CN103630361B - 基于瞬变速度的智能轴承监测系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明监测系统由一块集成信号调理电路板及一块振动加速度传感器电路板构成，能够实现两路转速传感器、两路温度传感器及一路三轴振动加速度信号的信号调理及信号输出。对采集到的加速度信号及脉冲信号进行处理获得角域与时域平稳信号及瞬时转速，主要有四个步骤：步骤1，周向将轴承分成若干区域并安装磁钢，磁钢随轴承转动通过霍尔传感器获得脉冲信号；步骤2，计算相邻脉冲之间的时间差，获得轴承的瞬时转速；步骤3，通过对每个区域采集的时域信号进行均等插值，得到时域平稳信号；步骤4，根据转速变化关系对时域信号进行插值重采样，得到角域平稳信号。本发明总体实现了对转速、温度及振动加速度三种动态参数的实时调理与监测。

Description

基于瞬变速度的智能轴承监测系统及其方法

技术领域

本发明涉及机械自动化领域，尤其涉及一种基于瞬变速度的智能轴承监测系统及其方法。

背景技术

高速列车及城市轨道交通是一个国家先进科技的象征，其可靠性和安全性直接关系到人民的人身及财产安全和国家形象。智能轴承突破了传统的轴承状态监测诊断方式，是应用于高速列车的一项关键技术，目前此项技术被国外垄断和封锁，因此研究智能轴承具有重大的社会和经济价值。而智能轴承的概念就是集成多种传感器，实现对轴承的各种动态参数的实时监测与故障诊断。而复合传感器的原始信号并不一定都是常用的标准电压或者电流信号，需要电路板进行调理转换后才能输入到采集仪器进行采集，进一步实现对智能轴承实时状态的显示、监测、分析与储存。

在轴承运转过程中，工况和荷载的变化，会导致旋转速度出现一定程度的波动。传统的时间采样方式使得信号的统计特征与时间紧密相关，一旦转速出现波动，这些统计特征也会随时间发生变化，以致采集到轴承的时域振动信号会是一个非平稳信号，增加了轴承状态监测的难度。因此有必要实现非平稳信号的平稳化转变，已有的基于编码器与基于转速计的等角度采样方式虽然实现了信号的平稳转换，但前者的采样频率固定且较低，后者的转换精度较低，而且二者采集设备的安装均有较大的局限性，不利于实际应用。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种基于瞬变速度的智能轴承监测系统及其方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种基于瞬变速度的智能轴承监测系统，其关键在于，包括加速度传感器电路、两个霍尔传感器、两个温度传感器、信号调理电路、钢隔圈、磁钢和防尘盖，

所述加速度传感器电路分别连接电脑终端和信号调理电路，所述霍尔传感器连接信号调理电路转速测量输入端，所述信号调理电路转速测量输出端连接电脑终端，所述温度传感器连接所述信号调理电路温度转换输入端，所述信号调理电路温度转换输出端连接电脑终端；

两个霍尔传感器之间圆心角为90°，两个温度传感器也对称布置在加速度传感器的两边，所述两个温度传感器之间的圆心角小于90°，所述两个温度传感器布置在所述两个霍尔传感器之间，所述加速度传感器布置在所述两个温度传感器之间，所述两个霍尔传感器、两个温度传感器和加速度传感器安装于防尘盖上，所述钢隔圈圆周上均匀布置磁钢，所述钢隔圈固定于轴承上，轴承带动所述钢隔圈运动，所述防尘盖封盖钢隔圈，所述防尘盖相对于钢隔圈固定不动。

所述的基于瞬变速度的智能轴承监测系统，优选的，所述加速度传感器电路包括：加速度传感器、第一电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容和第五电容；

所述第一电阻一端连接加速度传感器，所述第一电阻另一端连接信号调理电路，所述第一电容一端分别连接信号调理电路、第二电容一端、第三电容一端和加速度传感器COM端，所述第一电容另一端连接加速度传感器X轴输出端，所述第二电容一端还连接信号调理电路、第三电容一端和加速度传感器COM端，所述第二电容另一端连接加速度传感器Y轴输出端，所述第三电容一端还连接信号调理电路和加速度传感器COM端，所述第四电容一端分别连接第一电阻一端和第五电容一端，所述第四电容另一端连接所述第无电容另一端，所述第五电容另一端连接所述加速度传感器。

所述的基于瞬变速度的智能轴承监测系统，优选的，所述加速度传感器电路还包括加速度传感器供电单元，所述加速度传感器供电单元一端连接直流供电电源，所述加速度传感器供电单元另一端连接加速度传感器。

