CN102305826A - 基于磁记忆效应的旋转设备故障检测系统 - Google Patents

Abstract

基于磁记忆效应的旋转设备故障检测系统，属于磁检测技术领域，该系统包括磁记忆检测装置，数据采集及处理部分，载物台，测试旋转部件磁信号的专用夹具，电动机。该磁记忆检测装置由二维检测探头、电源驱动电路、脉冲消磁电路、滤波放大电路、A/D转换电路、单片机、显示电路、键盘、串口、及计算机构成。此系统使用特制夹具将二维磁传感器探头固定，拾取旋转设备产生的磁信号，经过滤波放大等环节通过计算机进行保存和显示，通过对磁力异常区域的观测可以确定故障的位置和大小。该系统具有信号采集，信号保存，信号处理等功能。此系统具有可进行旋转构件的静态检测和动态监测的特点，且具有操作方便，抗干扰能力强，测量精度可调等优点。

Description

基于磁记忆效应的旋转设备故障检测系统

技术领域：

本发明涉及一种机械构件故障诊断的方法，用以在齿轮等旋转构件的工作过程中进行实时诊断和早期故障的探测，属于磁记忆探伤技术领域。 

背景技术：

轴承、齿轮等旋转设备广泛应用于煤矿、电力、石化、冶金、机械、航空航天等行业。使用旋转设备故障诊断检测仪检测旋转设备的运行状态，在保障设备运行安全上有着重大的意义。 

旋转设备的故障诊断常常采用测振的方式拾取信号，并且需要经过复杂的信号处理过程才能分析出故障的位置及严重程度等问题。并且振动分析方法是通过对加速度、位移等信号的分析和处理来判断故障的，相当于对信号的二次处理，对于故障程度较大的部件或设备，应用效果良好，但是对于微缺陷早期故障的检测精度较低。 

金属磁记忆检测是俄罗斯Dubov.A.A教授于20世纪90年代初提出，并于90后期发展起来的一种材料应力集中和疲劳损伤无损检测与诊断的新方法，可有效预防或发现由早期损伤所造成的应力集中区域，且只需经过简单的信号处理就可以判断出应力集中地位置。 

但是现有磁记忆检测系统的使用还存在一定的局限，无法满足轴承齿轮等旋转构件的故障检测。首先，目前的磁记忆检测都是针对于比较大的机械构件，而且多数用于构件的静态测量，对于正在工作的旋转构件，比如齿轮，传统的探伤小车等不容易在构件上运行。其次，对于尺寸，运动状态不同的旋转构件，单一的测量精度无法满测量需求。最后，由于被测对象处于运动状态，测量结果更容易受到干扰的影响。 

发明内容：

本发明的目的是基于金属磁记忆原理提供一种可以检测到旋转构件上微缺陷的检测系统与方法。这种方法使用特制夹具将二维磁传感器探头固定，拾取旋转设备产生的磁信号，经过滤波放大等环 节通过计算机进行保存和显示。通过对磁力异常区域的观测可以确定故障的位置和大小。该系统具有信号采集，信号保存，信号处理等功能，使用方便，抗干扰能力强。在测量过程中可以进行测量精度的调节，自动保存，便于根据被测对象的实际情况进行实时监测和后期分析。此外，可根据所测构件形状及测量位置，任意调节磁记忆传感器的测取位置和测取角度，实现旋转件的动态监测。 

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案： 

基于磁记忆效应的旋转设备故障检测系统，包括磁记忆检测装置1，数据采集及处理部分2，载物台3，测试旋转部件磁信号专用夹具4，电动机5；按照电动机5，载物台3，测试旋转部件磁信号专用夹具4顺序摆放，磁记忆检测装置1固定在测试旋转部件磁信号专用夹具4上，磁记忆检测装置1输出端与数据采集及处理部分2的输入端相连。 

所述的磁记忆检测装置1包括二维检测探头6、电源7、脉冲消磁电路8、滤波放大电路9、A/D转换电路10，单片机11，显示电路、键盘13，串口14，及计算机15。 

二维检测探头6的x轴输出端与滤波放大电路9的第一路输入端相连，y轴输出端与滤波放大电路9的第二路输入端相连，将检测到的磁信号转换为电信号进行滤波和差动放大，滤波放大电路9的第一路输出端与A/D转换电路10的in0端相连，滤波放大电路9的第二路输出端与A/D转换电路10的in1端相连将经过处理的信号输入A/D转换电路行模数转换；A/D转换电路的SDA端与单片机11的P2.0相连，其SCL端与单片机的P2.1端相连将转换结果送入到单片机进行计算；单片机11的P3.0和P3.1与串口相连，串口连接至计算机15，将计算结果通过串口电路14输入到计算机15的数据采集及处理模块中进行保存和处理，处理及显示。 

