CN104180895A - 旋转机械的振动信号同步采集装置及振动信号采集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种旋转机械的振动信号同步采集装置，包括：转速传感器通过整形电路将原始键相信号发送至数字逻辑单元；加速度传感器通过可编程增益放大器将采集的信号发送至抗混叠滤波器经数模转换器后发送至数字逻辑单元，数字逻辑单元返回数模转换触发输出至数模转换器；数字逻辑单元接收系统时钟fsystem。本发明还公开了一种旋转机械振动信号的同步采集方法。本发明能实现旋转机械的振动信号转速等时间间隔采样或等角度间隔同步采样。
Description
技术领域
本发明涉及机电领域，特别是涉及一种旋转机械的振动信号同步采集装置；本发明还涉及一种旋转机械的振动信号同步采集方法。
背景技术
振动信号监测是保证机械设备安全运转的、一个不可缺失的环节，对于提高系统可靠性、保障设备的可用性具有重要的经济和现实意义。而获得原始振动信号的采集方式直接关系到后续的信号分析、故障诊断、维护预报的可靠性及准确性。
旋转机械振动监测是在旋转机械被测轴上设置一个键相标记。轴每转一圈，键相传感器就会产生一个脉冲信号，产生的时刻表明了轴在每转周期中的位置。将键相脉冲与轴的振动信号比较，可以确定振动的相位角，用于轴的动平衡分析以及设备的故障分析与诊断等方面。在工程应用上，通过键相脉冲，控制振动信号的同步整周期等间隔采样。
目前，同步整周期等间隔的获得方法有：
一、锁相环PLL同步法，如图1所示，压控振荡器VCO给出的信号，一部分作为输出fout，另一部分通过程控分频器与PLL所产生的本振信号作相位比较，为了保持频率不变，就要求相位差不发生改变，如果有相位差的变化，则PLL的电压输出端的电压发生变化，去控制VCO，直到相位差恢复，达到闭环控制锁频的目的。当输入转速稳定时，PLL输出fout频率严格等于fi*M，但是转速不稳定时，比如加速或减速过程，fi并不稳定，PLL受跟踪速度限制，就会失锁。若此时用fout触发A/D转换，就做不到同步等间隔采样。另外，该方法只能实现等时间间隔。
二、数字预测同步法，这种方法完全依靠程序的计算。系统首先捕捉到两个时间相邻的键相转速脉冲，然后计算出周期，将这个周期等间隔分成M份，控制计数器触发A/D转换，达到同步等间隔采样。当转速稳定时，该方法尚可，但是当转速不稳定时，必须根据得到的一系列转速周期，计算其趋势，预测到下一个转速周期，进行预补偿，本身也是一个软件闭环控制。该方法可以实现等时间间隔或等角度间隔。但是由于是预测，不可能与实际完全合拍，这也是该方法的缺陷。
发明内容
本发明要解决的问题就是提供一种能实现转速等时间间隔采样或等角度间隔同步采样旋转机械的振动信号采集装置。本发明还提供了一种旋转机械的振动信号采集方法。
为解决上述技术问题本发明的旋转机械的振动信号采集装置，包括：转速传感器S通过整形电路SC将原始键相信号f发送至数字逻辑单元DL；
加速度传感器A通过可编程增益放大器PA将采集的信号发送至抗混叠滤波器AH经数模转换器A/D后发送至数字逻辑单元DL，数字逻辑单元DL返回数模转换触发输出fsample至数模转换器A/D；
数字逻辑单元DL接收系统时钟fsystem。
其中，所述数字逻辑单元简DL包括:计数器C接收整形电路SC输出的原始键相脉冲信号f和数模转换器A/D启停控制信号,输出信号至键相信号周期跳变时刻捕捉寄存器KCR和数模转换时刻寄存器A/DCR以及数模转换触发输出fsample；
锁存器L接收整形电路SC输出的原始键相脉冲信号f、数模转换器A/D启停控制信号和系统时钟fsystem，输出锁存后键相信号fi至键相信号周期跳变时刻捕捉寄存器KCR。
本发明旋转机械的振动信号采集方法，包括:
1)键相脉冲信号和振动信号在同一时钟的驱动下被采样，每次采样数据都有一个该时钟的时间戳，系统将采样数据序列、时间戳序列同步保存；
2)得到一个完整的键相脉冲周期后，提取振动信号的原始A/D转换数据序列、时间戳序列T0,T1……Tn和键相脉冲跳变时间戳t1,t2,将t1-t2周期按照设定的等时间或等角度间隔A进行划分，则有新的时间序列t1,t1+A,t1+2A,……t2，保证插值精度，A/D转换时间间隔小于0.2*A；
3)在所述新的时间序列t1,t1+A,t1+2A,……t2中寻找与时间戳序列T0，T1……Tn中数值相近的点，以时间函数对振动信号的原始A/D转换数据序列进行分段抛物线插值算法处理，得到新的A/D序列；
4)对新的A/D序列进行后续分析处理。
本发明先采样后处理的方式，A/D转换采样频率固定，不需跟踪转速频率的变化。本发明的准确度取决于系统时钟的频率和A/D转换采样频率及精度及插值算法，系统频率越高，键相脉冲周期的分辨率也越高（最大误差接近系统时钟周期）；A/D转换采样位数及采样频率越高，相当于原始插值曲线保真度也越高。最后就是插值算法，本装置采用分段抛物线插值算法，运算量适中，有较高精度。本发明能实现旋转机械的振动信号转速等时间间隔采样或等角度间隔同步采集。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是一种采用锁相环PLL同步法的振动信号采集装置结构示意图。
图2是本发明旋转机械的振动信号采集装置结构示意图。
图3是本发明数字逻辑单元结构示意图。