所述的基于瞬变速度的智能轴承监测系统，优选的，所述加速度传感器供电单元包括：第六电容、第七电容、第八电容、直流电源供电单元、稳压单元和加速度传感器供电芯片，

所述第六电容一端分别连接直流电源供电单元接地端和稳压单元接地端，所述第六电容另一端连接稳压单元和直流电源供电单元电压输出端，所述第七电容一端连接稳压单元接地端，所述第七电容另一端连接稳压单元输出端和加速度传感器供电芯片电压输出端，所述第八电容一端连接稳压单元接地端，所述第八电容另一端连接加速度传感器供电芯片电压输出端。

所述的基于瞬变速度的智能轴承监测系统，优选的，所述信号调理电路包括：转速测量模块和温度转换模块，

所述转速测量模块分别连接两个霍尔传感器，通过霍尔传感器将轴承转速信息传送到转速测量模块，所述转速测量模块连接电脑终端，所述温度转换模块分别连接两个温度传感器，通过温度传感器将轴承温度信息传送到温度转换模块，温度转化模块连接电脑终端。

所述的基于瞬变速度的智能轴承监测系统，优选的，所述转速测量模块包括：第一霍尔开关、第二霍尔开关、第二电阻、第三电阻、第九电容、第十电容、转速输出单元、第二稳压单元和直流电源供电单元；

所述第一霍尔开关电压端连接第三电阻一端，所述第一霍尔开关输出端连接第三电阻另一端，所述第三电阻另一端还分别连接第九电容一端和转速输出单元，所述第九电容另一端接地，所述第一霍尔开关电压端还连接第二霍尔开关电压端和第二稳压单元电压输出端，所述第二霍尔开关电压端还连接第二电阻一端，所述第二电阻另一端分别连接第二霍尔开关输出端和第十电容一端，所述第十电容另一端接地，所述第二稳压单元电压输入端连接所述直流电源供电单元电压输出端。

所述的基于瞬变速度的智能轴承监测系统，优选的，所述温度转换模块包括：第一运算放大器、第二运算放大器、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、二极管、温度输出单元和温度传感器输入单元；

所述温度输出单元连接第十五电阻一端和二极管负极，所述第十五电阻另一端分别连接第十四电阻一端和第一运算放大器输出端，所述二极管正极分别连接第一运算放大器正极输入端和第二运算放大器正极输入端，所述第十四电阻另一端连接第一运算放大器负极输入端，所述第十四电阻另一端还分别连接第十二电阻一端和第十三电阻一端，所述第十二电阻另一端分别连接第十一电阻一端和直流电源供电单元电压输出端，所述第十一电阻另一端连接温度传感器输入单元，所述第二运算放大器输出端连接温度传感器输入单元。

本发明还公开一种基于瞬变速度的智能轴承监测方法，其关键在于，包括如下步骤：

步骤1，周向将钢隔圈均匀分成若干区域并均匀安装磁钢，防尘盖上底部安装霍尔传感器，当钢隔圈随轴承一起转动时，当钢隔圈上的每个磁钢经过霍尔传感器时，霍尔传感器产生一个脉冲；

步骤2，通过所述霍尔传感器得到所述任意两个相邻脉冲之间的时间差，得到轴承在每个区域内的瞬时转速；

步骤3，通过加速度传感器采集轴承每个区域在时域信号，对每个区域的信号进行均等插值，以使每个区域的信号长度保持一致，得到时域平稳信号；

步骤4，根据所述轴承在每个区域的瞬时转速，得到每个区域内不同时刻轴承的转角随时间的变化关系，根据所述变化关系确定给定轴承转角位置对应的时间点，根据所述时间点对采集的时域信号进行插值重采样，就得到了具有稳定间隔的角域平稳信号。

所述的基于瞬变速度的智能轴承监测方法，优选的，所述步骤3包括：

步骤31，由加速度传感器采集的时域信号O，有两种表达形式，

$O=\{x_{t_1},x_{t_2},...,x_{t_N}\}$ 或 $O=\left\{\begin{array}{c}{x}_{{\mathrm{it}}_1},x_{{\mathrm{it}}_2},...,x_{{\mathrm{it}}_A}\\ ...\\ ...\\ ...\\ x_{{\mathrm{jt}}_1},x_{{\mathrm{jt}}_2},...,x_{{\mathrm{jt}}_B}\end{array}\right\},$

