CN101008589A - 基于声发射技术的旋转设备故障检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于声发射技术的旋转设备故障检测仪，属于一种旋转设备故障检测仪。它由声发射传感器、信号调理和自动增益放大模块、数字信号处理模块等三部分组成。信号调理和自动增益放大模块包括前置放大器(1)、数字电位器(2)、加法器(3)、单片机(5)和双路比较器(6)构成的增益自动调整闭合控制回路和陷波器(7)、低通滤波器(8)等几部分。数字信号处理模块包括DSP数字信号处理器(11)、Flash数据存储器(12)、RAM数据存储器(13)、RS232串口芯片(14)、可编程逻辑控制器(15)、键盘(16)、LCD显示器(17)等各部分组成。此仪器抗环境噪声干扰能力强、仪器检测实时性好、获取设备运行状态信息丰富、易于实现小型化。

Description

基于声发射技术的旋转设备故障检测仪

技术领域

本发明涉及一种旋转设备故障检测仪，特别涉及一种基于声发射技术的设备故障检测仪。

背景技术

旋转设备故障检测仪能够用来检测旋转设备的运行状态，对于保证旋转设备安全运行、避免重大设备事故和工艺事故发生等具有明显的经济和社会效益。现有的旋转设备故障检测仪采用振动传感器(加速度、速度或位移传感器)拾取设备振动信号、利用单片机技术进行信号处理存在一定的不足：振动传感器安装有特定技术要求，安装精度要求较高；环境的低频扰动信号会被加速度传感器拾取，影响测试结果而导致误判，而且振动分析方法是通过对加速度、位移等信号的分析处理来判断故障，相当于二次信号处理，很难实现真正意义上的实时检测；单片机为核心的数据分析处理***运算速度慢、精度低、功能相对简单，也不具备对采集信号进行实时检测分析的要求。

发明内容

本发明的目的是提供基于声发射技术的设备故障检测仪，该仪器利用声发射传感器拾取旋转设备声发射信号、采用高精度DSP和数字信号处理技术进行信号处理，仪器具有信号采集、信号分析、信号存储、波形记忆和通讯等功能，它完全克服了以振动检测和单片机技术为核心的旋转设备故障检测仪的缺点，具有传感器安装使用方便、声发射信号丰富、抗环境噪声干扰能力强、检测实时性好、便于获取设备运行状态信息等特点。

本发明提供的基于声发射技术的旋转设备故障检测仪由声发射传感器、信号调理和自动增益放大模块、数字信号处理模块等三部分组成。

所述信号调理和自动增益放大模块，其特征在于：包括前置放大器1、数字电位器2、加法器3、+1.8V基准电源4、单片机5、双路电压比较器6、陷波器7、低通滤波器8、+2.5V基准电源9、+3.3V基准电源10；加法器3把前置放大器1的输出信号与+1.8V基准电源4提供的+1.8V电势叠加，叠加后的电势为U₀分别作为工频陷波器7和双路比较器6的输入信号，U₀分别与双路比较器6的+2.5V基准电源9和+3.3V基准电源10比较，根据比较结果双路比较器6分别触发单片机5产生中断INT0和中断INT1，单片机5根据不同的中断指令执行增益增加或减少程序，数字电位器根据单片机5的指令增加或减少数字电位器的阻值达到前置放大器1增益自动调整的目的；自动增益放大后的信号电势U0维持在0-3V范围内，经陷波器7完成工频50Hz和150Hz信号陷波，再经低通滤波器8实现0-10kHz低通滤波。

所述信号调理和自动增益放大模块，其中前置放大器1、数字电位器2、加法器3、单片机5和双路比较器6构成了增益自动控制闭合回路。

所述的前置放大器其特征为：前置放大器允许输入阻抗大于500MΩ，适合高输出阻抗的声发射传感器输出信号的调理。

所述数字信号处理模块，其主要特征在于：包括DSP数字信号处理器11、Flash数据存储器12、RAM数据存储器13、RS232串口芯片14、可编程逻辑控制器15、键盘16、LCD显示器17组成。

所述的DSP数字信号处理器11带有片上模数转换器，其作用是把来自信号调理和自动增益放大模块的模拟电信号转换为数字信号、初始化DSP数字信号处理器、完成数字信号处理等功能。

所述的可编程逻辑控制寄存器15和键盘16其特征为：可编程逻辑控制器15按照编写的程序扩展DSP数字信号处理器11外部中断控制寄存器，键盘16的按键不同可以使DSP数字信号处理器11完成不同的中断，实现用户的人机对话功能。

所述的Flash数据存储器12，其特征为数据存储空间为512K×16。

所述的LCD显示器17，其特征为无需负压和控制器的LCD显示器、点阵分辨率为320×240。

所述声发射传感器是在专利《压电声敏传感器(专利号：ZL200520103257.6)》的基础上提出的，其特征在于：包括永磁铁18、背衬层19、压电元件20、绝缘层21、拾音探头22、中间体23、螺钉24、导线固定板25、密封盖26、导线27；拾音探头22的外侧环形凹槽内镶嵌有永磁铁18并和中间体23用螺纹联结，拾音探头22内嵌有背衬层19、压电元件20、绝缘层21，绝缘层21用绝缘胶粘贴在拾音探头内部底面内，压电元件20夹在绝缘层21和背衬层19之间。

