CN209182346U - 一种基于振动分析的转速测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种基于振动分析的转速测试系统，属于机械转子转速测试领域，包括：振动测试传感器、程控放大电路1、自动跟踪滤波电路、程控放大电路2、AD数据采集模块、计算机。通过传感器对振动信号进行采集，并且通过AD数据采集模块上传到计算机，对采样数据进行运算和处理，得到转速。这种测试方法可以在不必拆解机械的前提下，精确地测试封闭式旋转机械的转速，具有测试精度高，应用范围广，操作简单方便优点。

Description

一种基于振动分析的转速测试系统

技术领域

本实用新型属于机械转子转速测试领域，具体涉及一种基于振动分析的转速测试系统。

背景技术

封闭式旋转机械，如广泛应用于空调和冰箱领域的全封闭旋转式制冷压缩机，旋转部件在生产与制造过程中，由于材质不均、设计或制造误差等原因，会形成一定的偏心重量，即旋转中心与质量中心不重合，在高速旋转过程中，会产生很大的振动和噪声，这个问题一直困扰着生产企业和用户。而要降低振动，就必须要知道全封闭旋转式制冷压缩机中转子的转速。实验用离心机是专业用于实验分析的小型离心机，绝大部分都是封闭式的。将试剂置于偏离回转中心的位置，由于质量偏心，在高速旋转时，会产生很大的振动。而离心机转速的准确与否，对后序的检测结果有着直接的影响，所以实现对离心机转速的精确监测具有非常重要的意义。

实用新型内容

基于以上技术问题，本实用新型提出一种基于振动分析的的转速测试系统，包括：振动测试传感器、第一程控放大电路、自动跟踪滤波电路、第二程控放大电路、AD数据采集模块、计算机；

振动测试传感器与第一程控放大电路相连接，第一程控放大电路与自动跟踪滤波电路相连接，自动跟踪滤波电路与第二程控放大电路相连接，第二程控放大电路与AD数据采集模块相连接，AD数据采集模块与计算机相连接；

振动测试传感器，将被测试的机械振动信号转换为电信号，并将该电信号传递给第一程控放大电路；

第一程控放大电路，对振动电信号进行第一次放大，得到第一次放大后信号，并将第一次放大后电信号传递给自动跟踪滤波电路；

自动跟踪滤波电路是一个带通滤波器，对具有一定强度的振动电信号进行滤波，滤除掉夹杂在振动信号中的低频和高频噪声干扰，并将滤波后的电信号传递给第二程控放大电路；

第二程控放大电路，对滤波后的电信号进行第二次放大，得到第二次放大后模拟电信号，并传递给AD数据采集模块；

AD数据采集模块，对第二次放大后模拟电信号转换为数字电信号，并将数字电信号传递给计算机；

计算机，基于数字电信号，使用Visual Basic软件编写程序将振动数字电信号转化为转子转速并显示在计算机屏幕上，具体为：应用最小条件系统识别方法检测机械系统振动的频率，由检测出的振动频率计算出转子转速；

(1)振动频率计算出转子转速过程：

由转子动不平衡而引起机械的简谐振动，振动微分方程为：

求解此振动微分方程得其数学模型为：

x(t)＝A₀·sin(2π·f_d·t+φ₀) (2)

式中，A₀为振动的幅值；f_d为振动的频率；φ₀为初始相位；

由于转子转动的频率与机械振动的频率相等，即：

f＝f_d (3)

式中，f为转子转动的频率；

故有封闭式旋转机械转子的转速：

n＝60·f (4)

所以，只要准确测量出机械系统的振动频率f_d，即可根据式(3)(4)计算出封闭式机械转子的转速n。

(2)应用最小条件系统识别方法检测机械系统振动的频率f_d：

将振动方程(2)进行离散化得：

x(n·△t)＝A₀·sin(2π·f_d·n·△t+φ₀) (5)

