CN104236796A - 轴系状态信息采集智能转速传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于旋转机械在线状态监测技术领域。轴系状态信息采集智能转速传感器，它包括转速传感器、转速提取模块、状态分析模块以及3G通信模块；转速传感器，采集旋转机械轴系转动过程中的瞬时转速信号；转速提取模块，用于对转速传感器采集的原始电压信号进行调理和计算；状态分析模块，用于分析旋转机械轴承的磨损状态或者轴系的动平衡状态，并根据分析的结果进行显示、预警和存储。它实时输出旋转机械的瞬时转速及平均转速，并通过对瞬时转速进行原始信号的采集以及平滑处理、载波频率的计算、频谱分析、极坐标分析四个步骤的分析计算，输出轴系动平衡及轴承状态信息，为旋转机械的轴系状态分析提供一种全新的技术手段。

Description

轴系状态信息采集智能转速传感器

技术领域

本发明属于旋转机械动平衡在线监测技术领域，涉及一种轴系状态信息采集智能转速传感器。

背景技术

对于工程中的各种旋转机械，由于材质不均匀或毛坯缺陷、加工及装配中产生的误差，甚至设计时就具有非对称的几何形状等多种因素，使得旋转机械在旋转时，其上每个微小质点产生的离心惯性力不能相互抵消，离心惯性力通过轴承作用到机械及其基础上，引起振动，产生了噪音，加速轴承磨损，缩短了机械寿命，严重时能造成破坏性事故。为此，必须对旋转机械进行平衡分析，使其达到允许的平衡精度等级，或使产生的机械振动幅度降在允许的范围内。

旋转机械动平衡状态监测分为离线定期监测和在线监测两种方式，离线定期监测首先用磁带记录仪或数据采集器对转子的特征信号进行收集，然后送入频谱分析仪进行动平衡分析；而在线监测是对机组各测点的特征信号进行实时记录、监测和分析，一旦机组发生故障，及时进行动平衡的故障预警。但是目前的旋转机械动平衡状态监测设备大多基于振动信号进行动平衡分析，结构复杂、价格昂贵，维护和改进更新困难，不利于大量推广。

发明内容

本发明的目的是提供一种轴系状态信息采集智能转速传感器，在线实时采集旋转机械转子的瞬时转速信号，进行瞬时转速的分析与计算，输出转子的转速、轴承的状态及轴系的动平衡数据，为旋转机械的轴系状态分析提供一种全新的技术手段。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：轴系状态信息采集智能转速传感器，其特征在于：实时输出旋转机械的瞬时转速及平均转速，并通过对瞬时转速的分析计算，同时输出轴系动平衡和轴承状态信息；

它包括转速传感器2、转速提取模块3、状态分析模块4以及3G通信模块5；所述的转速传感器2与转速提取模块3的J4端口相连，转速提取模块3的Speed端口与状态分析模块4的微处理器单元6的AD端口相连，3G通信模块5与状态分析模块4的微处理器单元6的RS232端口相连；所述转速传感器2设置在旋转机械轴系1的转子齿圈处，并安装在旋转机械的机体上，转速传感器2采用非接触式的转速传感器。

转速传感器2采用非接触式的，利用转速传感器感应轴系转动时齿圈磁通量的变化，产生的原始电压信号，并以模拟信号的形式输出给转速提取模块3；

转速提取模块3，用于对转速传感器2产生的原始电压信号进行调理，剔除其中的畸点和高频信号，并将处理后的瞬时转速信号传输到状态分析模块4的微处理器单元6；

状态分析模块4，用于分析采集旋转机械转动时轴承与转子的动平衡状态，通过将采集的信息进行分析处理，计算出瞬时转速信号；然后通过频谱分析和极坐标分析，提取第1.0次谐波的幅值和相位，作为轴系动平衡和轴承状态分析的特征参数；进而根据设定的门限值和极坐标图像判断轴承的磨损状态或者轴系的动平衡状态，并根据分析的结果进行显示、预警和存储；

3G通信模块5采用HUAWEI EM560，用于将状态分析模块4的数据信息发送到指定的监控中心；同时，还可以接收监控中心发出的指令，并将接收到的指令传输给状态分析模块4。

所述的状态分析模块4由微处理器单元(MCU)6、电源模块7以及LED显示模块8组成；

微处理器单元(MCU)6主要完成对瞬时转速信号的采集、滤波处理和频谱分析，并将处理后的数据信息经CAN通信模块发送到CAN总线上；

电源模块7，由开关电源、调制电路组成，其中微处理器单元6采用3.3V和1.8V双电源供电；开关电源采用MIWE NES-35-12，将外部供电转换为12V；调制电路将12V转换为5V，用于对LED显示模块8供电；进而将5V转换为3.3V和1.8V，用于对微处理器单元6供电；