声发射传感器靠磁力可以方便的吸附在待测旋转设备的外表面，检测到的声发射信号包含有丰富的旋转设备运行状态信息。采用了上述结构，可以制成声发射传感器抗环境噪声干扰能力强、仪器检测实时性好、获取设备运行状态信息丰富、易于实现小型化和便携式的设备故障检测仪。利用制成的设备故障检测仪实现了对往复式压缩机气阀、柱塞泵进排液阀、滚动轴承等旋转设备零部件的状态检测，达到了减少旋转设备事故、避免灾害事故发生的目的。

附图说明

图1为基于声发射技术的旋转设备故障检测仪结构框图；

图2为信号调理和自动增益放大模块结构框图；

图3为数字信号处理模块结构框图；

图4为基于声发射技术的旋转设备故障检测仪信号调理和自动增益放大模块具体实施框图；

图5为声发射传感器；

图6(a)U₀＜2.5V时单片机中断程序框图；

图6(b)U₀＞3.3V时单片机中断程序框图；

图6(c)2.5V＜U₀＜3.3V时单片机中断程序框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1所示，旋转设备故障检测仪由声发射传感器、信号调理和自动增益放大模块、数字信号处理模块等三部分组成，其中声发射传感器检测旋转设备的声发射信号；信号调理和自动增益放大模块实现声发射传感器输出信号的前置放大、自动增益控制、工频陷波、低通滤波等功能，使声发射传感器的高输入阻抗变为的低输出阻抗并放大微弱的电信号、滤除干扰信号和无用的信号，经信号调理和自动增益放大的检测信号电压控制在0-3V之间、阻抗极低满足数字信号处理模块输入信号的要求；数字信号处理模块完成A/D模数转换、信号处理、信号显示、信号存储和波形记忆等功能。

本发明提供的信号调理和自动增益放大模块：见图2、图4，包括以AD745为核心器件的前置放大器1、以AD5200为核心器件的数字电位器2、以AD8642为核心器件的加法器3、以AD318为核心器件的+1.8V基准电源4、型号为AT89S8253的单片机5、以AD8612为核心器件的双路比较器6、型号为LMF90的工频陷波器7、型号为MAX291的低通滤波器8、以ADR421为核心器件的+2.5V基准电源9、以ADR366为核心器件的+3.3V基准电源10，前置放大器1、数字电位器2、加法器3、单片机5和双路比较器6等组成一个闭环控制***，其闭环控制的原理为：加法器3将前置放大器1输出的电信号与+1.8V基准电源4输出正电势叠加变为单极性输出电信号U₀，双路比较器6利用+2.5V基准电源9和+3.3V基准电源10组成一个电压窗口比较器，窗口比较器上限电压为+3.3V、下限电压为+2.5V，当U₀的峰值电压超过上限电压时，双路比较器6触发单片机5产生外部中断0，在中断程序中单片机5使数字电位器2的阻值降低、放大器1的增益减少；当U₀的峰值电压低于下限电压时，单片机5使数字电位器2的阻值增大，放大器1增益变大。经过增益放大的检测信号经过工频陷波器7进行工频50Hz陷波和150Hz陷波，然后再经低通滤波器(Max291)8实现0-10kHz低通滤波。

本发明提供的信号调理和自动增益放大模块技术方案为：声发射传感器检测到的电信号从前置放大器1的端口IN输入，数字电位器2按照单片机5的增益调整指令确定前置放大器1的放大增益；数字电位器2的端口CSI和MOSI分别和单片机5的SCK和MISO端口相连接；前置放大器1的OUT端口和加法器3的IN端口相连，+1.8V基准电源4提供的+1.8V电压与前置放大器1的输出信号叠加，叠加后的信号从加法器3的OUT端口输出；叠加后的电信号分成两路，一路和双路比较器6的IN输入端口相连，一路和陷波器7的IN输入端口相连；叠加后的信号在双路比较器6内分别与+2.5V基准电源9和+3.3V基准电源10提供的VL和VH电压相比较，根据比较结果分别使单片机5产生INT0和INT1中断，进而使数字电位器2的增益变化；双路比较器6的INT0和INT1端口分别与单片机5的INT0和INT1端口相连；增益放大后的信号经过陷波器7进行工频50Hz和150Hz陷波，陷波器7的OUT端口和低通滤波器8的IN端口相连；低通滤波后的信号从低通滤波器8的OUT端口输出。

单片机增益控制程序框图：见图6(a)、(b)、(c)，主程序和中断程序通过标志位Flag联系起来，在主程序中有一个中断等待时间，随后便查看Flag是否在中断程序1中被设置为1，若为0代表输出信号峰值没有达到所设的下限电压，单片机通过增加寄存器RDAC的值来增大放大器1的增益；若为1则代表输出信号峰值已达到下限电压，此刻放大器的增益比较适合，不需要作调整，所以主程序不做任何操作，Flag清零后开始新一轮的检测；一旦输出信号的峰值超过设定的上限电压，程序便进入中断0的中断程序中减小寄存器RDAC的值达到减小放大器增益的目的。

