CN102914432A

CN102914432A - 一种检测机械故障的振动和声发射信号调理仪

Info

Publication number: CN102914432A
Application number: CN2012104096983A
Authority: CN
Inventors: 高立新; 郝倩; 迟桂友; 于根茂; 仝金平; 王宏斌; 刘伍; 王玉兵; 赵玉武
Original assignee: Beijing University of Technology; Xuanhua Iron and Steel Group Co Ltd; Hebei Iron and Steel Group Co Ltd
Current assignee: Beijing University of Technology; Xuanhua Iron and Steel Group Co Ltd; Hebei Iron and Steel Group Co Ltd
Priority date: 2012-10-24
Filing date: 2012-10-24
Publication date: 2013-02-06

Abstract

一种检测机械故障的振动和声发射信号调理仪，属于机械设备故障检测仪器技术领域，用于对机械设备故障进行检测，其技术方案是：它由共振解调部分、常规信号处理部分组成，共振解调部分包括程控放大电路、高Q带通滤波器、二次谐振电路、包络检波电路和抗混叠电路，常规信号处理部分包括通道选择电路和抗混叠电路，检测故障的传感器与程控放大电路相连接，程控放大电路的分别与高Q带通滤波器和通道选择电路相连接，高Q带通滤波器与二次谐振电路、包络检波电路和抗混叠电路相连接，通道选择电路与抗混叠电路相连接，抗混叠电路均与A/D采集卡相连接。本发明通过振动和声发射信号调理技术对机械设备的故障信号提取效果更好、故障诊断更加准确。

Description

一种检测机械故障的振动和声发射信号调理仪

技术领域

本发明涉及一种对机械设备故障信号提取后，通过振动和声发射信号调理技术进行检测和故障诊断的仪器，属于机械设备故障检测仪器技术领域。

背景技术

机械设备齿轮箱的状态监测和故障诊断是国内外工程技术领域一直非常关注的课题。目前，设备状态监测与故障诊断工作在保障机械设备的安全运行，实现基于设备运行状态进行视情维修、提高机器寿命方面起到了关键性的指导作用，并取得了显著的经济效益和社会效益。

在工程应用中进行故障诊断，主要是判断机械零件的损伤程度和发生部位。齿轮箱振动信号的频率成分非常丰富，根据缺陷零件的不同，元件的故障特征频率也不相同。另外，由于早期故障信号十分微弱，往往湮灭在其它强烈的振动信号之中。因此，若仅检测信号的振动幅值，往往难以发现故障的存在，容易造成漏检。通过传统的傅立叶变换对振动信号作频率分析，可避免部分这种情况，但是也有其局限性，它不具有局部定位能力。

在众多的故障诊断技术中，利用“三特征判别法”诊断齿轮箱故障是较为有效的方法之一。故障信号“三特征判别法”是指：在常规傅立叶谱图上分析平稳功率故障振动信号特征，在共振解调傅立叶谱图上分析冲击功率故障振动信号特征，利用小波分析冲击故障振动信号特征。

“三特征判别法”对非低速重载齿轮箱的诊断结果较为准确，但对于自动化水平较高且结构和工况复杂的现代机械设备，其诊断结果不够准确，特征信息的提取效果仍有待提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是能够对自动化水平较高且结构和工况复杂的现代机械设备的故障信号提取效果更好、故障诊断更加准确的检测机械故障的振动和声发射信号调理仪。

解决上述技术问题的技术方案是：

一种检测机械故障的振动和声发射信号调理仪，它由共振解调部分、常规信号处理部分和A/D采集卡组成，共振解调部分包括程控放大电路、高Q带通滤波器、二次谐振电路、包络检波电路和抗混叠电路，常规信号处理部分包括通道选择电路和抗混叠电路，检测故障的速度或加速度传感器和声发射传感器的输出信号端与程控放大电路相连接，程控放大电路的输出端分别与共振解调部分的高Q带通滤波器和常规信号处理部分通道选择电路相连接，高Q带通滤波器与二次谐振电路、包络检波电路和抗混叠电路相连接，通道选择电路与抗混叠电路相连接，共振解调部分的抗混叠电路的输出端和常规信号处理部分的抗混叠电路的输出端均与A/D采集卡相连接，A/D采集卡接计算机。

