CN102052963A - 一种用于振动信号全矢谱分析的数据采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于振动信号全矢谱分析的数据采集装置，包括嵌入式CPU，嵌入式CPU上接设有传感器接口电路，所述传感器接口电路设有至少一个传感器输入接口，传感器接口电路输出通过一个交直分离电路分别连接一个用于处理交流信号的放大、滤波电路和一个用于处理直流信号的放大电路，所述放大、滤波电路和放大电路的输出端均连接一个A/D转换模块，A/D转换模块与所述嵌入式CPU的对应端口连接；嵌入式CPU输出端口上还设有受控于嵌入式CPU、为传感器接口模块对应的传感器供电的恒流源模块。本发明提供的采集装置，能够进行全面检测，还能够保证进行信息融合的数据的同时性，有效提高了大型旋转机械故障诊断的准确性和可靠性。

Description

一种用于振动信号全矢谱分析的数据采集装置

技术领域

本发明涉及机械设备故障诊断领域，特别是一种机械振动信号的采集装置。

背景技术

在设备诊断中，故障诊断的准确性、稳定性及可靠性是设备诊断装置能否解决工程问题的关键所在。全矢谱分析将同源多振动传感器信息融合技术与旋转机械机理相结合，有效的提升故障诊断的可靠性。

传统的振动信号采集装置和方法，主要形式如下：1.巡回采样，满足振动信号波形和频谱分析的需要，单通道或多通道的组织形式，且在多通道的情况下，每个采集通道之间是独立的，各路信号之间不同步，存在时间上的超前和滞后关系；2.同步采样，采集到的是多路信号发生在同一个时刻的结果，多路信号之间没有时间上的超前和滞后；3.整周期采样和同步整周期采样，多用于旋转机械振动信号采集；而且现有采集设备，对同时需要处理直流信号和交流信号的场合，均采用独立的通道进行处理，无法保证交、直流信号时间上的同步性。现有采集方法和设备无法有效满足采用全矢谱理论对同源信号有效融合的需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于振动信号全矢谱分析的数据采集装置，用以解决现有技术不能全面采样，而且采集数据缺乏同步性的问题。

为实现上述目的，本发明的方案是：一种用于振动信号全矢谱分析的数据采集装置，该装置包括嵌入式CPU，嵌入式CPU上接设有传感器接口电路，所述传感器接口电路设有至少一个传感器输入接口，每个传感器输入接口至少对应一个如下传感器：速度传感器、加速度传感器、位移传感器；所述传感器接口电路输出通过一个交直分离电路分别连接一个用于处理交流信号的放大、滤波电路和一个用于处理直流信号的放大电路，所述处理交流信号的放大、滤波电路和处理直流信号的放大电路的输出端均连接一个A/D转换模块，所述A/D转换模块与所述嵌入式CPU的对应端口连接；所述嵌入式CPU输出端口上还设有受控于嵌入式CPU、为传感器接口模块对应的传感器供电的恒流源模块。

本发明提供的采集装置，不仅能够根据平面全面全矢谱、空间全矢谱、转子空间振型分析的需要进行数据采集，也可以满足常规的振动信号采集需要。有效提高了大型旋转机械故障诊断的准确性和可靠性。采集装置能够提供多路可配置的输入通道，其中一路为键相通道，其余为振动通道，振动通道若在用涡流位移传感器，则数据在电路板上进行交、直流分离，分离后的信号分别进入8路AD转换通道。AD转换器对8路信号采用同步采样，依次转换的方式以保证进行信息融合的数据的同时性。因为直流信号表征的是机器运转过程中传感器安装的平衡位置，即传感器与被测转子的平均间隙，是多组数据的平均值，不需要严格同步，而交流振动部分是进行全矢谱分析的关键信号源，所以，在电路板走线上，保证各个振动交流通道的信号线长度相当。在AD转换上，采样保持器同时对各路信号采样并保持，然后逐路进行转换，保证所转换的是同一时刻送入保持器的信号。