O为原始时域信号；N为时域信号长度；i,j为轴承区域序号；A,B分别为单个区域内时域信号长度，为第一时域信号，第N时域信号；

由于轴承转速的波动，在一圈内，轴承转过每一个区域的时间是不同的，而时域采样频率F_St保持不变，则在每个区域内采集的数据长度会不一样，或A，或B，取所有区域中信号长度最大值，即S，据此对每个区域内的时域信号进行均等插值，使得插值后的每个区域信号长度均为S，由此获得相对平稳的时域振动信号Q，公式如下：

$Q=\left\{\begin{array}{c}{x}_{{\mathrm{it}}_1},x_{{\mathrm{it}}_2},...,x_{{\mathrm{it}}_S}\\ ...\\ ...\\ ...\\ x_{{\mathrm{jt}}_1},x_{{\mathrm{jt}}_2},...,x_{{\mathrm{jt}}_S}\end{array}\right\},$

i,j为轴承区域序号；为均等插值后轴承i区域内的第S时域信号；

所述的基于瞬变速度的智能轴承监测方法，优选的，所述步骤4包括：

步骤41，根据脉冲间的时间间隔可计算出轴承在每个区域的瞬时转速，由如下公式计算：

R_inst为瞬时转速；为区域间的角度间隔；Δt_i为转过每个区域的时间，即脉冲间的时间间隔；i为区域序号；

根据获得的轴承瞬变转速R_inst，计算每个区域内不同时刻轴承的转角θ(t)随时间的变化关系式，

θ(t)＝R_inst·t

θ(t)为轴承转角；t为转动时间；

由θ(t)计算出给定转角位置对应的时间点，假定角域采样频率为F_Sθ，则角域采样间隔Δθ，如下公式：

$\mathrm{\Δ\θ}=\frac{1}{F_{\mathrm{S\θ}}}$

Δθ为角域采样间隔；F_Sθ为角域采样频率；

对于给定的轴承转角位置θ_n，即可计算出对应的时间点t_n，

θ_n＝n·Δθ

n为角域数据序号；θ_n为轴承转角位置；t_n为对应某转角位置的插值采样时间点；

再根据t_n即可对采集的时域信号进行插值重采样，进而获得平稳的角域振动信号P，如下公式：

θ为轴承转角位置，M为角域信号长度。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

所述系统和方法的角域采样频率可以相对自由的设定，而且细化了每一圈的轴承转速，提高了转换精度，采集设备也无需额外的空间位置；同时，此方法同时获得了角域平稳信号与时域平稳信号。对转换后的角域平稳振动信号进行分析，降低了分析难度，也能更好的提取出轴承的状态信息，使检验轴承的运转情况成为简单的工作，以达到高效准确的轴承监测目的。

本发明通过在现有钢隔圈的外侧板外固定带磁钢的套环，在轴承的外圈上固定防尘罩，并在防尘罩内固定相应的传感器，从而提供了一种结构简单的包含复合传感器的轴承监测装置，实现了对转速、温度及振动加速度三种动态参数的实时调理与监测。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明基于瞬变速度的智能轴承监测系统示意图；

图2是本发明基于瞬变速度的智能轴承监测系统温度电阻曲线图；

图3是本发明基于瞬变速度的智能轴承监测系统相应传感器位置示意图；

图4是本发明基于瞬变速度的智能轴承监测系统防尘盖示意图；

图5是本发明基于瞬变速度的智能轴承监测系统钢隔圈示意图；

图6是本发明基于瞬变速度的智能轴承监测方法流程图；

图7是本发明基于瞬变速度的智能轴承监测系统加速度传感器电路示意图；

图8是本发明基于瞬变速度的智能轴承监测系统加速度传感器供电芯片示意图；

图9是本发明基于瞬变速度的智能轴承监测系统转速测量模块示意图；

图10是本发明基于瞬变速度的智能轴承监测系统温度转换模块示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，本发明提供了一种基于瞬变速度的智能轴承监测系统，其关键在于，包括加速度传感器电路、两个霍尔传感器、两个温度传感器、信号调理电路、钢隔圈、磁钢和防尘盖，

所述加速度传感器电路分别连接电脑终端和信号调理电路，所述霍尔传感器连接信号调理电路转速测量输入端，所述信号调理电路转速测量输出端连接电脑终端，所述温度传感器连接所述信号调理电路温度转换输入端，所述信号调理电路温度转换输出端连接电脑终端；

两个霍尔传感器之间圆心角为90°，两个温度传感器也对称布置在加速度传感器的两边，所述两个温度传感器之间的圆心角小于90°，所述两个温度传感器布置在所述两个霍尔传感器之间，所述加速度传感器布置在所述两个温度传感器之间，所述两个霍尔传感器、两个温度传感器和加速度传感器安装于防尘盖上，所述钢隔圈圆周上均匀布置磁钢，所述钢隔圈固定于轴承上，轴承带动所述钢隔圈运动，所述防尘盖封盖钢隔圈，所述防尘盖相对于钢隔圈固定不动。