上述检测机械故障的振动和声发射信号调理仪，所述程控放大电路包括放大电路芯片U2和运放器U3，速度或加速度传感器和声发射传感器的输出信号端接放大电路芯片U2的输入端和运放器U3的输出端，运放器U3的输出端接到反馈端，运放器U3的输入端接放大电路芯片U2，放大电路芯片U2的输出端接高Q带通滤波器的输入端。

上述检测机械故障的振动和声发射信号调理仪，所述高Q带通滤波器包括滤波器U6、运放器U5和晶体振荡器Y1，运放器U5的输入端接程控放大电路的放大电路芯片U2的输出端，运放器U5的反馈端与输出端相接，运放器U5的输出端接滤波器U6的输入端，晶体振荡器Y1接滤波器U6的时钟接口端，滤波器U6的输出端接二次谐振电路的输入端。

上述检测机械故障的振动和声发射信号调理仪，所述二次谐振电路包括运放器U7和滤波器U8，运放器U7的输入端接高Q带通滤波器的滤波器U6的输出端，运放器U7的反馈端与输出端相接，运放器U7的输出端接滤波器U8的输入端，滤波器U8的输出端接包络检波电路的输入端。

上述检测机械故障的振动和声发射信号调理仪，所述包络检波电路包括运放器UA、UB、二极管D1、D2，二次谐振电路的输出端分别接运放器UA、UB的输入端，二极管D1接在运放器UA的输出端与反馈端之间，运放器UB的反馈端与输出端相接，运放器UA的输出端与运放器UB的输出端相连接，二极管D2反向接在运放器UA的输出端与运放器UB的输出端之间，运放器UB的输出端接抗混叠电路的输入端。

本发明的有益效果如下:

（1）针对齿轮箱早期微弱故障信号，利用硬件共振解调技术进行信号调理，可有效滤除噪声信号，只对富含高频成分的冲击进行响应，可极大的提高信噪比，效果明显优于基本信号处理。

（2）将共振解调技术同时应用在被测对象的振动和声发射信号处理中，可从两种不同的角度对设备进行监测，能够更加全面的了解其运行情况，并及时的发现故障隐患。

（3）本发明构造了一种新型的振动和声发射信号调理仪用于提取故障特征信息，其兼具常规信号处理和共振解调处理两种方式，可实现对设备早期故障和中晚期故障的全面监测，信号调理效果良好。

（4）针对生产现场背景噪声大、工况恶劣的特点，本发明的信号调理仪的电路抗干扰设计严密，能使得本发明在复杂环境中保持正常工作，具有良好的稳定性和可靠性。

（5）本发明的信号调理仪使用灵活方便，可作为独立的单元应用到已有的在线设备监测系统当中，改善已有故障诊断系统的性能，降低系统升级的成本，有效提高生产现场的齿轮箱故障诊断率。

附图说明

图1是本发明的电路原理框图；

图2是本发明的电信号处理结构框图；

图3是本发明的电信号流程图；

图4是程控放大电路原理图；

图5是高Q带通滤波器；

图6是二次谐振滤波电路原理图；

图7是包络检波电路原理图；

图8是通道选择电路原理图。

具体实施方式

本发明的目的是改进“三特征判别法”提取特征信息和诊断设备故障的效果，研制一种新型的振动和声发射信号调理仪。

本发明在“三特征判别法”的基础上，结合声发射信号故障诊断方法，以齿轮箱作为被测对象，以振动和声发射信号作为信息载体，运用硬件共振解调技术实现信号调理，研制基于共振技术的新型振动和声发射信号调理仪，从而有效提取早期微弱故障冲击信号和中晚期故障信号特征，以实现设备的全面监测和故障诊断。

基于共振解调技术的新型振动和声发射信号调理仪，其基本设计思路为：利用速度或加速度传感器和声发射传感器测取被测设备在运行过程中的振动和声发射信号，经由自主研制的共振解调信号调理仪对传感器输出信号进行采集和处理，通过设置一个谐振频率远远高于常规频率的“共振器”去处理振动和声发射信号，把微弱故障冲击信号从检测信号中提取出来，将调理过的数据送入A/D采集卡后输入到工控机中，结合小波分析方法诊断设备故障，了解设备的运行状况，以实现设备在线监测和故障诊断。