实际测试时，振动信号x(t)经过AD数据采集模块的离散采样信号为x_n，其中，并且信中含有噪声。用差方和M_x表征采样信号与真实振动信号的误差，其差方和为：

一组使差方和M_x最小的参数A₀、f_d和φ₀称为系统的特征参数。

运用Visual Basic软件平台编写转速测试系统，根据采集来的振动信号数据，计算机械系统的特征参数；最小条件系统识别方法的处理方法如下：

步骤1，根据采集到的振动信号数据x_n对各特征参数进行初估。估计方法如下：找到第1个最大值点，并且作为振动信号的开始点x₀，对振动信号进行整周期截取，取A₀＝x₀，令φ₀＝90°，在单位时间内，通过寻找零点的个数，计算振动信号的周期T_d从而就得到了振动信号的频率f_d；

步骤2：按照A₀→φ₀→f_d的顺序，在参数估计值两端进行小量等间隔细化，并且计算其差方和M_x，取使差方和M_x最小时所对应的的参数值，用此修正值替换原参数，这个过程称为拟合；

步骤3：将步骤2重复循环2～5次，所得到的结果接近差方和M_x最小条件真值A₀、f_d、φ₀并将此参数作为系统振动的特征参数。

所述第一程控放大电路和第二程控放大电路的电路完全一致。

有益技术效果：

大部分转速测试方法运用光电式传感器，在机械的旋转轴上粘贴光标，并且在强制开盖的状态下，通过在单位时间内记录脉冲信号个数的方式来测量转速。该方法需拆解机械，把旋转轴裸露出来，测量过程受光线强度以及传感器的灵敏度的限制很大。针对封闭式旋转机械转速测量问题，根据最小条件系统识别方法检测机械振动信号的频率，进而计算出封闭式旋转机械的转速，

本发明通过传感器对振动信号进行采集，并且通过AD数据采集模块上传到计算机，对采样数据进行运算和处理，得到转速。这种测试方法可以在不必拆解机械的前提下，精确地测试封闭式旋转机械的转速，具有测试精度高，应用范围广，操作简单方便优点。

附图说明

图1为本实用新型实施例的一种基于振动分析的的转速测试系统示意图；

图2为本实用新型实施例的自动跟踪滤波电路；

图3为本实用新型实施例的程控放大电路；

图4为传统方法测试原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对实用新型做进一步说明，本实用新型提出一种基于振动分析的转速测试系统，如图1所示，包括：振动测试传感器、第一程控放大电路、自动跟踪滤波电路、第二程控放大电路、AD数据采集模块、计算机；

振动测试传感器与第一程控放大电路相连接，第一程控放大电路与自动跟踪滤波电路相连接，自动跟踪滤波电路与第二程控放大电路相连接，第二程控放大电路与AD数据采集模块相连接，AD数据采集模块与计算机相连接；

振动测试传感器，将被测试的机械振动信号转换为电信号，并将该电信号传递给程控放大电路1，电路图如图2所示；

第一程控放大电路，对振动电信号进行第一次放大，得到第一次放大后信号，并将第一次放大后电信号传递给自动跟踪滤波电路，电路图如图3所示；

自动跟踪滤波电路是一个带通滤波器，对具有一定强度的振动电信号进行滤波，滤除掉夹杂在振动信号中的低频和高频噪声干扰，并将滤波后的电信号传递给程控放大电路2；

第二程控放大电路，对滤波后的电信号进行第二次放大，得到第二次放大后模拟电信号，并传递给AD数据采集模块；

AD数据采集模块，对第二次放大后模拟电信号转换为数字电信号，并将数字电信号传递给计算机；

计算机，基于数字电信号，使用Visual Basic软件编写程序将振动数字电信号转化为转子转速并显示在计算机屏幕上，具体为：应用最小条件系统识别方法检测机械系统振动的频率，由检测出的振动频率计算出转子转速；

所述第一程控放大电路和第二程控放大电路的电路完全一致。

(1)振动频率计算出转子转速过程：

由转子动不平衡而引起机械的简谐振动，振动微分方程为：

求解此振动微分方程得其数学模型为：

x(t)＝A₀·sin(2π·f_d·t+φ₀) (2)

式中，A₀为振动的幅值；f_d为振动的频率；φ₀为初始相位；

由于转子转动的频率与机械振动的频率相等，即：

f＝f_d (3)

式中，f为转子转动的频率；

故有封闭式旋转机械转子的转速：

n＝60·f (4)

