进行判断。

4、自相关法：相关分析是利用相关系数或相关函数来描述两个信号的相互关系或其相似程度，还可描述同一信号的现在与过去值的关系，或根据过去值、现在值来估计将来值。信号幅值变化程度与时间间隔之间的相对关系，可以评价其幅值变化的剧烈程度，从而可以从信号中找出周期或瞬时成分来并以此判断发动机运行状态。

5、具体的检测方法包括以下步骤：

(1)按发动机型号分类，通过手持式巡检仪采集在正常运行状态下的发动机的振动信号，形成知识库，利用服务器的数据管理软件计算出各项振动静态参数的判断标准；

(2)手持式巡检仪根据静态参数的判断标准实时监测被测发动机的运行状态；

(3)对保存在服务器的历史数据进行分析，通过长期观察对比正常波形与异常波形的差异，结合发动机实际故障情况，形成故障诊断的经验库；

(4)通过手持式巡检仪检测被测发动机，观测其时域/频域实时波形，利用经验库判断发动机的运行状态。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (4)

1、一种基于纯振动信号的发动机状态检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按发动机型号分类，通过手持式巡检仪采集在正常运行状态下的发动机的振动信号，形成知识库，利用服务器的数据管理软件计算出各项振动静态参数的判断标准；

(2)手持式巡检仪根据静态参数的判断标准实时监测被测发动机的运行状态；

(3)对保存在服务器的历史数据进行分析，通过长期观察对比正常波形与异常波形的差异，结合发动机实际故障情况，形成故障诊断的经验库；

(4)通过手持式巡检仪检测被测发动机，观测其时域/频域实时波形，利用经验库判断发动机的运行状态。

2、根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，还包括对服务器的数据管理软件和手持式巡检仪的实时监测软件的使用。

3、根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述的实时监测软件主要由系统控制模块、参数配置模块、数据采集模块、数据处理模块、图形显示模块和文件管理模块六部分组成；

(1)系统控制模块：控制数据采集设备的起停和设置数据采集设备的采样参数；

(2)参数配置模块：通过调用参数配置文件对被测发动机的类型、工况、测点、采样参数进行配置；

(3)数据采集模块：与数据采集设备通信，接收数据采集设备采集到的信号数据包、按预定数据包协议进行解包和数据预处理；

(4)数据处理模块：数据处理模块是用各种数据处理方法，对采集到的数据进行数学处理；

(5)图形显示模块：显示时域波形图、幅频波形图和相频波形图。

(6)文件管理模块：将缓冲区中的数据转存到手持式状态检测设备的内存中，并提供写日志文件接口给数据处理模块和读取参数配置文件。

4、根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述的数据管理软件由发动机类型管理模块、手持式巡检仪管理模块、班组信息管理模块、样本数据管理模块和图形显示模块五部分组成；

(1)发动机器类型管理模块：发动机类型的注册、属性修改、注销及注册统计；

(2)手持式巡检仪管理模块：手持式巡检仪的注册、属性修改、注销及注册统计；手持式巡检仪配置及与班组的关联；

(3)班组信息管理模块：班组的注册，密码服务，注销及注册统计；

(4)样本数据管理模块：样本的增加、删除和查询；从手持式巡检仪所保存的数据文件中获取数据样本，存储到数据库形成知识库；通过大量学习知识库而获得正常运行状态时各参数的标准及范围；计算某特定时刻的静态参数值，并与标准比较，判断该时刻的运行状态；数据预处理，FFT变换，功率谱变换，自相关变换；

(5)图形显示模块：显示某时刻的时域、幅频、相频、自相关、功率谱波形图。

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