如图7所示，所述的基于瞬变速度的智能轴承监测系统，优选的，所述加速度传感器电路包括：加速度传感器、第一电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容和第五电容；

所述第一电阻一端连接加速度传感器，所述第一电阻另一端连接信号调理电路，所述第一电容一端分别连接信号调理电路、第二电容一端、第三电容一端和加速度传感器COM端，所述第一电容另一端连接加速度传感器X轴输出端，所述第二电容一端还连接信号调理电路、第三电容一端和加速度传感器COM端，所述第二电容另一端连接加速度传感器Y轴输出端，所述第三电容一端还连接信号调理电路和加速度传感器COM端，所述第四电容一端分别连接第一电阻一端和第五电容一端，所述第四电容另一端连接所述第无电容另一端，所述第五电容另一端连接所述加速度传感器。

所述的基于瞬变速度的智能轴承监测系统，优选的，所述加速度传感器电路还包括加速度传感器供电单元，所述加速度传感器供电单元一端连接直流供电电源，所述加速度传感器供电单元另一端连接加速度传感器。

其具体电路如图8所示，所述的基于瞬变速度的智能轴承监测系统，优选的，所述加速度传感器供电单元包括：第六电容、第七电容、第八电容、直流电源供电单元、稳压单元和加速度传感器供电芯片，

所述第六电容一端分别连接直流电源供电单元接地端和稳压单元接地端，所述第六电容另一端连接稳压单元和直流电源供电单元电压输出端，所述第七电容一端连接稳压单元接地端，所述第七电容另一端连接稳压单元输出端和加速度传感器供电芯片电压输出端，所述第八电容一端连接稳压单元接地端，所述第八电容另一端连接加速度传感器供电芯片电压输出端。

所述的基于瞬变速度的智能轴承监测系统，优选的，所述信号调理电路包括：转速测量模块和温度转换模块，

所述转速测量模块分别连接两个霍尔传感器，通过霍尔传感器将轴承转速信息传送到转速测量模块，所述转速测量模块连接电脑终端，所述温度转换模块分别连接两个温度传感器，通过温度传感器将轴承温度信息传送到温度转换模块，温度转化模块连接电脑终端。

如图9所示，所述的基于瞬变速度的智能轴承监测系统，优选的，所述转速测量模块包括：第一霍尔开关、第二霍尔开关、第二电阻、第三电阻、第九电容、第十电容、转速输出单元、第二稳压单元和直流电源供电单元；所述第一霍尔开关电压端连接第三电阻一端，所述第一霍尔开关输出端连接第三电阻另一端，所述第三电阻另一端还分别连接第九电容一端和转速输出单元，所述第九电容另一端接地，所述第一霍尔开关电压端还连接第二霍尔开关电压端和第二稳压单元电压输出端，所述第二霍尔开关电压端还连接第二电阻一端，所述第二电阻另一端分别连接第二霍尔开关输出端和第十电容一端，所述第十电容另一端接地，所述第二稳压单元电压输入端连接所述直流电源供电单元电压输出端。

如图10所示，所述的基于瞬变速度的智能轴承监测系统，优选的，所述温度转换模块包括：第一运算放大器、第二运算放大器、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、二极管、温度输出单元和温度传感器输入单元；

所述温度输出单元连接第十五电阻一端和二极管负极，所述第十五电阻另一端分别连接第十四电阻一端和第一运算放大器输出端，所述二极管正极分别连接第一运算放大器正极输入端和第二运算放大器正极输入端，所述第十四电阻另一端连接第一运算放大器负极输入端，所述第十四电阻另一端还分别连接第十二电阻一端和第十三电阻一端，所述第十二电阻另一端分别连接第十一电阻一端和直流电源供电单元电压输出端，所述第十一电阻另一端连接温度传感器输入单元，所述第二运算放大器输出端连接温度传感器输入单元。

两块电路板均为双层PCB板，所选用电子元器件均为贴片封装，实现电路板的小型化、轻型化。其中集成信号调理电路板长宽为40mm*30mm，厚度1.6mm，振动加速度传感器电路板长宽10mm*9.5mm，厚度0.8mm。