以下结合附图对本发明进行说明。

图1是本发明的电原理框图。

图中显示，本发明包括硬件共振解调技术和常规信号处理两部分。

硬件共振解调技术主要包含三个环节:谐振滤波将相应的高频共振信号提取出来以提升信噪比；包络检波电路对滤波后输出的信号进行绝对值检波；对低频解调波采用信号分析方法以判断故障。硬件共振解调电路由程控放大电路，高Q带通滤波器，二次谐振电路，包络检波电路和抗混叠电路组成。其中，对高Q带通滤波器和包络检波的主要性能要求是：窄带性、稳定性、光滑性及保留冲击信号特征的完整性。常规信号处理电路则由通道选择电路和抗混叠电路组成。

图2是本发明的电信号处理结构框图。

图中显示，每一路加速度/速度传感器或声发射传感器采集到的信号，经由本发明后会变为两路输出信号，分别为解调信号和非解调信号，用以表征不同时期的设备故障信息。其电路结构并列，并可串联多个通道同时工作，以满足现场应用中对测点的需求量，具有良好的扩展性能。

共振解调诊断方法主要用于发现轴承故障初期的冲击信号，即实现早期故障诊断；当故障发生且较严重时，使用共振解调技术处理的效果并不好，应采用传统的对测得信号直接进行频谱分析的方法取得较为理想的监测效果。因此，本发明的信号调理仪设计了另外一路只经过简单的放大滤波处理的非解调信号，其输出信号直接输送到A/D采集卡中，并传输到上位机进行信号处理与分析，实现常规信号处理的故障诊断，同时也与输出的解调信号相对比，从而全面的监测设备运行状态。

图3是本发明的电信号流程图。

图中显示，检测信号在信号调理仪整个处理过程中的逻辑走向分为两路。为得到反映设备故障的有效信息，调理仪设计为一路输入信号分两路输出。其中，一路信号采用了共振解调技术进行处理，输出解调信号；另一路信号只进行常规处理，输出非解调信号。采用以上设计，一方面可针对早期微弱冲击进行共振解调信号处理，改善轴承早期故障诊断效果；另一方面，当故障发生且较严重时，也可以同时实现对中后期故障的状态监测，并可对两组输出进行对比分析，从而实现对不同时期的设备故障的全面监测。

图4是程控放大电路原理图，为了防止信号失真，在信号调理仪前端设计了程控放大电路。通过传感器采集的共振波形经过程控放大后，将得到更易于处理的原始信号。

图中显示，程控放大电路包括放大电路芯片U2和运放器U3，速度或加速度传感器和声发射传感器的输出信号端接放大电路芯片U2的输入端和运放器U3的输出端，运放器U3的输出端接到反馈端，运放器U3的输入端接放大电路芯片U2，放大电路芯片U2的输出端接高Q带通滤波器的输入端。

本实例的放大电路芯片U2为PGA205芯片，程控放大电路以PGA205芯片为核心，对信号进行放大处理，避免幅值微弱的传感器输出信号在传输过程中产生衰减，造成信号失真。PGA205是美国Burr-Brown公司生产的低价格、多用途的可编程增益放大器，可用两位TTL或CMOS逻辑信号A0、A1对其增益进行数字选择。PGA205的增益档级为1、2、4、8V/V，最大增益误差为±0.05%。电路芯片经激光校正，最大失调电压只有50μV，失调温漂为0.25μV/℃。PGA205采用双电源供电，电源电压为±4.5～±18V，也可以用于电池供电系统，输入电流最大为2nA，静态电流为5.2mA。为使器件达到最高的精度，运放器的输出端接到反馈端。当电源阻抗较高或有噪声干扰时，应在正、负电源引脚各加1μF的去耦电容。放大器的增益由15、16引脚的逻辑电平决定。其中逻辑“1”定义为大于数字地2V，数字地可以连接到V－或比V＋低4V的电源上。数字输入电平TTL与COMS兼容。当使用逻辑“0”时，大约有1μA的电流从数字输入脚流出，使用逻辑电平“1”时电流为0。PGA205对数字输入逻辑信号（A0、A1）没有锁存功能，逻辑输入信号的变换将立即引起新的增益选择，切换时间大约为1μs。输入逻辑A1、A0与增益的关系为：（0、0）放大1倍，（0、1）放大2倍，（1、0）放大4倍，（1、1）放大8倍。该部分电路可实现对信号的1，2，4，8增益放大效果，具有良好的实用性。

图5是高Q带通滤波器，高Q带通滤波器和二次谐波电路将对信号做预处理。宽频带的故障冲击脉冲信号在加速度传感器的安装谐振频率处得到了大幅度加强，经过高Q带通滤波处理后，只保留冲击性故障信号共振频率附近的频率段，而常规的干扰噪声由于多分布在低频段内而得以消除。

