CN108168811A - 一种振动信号的便携式采集分析装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便于携带的振动信号采集分析仪及实现方法。仪器硬件由振动信号采集、数据存储、信号分析、信号显示、电源等模块组成，采用ARM和DSP双CPU实现采集控制和分析。软件包括A/D转换与存储、信号分析与处理、图形显示、振动状态判别、系统参数设置、电源管理等模块。先对振动信号传感器输出的电压信号进行放大、调理、低通滤波，再通过A/D转换芯片得到数字量的振动信号数据，然后进行时域特征指标、频谱分析、频谱校正、短时傅立叶变换等分析处理，结果用图形化方式显示于液晶屏，同时与预先设定的阈值作比较，判断检测对象振动状态是否存在异常。本装置可对多路通道的信号进行同步采样与分析，便于携带和安装。

Description

一种振动信号的便携式采集分析装置及方法

技术领域

本发明涉及机械设备的振动检测与故障诊断领域。

背景技术

机械设备在工作过程中，振动幅度的大小和设备的运行状态密切相关，设备出现故障或工作异常时，常常伴随振动的异常，因此，监测机械设备的振动状态是判断设备是否存在故障或工作状态是否异常的一种常用手段。对于同一台设备，往往需要监测多个点的振动信号，而且这些点的振动信号在采样时间上应该同步。目前的振动监测与故障诊断系统大多采用在线系统，信号采集与分析工作常常是分开的，数据采集用采集卡完成，数据分析工作在微机上完成。在线的振动信号采集与分析系统成本比较高，常应用于需要连续监测的重要机械设备或关键部件。对于一些仅需要定期巡检或点检的机械设备来说，采用一套便携式的振动信号采集装置，就可完成多台机械设备的振动状态监测，从而大大节约成本。如果再将振动信号的分析功能集成于装置内，则可在第一时间初步判断机械设备的健康情况。因此，将振动信号的采集与分析功能集于一体，同时便于携带的装置，具有很大的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于：对机械设备的多个测点的振动信号进行同步采集，然后及时分析处理，并且分析结果用图形化的方式进行显示，初步判断机械设备的振动状态是否异常。采集的数据保存于SD卡，可供将来在计算机上进行更深入的分析。装置便于携带，能够用一套装置对多台机械设备进行巡检或点检。

本发明所采用的技术方案如下：

1.所述方法包括如下步骤：

步骤1：振动信号传感器安装于被测设备表面，将设备的机械振动转换为模拟的电压信号；所述电压信号反映振动的加速度、速度或位移，根据振动频率的高低选择。

步骤2：振动信号采集模块对模拟的电压信号进行放大和滤波处理，然后进行模/数(A/D)转换，得到数字信号。

步骤3：各通道转换得到的数字信号实时以文件形式存储于SD卡，同时将时域波形实时显示于液晶屏。

步骤4：选择存储于SD卡的振动信号文件，对所选振动信号进行分析；分析方法包括时域指标、频谱分析、频谱校正、短时傅立叶变换等；分析结果显示于液晶屏；时域指标用数值和柱状图显示；频谱分析结果用二维图形显示，包括主要频率分量的幅值、频率和相位；短时傅立叶变换的时频分布结果用灰度图显示。

步骤5：根据分析结果，判断设备振动的状态是否正常，给出初步的诊断结论；判断的阈值根据设备对象由用户设置。

2.所述装置硬件由五部分组成：由振动信号采集模块、振动数据存储模块、振动信号分析模块、信号处理结果显示模块、电源模块；

1)振动信号采集模块包括振动信号传感器、信号放大及调理、模/数(A/D)转换芯片和数据传输接口，负责将振动信号转换为电压信号，经过适当的放大与调理，低通滤波，再将模拟量的电压信号转换为数字量信号。

2)振动数据存储模块包括SD卡、数据传输接口，将A/D转换后的数字量振动数据保存于SD卡，即使掉电也不丢失。

3)振动信号分析模块主要由数字信号处理器(DSP)及扩展芯片组成，负责振动信号的分析与处理。

4)信号处理结果显示模块包括液晶显示屏和图形驱动微控制器，负责振动数据的图形化显示。

5)电源模块负责锂电池的充放电保护以及所有模块的供电，将锂电池的12V电压转换为各模块的所需的电压。

6)硬件采用双CPU模式，振动信号的采集、存储、显示等控制由ARM微控制器完成，振动信号的分析、处理由专用的数字信号处理器DSP完成，各模块之间通过高速串行接口SPI进行数据通信。

7)A/D转换采用单独的A/D转换芯片完成，转换精度为12～16位，多路同步采样，采样频率根据需要设定，每路最高采样频率达20KHz。

8)除振动信号传感器及连接线外，所有硬件集中于一个仪器盒，方便携带。

3.所述装置软件由六个模块组成：A/D转换与存储模块、信号分析与处理模块、图形显示模块、振动状态判别模块、系统参数设置模块、电源管理模块。

1)A/D转换与存储模块的控制由ARM微控制器负责，转换后的数据通过DMA方式直接传送到SD 卡保存，每次采样的多通道数据采用二进制格式在于同一文件，文件名根据采样日期及时间命名。