转速测量由霍尔传感器实现。集成信号调理电路板使用一只78L05三极管将﹢12V电压变换为﹢5V电压对霍尔传感器供电。霍尔传感器的两路输入分别为H1IN及H2IN，两路霍尔输出端口分别为H1OUT及H2OUT。霍尔传感器有三个引脚分别为VCC、GND及OUT，其中VCC与OUT之间串接一只电阻，OUT输出端默认输出信号为﹢5V高电平，当霍尔传感器受到安装在转动体上的磁钢的南极影响时，由霍尔传感器的工作原理使得输出端OUT输出0V低电平的脉冲信号。脉冲信号经采集仪器采集后由软件根据磁钢南极正对霍尔传感器的数量计算实时转速。为减弱数字脉冲信号对加速度、温度模拟信号的干扰，本发明采取数字地与模拟地分开接地，电路板背面的模拟地与数字地分区域覆铜。

温度测量由PT100铂电阻传感器实现。按IEC751国际标准，Pt100（R₀=100Ω）的温度系数TCR=0.003851，R_t指t摄氏度时Pt100的电阻值TCR=(R₁₀₀-R₀)/(R₀×100)。

PT100电阻值与温度对应曲线如图2所示，数学关系式如下：

-200<t<0℃R_t=R₀[1+At+Bt²+C(t-100)t³]，0<t<850℃R_t=R₀（1+At+Bt²）

两路PT100铂电阻温度传感器芯片分别接入T1IN和T2IN端口，两路铂电阻温度传感器的电阻信号分别被两只运算放大器OP2177转换放大为标准的模拟电压信号，其中OP2177运算放大器由外部电源提供±12V直流电源。根据所需的量程范围由电路板中的电阻来调整放大倍数及输出电压范围，本发明量程为-50℃至300℃，对应的电压输出约为0至5V的模拟电压信号，两路温度的输出分别为T1OUT及T2OUT端口。且所测温度与电压输出值为线性关系，具体的对应关系式需对电路板进行标定后确定。当输入电阻较大或者断路时相应输出电压也升高而超过5V，为使采集仪器所采集的电压信号低于采集仪器的电压承受值，在温度电压信号输出端接一个稳压二极管保护采集设备的安全使用。本发明采用1N4733的5V稳压二级管。

振动加速度由三轴振动加速度传感器ADXL326实现，量程为±16g。三轴振动加速度传感器电路板由集成信号调理电路板供3.3V的直流电，经过加速度传感器电路板去耦电容滤除电源波纹后对三轴加速度芯片ADXL326进行供电，三轴加速度芯片的X/Y/Z三路振动加速度信号各自经过选定的电容低通滤波后输出0-3.3V的模拟电压信号。X轴和Y轴的带宽范围为0.5Hz至1600Hz，Z轴的带宽范围为0.5Hz至550Hz，可以根据应用选择合适的带宽，带宽由低通滤波电容设定，带宽f_–3dB=5μF/C，电容C单位为μF。输出模拟电压值线性对应于加速度传感器的量程。三轴加速度芯片ADXL326的灵敏度需要根据供电电压值确定，3V供电时的典型值为57mV/g,本发明供电为3.3V，理论值约为62.7mV/g，实际应用时为提高精度需要使用标准振动加速度校订仪器进行校订。

如图3、4所示，为了使采集设备更加便于安装，提出将采集设备安装到轴承内部，不仅感应元件离轴承内部部件更近，同时也省去了设备安装的麻烦，具体如图5所示。随轴承一起转动的钢隔圈上共有8个磁钢，分别间隔45°度，由此在周向将轴承分成8个区域。防尘盖上底部有一个霍尔传感器，当钢隔圈随轴承一起转动是，每当磁钢经过霍尔传感器时就会产生一个脉冲，轴承转动一圈即产生8个脉冲。

如图6所示，本发明还公开一种基于瞬变速度的智能轴承监测方法，其关键在于，包括如下步骤：

步骤1，周向将钢隔圈均匀分成若干区域并均匀安装磁钢，防尘盖上底部安装霍尔传感器，当钢隔圈随轴承一起转动时，当钢隔圈上的每个磁钢经过霍尔传感器时，霍尔传感器产生一个脉冲；

步骤2，通过所述霍尔传感器得到所述任意两个相邻脉冲之间的时间差，得到轴承在每个区域内的瞬时转速；

步骤3，通过加速度传感器采集轴承每个区域在时域信号，对每个区域的信号进行均等插值，以使每个区域的信号长度保持一致，得到时域平稳信号；

步骤4，根据所述轴承在每个区域的瞬时转速，得到每个区域内不同时刻轴承的转角随时间的变化关系，根据所述变化关系确定给定轴承转角位置对应的时间点，根据所述时间点对采集的时域信号进行插值重采样，就得到了具有稳定间隔的角域平稳信号。

