CN104034369A - 一种故障诊断分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种故障诊断分析仪，三个加速度传感器、电压通道接口和超声波传感器依次通过跟随电路、抗混叠滤波器、放大器和AD转换器与采样控制板中的AD采样控制器连接，频闪仪接口依次通过跟随电路和整形电路与采样控制板连接，光电指示器通过控制电路与采样控制板中的捕捉及频闪定时器连接，采样控制板中的AD采样控制器、FIFO缓冲控制器和硬件FFT电路通过总线接口电路连接，核心主控板通过总线接口电路与采样控制板连接。本发明实现了通过振动、热成像、超声波、温度和磁通检测来诊断机械、电气设备的故障状态，尤其集成了频闪仪来直接确定转动设备的转频以及使用声音来对诊断点和状态做备注，提高了设备的便利性。

Description

一种故障诊断分析仪

技术领域

本发明涉及一种故障诊断分析仪，属于电气故障诊断技术领域。

背景技术

时域、频谱分析是利用频率域对信号进行分析、研究，目前已经应用于诸多领域，如通讯发射机以及干扰信号的测量、频谱的监测、器件的特性分析等等，不同领域对频谱分析仪应用的侧重点也不尽相同。

对信号进行时域的采集，然后对其进行傅立叶变换，将其转换成频域信号。通常将这种方法叫作动态信号的分析方法，其特点是比较快，有较高的采样速率，较高的分辨率。即使是两个信号间隔非常近，用傅立叶变换也可将它们分辨出来。但由于其分析是用数字采样，所能分析信号的最高频率受其采样速率的影响，限制了对高频的分析。目前来说，最高的分析频率只是在10MHz或是几十MHz，也就是说其测量范围是从直流到几十MHz。是矢量分析。这种分析方法一般用于低频信号的分析，如声音，振动等。

利用时域、频域分析技术，系统可以实时地显示时域波形和频谱曲线，并且可以通过按键将所需要的波形和频谱曲线存储到SRAM存储器中，并可以对其进行回放。通过观察频谱曲线特征频率，对于一些异常的振动频率可以很方便地判断出，检测人员可以根据经验给出故障预报，诸如不平衡、不对中、轴瓦破碎等，这样维修人员可以及时地处理各种异常问题，避免事故的发生和对车辆的损坏，具体可以实现对以下故障的检测：

对电机系统的磁通、电流、电压、轴电压进行信号采集，通过时域和频域的分析，可以诊断电机系统的故障，包括定子绕组，转子绕组中的断条、匝间短路等故障。超声检测系统可以对变压器、母排放电、液压系统、气动系统的泄漏进行超声诊。热成像检测，可以发现潜在的因发热等表象判断设备故障。

但是在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下缺点：功能和诊断方法单一，集成的功能较少；转频是转动设备最重要的参数，目前的诊断仪器，并没有集成该功能，需要手动录入，没有实时性和必要的精度，操作繁琐，对故障特征选择容易造成误判；没有采用语音备注，快速录入信息，保存采集设备有效信息的方法。

发明内容

本发明要解决的问题是针对以上不足，提供一种多功能诊断分析仪，克服了现有技术所存在的缺点，实现了通过振动、热成像、超声波、温度和磁通检测等多种手段来诊断机械、电气设备的故障状态，尤其集成了频闪仪来直接确定转动设备的转频以及使用声音来对诊断点和状态做备注，使用热成像技术等，提高了设备的便利性。为此，本发明提供了如下的技术方案：

一种故障诊断分析仪，包括：三个加速度传感器、电压通道接口、超声波传感器、频闪仪接口、光电指示器、热成像仪、采样控制板和核心主控板；三个加速度传感器均依次通过跟随电路、抗混叠滤波器、放大器和AD转换器与采样控制板中的AD采样控制器连接，电压通道接口依次通过跟随电路、抗混叠滤波器、放大器和AD转换器与采样控制板中的AD采样控制器连接，超声波传感器依次通过跟随电路、抗混叠滤波器、放大器和AD转换器与采样控制板中的AD采样控制器连接，频闪仪接口依次通过跟随电路和整形电路与采样控制板连接，光电指示器通过控制电路与采样控制板中的捕捉及频闪定时器连接，采样控制板中的AD采样控制器、FIFO缓冲控制器和硬件FFT电路通过总线接口电路连接，核心主控板通过总线接口电路与采样控制板连接。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的具体实施方式提供的故障诊断分析仪的结构示意图；