单片机11的P1.0口与脉冲消磁电路8的输入端相连，利用单片机的定时中断功能在P1.0口控制产生的一定周期的振幅为5V的方波信号输入到脉冲消磁电路8的输入端，脉冲消磁电路8的输出端与二 维检测探头6的置位复位端相连，脉冲消磁电路8根据输入的方波周期，在每个周期的方波上升沿产生正向尖峰脉冲，在每个周期的方波下降沿产生负向的尖峰脉冲，其输出接入二维检测探头6的置位复位端；脉冲消磁电路8将单片机11产生的输入的幅度为5v，周期为Nms的方波信号转换为幅度为5v周期为N/2ms的交替正负尖峰脉冲输出，所述的N的取值为50，80，100，120，160；脉冲消磁电路8的输出对二维检测探头6进行置位、复位；每Nms进行一次端口查询，经A/D转换后进行数学运算，运算结果通过串口电路14送入计算机进行处理。 

所述的键盘13由四个按键组成，四个按键分别与单片机的P1.1-P1.4口以及4路与门74F11的输入端相连，74F11的输出端与单片机11的P3.2INT0相连用于进行进行测量精度档位的选择，显示电路由一位8段码数码管组成，其输入端与单片机的P0口相连，用于显示当前测量精度的档位。 

所述电源7由两部分组成：220V-5V的AC-DC连接至二维检测探头6、单片机11、滤波放大电路9；另一部分将5V直流电压升至12V的5V-12V的DC-DC连入脉冲消磁电路8。 

所述数据采集及处理部分2在计算机上使用labview软件进行编程和界面设计，使得计算机通过串口采集到经过单片机11处理后二维检测探头6的输出数据，将数据保存在计算机的硬盘上。 

所述的测试旋转部件磁信号专用夹具4包括用于与载物台3相连接的底板16、固连在底板16上的两块直角夹板17、被夹板17夹持的立板18、可任意角度旋转定位在立板18上的支撑板19以及连接于支撑板19上的用于固定传感器的盖板20。 

所述的电动机5的输出端与被测旋转构件相连，检测时使用测试旋转部件磁信号专用夹具夹持二维磁传感器探头使得二维磁传感器探头固定在在被测构件的前方，与此同时电机驱动被测构件旋转，二维磁传感器探头在静止的状态下检测被测构件整个圆周上的损伤状况。 

二维检测探头6采用磁敏电阻传感器来检测铁磁性工件在法向和切向的磁信号。 

所述滤波放大电路9采用差动放大器为核心器件，其运放倍数通过外接的可变电阻进行调节。 

所述A/D转换电路10采用IIC通信方式将二维检测探头的输出的模拟量转换成数字量读入到单片机11。 

测试旋转部件磁信号专用夹具4中的底板16的材料为铸铁材料，所述的直角夹板17、立板18、支撑板19及盖板20材料均为铝合金材料，所用连接螺栓螺钉材料均为不影响测取磁信号的非磁性不锈钢材料。 

所述的电动机5的外部设有磁屏蔽壳，电动机5的输出设于磁屏蔽壳外。 

本发明可以取得如下的有益效果： 

使用了抗干扰能力很强的测量电路和检测装置，并在测量过程中加入了由单片机控制的脉冲消磁电路和在电机的外部加入磁屏蔽壳的抗干扰措施，大大降低了环境干扰和由于电机转动所造成的电磁干扰，测量结果精确。 

测量精度可以根据被测对象的特征进行手动调节。 

解决了旋转件磁信号的动态检测问题，及探测元件不易固定的问题，提高了操作效率。 

采集到的数据保存在计算机中便于进行后处理以更好的分析故障信息。 

附图说明：

图1旋转设备故障检测系统组成示意图； 

图2磁记忆检测装置组成示意图； 

图3由单片机控制选择测量精度流程图； 

图4单片机产生置位复位信号T0定时中断服务程序流程图； 

图5单片机主程序流程图； 

图6测量精度选择电路原理图； 

图7测试旋转部件磁信号的专用夹具示意图。 

图中：1、磁记忆检测装置，2、数据采集及处理部分，3、载物台，4、测试旋转部件磁信号专用夹具，5、电动机，6、二维检测探头，7、电源，8、脉冲消磁电路，9、滤波放大电路，10、A/D转换电路，11、单片机，12、显示电路，13、键盘，14、串口，15、计算机，16、地板，17、夹板，18、立板，19、支撑板，20、盖板。 

