CN103604605A

CN103604605A - 一种基于超声信息的便携式旋转轴承故障诊断装置

Info

Publication number: CN103604605A
Application number: CN201310275269.6A
Authority: CN
Inventors: 苏连成; 刘鑫; 李小俚
Original assignee: Yanshan University
Current assignee: Yanshan University
Priority date: 2013-07-02
Filing date: 2013-07-02
Publication date: 2014-02-26

Abstract

本发明公开了一种基于超声信息的便携式旋转轴承故障诊断装置，该检测装置包括：超声传感器、信号调理电路装置、A/D转换电路、ARM Cortex-M3处理器、功能按键模块、数据显示器和存储模块。超声传感器用于实时检测被监测轴承的超声波信号，并将检测信号输入给信号调理电路装置，后者负责处理输入的信号，然后输入给A/D转换电路，信号经模数转换后输入给ARM Cortex-M3处理器，功能按键模块与ARM Cortex-M3处理器连接，它能够选择满足检测需要的采样频率，同时能够控制切换实时波形、统计直方图波形和频谱图，信号经由ARM Cortex-M3处理器处理后，通过数据显示器显示波形同时将数据存储在存储模块。

Description

一种基于超声信息的便携式旋转轴承故障诊断装置

技术领域

本发明涉及工业设备检测仪器领域，特别涉及一种基于超声信息的便携式旋转轴承故障诊断装置。

背景技术

在旋转机械的各类零部件中，轴承是使用广泛又易损坏的关键部件，对轴承进行状态监测与故障预测对旋转设备的运行维护具有重要的意义。

目前，市场上检测轴承故障的设备主要是采用“听”轴承运转声音或通过轴承振动来检测轴承故障。中国专利公告号CN201514273U，公告日2010年6月23日，名称为一种带听力保护的机械故障听诊器，该申请案公开了一种带听力保护的机械故障听诊器，通过信号调理电路将机械运转传出的声音处理。其优点是成本低，易于操作，保护使用者听力。其不足之处是使用者无法准确的了解故障程度，而且不同人使用对机械设备的故障判断会因为主观因素判断不同，导致机械设备无法及时准确的检修。中国专利公开号CN201402476Y，公开日2010年2月10日，名称为振动机械随机监控装置，该申请案公开了一种冶金、矿山、钢铁、水泥和其它行业采用多台振动设备使用的振动机械随机监控装置，该设备通过振动传感器，检测振动机械运转机械波，对振动机械的振幅、频率、系统固有频率、运动轨迹、振动方向角和动态应力等参数的采集分析，显示和打印。其优点是可以检测多台设备，安装方便，能及时报告故障信息。其不足之处是通过振动传感器采集的是设备的加速度信息，而设备的故障一旦通过加速度信号表现出来，通常已到故障的中后期，停机大修往往已不可避免。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供一种基于超声信息的便携式旋转轴承故障诊断装置，根据机械轴承运转产生的超声波信号，获取轴承的润滑和磨损信息。

为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于超声信息的便携式旋转轴承故障诊断装置，该检测装置包括：超声传感器、信号调理电路装置、A/D转换电路、ARM Cortex-M3处理器、功能按键模块、数据显示器和存储模块；超声传感器用于实时检测被监测轴承的超声波信号，并将所检测的超声波信号输入给信号调理电路装置，信号调理电路装置负责处理输入的超声信号，然后将信号输入给A/D转换电路，信号经模数转换后输入给ARM Cortex-M3处理器，功能按键模块与ARM Cortex-M3处理器连接，它能够选择满足检测需要的采样频率，同时能够控制切换实时波形、统计直方图波形和频谱图，信号经由ARM Cortex-M3处理器处理后，通过数据显示器显示波形同时将数据存储在存储模块。

更进一步，设置一复位电路与ARM Cortex-M3处理器连接。当本发明出现异常情况时，可通过该复位电路，使本发明重新工作。

所述的信号调理电路装置包括前置放大电路、带通滤波电路、可调放大电路、包络检波电路；前置放大电路可将采集到的微弱的超声信号进行放大，带通滤波电路可将对判断机械轴承运转状况无关的噪声滤除，可调放大电路可根据不同机械设备，调节采集到电压信号的大小，包络检波电路用于对频率较高的超声波进行降频处理。本发明的ARM Cortex-M3处理器的A/D采集可通过功能按键模块切换选择的采样频率有5Khz、10Khz、50Khz、100Khz、200Khz、500Khz、1Mhz，采样频率多样可满足不同机械设备的需要。

本发明采用实时波形与直方图和频谱切换的方法对采集到的超声波信号进行直观的分析。对于实时波形的显示，可方便直观地观察到机械轴承运转的实时波形。对于直方图显示，根据直方图的形状、图形偏转方向，可清楚地了解机械轴承的润滑和磨损情况。对于频谱图显示，通过频谱图可识别轴承具体的故障位置。三者相互辅助，通过功能按键模块切换观察，保证检测结果的准确性。

本发明通过计算采集到的超声波信号的均方根值与峭度值，并通过这两个数值与实时波形、直方图和频谱图辅助的比较和分析，保证检测结果的准确性。

本发明采用ARM Cortex-M3处理器作为系统核心处理器，既可以将检测结果在LCD上进行数据、波形显示，同时因具有数据保存的功能，可供技术人员进一步分析，生成润滑、磨损检测和故障诊断报告。

由于采用上述技术方案，本发明提供的一种基于超声信息的便携式旋转轴承故障诊断装置，与现有技术相比具有这样的有益效果：

本发明由于采用了实时波形、直方图和频谱图按键切换的方法实时获取轴承的润滑、磨损等运行状态，实现轴承的故障预测和针对性维护。同时超声信号的存储功能可以将存储的数字信号移植到普通计算机，进行进一步的处理。本发明基于直方图的超声波故障诊断手持设备克服了以上两种测量仪器在测量准度和可靠性方面存在不同程度的缺陷，能够结果准确地在线检测机械设备故障，在实际应用中具有更广阔的市场前景。

