CN205991836U - 一种旋转机械振动信号采集分析系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种旋转机械振动信号采集分析系统，包括FPGA芯片、信号处理电路和设置有多路信号采集接口的A/D转换电路，所述多路信号接收接口中的一路是键相脉冲信号接口，其余是多路振动信号接口，其中，在A/D转换电路的多路信号采集接口与键相脉冲信号和旋转机械振动信号之间设置有信号调理电路，所述FPGA芯片连接有FIFO缓存器，数字信号处理芯片DSP连接有SDRAM同步动态存储器。本实用新型简化了系统硬件电路，在信号进入处理之前进行一个初步的处理，后续的信号处理全部由DSP芯片完成，直接输出需要得到分析结果，不需要将振动信号传输至上位机，进而大大的简化了系统结构，提高了信号处理的质量，结构简单，扩展性好。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种旋转机械振动信号采集分析系统。
背景技术
旋转机械振动信号分析中，振动信号阶比跟踪采集和阶比分析对故障分析和处理意义重大，很多振动故障的特征频率都是与转速频率成一定比例关系的，比如转子质量不平衡，各种滚动轴承的内圈、外圈、滚动体故障频率等，此外，旋转机械的键相信号对振动相位计算以及动平衡加重至关重要。
键相信号一般由光电传感器或者电涡流传感器得到，通过在旋转机械轴上贴上反光纸或者开一个矩形键相槽，转子每转动一周，产生一个脉冲信号，这个脉冲信号的上升沿或者下降沿作为振动信号的相位参考点，根据这个参考点计算得到振动信号的相位信息，并根据它进行旋转机械转子现场动平衡加重分析计算和实施加重。
由于在变转速情况下，系统需要根据实际转动频率进行倍频采样，而转动频率是根据上一次信号采集计算得到的，这就造成与实际转动频率存在误差，无法实现准确的同步阶比采样，导致后续频谱分析时谱线之间发生混淆，严重时导致连续谱的出现。现场振动分析时，一般只是对一定范围内的、与故障分析有关的频带感兴趣，这个频带以外的频谱成分一般需要进行低通滤波处理，低通滤波处理的另外一个目的是消除频率混叠效应，由于转动频率不断变化，要求低通滤波器的截止频率也要随着转动频率的变化相应进行变化，这就要求系统具有截止频率可变的抗混叠滤波器，造成系统的结构复杂，同时成本较高；中国专利号ZL2013100760931公开的“一种实现旋转机械振动信号同步阶比跟踪分析方法”将滤波集成到了FPGA中带来了很好的效果，但由于前期型号的先天不足，因此需要首先对前期信号做一些相应的处理。
发明内容
本实用新型的目的在于提供了一种旋转机械振动信号采集分析系统，采用最简单的硬件电路，在信号进入处理之前进行一个初步的处理，进而大大的简化了后续对信号处理的复杂性，提高了信号处理的质量。
为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：
一种旋转机械振动信号采集分析系统，包括FPGA芯片、信号处理电路和设置有多路信号采集接口的A/D转换电路，所述多路信号接收接口中的一路是键相脉冲信号接口，用于接收由光电传感器传递的旋转机械键相脉冲模拟信号；所述多路信号接收接口中其余是多路振动信号接口，用于接收由振动传感器传递的旋转机械振动信号；其中，在A/D转换电路的多路信号采集接口与键相脉冲信号和旋转机械振动信号之间设置有信号调理电路，信号调理电路包括滤波器和调整电路，键相脉冲信号和旋转机械振动信号经滤波和调整后连接多路信号采集接口，所述信号处理电路是DSP数字信号处理芯片，所述FPGA芯片连接有FIFO缓存器，数字信号处理芯片DSP连接有SDRAM同步动态存储器。
方案进一步是：所述滤波器是2200Hz的低通滤波器，所述调整电路的输入连接低通滤波器的输出，通过调整电路将送至A/D转换电路的电压控制在±10伏之内。
方案进一步是：滤波器包括第一运算放大器，运算放大器同相输入和反相输入端连接有对接的限位稳压管，同相输入端连接一个并联的第一电阻和第一电容，反相输入端与第一运算放大器输出端之间连接反馈并联的第二电阻和第二电容，其中第一电阻与第二电阻的电阻相同都为３０Ｋ欧姆，第一电容和第二电容的电容值相同都为２.２微法拉。
方案进一步是：所述FIFO缓存器设置在所述FPGA芯片内部。
方案进一步是：所述多路信号采集A/D转换电路是型号为AD7606的16位8通道同步A/D采集模块。
本实用新型的有益效果：
本实用新型的特点是简化了系统硬件电路，在信号进入处理之前进行一个初步的处理，进而大大的简化了后续对信号处理的复杂性，提高了信号处理的质量，只需少量的信号调理和采集器件，余下的全部由数字信号处理芯片DSP来完成，结构简单，扩展性好，充分利用了DSP在信号处理方面的优势，实时性强，既克服了传统的振动信号采集分析系统复杂的缺点，又解决了计算阶比跟踪技术实时性的不足。
下面结合附图和实施例对发明作一详细描述。
附图说明
图1为本实用新型结构示意图；
图2为本实用新型滤波放大电路逻辑示意图。
具体实施方式