具体实施方法： 

下面结合附图介绍本发明的具体实施方法： 

基于磁记忆效应的旋转设备故障检测装置与方法如图1所示包括磁记忆检测装置1，数据采集及处理部分2，载物台3，测试旋转部件磁信号的专用夹具4，电动机5。按照电动机5，载物台3，测试旋转部件磁信号的专用夹具4的顺序进行摆放，将磁记忆检测装置1固定在磁信号的专用夹具上4，其输出端与数据采集及处理部分2的输入端相连。磁记忆检测装置1用于检测旋转设备的磁信号并对信号进行初步的滤波放大，检测装置中配有脉冲消磁电路，可排除外界干扰对检测结果的影响。数据采集部分用于实现将传感器检测到的信号输入到计算机进行保存和实时显示。数据处理部分2可将采集到的信号进行滤波，放大，具有故障定位，其他特征参数计算等功能，使的观测者可以更清楚地了解被测对象的故障大小，位置等信息。载物台分为被测对象固定装置和测试旋转部件磁信号的专用夹具固定装置，二者相互配合可使得测量结果更加精确。 

磁记忆检测装置如图2所示，由二维检测探头6、电源驱动电路7、脉冲消磁电路8、滤波放大电路9、A/D转换电路10、单片机11、显示电路12、键盘13、串口电路14、及计算机15构成。 

由于金属应力集中产生磁场非常小，因此对传感器的精度，分辨率，抗干扰的要求很高。根据上述要求二维检测探头6采用HMC1022的二维磁阻传感器为核心，将测得的微弱磁信号转换为电压送入到滤 波放大电路的输入端，二维检测探头6的x轴输出端与滤波放大电路9的第一路输入端相连，y轴输出端与滤波放大电路9的第二路输入端相连，将检测到的磁信号转换为电信号进行滤波和差动放大。二维检测探头6除了需接入5V的电源之外，还需在其置位复位端接入脉冲消磁电路8的输出端，每隔一段时间进行一次置位或复位，消除过去磁历史的影响，使磁阻传感器恢复到测量磁场高灵敏度的状态。脉冲消磁电路8由集成的MOS元件IRF7389为核心。脉冲消磁电路使用12V直流供电，其电源7为以MAX662A为核心的，DC-DC器件，将输入的5V电压迅速升至12V。脉冲消磁电路8的输入端与单片机11的P1.0口相连，接收单片机输出的方波信号。 

单片机11使用AT89S52单片机，其作用在于产生置位复位信号，设定测量精度，控制A/D转换，控制与上位机的数据通信。 

单片机11的工作流程如图5所示，其P1.0口与脉冲消磁电路的输入端相连，利用定时中断功能在P1.0口产生的Nms的方波信号作为脉冲消磁电路提供输入信号，其P0口与显示电路相连，用于显示当前的档位，单片机的P1.1-P1.4及其INT0口与键盘相连，如图6所示.与此同时，A/D转换电路的SDA端与单片机11的P2.0相连，其SCL端与单片机的P2.1端相连将转换结果送入到单片机进行计算；单片机11的P3.0和P3.1与串口相连. 

单片机11产生置位复位信号利用了单片机的定时中断功能，工作流程如图4所示，单片机完成初始化后，查询P1.5口进行为低时即开关闭合启动定时器T0，定时器T0的定时时间设置为N/2ms，T0中断后，在中断处理程序中给P1.0口赋低电平产生传感器置位脉冲，并且读取A/D转换器SDA口的值记为a1存入缓存。P1.0口取反，程序再次进入定时中断P1.0口赋高电平产生传感器复位脉冲，再次读取A/D转换器SDA口数据记为a2。 

对二维检测探头6进行置位的同时单片机11向A/D转换电路10模块发送命令启动A/D转换，转换结果送入单片机记为a1，当二维检测探头接收到复位信号时再次启动A/D转换，转换结果送入单片 机记为a2，进入单片机的计算单元进行计算，将结果通过串口电路14直接送入计算机进行保存，处理和显示。 

测量精度的选择需要单片机与键盘13和显示电路12配合完成如图6所示。键盘13由四个按键组成，四个按键分别于与单片机的P1.1-P1.4口以及4路与门74F11的输入端相连，74F11的输出端与单片机的P3.2口相连用于进行进行测量精度档位的选择。显示电路12由一位8段码数码管组成，其输入端与单片机的P0口相连，用于显示当前测量精度的档位。具体工作流程如图3所示，当需要改变测量精度时，可以根据需求按键，单片机检测到键盘中有键按下时，进入外部中断INT0，根据按键的键位重新为定时器赋初值，改变定时器的输出频率，并且向数码管上输入相应档位号使得用户可以从数码管上了解到当前的工作状态。按键1按下时数码管显示为1代表测量精度为第一档，此时单片机的定时周期为50ms，。按键2按下时数码管显示为2代表测量精度为第二档，此时单片机的定时周期为80ms。按键3按下时数码管显示为3代表测量精度为第三档，此时单片机的定时周期为120ms。按键4按下时数码管显示为4代表测量精度为第四档，此时单片机的定时周期为160ms。 

数据采集与处理模块2在计算机上使用labview软件进行编程和界面设计可以实现用户登录，信号采集，数据保存，信号显示及处理的功能模块. 