LED显示模块8，由多个发光二极管组成，用于显示微处理器单元(MCU)6处理后的旋转机械的实时状态以及报警信息，LED显示模块8与存储微处理器单元(MCU)6的I/O口相连。

轴系状态信息采集智能转速传感器，其特征在于实时输出旋转机械的瞬时转速及平均转速，并通过对瞬时转速的分析计算，同时输出轴系动平衡和轴承状态信息；瞬时转速的分析计算包括原始信号的采集以及平滑处理、载波频率的计算、频谱分析、极坐标分析四个步骤。

在旋转机械转动的过程中，微处理器单元(MCU)利用非接触的转速传感器，在线实时采集转子转动的电压信号，通过转速提取模块对采集的原始电压信号进行调理，采用FFT/IFFT、Hilbert变换以及极坐标法，进行数据的处理、分析、显示、预警和存储，并将处理后的数据通过3G通信模块远距离无线输送到地面数据库，得到轴承状态和轴系的动平衡状态信息，实现了对旋转机械轴系的工作状态的在线监测。

本发明的有益效果是：

1.采用非接触式的转速传感器采集转子转动的瞬时转速信号，具有价格便宜、寿命较长的优点；

2.采用微处理器单元(MCU)对瞬时转速信号进行动平衡分析，实现了低成本、低耗电的在线监测；

3.采用3G无线通信技术进行数据传输与控制，避免了传统数据传输方式带来的电缆施工，大大降低了施工的难度和设备安装成本。

附图说明

图1为本发明轴系状态信息采集智能转速传感器的结构示意图。

图2为本发明状态分析模块的结构示意图。

图3为本发明转速提取模块的电路图。

图4为本发明电源模块的电路图。

图中，1-旋转机械轴系，2-转速传感器，3-转速提取模块，4-状态分析模块，5-3G通信模块，6-微处理器单元(MCU)，7-电源模块，8-LED显示模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1、图2所示，轴系状态信息采集智能转速传感器，实时输出旋转机械的瞬时转速及平均转速，并通过对瞬时转速的分析计算，同时输出轴系动平衡和轴承状态信息；

它包括转速传感器2、转速提取模块3、状态分析模块4以及3G通信模块5；

旋转机械轴系1，用于转速传感器感应旋转机械轴系转动时位置信息，若轴系上有足够齿数的飞轮，则飞轮可作为轴系的齿圈；否则，采用间隔磁片组成的磁带环作为轴系的齿圈；

转速传感器2，设置在旋转机械轴系1的齿圈处(其中转速传感器2与轴系的齿圈不接触)，安装在旋转机械的机体上，转速传感器2采用非接触式的，利用转速传感器感应轴系转动时齿圈磁通量的变化，产生的原始电压信号，并以模拟信号的形式输出给转速提取模块3；

转速提取模块3，用于对转速传感器2产生的原始电压信号进行调理，剔除其中的畸点和高频信号，并将处理后的瞬时转速信号传输到状态分析模块4的微处理器单元(MCU)6；

如图3所示，当从转速传感器输出的模拟信号进入调理电路之后，经过阻容滤波消除信号采集过程中产生的杂波以及干扰信号；为了保护采集电路的稳定性，在电路中采用两个稳压管对接的限幅电路，对转速传感器的输出信号进行了限幅保护，将电压值超过运算放大器的最大允许输入电压的部分截掉；信号进入到由LM358运算放大器构建的电压跟随器，保证波形不会在电路中随着信号的传递而失真或变形；然后信号通过二极管半波整流，即可以将方波的负极性的部分截掉，只剩下正极性的部分，最后信号进入到状态分析模块4中；

状态分析模块4，用于分析采集旋转机械转动时轴承与转子的动平衡状态，通过将采集的信息进行分析处理，计算出瞬时转速信号；然后通过频谱分析和极坐标分析，提取第1.0次谐波的幅值和相位，作为轴系动平衡和轴承状态分析的特征参数；进而根据设定的门限值和极坐标图像判断轴承的磨损状态或者轴系的动平衡状态，并根据分析的结果进行显示、预警和存储；用一个传感器实现同时输出轴系的瞬时转速、平均转速、轴承状态和动平衡状态信息的目的；

瞬时转速信号中蕴含着非常丰富的旋转机械工作状态的信息，利用瞬时转速信号可以方便对轴系的工作状态进行监测。当轴系的动平衡被打破或者支撑轴系的轴承磨损时，瞬时转速的波动将发生相应的变化。根据瞬时转速波动的变化情况，进行滤波、频域分析的数据处理，选取特征参数，提取特征值，就可以对轴系进行状态分析；