一方面依据轴承每个区域的瞬时转速，对采集的振动时域信号进行插值重采样，从而实现角域上振动信号的平稳化；另一方面根据轴承每个区域采集的时域信号长度，对每个区域的信号进行均等插值，以使每个区域的信号长度保持一致，在时域上实现平稳化。一个磁钢经过霍尔传感器就会产生一个脉冲，轴承转动一圈即产生8个脉冲，在霍尔传感器开始采集数据的同时，加速度传感器也开始采集，我们由任意两个脉冲之间的时间差即可以得到在这段时间内轴承的瞬时角速度，同时也得到了在此两个脉冲之间的振动信号等角度采样的时标，从而得到了等角度采样的时刻序列，此时对振动信号进行等角度重采样，就得到了具有稳定间隔的等角度振动信号，提高了智能轴承的监测精度。

具体过程如下所述：

1）时域平稳信号

由加速度传感器采集的时域信号O，有两种表达形式，如式（1）所示，后者是对前者按轴承区域进行划分，两者本质是一样的。

$O=\{x_{t_1},x_{t_2},...,x_{t_N}\}$ 或 $O=\left\{\begin{array}{c}{x}_{{\mathrm{it}}_1},x_{{\mathrm{it}}_2},...,x_{{\mathrm{it}}_A}\\ ...\\ ...\\ ...\\ x_{{\mathrm{jt}}_1},x_{{\mathrm{jt}}_2},...,x_{{\mathrm{jt}}_B}\end{array}\right\}---\left(1\right)$

O：时域信号；N：时域信号长度；i,j：轴承区域序号；A,B：单个区域内时域信号长度；

由于轴承转速的波动，在一圈内，轴承转过每一个区域的时间是不同的，而时域采样频率F_St保持不变，则在每个区域内采集的数据长度会不一样，或A，或B，或其它。取所有区域中信号长度最大值，即S，据此对每个区域内的时域信号进行均等插值，使得插值后的每个区域信号长度均为S，由此即可获得相对平稳的时域振动信号Q。

$Q=\left\{\begin{array}{c}{x}_{{\mathrm{it}}_1},x_{{\mathrm{it}}_2},...,x_{{\mathrm{it}}_S}\\ ...\\ ...\\ ...\\ x_{{\mathrm{jt}}_1},x_{{\mathrm{jt}}_2},...,x_{{\mathrm{jt}}_S}\end{array}\right\}---\left(2\right)$

2）角域平稳信号

根据脉冲间的时间间隔可由式（3）计算出轴承在每个区域的瞬时转速，这比传统上将轴承在一圈之内的转速视为恒定的精度更高。

R_inst：瞬时转速；区域间的角度间隔，即45°；Δt_i：转过每个区域的时间；

i：区域序号

根据获得的轴承瞬变转速R_inst，可以算的每个区域内不同时刻轴承的转角θ(t)随时间的变化关系式，

θ(t)＝R_inst·t（4）

θ(t)：轴承转角；t：转动时间；

由θ(t)可以计算出给定转交位置对应的时间点，假定角域采样频率为F_Sθ，则角域采样间隔Δθ，

$\mathrm{\&Delta;\&theta;}=\frac{1}{F_{\mathrm{S\&theta;}}}---\left(5\right)$

Δθ：角域采样间隔；F_Sθ：角域采样频率；

对于给定的轴承转角位置θ_n，即可计算出对应的时间点t_n，

θ_n＝n·Δθ（6）

n：角域数据序号；θ_n：轴承转角位置；t_n：对应某转角位置的时间；

再根据t_n即可对采集的时域信号进行插值重采样，进而可以获得平稳的角域振动信号P。

$P=\{x_{{\mathrm{\&theta;}}_1},x_{{\mathrm{\&theta;}}_2},...,x_{{\mathrm{\&theta;}}_M}\}---\left(7\right)$

M：角域信号长度

本发明的有益效果是：

所述系统和方法的角域采样频率可以相对自由的设定，而且细化了每一圈的轴承转速，提高了转换精度，采集设备也无需额外的空间位置；同时，此方法同时获得了角域平稳信号与时域平稳信号。对转换后的角域平稳振动信号进行分析，降低了分析难度，也能更好的提取出轴承的状态信息，使检验轴承的运转情况成为简单的工作，以达到高效准确的轴承监测目的。