所述用户登录功能模块，使用了labview中的注册表项进行设计。保障了用户的信息安全。 

信号采集功能模块其特征在于在labview中使用高层API通过调用底层驱动控制串口通信，通过设备I/O端口的读写操作和属性控制，实现仪器的命令与数据的交换。使用到了Open，Close，Write，Read四个节点可以实现串口的双向通信。当完成对串口的硬件配置后，就可以用Open节点打开资源建立计算机与资源的通信管道，使用Read节点可以从外设中读取数据。计算机通过串口采集到经过单片机处理后二维检测探头的输出数据。 

数据保存功能模块有两种操作方法分别为自动保存和手动保存。在手动保存保存模式下，用户每按键一次即可实现一次文件保存，每个文件的采样点数可由用户自己设定，默认值为8192点。自动保存可实现文件的定时保存，可由用户设定保存文件的时间间隔，默认值为60s。文件名的格式为小时-分-秒-文件编号，存入到用户自定义路径的文件夹下，系统将自动为文件夹命名为年-月-日。用户可自由选择保存的模式。将计算机采集到的数据保存在计算机的硬盘上 

信号显示及处理功能模块具有从文件中读取数据的功能，信号滤波降噪功能x，y轴增益调节功能，从计算机硬盘上调用采集到的数据，进过D/A转换，信号滤波降噪后在计算机上显示随时间变化的磁场强度信号。并提取峰峰值、差分超限值、短时波动能量、梯度与过零点等信号在操作界面上进行显示。用户进使用显示单元时需要提前选择需要显示的文件路径才能对数据进行这些功能。 

整个数据采集及处理模块2的用户操作界面选用了选项卡控件，用户可在选项卡上切换需要的功能。 

所述载物台上附有专门安装夹具的位置，此处有用于通过螺钉与专用夹具连接的长孔可使探测装置的位置可以在一定范围内移动，方便检测构件不同位置的故障，方便安装和拆卸。当故障构件如齿轮置于载物台上，电机以一定速度带动构件旋转时，磁探测装置悬于构件的侧面静止。 

磁探头专用夹具4具有灵活调节磁探头位置和角度的特点，如图7所示底板16上与载物台3相固连的长孔可用于前后调节本夹持装置的位置，从而调节二维检测探头6与待测工件之间的间隙；支撑板19一侧开有一个通孔和两条对称的圆弧槽，从而可以灵活调节支撑板19在支架上的位置和角度；在立板18与夹板结合的部位，采用一个中心通孔和两条对称圆弧槽的结构，使立板18可绕夹板17任意角度旋转定位的同时保证夹持稳定牢靠。二维检测探头6的形状近似于长方体，盖板20针对二维检测探头的外形特点所设计，将其固定在支撑板19上，其间配合为间隙配合，间隙处可填充紧固材料，从而 保证夹持的稳定性。底板为铸铁材料，两块直角夹板、立板、支撑板和盖板都为铝合金材料，所用螺栓螺钉为非磁性不锈钢材料，从而不干扰磁探头所测取的磁场强度信号。 

所述电机5其特点在于：电机的外部设有磁屏蔽壳，电机的输出设于磁屏蔽壳外，减少电机旋转造成的电磁干扰。在测量过程中需使得电机转动一段时间后再开始读数。 

Claims (6)

1.基于磁记忆效应的旋转设备故障检测系统，包括磁记忆检测装置(1)，数据采集及处理部分(2)，载物台(3)，测试旋转部件磁信号专用夹具(4)，电动机(5)；按照电动机(5)，载物台(3)，测试旋转部件磁信号专用夹具(4)顺序摆放，磁记忆检测装置(1)固定在测试旋转部件磁信号专用夹具(4)上，磁记忆检测装置(1)输出端与数据采集及处理部分(2)的输入端相连；

所述的磁记忆检测装置(1)包括二维检测探头(6)、电源(7)、脉冲消磁电路(8)、滤波放大电路(9)、A/D转换电路(10)，单片机(11)，显示电路、键盘(13)，串口，及计算机(15)；