该装置上还设有键相信号输入电路，所述键相信号输入电路包括输入端用于接键相信号的固态继电器，所述固态继电器输出端连接所述嵌入式CPU的对应输入端口。所述固态继电器采用TLP521。所述A/D转换模块包括两片AD7865，两片AD7865共用一个由所述嵌入式CPU提供的外部时钟，它们的读写控制线对应连接在一起，它们的输入端对应不同所述传感器接口电路的传感器输入端口，输出端口并联后连接所述嵌入式CPU的对应端口。所述交直分离电路采用隔直电路进行隔直。所述A/D转换模块还设有用于数字逻辑的CPLD。所述CPLD采用MAX7000系列的EMP7256。嵌入式CPU上还设有用于人机交互的触摸屏。所述嵌入式CPU上还设有存储与通信模块。所述嵌入式CPU采用SC32442B，并装载嵌入式Linux操作系统。

附图说明

图1是“双传感器采样矢谱分析”方式，涡流传感器的交直信号分离示意图；

图2是“四传感器采样信息融合”方式，传感器布置图；

图3是本发明的采集装置结构图；

图4 是AD7865与CPU的连接原理图；

图5 是加速度传感器恒流源供电电路；

图6是隔直电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如图3、图4所示的采集装置，该装置包括嵌入式CPU，嵌入式CPU上接设有传感器接口电路，传感器接口电路设有四个传感器输入接口，每个传感器输入接口能够对应一个如下传感器：速度传感器、加速度传感器、位移传感器；传感器接口电路输出通过一个交直分离电路分别连接一个用于处理交流信号的放大、滤波电路和一个用于处理直流信号的放大电路，上述处理交流信号的放大、滤波电路和处理直流信号的放大电路的输出端均连接一个A/D转换模块，A/D转换模块与嵌入式CPU的对应端口连接；嵌入式CPU输出端口上还设有受控于嵌入式CPU、为传感器接口模块对应的传感器供电的恒流源模块。该装置上还设有键相信号输入电路，包括输入端用于接键相信号的固态继电器，所述固态继电器输出端连接所述嵌入式CPU的对应输入端口。固态继电器采用光耦器件TLP521。A/D转换模块包括两片AD7865，两片AD7865共用一个由嵌入式CPU提供的外部时钟，它们的读写控制线对应连接在一起，它们的输入端对应四路传感器输入端口，共有八路A/D转换通道，输出端口并联后连接所述嵌入式CPU的对应端口，转换器的位数为14位。交直分离电路采用隔直电路进行隔直，图6为隔直电路原理图。A/D转换模块还设有用于数字逻辑的CPLD，CPLD采用MAX7000系列的EMP7256，能够实现转速测量时的计数器（也包括键相脉冲计数），以及总线扩展等数字逻辑。嵌入式CPU上还设有存储与通信模块，采用64MB NAND FLASH存储MicroSD卡存储采集数据，内部128MB SDRAM作为内存。嵌入式CPU采用SC32442B，并装载嵌入式Linux操作系统。嵌入式CPU上还设有用于人机交互的触摸屏，采用四线电阻式触摸屏作为输入设备，用AD7843设计其接口电路，输出采用6.4吋TFT液晶屏，640×480的显示分辨率。

本发明的采集策略，满足矢谱分析，同时兼顾常规振动测量的需要，具体采集方式支持：单传感器采样、双传感器采样矢谱分析、双传感器采样非矢谱分析、四传感器采样信息融合、四传感器采样非信息融合5种方式；分析方法包括：常规波形分析、幅值谱分析、单平面矢谱分析（矢幅值谱、矢功率谱、矢倒频谱）、单面动平衡分析、轴心位置、轴心轨迹、转子空间振动形态分析。 

本发明提供了用于全矢谱信息融合的数据采集设备，有效的弥补了传统振动测量方法和实现设备的不足，能够有效的实现多通道、振动（交流）和位移（直流）的同步采集，并按全矢谱分析的需要，将多通道数据进行有效融合，对大型旋转机械采用更全面的数据进行诊断，有效提高大型旋转机械故障诊断的准确性和可靠性。

