CN103644963A - 一种振动信号采集处理模块及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空电子技术领域，涉及一种直升机转动部件的振动信号采集处理模块及处理方法。该模块包括顺次连接的传感器接口电路、可编程放大器、抗混叠滤波器、A/D转换电路以及FPGA，该方法步骤包括振动传感器将振动信号输入到传感器接口电路转换为电压信号，电压信号经过传感器接口电路内的高通滤波器，滤除信号中的直流分量。本发明通过FPGA对A/D转换进行控制，相比CPU控制A/D转换方式，提高了采样频率和实时性；通过采用抗混叠滤波技术，可灵活设置滤波器的阶数和截止频率，提高了滤波器的阻带下降斜率，增强了信号抗干扰能力。

Description

一种振动信号采集处理模块及处理方法

技术领域

本发明属于航空电子技术领域，涉及一种直升机转动部件的振动信号采集处理模块及处理方法。

背景技术：

直升机旋翼、尾桨、传动系统等动部件的故障直接影响直升机的飞行安全，因此对直升机的动部件进行监测及诊断成为装备保障的重要内容之一。由于直升机结构特殊，一些关键部件很难实现冗余设计，一旦发生故障将造成严重后果，因此需要对直升机的动部件进行实时监测，对可能发生的故障提前预测，避免事故的发生。

HUMS是直升机状态监视和故障诊断系统（Health and Usage MonitoringSystem）的缩写（直译为健康和使用监视系统），通过监测直升机动部件的运行状况，为系统维护和使用提供合理信息，提高直升机的可靠性、维修性和保障性。

早在二十世纪八十年代英国已经开始应用直升机故障诊断系统。目前，国内直升机故障诊断系统的研究基础比较薄弱，仅有一些大学和研究所在不同领域开展了一些初步研究，直升机故障诊断技术还处在探索阶段，不能满足直升机维护的需要。

在直升机故障诊断系统中，常用的状态监视和故障诊断方法包括：发动机功率监测、金属屑监测、传动系统振动信号监测和发动机部件寿命监测等。目前，应用于直升机转动部件的故障诊断方法主要是振动信号分析法，振动信号分析法通过安装在适当位置的振动传感器监测发动机和传动系统产生的振动信号，并对此信号进行分析和处理来判断部件的工作状况。振动信号分析方法是实现故障诊断的有效方法之一，通过对振动信号实时分析，并依据适当的故障模型判断部件当前的工作状态，为系统使用和维护提供合理信息。

发明内容

发明目的：为了对直升机转动部件的振动信号进行处理和分析，以实现直升机状态监测和故障诊断功能，一种振动信号采集处理模块及处理方法。

技术方案：一种振动信号采集处理模块，该模块包括顺次连接的传感器接口电路、可编程放大器、抗混叠滤波器、A/D转换电路以及FPGA，所述FPGA控制可编程放大器和A/D转换电路，FPGA还连接有自检电路，为其提供测试的基准电压，用于BIT检测，DSP从FPGA中读取采样数据，提取振动信号的特征值，对数据进行处理和分析，将分析结果存放在FPGA内部的RAM中供主控板读取。

所述传感器接口电路为振动传感器提供匹配接口，使用恒流源二极管CR220形成恒流源驱动电路，+24VDC供电，CR220输出额定电流为2.2mA，在+24VDC和地极之间设置有保护二极管V1和V2，IOUT+和IOUT-为传感器驱动输入和信号输出复用端，振动传感器输出电压信号经过隔直电容C1，滤除信号中的直流分量，电阻R2和电容C1构成RC高通滤波电路，RC高通滤波电路与LM124电压跟随器的同相输入端连接，LM124电压跟随器连接到单刀双掷开关的常闭端，经过自检电路输出到可编程放大器的同相输入端。

一种振动信号采集处理方法，利用到振动信号采集处理模块，包括以下步骤：

振动传感器将振动信号输入到传感器接口电路转换为电压信号，电压信号经过传感器接口电路内的高通滤波器，滤除信号中的直流分量，输出到可编程放大器，可编程放大器接收FPGA的命令，调节信号的放大倍数，确保被采信号处于合适的电压区间，放大后的信号输出到抗混叠滤波电路，抗混叠滤波电路内的集成连续时间滤波器滤除信号中的高频干扰信号，输出到A/D转换电路，A/D转换电路对输入的信号进行16位同步采集，FPGA产生A/D转换电路控制时序，读取A/D转换电路产生的数据并将数据存放在FPGA内部的RAM中，DSP从FPGA内部的RAM中读取采样数据，提取振动信号的特征值，对数据进行FFT处理，将处理结果存放在FPGA内部的RAM中。