二维检测探头(6)的x轴输出端与滤波放大电路(9)的第一路输入端相连，y轴输出端与滤波放大电路(9)的第二路输入端相连，将检测到的磁信号转换为电信号进行滤波和差动放大，滤波放大电路(9)的第一路输出端与A/D转换电路(10)的in0端相连，滤波放大电路(9)的第二路输出端与A/D转换电路(10)的in1端相连将经过处理的信号输入A/D转换电路行模数转换；A/D转换电路的SDA端与单片机(11)的P2.0相连，其SCL端与单片机的P2.1端相连将转换结果送入到单片机进行计算；单片机(11)的P3.0和P3.1与串口相连，串口连接至计算机(15)，将计算结果通过串口电路(14)输入到计算机(15)的数据采集及处理模块中进行保存和处理，处理及显示；

单片机(11)的P1.0口与脉冲消磁电路(8)的输入端相连，利用单片机的定时中断功能在P1.0口控制产生的一定周期的振幅为5V的方波信号输入到脉冲消磁电路(8)的输入端，脉冲消磁电路(8)的输出端与二维检测探头(6)的置位复位端相连，脉冲消磁电路(8)根据输入的方波周期，在每个周期的方波上升沿产生正向尖峰脉冲，在每个周期的方波下降沿产生负向的尖峰脉冲，其输出接入二维检测探头(6)的置位复位端；脉冲消磁电路8将单片机11产生的输入的幅度为5v，周期为Nms的方波信号转换为幅度为5v周期为N/2ms的交替正负尖峰脉冲输出，所述的N的取值为50，80，100，120，160；脉冲消磁电路(8)的输出对二维检测探头(6)进行置位、复位；每Nms进行一次端口查询，经A/D转换后进行数学运算，运算结果通过串口电路(14)送入计算机进行处理；

所述的键盘(13)由四个按键组成，四个按键分别与单片机的P1.1-P1.4口以及4路与门74F11的输入端相连，74F11的输出端与单片机(11)的P3.2 (INT0)相连用于进行进行测量精度档位的选择，显示电路由一位8段码数码管组成，其输入端与单片机的P0口相连，用于显示当前测量精度的档位。

所述电源(7)由两部分组成：220V-5V的AC-DC连接至二维检测探头(6)、单片机(11)、滤波放大电路(9)；另一部分将5V直流电压升至12V的5V-12V的DC-DC连入脉冲消磁电路(8)；

所述数据采集及处理部分(2)在计算机上使用labview软件进行编程和界面设计，使得计算机通过串口采集到经过单片机(11)处理后二维检测探头6的输出数据，将数据保存在计算机的硬盘上；

所述的测试旋转部件磁信号专用夹具(4)包括用于与载物台(3)相连接的底板(16)、固连在底板(16)上的两块直角夹板(17)、被夹板(17)夹持的立板(18)、可任意角度旋转定位在立板(18)上的支撑板(19)以及连接于支撑板(19)上的用于固定传感器的盖板(20)；

所述的电动机(5)的输出端与被测旋转构件相连，检测时使用测试旋转部件磁信号专用夹具夹持二维磁传感器探头使得二维磁传感器探头固定在在被测构件的前方，与此同时电机驱动被测构件旋转，二维磁传感器探头在静止的状态下检测被测构件整个圆周上的损伤状况。

2.根据权利要求1所述的基于磁记忆效应的旋转设备故障检测系统，其特征在于：二维检测探头(6)采用磁敏电阻传感器来检测铁磁性工件在法向和切向的磁信号。

3.根据权利要求1所述的基于磁记忆效应的旋转设备故障检测系统，其特征在于：所述滤波放大电路(9)采用差动放大器为核心器件，其运放倍数通过外接的可变电阻进行调节。

4.根据权利要求1所述的基于磁记忆效应的旋转设备故障检测系统，其特征在于：所述A/D转换电路(10)采用IIC通信方式将二维检测探头的输出的模拟量转换成数字量读入到单片机(11)。

5.根据权利要求1所述的基于磁记忆效应的旋转设备故障检测系统，其特征在于：测试旋转部件磁信号专用夹具(4)中的底板(16)的材料为铸铁材料，所述的直角夹板(17)、立板(18)、支撑板(19)及盖板(20)材料均为铝合金材料，所用连接螺栓螺钉材料均为不影响测取磁信号的非磁性不锈钢 材料。

6.根据权利要求1所述的基于磁记忆效应的旋转设备故障检测系统，其特征在于：所述的电动机(5)的外部设有磁屏蔽壳，电动机(5)的输出设于磁屏蔽壳外。 

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