本发明通过在现有钢隔圈的外侧板外固定带磁钢的套环，在轴承的外圈上固定防尘罩，并在防尘罩内固定相应的传感器，从而提供了一种结构简单的包含复合传感器的轴承监测装置，实现了对转速、温度及振动加速度三种动态参数的实时调理与监测。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于瞬变速度的智能轴承监测系统，其特征在于，包括加速度传感器电路、两个霍尔传感器、两个温度传感器、信号调理电路、钢隔圈、磁钢和防尘盖，

所述加速度传感器电路分别连接电脑终端和信号调理电路，所述霍尔传感器连接信号调理电路转速测量输入端，所述信号调理电路转速测量输出端连接电脑终端，所述温度传感器连接所述信号调理电路温度转换输入端，所述信号调理电路温度转换输出端连接电脑终端；

两个霍尔传感器之间圆心角为90°，两个温度传感器也对称布置在加速度传感器的两边，所述两个温度传感器之间的圆心角小于90°，所述两个温度传感器布置在所述两个霍尔传感器之间，所述加速度传感器布置在所述两个温度传感器之间，所述两个霍尔传感器、两个温度传感器和加速度传感器安装于防尘盖上，所述钢隔圈圆周上均匀布置磁钢，所述钢隔圈固定于轴承上，轴承带动所述钢隔圈运动，所述防尘盖封盖钢隔圈，所述防尘盖相对于钢隔圈固定不动；

所述加速度传感器电路包括：加速度传感器、第一电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容和第五电容；

所述第一电阻一端连接加速度传感器，所述第一电阻另一端连接信号调理电路，所述第一电容一端分别连接信号调理电路、第二电容一端、第三电容一端和加速度传感器COM端，所述第一电容另一端连接加速度传感器X轴输出端，所述第二电容一端还连接信号调理电路、第三电容一端和加速度传感器COM端，所述第二电容另一端连接加速度传感器Y轴输出端，所述第三电容一端还连接信号调理电路和加速度传感器COM端，所述第四电容一端分别连接第一电阻一端和第五电容一端，所述第四电容另一端连接所述第五电容另一端，所述第五电容另一端连接所述加速度传感器；

所述信号调理电路包括：转速测量模块和温度转换模块，

所述转速测量模块分别连接两个霍尔传感器，通过霍尔传感器将轴承转速信息传送到转速测量模块，所述转速测量模块连接电脑终端，所述温度转换模块分别连接两个温度传感器，通过温度传感器将轴承温度信息传送到温度转换模块，温度转化模块连接电脑终端。

2.根据权利要求1所述的基于瞬变速度的智能轴承监测系统，其特征在于，所述加速度传感器电路还包括加速度传感器供电单元，所述加速度传感器供电单元一端连接直流供电电源，所述加速度传感器供电单元另一端连接加速度传感器。

3.根据权利要求2所述的基于瞬变速度的智能轴承监测系统，其特征在于，所述加速度传感器供电单元包括：第六电容、第七电容、第八电容、直流电源供电单元、稳压单元和加速度传感器供电芯片，

所述第六电容一端分别连接直流电源供电单元接地端和稳压单元接地端，所述第六电容另一端连接稳压单元和直流电源供电单元电压输出端，所述第七电容一端连接稳压单元接地端，所述第七电容另一端连接稳压单元输出端和加速度传感器供电芯片电压输出端，所述第八电容一端连接稳压单元接地端，所述第八电容另一端连接加速度传感器供电芯片电压输出端。

4.根据权利要求1所述的基于瞬变速度的智能轴承监测系统，其特征在于，所述转速测量模块包括：第一霍尔开关、第二霍尔开关、第二电阻、第三电阻、第九电容、第十电容、转速输出单元、第二稳压单元和直流电源供电单元；

所述第一霍尔开关电压端连接第三电阻一端，所述第一霍尔开关输出端连接第三电阻另一端，所述第三电阻另一端还分别连接第九电容一端和转速输出单元，所述第九电容另一端接地，所述第一霍尔开关电压端还连接第二霍尔开关电压端和第二稳压单元电压输出端，所述第二霍尔开关电压端还连接第二电阻一端，所述第二电阻另一端分别连接第二霍尔开关输出端和第十电容一端，所述第十电容另一端接地，所述第二稳压单元电压输入端连接所述直流电源供电单元电压输出端。

5.根据权利要求1所述的基于瞬变速度的智能轴承监测系统，其特征在于，所述温度转换模块包括：第一运算放大器、第二运算放大器、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、二极管、温度输出单元和温度传感器输入单元；