3G通信模块5采用HUAWEI EM560，用于将状态分析模块4的数据信息发送到指定的监控中心；同时，还可以接收监控中心发出的指令，并将接收到的指令传输给状态分析模块4。

采用微处理器单元(MCU)6对瞬时转速信号进行动平衡分析，实现了低成本、低耗电的在线监测。采用3G无线通信技术进行数据传输与控制，3G通信模块5采用HUAWEIEM560，用于接收微处理器单元(MCU)6发送的信息，并将接收到的信息传输至地面数据库。采用FFT/IFFT、Hilbert变换以及极坐标法进行旋转机械的动平衡分析。

转速传感器2与转速提取模块3的J4端口相连，转速提取模块3的Speed端口与状态分析模块4的微处理器单元(MCU)6的AD端口相连，3G通信模块5与状态分析模块4的微处理器单元(MCU)6的RS232端口相连。

如图2所示，状态分析模块4由微处理器单元(MCU)6、电源模块7以及LED显示模块8组成。

微处理器单元(MCU)6主要完成对瞬时转速信号的采集、滤波处理和频谱分析，并将处理后的数据信息经CAN通信模块发送到CAN总线上；其中，MCU选用Infineon公司的XC164CS微处理器，具备超低功耗和丰富的外设，具有5级指令执行流水线；单片机主频可达40MHz；包括128KB片上程序存储器，6KB的RAM；开发板扩展的RAM高达64K*16Bit；ROM/FLAH高达512K*16Bit；MAC单元加入DSP功能处理数字滤波器算法，从而大大缩短了乘除运算的时间；XC164CS提供了精度为8位或10位模数转换器，10位时采样频率可达300KHz，可以快速处理各种数字信号、模拟信号以及脉冲信号，该微处理器除了活动模式外还有4种低功耗模式，在实现高性能的同时，降低了设备功耗；

电源模块7，由开关电源、调制电路组成；其中微处理器单元6采用3.3V和1.8V双电源供电；开关电源采用MIWE NES-35-12，将外部供电转换为12V；调制电路如图4所示，将12V转换为5V，用于对LED显示模块8供电；进而将5V转换为3.3V和1.8V，用于对微处理器单元6供电；

LED显示模块8，由多个发光二极管组成，用于显示微处理器单元(MCU)6处理后的旋转机械的实时状态以及报警信息，LED显示模块8与存储微处理器单元(MCU)6的I/O口相连。

工作过程

在旋转机械转动的过程中，存储微处理器单元(MCU)6利用非接触的转速传感器2，在线实时采集转子转动的电压信号，通过转速提取模块3对采集的原始电压信号进行调理，由存储微处理器单元(MCU)6计算求出对应的瞬时转速信号，进行数据的处理、分析、显示、预警和存储，并将处理后的数据通过3G通信模块5远距离无线输送到地面数据库。

其中，频谱分析的过程如下：

1)原始信号的采集以及平滑处理

为了消除传感器的不对中产生的误差，将接近正弦波的原始信号进行截断处理，高出门限值的部分置为门限值，得到瞬时转速的调制信号s(t)，可表示为

s(t)＝A_ccos(ω_ct+Φ(t))

式中，A_c、ω_c、Φ(t)分别为调制信号的幅值、角频率和相位

然后对s(t)做FFT变换，将时域变换到频域，其图像关于乃奎斯特频率f_s/2对称。

2)计算载波频率

在s(t)的频谱中，载波频率ω_c对应的幅值最大，计算公式为：

${\mathrm{\ω}}_c=n*\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}$

式中为平均转速，n为齿圈齿数，即每一转的脉冲数。

3)频谱分析

(1)将s(t)信号FFT负半的频率全部设置为零，即将乃奎斯特频率f_s/2右边的幅值都设为零，构造了希尔伯特解析式s_a(t)：

H[s(t)]＝A_csin[ω_ct+Φ(t)]

$s_a\left(t\right)=s\left(t\right)+\mathrm{jH}\left[s\left(t\right)\right]=A_c{e}^{j[{\mathrm{\ω}}_{c}t+\mathrm{\Φ}\left(t\right)]}$