优选地，可同时对多路信号进行处理，每路信号都设置有独立的可编程放大器。

有益效果：本发明通过FPGA对A/D转换进行控制，相比CPU控制A/D转换方式，提高了采样频率和实时性；通过采用抗混叠滤波技术，可灵活设置滤波器的阶数和截止频率，提高了滤波器的阻带下降斜率，增强了信号抗干扰能力；通过DSP提取振动信号的特征值，进行实时分析，减小了产生的数据量，减轻了对后端记录设备的压力，提高了故障维护的时效性；当直升机转动部件出现故障时，通过考察振动信号的频率成分、振幅和相位变化，即振动信号的频谱中出现异常分量，根据异常分量的特征值比对进行故障判断和定位。

附图说明

图1  是振动信号采集处理模块原理框图

图2  是振动传感器接口电路示意图

图3  是可编程放大器示意图

图4  是抗混叠滤波器原理图

图5  是A/D转换电路示意图

图6  是并行接口A/D转换时序图

图7  是自检电路示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述，请参阅图1至图7。

如图1所示，振动信号采集采集处理模块主要包括：振动传感器接口电路、可编程放大器、抗混叠滤波器、A/D转换电器、自检电路、FPGA、DSP等电路组成。

传感器接口电路为振动传感器提供匹配接口，将振动信号转换为电压信号，输出信号经过高通滤波器，滤除信号中的直流分量。振动传感器接口电路如图2所示，使用恒流源二极管CR220设计恒流源驱动电路，+24VDC供电，CR220输出额定电流为2.2mA。图中V1和V2为保护二极管。IOUT+和IOUT-为传感器驱动输入和信号输出复用端，振动传感器的灵敏度为100mV/g，输出信号为±5V信号，其直流偏置电压为+12V。振动传感器输出电压信号经过隔直电容C1，滤除信号中的直流分量，电阻R2和电容C1构成RC高通滤波电路，C1的容值为22uF，R2的阻值取3.6kΩ，得到高通滤波器的截止频率为2.01Hz，高通滤波器消除频率低于2.01Hz的信号成分，避免这些频率的信号影响整个增益的设置和信号的频谱分析。经过高通滤波器滤波的振动信号输出到LM124电压跟随器的同相输入端，LM124具有1MHz带宽，电压跟随器连接到单刀双掷开关的常闭端，经过自检电路输出到可编程放大器的同相输入端。

可编程放大器接收FPGA的命令，调节信号的放大倍数，每路振动信号都设置有独立的可编程放大器。如图3所示，REF引脚设定输出信号的偏置电压，此处接地，偏置电压为0。FPGA通过数据线A0、A1设置可编程放大器的增益系数，在/WR的下降沿，将增益系数写到相应可编程放大器的增益锁存器中。

抗混叠滤波电路使用集成连续时间滤波器，滤除信号中的高频干扰信号，防止采集的振动信号产生混叠。抗混叠滤波器选用MAXIM公司的MAX274，该芯片为集成连续时间滤波器，由4个二阶滤波器组成。可+5V或±5V供电。由于MAX274内部没有时钟信号，设计的滤波器没有时钟噪声，因而该滤波器适用于振动分析。使用MAXIM公司提供的MAX274软件计算MAX274外接电阻的阻值。在软件中设置滤波器的阶数、采样频率和截止频率，就可以得到滤波器的频率响应图和外接电阻的阻值。MAX274中滤波器内部原理图如图4所示。R1、R2、R3、R4为四个外接电阻，IN为信号输入端，LPO为低通滤波器输出引脚，BPO为带通滤波器输出引脚。FC引脚接地时，RY/RX=5：1。在设计滤波器时，应了解振动传感器输出信号的有效频率范围。按照振动信号抗混叠滤波要求，设置滤波器的阶数和截止频率。

A/D转换电路对输入的多路振动信号进行16位同步采集（至少6路同步），工程应用中，采样频率一般采用信号最高有效频率的3～5倍。在本文描述的振动信号采集处理模块中，振动信号采集频率为96kHz，A/D转换芯片选用AD公司的AD7656，该芯片包含6路相互独立的16位、高速、低功耗、逐次逼近型A/D转换器，芯片的最高采样率可达250kHz。供电电压±5V～±15V。可以以并行和串行的方式与外接电路接口，输出信号兼容3.3V或5V电平，因而该芯片很容易与微处理器或DSP接口。AD7656外围电路如图5所示，每个CONVST信号控制两路A/D转换器同时进行转换。AD7656的参考电压由外部接入，参考电压值为