所述温度输出单元连接第十五电阻一端和二极管负极，所述第十五电阻另一端分别连接第十四电阻一端和第一运算放大器输出端，所述二极管正极分别连接第一运算放大器正极输入端和第二运算放大器正极输入端，所述第十四电阻另一端连接第一运算放大器负极输入端，所述第十四电阻另一端还分别连接第十二电阻一端和第十三电阻一端，所述第十二电阻另一端分别连接第十一电阻一端和直流电源供电单元电压输出端，所述第十一电阻另一端连接温度传感器输入单元，所述第二运算放大器输出端连接温度传感器输入单元。

6.一种基于瞬变速度的智能轴承监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，周向将钢隔圈均匀分成若干区域并均匀安装磁钢，防尘盖上底部安装霍尔传感器，当钢隔圈随轴承一起转动时，当钢隔圈上的每个磁钢经过霍尔传感器时，霍尔传感器产生一个脉冲；

步骤2，通过所述霍尔传感器得到任意两个相邻脉冲之间的时间差，得到轴承在每个区域内的瞬时转速；

步骤3，通过加速度传感器采集轴承每个区域的时域信号，对每个区域的信号进行均等插值，以使每个区域的信号长度保持一致，得到时域平稳信号；

步骤4，根据所述轴承在每个区域的瞬时转速，得到每个区域内不同时刻轴承的转角随时间的变化关系，根据所述变化关系确定给定轴承转角位置对应的时间点，根据所述时间点对采集的时域信号进行插值重采样，就得到了具有稳定间隔的角域平稳信号。

7.根据权利要求6所述的基于瞬变速度的智能轴承监测方法，其特征在于，所述步骤3包括：

步骤31，由加速度传感器采集的时域信号O，有两种表达形式，

$O=\{x_{t_1},x_{t_2},...,x_{t_N}\}$ 或 $O=\left\{\begin{array}{c}{x}_{{\mathrm{it}}_1},x_{{\mathrm{it}}_2},...,x_{{\mathrm{it}}_A}\\ ...\\ ...\\ ...\\ x_{{\mathrm{jt}}_1},x_{{\mathrm{jt}}_2},...,x_{{\mathrm{jt}}_B}\end{array}\right\},$

O为原始时域信号；N为时域信号长度；i,j为轴承区域序号；A,B分别为单个区域内时域信号长度，为第一时域信号，第N时域信号，为均等插值后轴承i区域内的第A时域信号，为均等插值后轴承j区域内的第B时域信号；

由于轴承转速的波动，在一圈内，轴承转过每一个区域的时间是不同的，而时域采样频率F_St保持不变，则在每个区域内采集的数据长度会不一样，或A，或B，取所有区域中信号长度最大值，即S，据此对每个区域内的时域信号进行均等插值，使得插值后的每个区域信号长度均为S，由此获得相对平稳的时域振动信号Q，公式如下：

$Q=\left\{\begin{array}{c}{x}_{{\mathrm{it}}_1},x_{{\mathrm{it}}_2},...,x_{{\mathrm{it}}_S}\\ ...\\ ...\\ ...\\ x_{{\mathrm{jt}}_1},x_{{\mathrm{jt}}_2},...,x_{{\mathrm{jt}}_S}\end{array}\right\},$

i,j为轴承区域序号；为均等插值后轴承i区域内的第S时域信号，为均等插值后轴承j区域内的第S时域信号。

8.根据权利要求6所述的基于瞬变速度的智能轴承监测方法，其特征在于，所述步骤4包括：

步骤41，根据脉冲间的时间间隔可计算出轴承在每个区域的瞬时转速，由如下公式计算：

R_inst为瞬时转速；为区域间的角度间隔；Δt_i为转过每个区域的时间，即脉冲间的时间间隔；i为区域序号；

根据获得的轴承瞬变转速R_inst，计算每个区域内不同时刻轴承的转角θ(t)随时间的变化关系式，

θ(t)＝R_inst·t

θ(t)为轴承转角；t为转动时间；

由θ(t)计算出给定转角位置对应的时间点，假定角域采样频率为F_Sθ，则角域采样间隔Δθ，如下公式：

$\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&theta;}=\frac{1}{F_{S\mathrm{\&theta;}}}$

Δθ为角域采样间隔；F_Sθ为角域采样频率；

对于给定的轴承转角位置θ_n，即可计算出对应的时间点t_n，

θ_n＝n·Δθ

n为角域数据序号；θ_n为轴承转角位置；t_n为对应某转角位置的插值采样时间点；

再根据t_n即可对采集的时域信号进行插值重采样，进而获得平稳的角域振动信号P，如下公式：

θ为轴承转角位置，M为角域信号长度。