图2是本发明的具体实施方式提供的TFT显示屏与S3C2410处理器的数字接口的电路结构示意图；

图3是本发明的具体实施方式提供的S3C2410处理器的电路结构示意图；

图4是本发明的具体实施方式提供的信号输入接口板和底板的连接电路结构示意图；

图5是本发明的具体实施方式提供的触摸屏接口电路的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本具体实施方式提供了一种故障诊断分析仪，如图1所示，包括：三个加速度传感器1、电压通道接口2、超声波传感器3、频闪仪接口4、光电指示器5、热成像仪6、采样控制板7和核心主控板8；三个加速度传感器1均依次通过跟随电路9、抗混叠滤波器10、放大器11和AD转换器12与采样控制板7中的AD采样控制器71连接，电压通道接口2依次通过跟随电路9、抗混叠滤波器10、放大器11和AD转换器12与采样控制板7中的AD采样控制器71连接，超声波传感器3依次通过跟随电路9、抗混叠滤波器10、放大器11和AD转换器12与采样控制板7中的AD采样控制器71连接，频闪仪接口4依次通过跟随电路9和整形电路13与采样控制板7连接，光电指示器5通过控制电路14与采样控制板7中的捕捉及频闪定时器72连接，采样控制板7中的AD采样控制器71、FIFO缓冲控制器73和硬件FFT电路74通过总线接口电路75连接，核心主控板8通过总线接口电路75与采样控制板7连接。

具体的，核心主控板8主要由S3C2410处理器、16GB MMC存储器81、64MB RAM存储器82(2片HY57V561620)和64MB NAND FLASH存储器83(K9F1208)组成。核心主控板8的底板的接口采用144引脚的内存插槽，引出了16位的数据总线、16位的地址总线、IIC接口、SPI接口、IIS接口、JTAG接口、USB接口、LCD接口、触摸屏接口等CPU的输入输出口线等。S3C2410处理器设置有独立的16KB指令Cache和16KB数据Cache、MMU、支持TFT的LC D控制器、NAND闪存控制器、3路UART、4路DMA、4路带PWM的Timer、I/O口、RTC、8路10位ADC、Touch Screen接口、IIC-BUS接口、IIS-BUS接口、2个USB主机、1个USB设备、SD主机和MMC接口、2路SPI。S3C2410处理器最高可运行在203MHz，每秒钟的运算能力为203×1.1MIPS。核心主控板8的LCD接口与LCD显示器15连接，核心主控板8的通用IO接口与功能键接触接口16连接，核心主控板8的音频接口与音频设备17连接，在核心主控板8上设置有USB接口，在核心主控板8上设置有以太网接口。

核心主控板8的底板主要由TFT彩色屏接口、网络接口电路和触摸屏接口电路组成。S3C2410处理器自带LCD驱动器，所以显示接口可直接与TFT显示屏连接，例如采用的PD064VT4屏是一款640×480的高亮TFT彩屏，其亮度为400Cd/m²，非常适合工业场合的应用，信号接口包括：并行18位RGB，每种颜色用6位信号表示。TFT显示屏与S3C2410处理器的数字接口部分如图2所示。S3C2410处理器的LCD驱动器接口是24位的RGB接口，其输出信号为VD0-VD7、VD8-VD15、VD16-VD24，每种颜色用8位数字信号表示；PD064VT4TFT屏的接口是18位的RGB接口，每种颜色用6位数字信号表示，即R0-R5、G0-G5、B0-B5。连接时VD2-VD7和B0-B5相连，VD10-VD15和G0-G5相连，VD18-VD23和R0-R5相连。VD0、VD1、VD8、VD9、VD16、VD17不使用。

本具体实施方式提供的故障诊断分析仪可以对同步地旋转机械的水平方向、垂直方向、轴向进行振动信号的时域和频谱分析。首先，H通道、V通道和A通道的加速度传感器1采集到的振动信号在采样控制板7中的AD采样控制器71的控制下，经跟随电路9、抗混叠滤波电路10、放大器11等信号调理电路，送到AD采样控制器71变成数字信号后，再送到采样控制板7内部，由内部的FIFO缓冲控制器73保存在SRAM中，同时，时域数据在采样控制板7的硬件FFT电路74变换后将时域信号变成频域信号。最后，S3C2410处理器对时域数据和频域数据根据要求进行故障分析。电压通道接口2为多功能通道，可以连接磁通、电流等传感器的电压信号，经跟随电路9、抗混叠滤波电路10、放大器11等信号调理电路，送到AD采样控制器71变成数字信号后，再送到采样控制板7内部，由内部的FIFO缓冲控制器73保存在SRAM中，同时，时域数据在采样控制板7中的硬件FFT电路74变换后将时域信号变成频域信号。最后，S3C2410处理器对时域数据和频域数据根据要求进行故障分析。超声波传感器3对超声波信号进行采集，直接显示读取dB值。dB值和温度皆可直接在诊断仪动态设定，动态范围从20kHz-200kHz。

AD采样控制器71与核心主控板8的接口A/D芯片采用AD7864芯片，该芯片是一种高速、低功耗、可以4通道同时采样的A/D转换器。它的主要特性有：高速16位A/D转换器；同时采样4个输入通道，并具有4个采样、保持放大器；0.35μs采样保持获取时间，每一个通道转换时间1.65μs；可以通过软件或者硬件的方法选取用于采样的通道；单电源供电(+5V)；多个转换电压范围；具有高速并行接口，可以与处理器直接连接；低功耗，每通道功耗90mW；对于每一个模拟输入通道均有过压保护电路。AD78644通道同时工作时，最大采样率可以高达130kHz。用了2片AD7864，可以同时采样8路信号，同时监测8个通道。