本发明可用于任何封闭或半封闭式的机械设备，采集轴承运行过程中发出的超声信号。由于超声波信号与旋转机械的摩擦、润滑和微磨损相关，因此可对机组故障进行早期的预警。此外由于超声波信号是高频信号，不易受现场旋转设备振动产生的低频周期信号干扰。

本发明结构紧凑，操作简单，获取的状态信息丰富精确。在轴承状态监测和故障诊断方面具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明一种基于超声信息的便携式旋转轴承故障诊断设备结构示意图；

图2是本发明一种基于超声信息的便携式旋转轴承故障诊断设备工作流程示意图；

图3是信号调理电路装置结构示意图；

图4是信号调理电路装置中的前置放大电路图；

图5是信号调理电路装置中的带通滤波电路图；

图6是信号调理电路装置中的可调放大电路图；

图7是信号调理电路装置中的包络检波电路图。

具体实施方式

以下结合附图与具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

一种基于超声信息的便携式旋转轴承故障诊断设备，其结构如图1所示，该检测装置包括：超声传感器、信号调理电路装置、A/D转换电路、ARMCortex-M3处理器、功能按键模块、数据显示器和存储模块。超声传感器用于实时检测被监测轴承的超声波信号，并将所检测的超声波信号输入给信号调理电路装置，信号调理电路装置负责处理输入的超声信号，然后将信号输入给A/D转换电路，信号经模数转换后输入给ARM Cortex-M3处理器，功能按键模块与ARM Cortex-M3处理器连接，它能够选择满足检测需要的采样频率，同时能够控制切换实时波形、统计直方图波形和频谱图，信号经由ARMCortex-M3处理器处理后，通过数据显示器显示波形同时将数据存储在存储模块。本发明还设置有复位电路与ARM Cortex-M3处理器连接。其中信号调理电路装置包括如图4所示的前置放大电路、如图5所示的带通滤波电路、如图6所示的可调放大电路和如图7所示的包络检波电路。供电电源为该本发明设备供电。在检测机械设备运转状况时，将超声传感器垂直接触旋转轴承设备，将超声波传感器1采集到的机械设备的超声信号，通过图4所示的前置放大电路放大，再通过图5所示的带通滤波电路将不需要的干扰信号滤掉。针对不同机械设备可通过功能按键模块选择所需的采样频率和波形。

方式一：通过可调放大电路调节需要再次放大的倍数后，直接与AD采集电路连接；

方式二：通过可调放大电路调节需要再次放大的倍数后再通过包络检波电路对采集到的超声信号进行降频处理，再与AD采集电路连接。经由以上信号调理电路处理的信号，用A/D转换电路2进入数字电路，将A/D采集到的电压信号，由ARM Cortex-M3处理器3处理，通过功能按键4可以选择满足检测需要的采样频率，同时可以切换实时波形、统计直方图波形、频谱图，然后LCD显示波形5与SD卡存储数据6，检测设备出现异常，可通过复位电路7，使设备重新工作。

图2是本发明一种基于超声信息的便携式旋转轴承故障诊断设备工作流程示意图。说明如下：

（1）打开设备等待硬件初始化8。

（2）将设备传感器与机械设备垂直接触，超声信号首先通过前置放大电路18放大，再通过带通滤波电路19，将检测轴承故障不需要的干扰频率滤掉，然后可根据检测需要选择：方式一通过可调放大电路20直接与A/D采集22相连；方式二先通过可调放大电路20，再通过包络检波电路21与A/D采集22相连。等待A/D转换完成9显示实时波形10。

（3）若实时波形不能清晰显示设备润滑和磨损信息11，改变A/D采样频率12，以获得更加清晰的实时波形。

（4）若实时波形能够清晰显示设备润滑和磨损信息，则按键切换直方图13和频谱14，同时观察采集电压信号均方根值与峭度值15。

（5）综合实时波形、直方图和频谱、均方根值、峭度值得到机械设备轴承润滑与磨损状况信息16，同时进行数据存储17，以便进一步分析。

Claims

1.一种基于超声信息的便携式旋转轴承故障诊断装置，其特征在于：它包括：超声传感器、信号调理电路装置、A/D转换电路、ARM Cortex-M3处理器、功能按键模块、数据显示器和存储模块；超声传感器用于实时检测被监测轴承的超声波信号，并将所检测的超声波信号输入给信号调理电路装置，信号调理电路装置负责处理输入的超声信号，然后将信号输入给A/D转换电路，信号经模数转换后输入给ARM Cortex-M3处理器，功能按键模块与ARM Cortex-M3处理器连接，它能够选择满足检测需要的采样频率，同时能够控制切换实时波形、统计直方图波形和频谱图，信号经由ARM Cortex-M3处理器处理后，通过数据显示器显示波形同时将数据存储在存储模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声信息的便携式旋转轴承故障诊断装置，其特征在于：所述的信号调理电路装置包括前置放大电路、带通滤波电路、可调放大电路、包络检波电路；前置放大电路可将采集到的微弱的超声信号进行放大，带通滤波电路可将对判断机械轴承运转状况无关的噪声滤除，可调放大电路可根据不同机械设备，调节采集到电压信号的大小，包络检波电路用于对频率较高的超声波进行降频处理。

3.根据权利要求1、2所述的一种基于超声信息的便携式旋转轴承故障诊断装置，其特征在于：有一复位电路与ARM Cortex-M3处理器连接。