图4是本发明一实施例分段抛物线插值算法的示意图。
图5是本发明一实施例以高频率的时钟fsystem作为向上计数器时钟源的示意图。
图6是本发明一实施例数模转换转换控制时序、转速脉冲捕捉和时间戳生成时序示意图。
附图标记说明
转速输入SI
鉴相器PD
环路滤波器LF
压控振荡器VCO
程控分频器MM
转速传感器S
通过整形电路SC
原始键相信号f
数字逻辑单元DL
加速度传感器A
可编程增益放大器PA
抗混叠滤波器AH
数模转换器A/D
数字逻辑单元DL
数模转换触发输出fsample,fsample=fsystem/M,M为系统时钟个数
系统时钟fsystem
计数器C
数模转换器A/D启停控制信号SS
键相信号周期跳变时刻捕捉寄存器KCR
数模转换转换时刻寄存器A/DCR
数模转换转换触发输出fsample
锁存器L
锁存后键相信号fi
数模转换时刻输出T0,T1……Tn
键相信号周期跳变时刻输出t1,t2
T0,T1,T2分段插值后构造曲线y=p(t)
实际曲线y=f(t)
系统时钟周期T，T=1/fsytem
时刻T0,T1,Tn,t1,t2；其中，0为时刻基准。
具体实施方式
如图2所示，本发明的旋转机械的振动信号采集装置，包括：转速传感器S通过整形电路SC将原始键相信号f发送至数字逻辑单元DL；
加速度传感器A通过可编程增益放大器PA将采集的信号发送至抗混叠滤波器AH经数模转换器A/D后发送至数字逻辑单元DL，数字逻辑单元DL返回数模转换触发输出fsample至数模转换器A/D；
数字逻辑单元DL接收系统时钟fsystem。
如图3所示，所述数字逻辑单元简DL包括:计数器C接收整形电路SC输出的原始键相脉冲信号f和数模转换器A/D启停控制信号,输出信号至键相信号周期跳变时刻捕捉寄存器KCR和数模转换时刻寄存器A/DCR以及数模转换触发输出fsample；
锁存器L接收整形电路SC输出的原始键相脉冲信号f、数模转换器A/D启停控制信号和系统时钟fsystem，输出锁存后键相信号fi至键相信号周期跳变时刻捕捉寄存器KCR。
如图4至图6所示，本发明旋转机械的振动信号采集方法，包括:
1)对来自同一时钟的键相脉冲信号和振动信号采样，每次采样数据都有一个该时钟的时间戳，将采样数据序列、时间戳序列同步保存；
2)得到一个完整的键相脉冲周期后，提取数模转换数据序列、时间戳序列T0,T1……Tn和键相脉冲跳变时间戳t1,t2,将t1-t2周期按照等时间或等角度间隔划分为设定的间隔A，则有新的时间序列t1,t1+A,t1+2A,……t2，保证插值精度，A/D转换时间间隔小于0.2*A；
3)在所述新的时间序列t1,t1+A,t1+2A,……t2中寻找与时间戳序T0，T1……Tn中数值相近的点，以时间函数对原始的数模转换数据序列进行分段抛物线插值算法处理，得到新的A/D序列；
4)对新的A/D序列进行后续分析处理得出振动信号；
系统时钟周期T，T=1/fsytem；
数模转换触发输出fsample,fsample=fsystem/M,M为系统时钟个数；
T1=M*T,T2=2M*T,Tn=n*M*T;
以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种旋转机械的振动信号同步采集装置，其特征是，包括：转速传感器（S）通过整形电路（SC）将原始键相信号（f）发送至数字逻辑单元（DL）；
加速度传感器（A）通过可编程增益放大器（PA）将采集的信号发送至抗混叠滤波器（AH）经数模转换器（A/D）后发送至数字逻辑单元（DL），数字逻辑单元（DL）返回数模转换触发输出（fsample）至数模转换器（A/D）；
数字逻辑单元（DL）接收系统时钟（fsystem）。
2.如权利要求1所述旋转机械的振动信号同步采集装置，其特征是:所述数字逻辑单元（DL）包括:计数器（C）接收整形电路（SC）输出的原始键相脉冲信号（f）和数模转换器（A/D）启停控制信号,输出信号至键相信号周期跳变时刻捕捉寄存器（KCR）和数模转换时刻寄存器（A/DCR）以及数模转换触发输出（fsample）；
锁存器（L）接收整形电路（SC）输出的原始键相脉冲信号（f）、数模转换器（A/D）启停控制信号和系统时钟（fsystem），输出锁存后键相信号（fi）至键相信号周期跳变时刻捕捉寄存器（KCR）。
3.一种旋转机械的振动信号采集方法，其特征是，包括:
1)键相脉冲信号和振动信号在同一时钟的驱动下被采样，每次采样数据都有一个该时钟的时间戳，系统将采样数据序列、时间戳序列同步保存；
2)得到一个完整的键相脉冲周期后，提取振动信号原始的A/D转换数据序列、时间戳序列T0,T1……Tn和键相脉冲跳变时间戳t1,t2,将t1-t2周期按照设定的等时间或等角度间隔A进行划分，则有新的时间序列t1,t1+A,t1+2A,……t2，为保证插值精度，A/D转换时间间隔小于0.2*A；
3)在所述新的时间序列t1,t1+A,t1+2A,……t2中寻找与时间戳序列T0，T1……Tn中数值相近的点，以时间函数对振动信号原始的A/D转换数据序列进行插值算法处理，得到新的A/D序列；
4)对新的A/D序列进行后续分析处理得出振动信号。
4.如权利要求3所述旋转机械的振动信号采集方法，其特征是：所述插值算法是分段抛物线插值算法。
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