CN110426220A - 基于自适应滤波电路的机械故障监测系统 - Google Patents

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巩玉楠
徐丽清
汪慧云
李兴旺
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Abstract

本发明公开了一种基于自适应滤波电路的机械故障监测系统，包括与被测机械连接的振动传感器和转速传感器，与振动传感器连接的可编程滤波器，与可编程滤波器连接的滤波电路，与滤波电路连接的模数转换器，与模数转换器连接的处理器，以及与处理器、转速传感器、可编程滤波器连接的FPGA。本发明滤波电路的截止频率是可以变化的，可以根据从转速传感器获得的基频值设定，也可以根据处理器的数据设定；通过自适应滤除不需要的频率，能够降低后端处理器处理的难度和监测虚警率。

Description

基于自适应滤波电路的机械故障监测系统
技术领域
本发明涉及机械故障检测技术，具体涉及一种基于自适应滤波电路的机械故障监测系统。
背景技术
安装于机械表面的振动传感器，会随着被监测部件的振动或转动而振动，得到与被监测部件频率一致，幅值与振动加速度值正相关的电信号，在故障出现时，电信号会出现超出阈值的幅值或频率值，因此，通过监测振动传感器的电信号可以检测机械故障。故障监测系统要求滤波电路的通带范围必须覆盖机械振动的频率范围，而机械振动的频率范围一般是从几Hz到几十KHz分布，所以现有的故障监测系统中滤波电路的通带范围普遍做到2Hz到200KHz左右。这样做的好处是采用一套固定的滤波系统，就可以对所有工况下的频率进行囊括。但是机械振动/故障往往是一个渐变的过程，缓慢升高/降低过程中，基频只有一个，应该被采集和分析的频率也仅仅是围绕着基频附近的一个频率带，当全频带采集数据时，无关的噪声和频率会被滤波系统采样，这增加了系统处理的难度和虚警率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于自适应滤波电路的机械故障监测系统。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于自适应滤波电路的机械故障监测系统，包括与被测机械连接的振动传感器和转速传感器，与振动传感器连接的可编程滤波器，与可编程滤波器连接的滤波电路，与滤波电路连接的模数转换器，与模数转换器连接的处理器，以及与处理器、转速传感器、可编程滤波器连接的 FPGA，其中：所述振动传感器用于将机械的振动信号转换为电信号；所述转速传感器用于测量机械的转动频率，即基频；所述可编程滤波器用于根据输入频率设置滤波截止频率；所述滤波电路与可编程滤波器组成高阶滤波器，根据设置的滤波截止频率进行信号滤波；所述模数转换器用于将滤波的模拟振动信号转换为数字信号；所述处理器用于读取振动数字信号，直接接收外部系传递的调制信号配置信息，或者接收外部系传递的监测相关参数生成调制信号配置信息；所述 FPGA用于根据转动频率或者处理器配置信息生成PWM调制信号，驱动可编程滤波器调整滤波截止频率。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明滤波电路的截止频率是可以变化的，可以根据从转速传感器获得的基频值设定，也可以根据处理器的数据设定；通过自适应滤除不需要的频率，能够降低后端处理器处理的难度和监测虚警率。
附图说明
图1是本发明机自适应滤波电路的示意图。
图2是本发明配置传递的软件实现流程图。
图3是本发明PWM产生的软件实现流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。
如图1所示，基于自适应滤波电路的机械故障监测系统，包括与被测机械连接的振动传感器和转速传感器，与振动传感器连接的可编程滤波器，与可编程滤波器连接的滤波电路，与滤波电路连接的模数转换器，与模数转换器连接的处理器，以及与处理器、转速传感器、可编程滤波器连接的FPGA，其中：所述振动传感器用于将机械的振动信号转换为电信号；所述转速传感器用于测量机械的转动频率，即基频；所述可编程滤波器用于根据输入频率设置滤波截止频率；所述滤波电路与可编程滤波器组成高阶滤波器，根据设置的滤波截止频率进行信号滤波；所述模数转换器用于将滤波的模拟振动信号转换为数字信号；所述处理器用于读取振动数字信号，直接接收外部系传递的调制信号配置信息，或者接收外部系传递的监测相关参数生成调制信号配置信息；所述FPGA用于根据转动频率或者处理器配置信息生成PWM调制信号，驱动可编程滤波器调整滤波截止频率。
所述FPGA根据转速、配置参数、监测相关参数产生调制信号，作为一种具体实施方式，产生调制信号的过程和优先顺序为：
(1)处理器接收来自外部系统的调制信号配置信息，此配置信息的优先级被设为最高，直接被发送给FPGA，FPGA根据配置信息产生调制信号；
(2)处理器接收来自外部系统的与监测相关参数，包括但不限于传动比、重点监测频率等，此监测相关参数优先级此次之，处理器根据机械配置表生成调制信号配置信息，发送给FPGA产生调制信号；
(3)转速传感器检测的机械转动频率值，优先级最低，FPGA根据转速和 FPGA内预先设置的转速_PWM调制信号比例，产生调制信号。
配置传递的软件实现方法如图2所示，PWM产生的软件实现方法如图3所示。
作为一种具体实施方式，所述可编程滤波器通过硬件或软件设置输入频率_ 截止频率比率，用输入频率_截止频率比率乘以PWM调制信号的频率即得滤波截止频率。
作为一种具体实施方式，所述故障检测处理器可以是单片机、DSP、FPGA、 ARM等。
本发明中，FPGA与处理器、转速传感器连接，接收处理器和转速传感器传递的数据，并依据此数据改变PWM波的频率，滤波带宽可自适应自适，采集的监测信号更精确。
实施例1
为了验证本发明方案的有效性，进行如下仿真实验。
假设某种型号的发动机工作时，当主轴转速为20Hz时，根据齿轮传动/减速箱的工作原理，其他的轴转速也是20Hz的倍数，最大频率的发动机输出轴是1000Hz，故障发生时，故障频率点往往是周期性的，并且在1000Hz以下。因此我们可以设置滤波器的低通截止频率为2KHz。
此时与主轴连接的转速传感器输出的电信号是20Hz，此信号被FPGA采集，根据预先设定的输入输出对比表，从而FPGA产生20KHz的PWM波，用来驱动可编程滤波器。根据可编程滤波器10:1的“输入频率_截止频率”比率，可编程滤波器的低通截止频率为2KHz。
根据工况和外界条件变化，本实施例处理器还可以临时设置FPGA输出PWM 波的频率，以调整低通截止频率，从而采集范围更为精确的信号。