所以，只要准确测量出机械系统的振动频率f_d，即可根据式(3)(4)计算出封闭式机械转子的转速n。

(2)应用最小条件系统识别方法检测机械系统振动的频率f_d：

将振动方程(2)进行离散化得：

x(n·△t)＝A₀·sin(2π·f_d·n·△t+φ₀) (5)

实际测试时，振动信号x(t)经过AD数据采集模块的离散采样信号为x_n，其中，并且信中含有噪声。用差方和M_x表征采样信号与真实振动信号的误差，其差方和为：

一组使差方和M_x最小的参数A₀、f_d和φ₀称为系统的特征参数。

运用Visual Basic软件平台编写转速测试系统，根据采集来的振动信号数据，计算机械系统的特征参数；最小条件系统识别方法的处理方法如下：

步骤1，根据采集到的振动信号数据x_n对各特征参数进行初估。估计方法如下：找到第1个最大值点，并且作为振动信号的开始点x₀，对振动信号进行整周期截取，取A₀＝x₀，令φ₀＝90°，在单位时间内，通过寻找零点的个数，计算振动信号的周期T_d从而就得到了振动信号的频率f_d；

步骤2：按照A₀→φ₀→f_d的顺序，在参数估计值两端进行小量等间隔细化，并且计算其差方和M_x，取使差方和M_x最小时所对应的的参数值，用此修正值替换原参数，这个过程称为拟合；

步骤3：将步骤2重复循环2～5次，所得到的结果接近差方和M_x最小条件真值A₀、f_d、φ₀并将此参数作为系统振动的特征参数。

封闭式旋转机械在高速旋转时，必然会产生很大的振动并且振动的频率与转子转动的频率相等，从而就将转子转速的测量转化到转子振动的频率测量上来。根据最小条件系统识别方法检测机械振动信号的频率，进而计算出封闭式旋转机械的转速，并将计算结果显示在系统测试界面上。封闭式机械转子在高速旋转过程中，一定会产生振动，这种振动通过轴承会作用在箱体上，通过测振传感器，如电涡流传感器、磁电式传感器、压电式加速度传感器，将机械振动信号转换为相应的电信号。采集来的振动信号中必然夹杂着大量的噪声干扰，如基础振动、滚动轴承振动和电磁辐射干扰等，为保证测试结果的准确度，须对振动信号进行处理。先将振动电信号传递给第一程控放大电路进行放大，再对振动信号进行频谱分析，初步大致估计振动信号的频率，并以此频率作为滤波跟踪频率，将振动电信号传递给跟踪滤波电路，滤除信号中的低频和高频噪声干扰；而后，再经过第二程控放大电路进行进一步放大，使电信号转换为具有一定强度的模拟电压信号。再由AD数据采集模块将处理过的振动模拟电信号转换为能够被计算机处理的振动数字电信号。最后，应用VisualBasic软件编写转速测试系统，根据最小条件系统识别理论对采集来的数据进行处理，计算出机械振动信号的振动频率，进而计算出封闭式旋转机械的转速并显示在测试系统界面上。

振动测试传感器：测量转子的振动信号，型号为YD-3型压电式加速度传感器。

数据采集模块：模数转换，型号为阿尔泰USB2830。

程控放大电路：运用单片机控制放大振动信号。

程控放大电路程控放大电路主要是在振动信号较小的时候程序进行控制电路放大相应的倍数。由于转子的制造精度不同，不平衡量值也不相同。在转子平衡量较小的时候信号放大16倍也不能够达到测量系统的测量精度，因此需要对信号再放大相应的倍数。针对大小不同的信号经过程控放大会选择不同的放大倍数，振动信号的幅值越小选择的放大倍数相应的越大，振动信号越大相应的放大倍数越小。程控放大电路可进行X1、X4、X16和X64倍的选择，通过多个放大倍数的选择对信号进行放大，保证了测试系统的测试精度。因此对于本测试系统来说测量精度非常高，测量信号的范围比较宽，无论是振动信号比较大的情况还是振动信号比较小的情况，本测试系统都能够准确的测量。程控放大电路如3所示；