本发明提供的数字信号处理模块：见图3，经过信号调理和增益放大的电信号送到型号为TMS320F2812的DSP数字信号处理器11进行信号处理，数字信号处理器11带有12位片上AD转换控制器；DSP数字信号处理器11按指令程序完成自身***的初始化、PIE中断向量表的初始化、***外设的初始化、中断服务程序入口地址的设置等；利用型号为EPM7128A的可编程逻辑控制寄存器15外扩外部中断I/O组成键盘16，通过中断功能使仪器实现相应的采样、时域分析、频域分析、相关分析、数据保存、数据通讯等功能；采用型号为SST39VF400A的Flash数据存储器12保存DSP数字信号处理器11送来的数据实现仪器的数据保存功能；DSP数字信号处理器11也能够调用Flash数据存储器中的数据实现仪器的波形记忆功能；型号为MAX3232的RS232串口芯片14是实现DSP数字信号处理器11和外部计算机进行串口通讯的硬件设备，DSP数字信号处理器11按照相应的中断指令功能实现和计算机的串口通讯；型号为61LV25616AL的RAM数据存储器13作为DSP数字信号处理器11的随机数据存储器；采用信号为AT-320240Q1FIEB-33H的LCD显示器17实现波形显示、仪器人机界面对话等功能。

采用这种旋转式设备故障检测仪对离心泵滚动轴承和往复式压缩机气阀的声发射信号进行了检测，实践证明研制的旋转设备故障检测仪具有人机界面友好、抗环境噪声干扰能力强、使用方便等特点，它能够安全用于旋转设备的状态检测，实现信号采集、信号存储、时域波形分析、频域信号分析、均方根分析、平均值偏差分析、波形记忆以及RS232串口通讯等功能。

Claims (5)

1、基于声发射技术的旋转设备故障检测仪，其特征在于：包括声发射传感器、信号调理和自动增益放大模块、数字信号处理模块；

所述信号调理和自动增益放大模块，包括前置放大器(1)、数字电位器(2)、加法器(3)、+1.8V基准电源(4)、单片机(5)、双路电压比较器(6)、陷波器(7)、低通滤波器(8)、+2.5V基准电源(9)、+3.3V基准电源(10)；加法器(3)把前置放大器(1)的输出信号与+1.8V基准电源(4)提供的+1.8V电势叠加，叠加后的电势为U₀分别作为工频陷波器(7)和双路比较器(6)的输入信号，U₀分别与双路比较器(6)的+2.5V基准电源(9)和+3.3V基准电源(10)比较，根据比较结果双路比较器(6)分别触发单片机(5)产生中断INT0和中断INT1，单片机(5)根据不同的中断指令执行增益增加或减少程序，数字电位器根据单片机(5)的指令增加或减少数字电位器的阻值达到前置放大器1增益自动调整的目的；自动增益放大后的电信号经陷波器(7)完成工频50Hz和150Hz信号陷波，再经低通滤波器(8)实现0-10kHz低通滤波；

所述信号调理和自动增益放大模块，前置放大器(1)、数字电位器(2)、加法器(3)、单片机(5)和双路比较器(6)构成了自动增益控制闭合回路；

所述的前置放大器(1)，允许输入阻抗大于500MΩ，适合高输出阻抗的声发射传感器输出信号的调理；

所述数字信号处理模块，包括DSP数字信号处理器(11)、Flash数据存储器(12)、RAM数据存储器(13)、RS232串口芯片(14)、可编程逻辑控制器(15)、键盘(16)、LCD显示器(17)。

2、根据权利要求1所述的基于声发射技术的旋转设备故障检测仪，其特征在于：DSP数字信号处理器(11)带有片上模数转换器。

3、根据权利要求1所述的基于声发射技术的设备故障检测仪，其特征在于：Flash数据存储器(12)存储空间为512K×16Bit。

4、根据权利要求1所述的基于声发射技术的旋转设备故障检测仪，其特征在于：LCD显示器(17)为无需负压和控制器的LCD显示器，其点阵分辨率为320×240。

5、根据权利要求1所述的基于声发射技术的旋转设备故障检测仪，其特征在于：所述声发射传感器，包括永磁铁(18)、背衬层(19)、压电元件(20)、绝缘层(21)、拾音探头(22)、中间体(23)、螺钉(24)、导线固定板(25)、密封盖(26)、导线(27)；拾音探头(22)的外侧环形凹槽内镶嵌有永磁铁(18)并和中间体(23)用螺纹联结；拾音探头(22)内嵌有背衬层(19)、压电元件(20)、绝缘层(21)，绝缘层(21)用绝缘胶粘贴在拾音探头内部底面内，压电元件(20)夹在绝缘层(21)和背衬层(19)之间。

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