Claims (4)

1.一种基于自适应滤波电路的机械故障监测系统，其特征在于，包括与被测机械连接的振动传感器和转速传感器，与振动传感器连接的可编程滤波器，与可编程滤波器连接的滤波电路，与滤波电路连接的模数转换器，与模数转换器连接的处理器，以及与处理器、转速传感器、可编程滤波器连接的FPGA，其中：所述振动传感器用于将机械的振动信号转换为电信号；所述转速传感器用于测量机械的转动频率，即基频；所述可编程滤波器用于根据输入频率设置滤波截止频率；所述滤波电路与可编程滤波器组成高阶滤波器，根据设置的滤波截止频率进行信号滤波；所述模数转换器用于将滤波的模拟振动信号转换为数字信号；所述处理器用于读取振动数字信号，直接接收外部系传递的调制信号配置信息，或者接收外部系传递的监测相关参数生成调制信号配置信息；所述FPGA用于根据转动频率或者处理器配置信息生成PWM调制信号，驱动可编程滤波器调整滤波截止频率。
2.根据权利要求1所述的基于自适应滤波电路的机械故障监测系统，其特征在于，所述FPGA根据转速、配置参数、监测相关参数产生调制信号，产生过程和优先顺序为：
（1）处理器接收来自外部系统的调制信号配置信息，此配置信息的优先级被设为最高，直接被发送给FPGA，FPGA根据配置信息产生调制信号；
（2）处理器接收来自外部系统的与监测相关参数，包括传动比、重点监测频率，此监测相关参数优先级此次之，处理器根据机械配置表生成调制信号配置信息，发送给FPGA产生调制信号；
（3）转速传感器检测的机械转动频率值，优先级最低，FPGA根据转速和FPGA内预先设置的转速_PWM调制信号比例，产生调制信号。
3.根据权利要求1所述的基于自适应滤波电路的机械故障监测系统，其特征在于，所述可编程滤波器通过硬件或软件设置输入频率_截止频率比率，用输入频率_截止频率比率乘以PWM调制信号的频率即得滤波截止频率。
4.根据权利要求1所述的基于自适应滤波电路的机械故障监测系统，其特征在于，所述故障检测处理器是单片机、DSP、FPGA或ARM。
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