式中，H[s(t)]为s(t)的希尔伯特变换式，j为虚数单位。

(2)为了消除其他干扰信号引起的失真，进行带通滤波。

(3)将载波频率移到零，载波右边的频率移到正频率的起始位置，将载波左边的频率移到负频率的起始处，这样便去掉了载波，得到了角度位移的频谱。

3)IFFT

对频移过的频谱进行IFFT得到时域内的角位移信号e^jФ(t)：

$e^{\mathrm{j\Φ}\left(t\right)}=e^{j[{\mathrm{\ω}}_{c}t+\mathrm{\Φ}\left(t\right)]}{e}^{-j{\mathrm{\ω}}_{c}t}$

利用其实部与虚部求相位角：

$\mathrm{\Φ}\left(t\right)={\tan }^{-1}\frac{\mathrm{Im\; ag}\left[e^{\mathrm{j\Φ}\left(t\right)}\right]}{\mathrm{Re\; al}\left[e^{\mathrm{j\Φ}\left(t\right)}\right]}$

式中，Im ag[e^jΦ(t)]、Re al[e^jΦ(t)]分别表示角位移信号的虚部和实部。

4)极坐标法分析

瞬时转速的频域信号包括两个频率段，低频段(0-0.5f_f)，包括发火频率f_f的次谐波频率以内的频率成分，用于故障的判断以及定位；高频带(0.5-2f_f)，包括发火频率及高于发火频率的频率成分。

根据瞬时转速信号对应的角位移与相位角，画出其极坐标图像；提取第1.0次谐波的幅值和相位，作为轴系动平衡和轴承状态分析的特征参数；进而根据设定的门限值和极坐标图像判断轴承的磨损状态或者轴系的动平衡状态(具体的算法流程见软件著作权)。

Claims (6)

1.轴系状态信息采集智能转速传感器，其特征在于：实时输出旋转机械的瞬时转速及平均转速，并通过对瞬时转速的分析计算，同时输出轴系动平衡和轴承状态信息；

它包括转速传感器(2)、转速提取模块(3)、状态分析模块(4)以及3G通信模块(5)；所述的转速传感器(2)与转速提取模块(3)的J4端口相连，转速提取模块(3)的Speed端口与状态分析模块(4)的微处理器单元(6)的AD端口相连，3G通信模块(5)与状态分析模块(4)的微处理器单元(6)的RS232端口相连；所述转速传感器(2)设置在旋转机械轴系(1)的转子齿圈处，并安装在旋转机械的机体上。

2.根据权利要求1所述的轴系状态信息采集智能转速传感器，其特征在于：所述转速传感器(2)采用非接触式的转速传感器，转速传感器(2)利用转速传感器感应轴系转动时齿圈磁通量的变化，产生的原始电压信号，并以模拟信号的形式输出给转速提取模块(3)。

3.根据权利要求1所述的轴系状态信息采集智能转速传感器，其特征在于：所述转速提取模块(3)，用于对转速传感器(2)产生的原始电压信号进行调理，剔除其中的畸点和高频信号，并将处理后的瞬时转速信号传输到状态分析模块(4)的微处理器单元(6)。

4.根据权利要求1所述的轴系状态信息采集智能转速传感器，其特征在于：所述状态分析模块(4)，用于分析采集旋转机械转动时轴承与转子的动平衡状态，通过将采集的信息进行分析处理，计算出瞬时转速信号；然后通过频谱分析和极坐标分析，提取第1.0次谐波的幅值和相位，作为轴系动平衡和轴承状态分析的特征参数；进而根据设定的门限值和极坐标图像判断轴承的磨损状态或者轴系的动平衡状态，并根据分析的结果进行显示、预警和存储。

5.根据权利要求1所述的轴系状态信息采集智能转速传感器，其特征在于：所述3G通信模块(5)采用HUAWEI EM560，用于将状态分析模块(4)的数据信息发送到指定的监控中心；同时，还可以接收监控中心发出的指令，并将接收到的指令传输给状态分析模块(4)。

6.根据权利要求1所述的轴系状态信息采集智能转速传感器，其特征在于所述的状态分析模块(4)由微处理器单元(6)、电源模块(7)以及LED显示模块(8)组成；

微处理器单元(6)完成对瞬时转速信号的采集、滤波处理和频谱分析，并将处理后的数据信息经CAN通信模块发送到CAN总线上；

电源模块(7)，由开关电源、调制电路组成，其中微处理器单元(6)采用3.3V和1.8V双电源供电；开关电源采用MIWE NES-35-12，将外部供电转换为12V；调制电路将12V转换为5V，用于对LED显示模块(8)供电；进而将5V转换为3.3V和1.8V，用于对微处理器单元(6)供电；

LED显示模块(8)，由多个发光二极管组成，用于显示微处理器单元(6)处理后的旋转机械的实时状态以及报警信息，LED显示模块(8)与存储微处理器单元(6)的I/O口相连。