自动跟踪滤波电路：将特定频率波选择出来，滤除其余干扰噪声，具体电路如图2所示。

跟踪滤波电路转子旋转时通过振动传感器进行振动信号的采集，由于外界的因素以及轴承等部件也会发生轻微的振动，传感器采集的信号将这些不需要的干扰因素都包含了。在进行动平衡分析时是不需要的，并且会造成计算错误，因此需要对其进行干扰滤除，只保留与转速同频率的振动信号，这就需要采用跟踪滤波电路进行滤波处理。跟踪滤波电路采用了两个二阶状态变量滤波电路，每个二阶滤波电路都采用了一个CD4053，即双通道数字控制模拟开关和三个运算放大器组成。通过控制CD4053的接通引脚来控制二阶滤波器的工作状态，决定带通滤波器中心频率的元件之一是积分单元的输入电位，由公式τ＝RC,f＝1/(2πτ)可知，二阶滤波器的中心频率与组成的电阻和电容有关，通过改变电阻值的大小即可改变滤波器的中心频率，即可实现跟踪滤波，而电阻值的改变主要是通过切换CD4053引脚的接通状态来实现，不同的引脚所接的阻值不一样。锁相倍频电路输出参考信号256f0(f0为光电的基准频率)，经过双稳态触发器CD4098，传到CD4053编码端，通过控制数字控制输出端A、B、C和INH的输入值来改变引脚的接通状态，实现了积分单元输入电阻变化，达到跟踪外界输入信号频率变化的目的。

对比测试：

采用传统方法进行对比测试：传统方法与本实用新型方法不同之处，是在旋转轴上贴反射光标纸，应用光电式传感器产生光电脉冲信号，在单位时间内记录脉冲的个数，并以此来测量转速，这种测试方法必须并须将旋转轴裸露出来，对于封闭式的旋转机械就必须拆解机械。具体做法：光电传感器采集数据转子转动过程中的光电脉冲信号，光电式传感器接光电整形电路，光电整形电路接锁相环电路，锁相环电路接AD数据采集模块，AD数据采集模块接计算机，如图4所示。

应用标准信号发生器模拟产生旋转机械的振动信号，进行转速测试实验。最后，计算转速测试系统的测量误差△，系统测试数据如表1所示。通过反复试验可知：在转速600～12000r/min范围内的任一转速下进行测量，该封闭式旋转机械转速测试系统可以达到测试精度要求，其测量相对误差小于0.2％，各项指标均达到检测标准。

表1转速测试数据

注：频率f₀单位：Hz；转速n₀、n、单位：r/min；误差

Claims (2)

1.一种基于振动分析的转速测试系统，其特征在于，包括：振动测试传感器、第一程控放大电路、自动跟踪滤波电路、第二程控放大电路、AD数据采集模块、计算机；

振动测试传感器与第一程控放大电路相连接，第一程控放大电路与自动跟踪滤波电路相连接，自动跟踪滤波电路与第二程控放大电路相连接，第二程控放大电路与AD数据采集模块相连接，AD数据采集模块与计算机相连接；

振动测试传感器，将被测试的机械振动信号转换为电信号，并将该电信号传递给第一程控放大电路；

第一程控放大电路，对振动电信号进行第一次放大，得到第一次放大后信号，并将第一次放大后电信号传递给自动跟踪滤波电路；

自动跟踪滤波电路是一个带通滤波器，对具有一定强度的振动电信号进行滤波，滤除掉夹杂在振动信号中的低频和高频噪声干扰，并将滤波后的电信号传递给第二程控放大电路；

第二程控放大电路，对滤波后的电信号进行第二次放大，得到第二次放大后模拟电信号，并传递给AD数据采集模块；

AD数据采集模块，对第二次放大后模拟电信号转换为数字电信号，并将数字电信号传递给计算机；

计算机，基于数字电信号，使用Visual Basic软件编写程序将振动数字电信号转化为转子转速并显示在计算机屏幕上。

2.根据权利要求1所述一种基于振动分析的转速测试系统，其特征在于，所述第一程控放大电路和第二程控放大电路的电路完全一致，并可选择如下倍数进行信号放大处理：X1、X4、X16和X64倍。