2)信号分析与处理模块实现的功能包括时域指标提取、频谱分析、频谱校正、短时傅立叶变换等，分析处理算法在专用的DSP上实现。

3)图形显示模块的控制由ARM微控制器负责，分析处理结果都图形化方式进行显示，时域指标用柱状图和数值显示，频谱图用二维曲线图显示，短时傅立叶变换的时频分布结果用灰度图显示。

4)振动状态判别模块由ARM微控制器完成，根据分析结果与预先设定的阈值，初步判断设备振动的状态是否异常，判断结果用文字输出。

5)系统参数设置的控制由ARM微控制器负责，包括日期、时间、检测对象、阈值、采样频率等，参数一经设定，保存于系统中，掉电也不会丢失。

6)电源管理模块的控制由ARM微控制器负责，完成锂电池电压与电量的检测、电量不足时的声光报警、自动关机等功能。

7)所有软件都采用C语言编程实现。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1)硬件系统采用双CPU模式，ARM微控制器负责振动信号的采集、存储、显示，DSP专门负责振动数据的分析与处理，速度快。

2)能够完成多达8～16通道振动信号的同步采样，每个通道的采样频率可根据需要设定，最高可达 20KHz。

3)振动信号的数字量数据以二进制文件的格式实时存储于SD卡，文件名以采样日期和时间命名。

4)振动数据的分析处理算法丰富，包括时域指标、频谱分析、频谱校正、短时傅立叶变换等。

5)数据分析结果以图形化的方式进行显示，直接明了。

6)具有初步的诊断功能，能及时判别机械设备的振动是否异常。

附图说明

图1为方法的实施步骤与硬件组成示意图。

图2为实例中方法的实施步骤与硬件组成示意图。

图3为实例的硬件电路模块示意图。

图4为实例中的3.V转1.6V的电路图。

图5为实例中的AD7606数据采集的电路图。

图6为实例中的数据采集与保存的流程示意图。

图7为实例中的快速傅立叶变换的流程示意图。

图8为实例中的振动信号的时域波形图。

具体实施方式

下面结合一个具体实例对本发明进行更详细的描述。

1.所述方法包括如下步骤：

步骤1：将两个振动加速度传感器安装于电动机主轴的两端，将两端滚动轴承的机械振动转换为两路模拟的电压信号。

步骤2：振动信号采集模块对模拟的电压信号进行放大和滤波处理，然后同步进行两路模/数(A/D) 转换，得到数字信号。

步骤3：两个通道转换得到的数字信号实时以文件形式存储于SD卡，同时将时域波形实时显示于液晶屏。

步骤4：选择存储于SD卡的振动信号文件，对所选振动信号进行分析；分析方法包括时域指标、频谱分析、频谱校正、短时傅立叶变换等；分析结果显示于液晶屏；时域指标用数值和柱状图显示；频谱分析结果用二维图形显示，包括主要频率分量的幅值、频率和相位；短时傅立叶变换的时频分布结果用灰度图显示。

步骤5：根据分析结果，判断设备振动的状态是否正常，给出初步的诊断结论；判断的阈值根据设备对象由用户设置。

2.所述装置硬件由五部分组成：由振动信号采集模块、振动数据存储模块、振动信号分析模块、信号处理结果显示模块、电源模块。

1)振动信号采集模块包括振动信号传感器、信号放大及调理、模/数(A/D)转换芯片和数据传输接口，负责将振动信号转换为电压信号，经过适当的放大与调理，低通滤波，再将模拟量的电压信号转换为数字量信号。

2)振动数据存储模块包括SD卡、数据传输接口，将A/D转换后的数字量振动数据保存于SD卡，即使掉电也不丢失。

3)振动信号分析模块主要由数字信号处理器(DSP)TMS320VC5509A及扩展芯片组成，负责振动信号的分析与处理。

4)信号处理结果显示模块包括液晶显示屏和图形驱动微控制器，负责振动数据的图形化显示。

5)电源模块负责锂电池的充放电保护以及所有模块的供电，将锂电池的12V电压转换为各模块的所需的电压，如1.6V、3.3V、5V、24V等，其中1.6V给DSP核心板供电，3.3V给ARM微控制器供电，5V 给A/D转换芯片供电，24V给振动传感器恒流源供电。

6)硬件采用双CPU模式，振动信号的采集、存储、显示等控制由ARM微控制器STM32F103VET6 完成，振动信号的分析、处理由专用的数字信号处理器DSP完成，各模块之间通过高速串行接口SPI进行数据通信。

7)A/D转换采用单独的A/D转换芯片AD7606完成，转换精度为16位，2路同步采样，每路采样频率设置为20KHz。

8)除振动信号传感器及连接线外，所有硬件集中于一个仪器盒，方便携带。

3.所述装置软件由六个模块组成：采样与存储模块、信号分析与处理模块、图形显示模块、振动状态判别模块、系统参数设置模块、电源管理模块。

1)采样与存储模块的控制由ARM微控制器负责，采样可由硬件或软件触发，转换后的数据通过DMA 方式直接传送到SD卡保存，每次采样的多通道数据采用二进制格式在于同一文件，文件名根据采样日期及时间命名。