一种旋转机械振动信号采集分析系统，如图1和图2所示，所述系统包括FPGA芯片1、信号处理电路2和设置有多路信号采集接口的A/D转换电路3，所述多路信号接收接口中的一路是键相脉冲信号4的接口，用于接收由光电传感器传递的旋转机械键相脉冲模拟信号；所述多路信号接收接口中其余是多路振动信号5的接口，用于接收由振动传感器传递的旋转机械振动信号；其中，在A/D转换电路的多路信号采集接口与键相脉冲信号和旋转机械振动信号之间设置有信号调理电路6，信号调理电路包括滤波器601和调整电路602，键相脉冲信号和旋转机械振动信号经滤波和调整后连接多路信号采集接口，所述信号处理电路是DSP数字信号处理芯片，所述FPGA芯片连接有FIFO缓存器7，数字信号处理芯片DSP连接有SDRAM同步动态存储器8。
实施例中：所述滤波器是2200Hz的低通滤波器，所述调整电路的输入连接低通滤波器的输出，通过调整电路将送至A/D转换电路的电压控制在±10伏之内。
滤波器包括第一运算放大器A1，运算放大器A1同相输入和反相输入端连接有对接的限位稳压管DW1和DW2，同相输入端连接一个并联的第一电阻R1和第一电容C1，反相输入端与运算放大器A1输出端之间连接反馈并联的第二电阻R2和第二电容C2，其中第一电阻R1与第二电阻R2的电阻相同都为３０Ｋ欧姆，第一电容C1和第二电容C2的电容值相同都为２.２微法拉，因此，上述参数组成了2200Hz的低通滤波器。
调整电路包括第二运算放大器Ａ２，第二运算放大器Ａ２的负反馈并联的第三电阻R３和第三电容C３，接入第二运算放大器Ａ２反相端的负反馈比例电阻Ｒ４是７５Ｋ欧姆，电阻R３是５１Ｋ欧姆，因此就形成了放大倍数小于1的衰减放大电路。进而保证了输入给Ａ／Ｄ转换电路的电压是在规定的范围之内。
实施例中：所述FIFO缓存器设置在所述FPGA芯片内部；所述多路信号采集A/D转换电路是型号为AD7606的16位8通道同步A/D采集模块。
实施例中信号调理模块的滤波器和电压调整电路，完成模拟信号（键相信号和振动信号）的滤波和电压调整。滤波器采用了一个简单的电容电阻搭建的低通滤波器电路，截止频率固定，对于变转速信号，由后面DSP中的数字抗混叠滤波实现截止频率跟随转动频率变化。放大电路实现对速度、加速度等振动信号进行衰减放大，将其调整到AD模块的合适电压输入范围内（一般为正负5V），增加振动信号的采集精度。
AD为同步采集模块，它对键相和振动信号进行模数转换，完成模拟信号的同步采集。
FPGA模块产生控制时序，对AD采集和FIFO缓存模块进行控制，实现模拟信号的不间断同步采集，以及数据的缓存和传输。FPGA控制AD模块把采集到的数字信号传输到FPGA内的FIFO，FIFO信号线与DSP模块相连接，触发DSP的EDMA，把数据转存到DSP的SDRAM，当SDRAM中数据长度达到预先设定值时，触发DSP开始进行振动信号分析。
DSP模块完成全部的信号分析和运算，采用计算阶比跟踪技术完成键相信号处理及振动信号的角域重采样（见发明专利“一种实现旋转机械振动信号同步阶比跟踪分析方法”），以及振动信号分析工作。具体包括：取前段连续同步采集的键相信号，计算键相脉冲阈值，由该阈值自动识别键相脉冲上升沿或者下降沿，得到键相脉冲沿所在的时间，对其进行倍频插值处理，得到整周期同步采样的各个样本时间序列，根据这些时间序列，前面连续采集的原始振动信号进行插值重采样，重采样之前应用数字抗混叠滤波器，实现对振动信号的抗混叠滤波，消除频率混叠效应，得到等角度采样振动信号。对等角度振动信号与一对正交的转频简谐信号进行混频处理，进一步计算得到一倍频振动幅值和相位，同理可以得到倍频振动幅值和相位。对等角度振动信号进行FFT运算，得到阶比谱。
Claims (5)
1.一种旋转机械振动信号采集分析系统，包括FPGA芯片、信号处理电路和设置有多路信号采集接口的A/D转换电路，所述多路信号接收接口中的一路是键相脉冲信号接口，用于接收由光电传感器传递的旋转机械键相脉冲模拟信号；所述多路信号接收接口中其余是多路振动信号接口，用于接收由振动传感器传递的旋转机械振动信号；其特征在于，在A/D转换电路的多路信号采集接口与键相脉冲信号和旋转机械振动信号之间设置有信号调理电路，信号调理电路包括滤波器和调整电路，键相脉冲信号和旋转机械振动信号经滤波和调整后连接多路信号采集接口，所述信号处理电路是DSP数字信号处理芯片，所述FPGA芯片连接有FIFO缓存器，数字信号处理芯片DSP连接有SDRAM同步动态存储器。
2.根据权利要求1所述的旋转机械振动信号采集分析系统，其特征在于，所述滤波器是2200Hz的低通滤波器，所述调整电路的输入连接低通滤波器的输出，通过调整电路将送至A/D转换电路的电压控制在±10伏之内。
3.根据权利要求2所述的旋转机械振动信号采集分析系统，其特征在于，滤波器包括第一运算放大器，运算放大器同相输入和反相输入端连接有对接的限位稳压管，同相输入端连接一个并联的第一电阻和第一电容，反相输入端与第一运算放大器输出端之间连接反馈并联的第二电阻和第二电容，其中第一电阻与第二电阻的电阻相同都为３０Ｋ欧姆，第一电容和第二电容的电容值相同都为２.２微法拉。
4.根据权利要求1所述的旋转机械振动信号采集分析系统，其特征在于，所述FIFO缓存器设置在所述FPGA芯片内部。
5.根据权利要求1所述的旋转机械振动信号采集分析系统，其特征在于，所述多路信号采集A/D转换电路是型号为AD7606的16位8通道同步A/D采集模块。
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