图中显示，高Q带通滤波器包括滤波器U6、运放器U5和晶体振荡器Y1，运放器U5的输入端接程控放大电路的放大电路芯片U2的输出端，运放器U5的反馈端与输出端相接，运放器U5的输出端接滤波器U6的输入端，晶体振荡器Y1接滤波器U6的时钟接口端，滤波器U6的输出端接二次谐振电路的输入端。

本实例的滤波器U6采用Maxim公司生产的模拟集成滤波器MAX268，MAX268是为精密滤波应用而设计的开关电容有源滤波器，内部包含一个放大器和两个二阶滤波部分，其中心频率、品质因数和操作模式都可以通过管脚输入选择。一个输入时钟和一个5位的输入（F0、F1、F2、F3、F4）可精确地设定滤波器的中心频率。品质因数可以在0.5到64之间选择。芯片内两个滤波部分的时钟是分离开来的，可以外接一个外部时钟或者晶体振荡器。

图6是二次谐振滤波电路原理图。

图中显示，二次谐振电路包括运放器U7和滤波器U8，运放器U7的输入端接高Q带通滤波器的滤波器U6的输出端，运放器U7的反馈端与输出端相接，运放器U7的输出端接滤波器U8的输入端，滤波器U8的输出端接包络检波电路的输入端。

本实例的运放器U7为AD711芯片，AD711芯片组成放大电路，与滤波器U8连接，滤波器U8采用了美国Burr-Brown公司推出的高集成度通用有源滤波器UAF42AP，它可广泛应用于低通、带通和高通滤波器设计中。UAF42AP采用的是典型的状态变量模拟结构，内部集成了1个反相放大器和2个积分器，该积分器包括了1000pf(±0.5％)的电容，因此较好地解决了有源滤波器设计中获得低损耗电容的问题。

在传感器的信号处理过程中，由于前端一般都会混入50KHz的交流电源噪声，在后端的处理中必须要通过滤波器将其滤掉。带通滤波既可以保持信号完成，又能去除不需要的频率分量，符合设计要求。为了提高信号的处理效果，当滤波要求较高时，可通过多个滤波单元级联的方式来实现。当多个滤波单元级联时，要尽量按照Q值从小到大的顺序排列，以保证带通滤波器可以实现较大的动态范围，达到更好的滤波效果。当Q值从小到大排列时，增益G也应按照相应的顺序排列。增益从小到大的排列顺序，可避免因前级放大倍数太多，而造成的后级输入饱和。

图7是包络检波电路原理图。

包络检波电路包括运放器UA、UB、二极管D1、D2，二次谐振电路的输出端分别接运放器UA、UB的输入端，二极管D1接在运放器UA的输出端与反馈端之间，运放器UB的反馈端与输出端相接，运放器UA的输出端与运放器UB的输出端相连接，二极管D2反向接在运放器UA的输出端与运放器UB的输出端之间，运放器UB的输出端接抗混叠电路的输入端。

图中显示，本实例的包络检波电路采用了绝对值检波解调的方式。绝对值变换器的输出电压将正比于输入电压的绝对值，其实质就是一种比较理想的全波检波电路。由于反相型绝对值变换电路难以实现高阻抗，故此处采用同相型绝对值变换电路。由于采用同相端输入方式，其输入阻抗高。但必须同时注意共模电压输入范围和共模抑制比带来的误差。

冲击性故障信号在经过绝对值包络解调后检出共振波的外包络，得到一个与故障冲击频率相一致的脉冲串。将高频共振波转换为低频包络信号，即实现共振解调功能。另外，为滤除解调信号中高频干扰，设计了低通滤波器。经包络分析器和低通滤波器处理后，可进一步剔除时域尖峰信号的干扰，为后续故障识别提供较稳定的信号。

图8是通道选择电路原理图。

图中显示，该电路设计以ANALOG DEVICES公司生产的ADG409为主，其是一款单芯片CMOS多通道高性能模拟多路复用器，内置4个差分通道。它根据2位二进制地址线A0和A1所确定的地址，将4路差分输入之一切换至公共差分输出。该器件提供EN输入，用来使能或禁用器件。禁用时，所有通道均关断。通过ADG409进行的通道选择电路实际上是实现对不同通道的电阻对的选择，通过选择不同的电阻对来调节低通滤波部分的截止频率以达到不同频率的选通功能，使信号调理板可灵活的变化参数，实现对不同范围信号的选择。为了达到上述信号处理的目的，此处使用ADG409与UAF42AP芯片构成可由通道选择控制截止频率的可控低通滤波电路。该通道选择电路可分别导通截止频率为250Hz、514Hz、1K、5K的滤波电路，实现对传感器拾取的中后期故障信号的信号调理及故障诊断。