2)信号分析与处理模块实现的功能包括时域指标提取、频谱分析、频谱校正、短时傅立叶变换等，分析处理算法在专用的DSP上实现。

3)图形显示模块的控制由ARM微控制器负责，分析处理结果都图形化方式进行显示，时域指标用柱状图和数值显示，频谱图用二维曲线图显示，短时傅立叶变换的时频分布结果用灰度图显示。

4)振动状态判别模块由ARM微控制器完成，根据分析结果与预先设定的阈值，初步判断设备振动的状态是否异常，判断结果用文字输出。

5)系统参数设置的控制由ARM微控制器负责，包括日期、时间、检测对象、阈值、采样频率等，参数一经设定，保存于系统中，掉电也不会丢失。

6)电源管理模块的控制由ARM微控制器负责，完成锂电池电压与电量的检测、电量不足时的声光报警、自动关机等功能。

7)所有软件都采用C语言编程实现。

上述说明仅仅是示例性的一种具体实施方式，不能因此而限制本发明的范围及其应用。在本发明公开的技术范围内，任何可轻易想到的变化或替换，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种振动信号的便携式采集分析装置及方法，其特征在于所述方法由以下步骤构成：

步骤1：振动信号传感器安装于被测设备表面，将设备的机械振动转换为模拟的电压信号；所述电压信号反映振动的加速度、速度或位移，根据振动频率的高低选择；

步骤2：振动信号采集模块对模拟的电压信号进行放大和滤波处理，然后进行模/数(A/D)转换，得到数字信号；

步骤3：各通道转换得到的数字信号实时以文件形式存储于SD卡，同时将时域波形实时显示于液晶屏；

步骤4：选择存储于SD卡的振动信号文件，对所选振动信号进行分析；分析方法包括时域指标、频谱分析、频谱校正、短时傅立叶变换等；分析结果显示于液晶屏；时域指标用数值和柱状图显示；频谱分析结果用二维图形显示，包括主要频率分量的幅值、频率和相位；短时傅立叶变换的时频分布结果用灰度图显示；

步骤5：根据分析结果，判断设备振动的状态是否正常，给出初步的诊断结论；判断的阈值根据设备对象由用户设置。

2.一种振动信号的便携式采集分析装置，其特征在于所述装置硬件由五部分组成：由振动信号采集模块、振动数据存储模块、振动信号分析模块、信号处理结果显示模块、电源模块；

1)振动信号采集模块包括振动信号传感器、信号放大及调理、模/数(A/D)转换芯片和数据传输接口，负责将振动信号转换为电压信号，经过适当的放大与调理，低通滤波，再将模拟量的电压信号转换为数字量信号；

2)振动数据存储模块包括SD卡、数据传输接口，将A/D转换后的数字量振动数据保存于SD卡，即使掉电也不丢失；

3)振动信号分析模块主要由数字信号处理器(DSP)及扩展芯片组成，负责振动信号的分析与处理；

4)信号处理结果显示模块包括液晶显示屏和图形驱动微控制器，负责振动数据的图形化显示；

5)电源模块负责锂电池的充放电保护以及所有模块的供电，将锂电池的12V电压转换为各模块的所需的电压；

6)硬件采用双CPU模式，振动信号的采集、存储、显示等控制由ARM微控制器完成，振动信号的分析、处理由专用的数字信号处理器DSP完成，各模块之间通过高速串行接口SPI进行数据通信；

7)A/D转换采用单独的A/D转换芯片完成，转换精度为12～16位，多路同步采样，采样频率根据需要设定，每路最高采样频率达20KHz；

8)除振动信号传感器及连接线外，所有硬件集中于一个仪器盒，方便携带。

3.一种振动信号的便携式采集分析装置，其特征在于所述装置软件由六个模块组成：A/D转换与存储模块、信号分析与处理模块、图形显示模块、振动状态判别模块、系统参数设置模块、电源管理模块；

1)A/D转换与存储模块的控制由ARM微控制器负责，转换后的数据通过DMA方式直接传送到SD卡保存，每次采样的多通道数据采用二进制格式在于同一文件，文件名根据采样日期及时间命名；

2)信号分析与处理模块实现的功能包括时域指标提取、频谱分析、频谱校正、短时傅立叶变换等，分析处理算法在专用的DSP上实现；

3)图形显示模块的控制由ARM微控制器负责，分析处理结果都图形化方式进行显示，时域指标用柱状图和数值显示，频谱图用二维曲线图显示，短时傅立叶变换的时频分布结果用灰度图显示；

4)振动状态判别模块由ARM微控制器完成，根据分析结果与预先设定的阈值，初步判断设备振动的状态是否异常，判断结果用文字输出；

5)系统参数设置的控制由ARM微控制器负责，包括日期、时间、检测对象、阈值、采样频率等，参数一经设定，保存于系统中，掉电也不会丢失；

6)电源管理模块的控制由ARM微控制器负责，完成锂电池电压与电量的检测、电量不足时的声光报警、自动关机等功能；

7)所有软件都采用C语言编程实现。