数据采集系统支持ICP加速度传感器、速度传感器和电涡流位移传感器。位移信号需要进行交、直分离，加速度和速度信号不做交、直分离。如图6所示，不管采用何种传感器，交流振动部分都是要采集的信号，当采用加速度或速度传感器时，通过控制模拟开关ADG5413的控制端，使其进入直流采样电路的信号截止，并在采集程序上控制对应的AD通道不进行转换；当为涡流位移传感器时，控制ADG5413的控制角，使得ADG5413的2脚与3脚导通，对交流振动和直流间隙电压进行采样。如图1所示，分离后的模拟信号被送入不同的AD转换通道，当进行多通道信息融合时，可根据实际需要和现场安装条件选用一种传感器进行，且要求各个通道传感器类型应一致；当采用矢谱方法分析旋转机械转子某一截面上（如轴承支撑处振动）振动时，可用加速度传感器、速度传感器或涡流位移传感器，且要求配对的两个传感器类型一致；当测量转子并分析轴心轨迹、轴心位置和空间振动形态时，要求采用电涡流位移传感器，或通过旋转机械监测系统的表架（涡流传感器输出）将相应信号接入采集设备。

该采集装置可以支持各种传感器采集方式，根据采用的传感器个数，采集方式主要有：单传感器采样、双传感器采样矢谱分析、双传感器采样非矢谱分析、四传感器采样信息融合、四传感器采样非信息融合。（1）单传感器采样用于常规的一个传感器的采集分析,用于从拾取的设备振动敏感点数据，得到振动的严重程度和故障类型。该方式可用加速度、速度或位移传感器；（2）双传感器采样矢谱分析用于同一个截面上的两个传感器进行矢谱信息融合的场合，用于获取旋转机械某一个截面的轴心轨迹、轴心位置和全矢谱，并根据转轴在某一个支撑截面处的振动状况，确定机组运行正常与否、故障类型。该方式进行轴心轨迹和轴心位置分析时必须用位移传感器，做矢谱分析时（矢功率谱、矢幅值谱、矢倒频谱）可用加速度、速度或位移传感器；（3）双传感器采样非矢谱分析用于常规的两个传感器采样的场合，不需要数据融合。该采集方式可用加速度、速度或位移传感器；（4）四传感器采样信息融合，在转轴的两个支撑处同时采样，并将所得信息融合以求取转子空间振动形态。该采集方式要求采用位移传感器；（5）四传感器采样非信息融合用于需要同时采集设备上四个不同位置的振动，且测点之间不必具有相关性，不需要信息融合的场合。该采集方式可以使用加速度、速度或位移传感器。采用不同数量的传感器，只需要在相应的传感器接口电路提供的接口中接设对应的传感器即可。如图1所示为“双传感器采样矢谱分析”方式，涡流传感器的交直信号分离示意图。图2所示为“四传感器采样信息融合”方式，传感器的布置方式，以图2为主视图，其左视图如图1左部。

加速度传感器和速度传感器的安装采用磁力座安装，吸合到机械设备表面，测量齿轮箱或轴承振动；涡流传感器采用非接触测量，固定在轴瓦或者支撑上测量转子振动；当做平面矢谱分析时，可用加速度、速度或位移传感器，传感器要求垂直布置在某一个截面；当做轴心轨迹或轴心位置时，采用电涡流传感器；当求取转子空间振动形态时，采用涡流传感器，在一个转子的两个支撑处的两个截面安装布置传感器。

键相信号的作用有三：（1）在双通道采样矢谱分析这种采集方式下，进行动平衡分析时，提供矢谱动平衡分析的相位信息，用于确定添加试重的位置；（2）提供双通道或四通道同步整周期采样时的触发信号，软件检测到键相脉冲到来的时候，触发采样；（3）用于测量旋转机械转速。键相信号的采集利用电涡流位移传感器得到，旋转机械运行过程中，转子上的键相槽每次通过传感器位置时，传感器输出一个电脉冲，采集系统依此脉冲信号作为一次采样的起始点，根据的连续两个脉冲信号的时间差，获得转子当前转速。