本实例的通道选择电路适用于被测对象发生变化的场合。当被测对象改变时，其固有频率和故障特征频率也会发生变化，所以需要针对不同的频率范围调整常规信号处理通道的低通滤波截止频率。在确定测试对象的频率范围后，可根据其参数值对通道进行选择和设置，从而适应不同低通频段的需求。另外，在进行多通道测量时，也可由控制部分进行调整，每隔一定时间，开通某个通道，进行数据采集。

本实施例中提供的信号调理仪采集方式如下：

（1）以机械设备的齿轮箱作为被测对象，将振动和声发射传感器分别安装在被测点上，使传感器、信号调理仪、数据采集卡相连，并开启上位机软件。

（2）进入软件的系统参数设置界面，输入轴承或齿轮的各项参数信息，确定故障特征频率，设定用于获取信号的通道，设置信号采集的相关参数。

（3）启动设备监测系统，被测对象的振动和声发射信号由传感器获取，送入信号调理仪中进行处理，每一路传感器输入信号将分为调制信号和非调制新哈两路输出，然后经由A/D转化，将电压信号转化为数字信号，送入计算机。

（4）在工作界面中显示信号的时域图和频域图，结合小波分析方法。通过观察信号调理仪输出信号的波形，比较振动和声发射信号经处理后输出的调制和非调制信号的波形图，实现设备监测和故障诊断。

（5）对采集数据进行存储，以便以后的研究和应用。

Claims

1.一种检测机械故障的振动和声发射信号调理仪，其特征在于：它由共振解调部分、常规信号处理部分和A/D采集卡组成，共振解调部分包括程控放大电路、高Q带通滤波器、二次谐振电路、包络检波电路和抗混叠电路，常规信号处理部分包括通道选择电路和抗混叠电路，检测故障的速度或加速度传感器和声发射传感器的输出信号端与程控放大电路相连接，程控放大电路的输出端分别与共振解调部分的高Q带通滤波器和常规信号处理部分通道选择电路相连接，高Q带通滤波器与二次谐振电路、包络检波电路和抗混叠电路相连接，通道选择电路与抗混叠电路相连接，共振解调部分的抗混叠电路的输出端和常规信号处理部分的抗混叠电路的输出端均与A/D采集卡相连接，A/D采集卡接计算机。

2.根据权利要求1所述的检测机械故障的振动和声发射信号调理仪，其特征在于：所述程控放大电路包括放大电路芯片U2和运放器U3，速度或加速度传感器和声发射传感器的输出信号端接放大电路芯片U2的输入端和运放器U3的输出端，运放器U3的输出端接到反馈端，运放器U3的输入端接放大电路芯片U2，放大电路芯片U2的输出端接高Q带通滤波器的输入端。

3.根据权利要求1或2所述的检测机械故障的振动和声发射信号调理仪，其特征在于：所述高Q带通滤波器包括滤波器U6、运放器U5和晶体振荡器Y1，运放器U5的输入端接程控放大电路的放大电路芯片U2的输出端，运放器U5的反馈端与输出端相接，运放器U5的输出端接滤波器U6的输入端，晶体振荡器Y1接滤波器U6的时钟接口端，滤波器U6的输出端接二次谐振电路的输入端。

4.根据权利要求3所述的检测机械故障的振动和声发射信号调理仪，其特征在于：所述二次谐振电路包括运放器U7和滤波器U8，运放器U7的输入端接高Q带通滤波器的滤波器U6的输出端，运放器U7的反馈端与输出端相接，运放器U7的输出端接滤波器U8的输入端，滤波器U8的输出端接包络检波电路的输入端。

5.根据权利要求4所述的检测机械故障的振动和声发射信号调理仪，其特征在于：所述包络检波电路包括运放器UA、UB、二极管D1、D2，二次谐振电路的输出端分别接运放器UA、UB的输入端，二极管D1接在运放器UA的输出端与反馈端之间，运放器UB的反馈端与输出端相接，运放器UA的输出端与运放器UB的输出端相连接，二极管D2反向接在运放器UA的输出端与运放器UB的输出端之间，运放器UB的输出端接抗混叠电路的输入端。