+2.5V。Vdrive引脚为逻辑输出电平，此处Vdrive接3.3V，即A/D转换器与其它芯片接口电平为3.3V。H/S SEL引脚设置AD7576的工作模式，当H/S SEL引脚接地时，由CONVST引脚触发A/D转换，当H/S SEL引脚接3.3V时，由芯片内部的控制寄存器触发A/D转换。此处H/S SEL引脚接低电平。RANGE为输入信号电压范围设置引脚，接+3.3V时，输入信号范围为±2*Vref。接地时，输入信号范围为±4*Vref。此处RANGE引脚接3.3V，输入信号范围为±5V。W/B接低电平，A/D转换器并行数据总线DB[0：15]传输数据。由FPGA生成A/D转换控制时序，并读取转换结果存放在FPGA内部RAM中。A/D转换时序图如图6所示。整个采样过程由FPGA根据系统要求统一调度，由同步信号触发A/D转换，当FPGA检测到同步信号到来时，向A/D转换芯片相应通道发出CONVST信号，采集固定点数的振动信号。在FPGA内部生成双口RAM作为数据缓存，DSP从双口RAM中读取采样数据。

自检电路为振动信号采集处理模块提供测试的基准电压，用于BIT检测。振动信号的自检电路原理示意图如图7所示。通过IN1和IN2控制SPDT开关的状态，分别选择输出信号为+2.5V、0V（地）或VB（振动信号），实现电路的自检测和振动信号测量。通过采集地电平信号，可以对系统的零点进行校验。单刀双掷开关选用MAXIM公司的MAX333，该芯片包含四个单刀双掷模拟开关，供电电压为±4.5V～±20V，此处接±5V电源，逻辑输入兼容CMOS/TTL电平。

FPGA产生A/D转换控制时序，读取A/D转换产生的数据并将数据存放在FPGA内部的RAM中。FPGA对可编程放大器进行控制，确保被采信号处于合适的电压区间，从而提高采样精度。

DSP从FPGA中读取采样数据，对数据进行预处理，通过对数据进行快速傅里叶变换提取振动信号的特征值，利用故障诊断模型算法进行分析，将分析结果存放在FPGA内部的RAM中供主控板读取。

本发明通过FPGA对A/D转换进行控制，相比CPU控制A/D转换方式，提高了采样频率和实时性；通过采用抗混叠滤波技术，可灵活设置滤波器的阶数和截止频率，提高了滤波器的阻带下降斜率，增强了信号抗干扰能力；通过DSP提取振动信号的特征值，进行实时分析，减小了产生的数据量，减轻了对后端记录设备的压力，提高了故障维护的时效性；当直升机转动部件出现故障时，通过考察振动信号的频率成分、振幅和相位变化，即振动信号的频谱中出现异常分量，根据异常分量的特征值比对进行故障判断和定位。

Claims (4)

1.一种振动信号采集处理模块，其特征在于，该模块包括顺次连接的传感器接口电路、可编程放大器、抗混叠滤波器、A/D转换电路以及FPGA，所述FPGA控制可编程放大器和A/D转换电路，FPGA还连接有自检电路，为其提供测试的基准电压，用于BIT检测，DSP从FPGA中读取采样数据，提取振动信号的特征值，对数据进行处理和分析，将分析结果存放在FPGA内部的RAM中供主控板读取。

2.根据权利要求1所述的一种振动信号采集处理模块，其特征在于，所述传感器接口电路为振动传感器提供匹配接口，使用恒流源二极管CR220形成恒流源驱动电路，+24VDC供电，CR220输出额定电流为2.2mA，在+24VDC和地极之间设置有保护二极管V1和V2，IOUT+和IOUT-为传感器驱动输入和信号输出复用端，振动传感器输出电压信号经过隔直电容C1，滤除信号中的直流分量，电阻R2和电容C1构成RC高通滤波电路，RC高通滤波电路与LM124电压跟随器的同相输入端连接，LM124电压跟随器连接到单刀双掷开关的常闭端，经过自检电路输出到可编程放大器的同相输入端。

3.一种振动信号采集处理方法，其特征在于，利用到振动信号采集处理模块，包括以下步骤：

振动传感器将振动信号输入到传感器接口电路转换为电压信号，电压信号经过传感器接口电路内的高通滤波器，滤除信号中的直流分量，输出到可编程放大器，可编程放大器接收FPGA的命令，调节信号的放大倍数，确保被采信号处于合适的电压区间，放大后的信号输出到抗混叠滤波电路，抗混叠滤波电路内的集成连续时间滤波器滤除信号中的高频干扰信号，输出到A/D转换电路，A/D转换电路对输入的信号进行16位同步采集，FPGA产生A/D转换电路控制时序，读取A/D转换电路产生的数据并将数据存放在FPGA内部的RAM中，DSP从FPGA内部的RAM中读取采样数据，提取振动信号的特征值，对数据进行FFT处理，将处理结果存放在FPGA内部的RAM中。

4.根据权利要求3所述的一种振动信号采集处理方法，其特征在于，可同时对多路信号进行处理，每路信号都设置有独立的可编程放大器。

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