插入传感器后采集装置通过外部中断检测到有传感器插入，并提醒用户根据提示选择所插入的传感器类型。加速度传感器需要恒流源供电，若选加速度传感器，则会自动打开相应的传感器恒流源开关，如图5所示，恒流源采用LM334，恒流源用于给加速度传感器供电。打开恒流源后，若加速度传感器连接正常，则HCPL-M600有电流流过，GPG3引脚（连接CPU引脚）电平由高变低。在传感器确定以后，用户可以输入旋转机械转速，采样长度，每周期采样点数三个参数，并选择打开通道，选择要进行采样的通道个数。如果用户忘记设置，系统会默认采用通道1进行单通道采样，采样长度1024点，机械转速3000转/分，每周期采样32点。用户可以选择打开多个通道，如2个或4个。采集完成后，若为单通道，根据传感器类型，可作常规的振动加速度、速度或位移的波形、频谱和统计分析；若为多通道，除可做针对某一个通道的常规分析外，还可以根据提示选择配对通道，用以进行数据融合矢谱分析。

Claims (10)

1.一种用于振动信号全矢谱分析的数据采集装置，其特征在于，该装置包括嵌入式CPU，嵌入式CPU上接设有传感器接口电路，所述传感器接口电路设有至少一个传感器输入接口，每个传感器输入接口至少对应一个如下传感器：速度传感器、加速度传感器、位移传感器；所述传感器接口电路输出通过一个交直分离电路分别连接一个用于处理交流信号的放大、滤波电路和一个用于处理直流信号的放大电路，所述处理交流信号的放大、滤波电路和处理直流信号的放大电路的输出端均连接一个A/D转换模块，所述A/D转换模块与所述嵌入式CPU的对应端口连接；所述嵌入式CPU输出端口上还设有受控于嵌入式CPU、为传感器接口模块对应的传感器供电的恒流源模块。

2.根据权利要求1所述的一种用于振动信号全矢谱分析的数据采集装置，其特征在于，该装置上还设有键相信号输入电路，所述键相信号输入电路包括输入端用于接键相信号的固态继电器，所述固态继电器输出端连接所述嵌入式CPU的对应输入端口。

3.根据权利要求2所述的一种用于振动信号全矢谱分析的数据采集装置，其特征在于，所述固态继电器采用TLP521。

4.根据权利要求1所述的一种用于振动信号全矢谱分析的数据采集装置，其特征在于，所述A/D转换模块包括两片AD7865，两片AD7865共用一个由所述嵌入式CPU提供的外部时钟，它们的读写控制线对应连接在一起，它们的输入端对应不同所述传感器接口电路的传感器输入端口，输出端口并联后连接所述嵌入式CPU的对应端口。

5.根据权利要求1所述的一种用于振动信号全矢谱分析的数据采集装置，其特征在于，所述交直分离电路采用隔直电路进行隔直。

6.根据权利要求1所述的一种用于振动信号全矢谱分析的数据采集装置，其特征在于，所述A/D转换模块还设有用于数字逻辑的CPLD。

7.根据权利要求6所述的一种用于振动信号全矢谱分析的数据采集装置，其特征在于，所述CPLD采用MAX7000系列的EMP7256。

8.根据权利要求1所述的一种用于振动信号全矢谱分析的数据采集装置，其特征在于，所述嵌入式CPU上还设有存储与通信模块。

9.根据权利要求1所述的一种用于振动信号全矢谱分析的数据采集装置，其特征在于，所述嵌入式CPU上还设有用于人机交互的触摸屏。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种用于振动信号全矢谱分析的数据采集装置，其特征在于，所述嵌入式CPU采用SC32442B，并装载嵌入式Linux操作系统。

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