通常的机械的转速的范围在100～30000转/分，即最高频率为500Hz，根据振动分析仪的采样需要，每个周期采128个点计算，采样频率不超过64kHz，这样的采样频率与S3C2410的CPU核心频率200MHz、外部数据总线频率的100MHz相比还是很低的。因此采用AD7864的A/D转换结束信号BUSY的下降沿中断CPU，然后由S3C2410直接读取A/D转换后的数据到内存中去。没有采用外部RAM缓存A/D转换后的数据或用FIFO来对数据进行缓存，然后再由CPU读取缓存里数据的方法。电路的实际测试结果是采样频率小于100kHz时，完全可以正确无误的读取到采样后的数据，大大的简化了A/D采样部分的电路设计及节省了电路成本。

S3C2410处理器的电路结构如图3所示。其中AIN1-AIN8是模拟信号的输入，DATA0-DATA11是S3C2410的数据总线的低12位，EINT0接S3C2410的外部中断线的0号线，nOE是S3C2410的读使能信号，AD7864的片选直接接S3C2410的NGCS1、NGCS2，对AD7864进行读操作用BANK1、BANK2的首地址，即0x0800000，0x1000000。CONV_START是采样频率信号，可以是外部的同步采样信号，每周期采128个点，也可以是内部PWM电路产生的内部非同步采样信号。

信号输入接口板可以接涡流传感器或磁电传感器或者标准的加速度传感器，每个通道根据接入的传感器类型不同，处理电路有所区别，电路主要由低通、高通滤波电路，有效值转换电路等组成，输出交流的波形信号或直流信号(间隙电压或振动烈度)，信号输入接口板还包括一个锁相环电路，使AD7864的采样频率是转速的128倍，即每个周期采样128点。信号输入接口板和底板的连接关系如图4所示。

IO1-IO7是S3C2410的8个IO口线，主要用来对信号输入接口板的输出信号进行选择，首先控制是按照或者标准的加速度传感器、涡流传感器处理还是按照磁电传感器处理，然后控制是输出交流的波形信号还是输出直流信号(间隙电压或振动烈度)。Ch01-ch08是信号输入接口板输出给AD7864去进行采样的交流或直流信号。KPH信号是转速信号，送到S3C2410的定时器去测量转速。CLK的频率是KPH频率的128倍，也即外部同步采样频率信号，通过信号输入接口板上的一个锁相环电路产生，COUT是由S3C2410的定时器对输入的CLK信号进行128分频产生，是反馈给锁相环电路的相位比较信号。

采用本具体实施方式提供的技术方案，实现了通过振动、热成像、超声波、温度和磁通检测来诊断机械、电气设备的故障状态，尤其集成了频闪仪来直接确定转动设备的转频以及使用声音来对诊断点和状态做备注，提高了设备的便利性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种故障诊断分析仪，其特征在于，包括：三个加速度传感器(1)、电压通道接口(2)、超声波传感器(3)、频闪仪接口(4)、光电指示器(5)、热成像仪(6)、采样控制板(7)和核心主控板(8)；三个加速度传感器(1)均依次通过跟随电路(9)、抗混叠滤波器(10)、放大器(11)和AD转换器(12)与采样控制板(7)中的AD采样控制器(71)连接，电压通道接口(2)依次通过跟随电路(9)、抗混叠滤波器(10)、放大器(11)和AD转换器(12)与采样控制板(7)中的AD采样控制器(71)连接，超声波传感器(3)依次通过跟随电路(9)、抗混叠滤波器(10)、放大器(11)和AD转换器(12)与采样控制板(7)中的AD采样控制器(71)连接，频闪仪接口(4)依次通过跟随电路(9)和整形电路(13)与采样控制板(7)连接，光电指示器(5)通过控制电路(14)与采样控制板(7)中的捕捉及频闪定时器(72)连接，采样控制板(7)中的AD采样控制器(71)、FIFO缓冲控制器(73)和硬件FFT电路(74)通过总线接口电路(75)连接，核心主控板(8)通过总线接口电路(75)与采样控制板(7)连接。

2.根据权利要求1所述的故障诊断分析仪，其特征在于，核心主控板(8)的LCD接口与LCD显示器(15)连接。

3.根据权利要求1所述的故障诊断分析仪，其特征在于，核心主控板(8)的通用IO接口与功能键接触接口(16)连接。

4.根据权利要求1所述的故障诊断分析仪，其特征在于，核心主控板(8)的音频接口与音频设备(17)连接。

5.根据权利要求1所述的故障诊断分析仪，其特征在于，核心主控板(8)的存储器接口分别与16GB MMC存储器(81)、64MB RAM存储器(82)和64MB NAND FLASH存储器(83)连接。

6.根据权利要求1所述的故障诊断分析仪，其特征在于，在核心主控板(8)上设置有USB接口。

7.根据权利要求1所述的故障诊断分析仪，其特征在于，在核心主控板(8)上设置有以太网接口。