基于超声信号和包络检波法的旋转机械故障诊断系统设计

发布时间：2015-02-03 11:42

 

【摘要】 旋转机械在工业生产中占有重要的地位，对旋转机械运行状态的监测与故障诊断能够保证设备运行的安全，避免遭受经济损失。旋转机械设备在故障的早期会出现轻微的摩擦现象，此时会产生高频振荡波，而超声传感器能够接受此种高频振荡波，对早期故障做出有效的诊断。鉴于此，本文设计了一种基于超声的旋转机械故障监测与诊断系统。本设计分别设计了模拟式的故障诊断系统与数字式的故障诊断系统。首先，本设计根据超声信号能量与摩擦性故障严重程度成正相关的特性，设计了LED显示电路，同时将超声信号进行音频转化，通过声音信号判断机械设备的运转情况，进而结合前置差分可调放大电路、高通滤波电路、低通滤波电路等信号调理电路便构成模拟式的故障诊断系统。将信号调理电路、三极管包络检波电路与数字系统电路相结合，构成数字式的故障诊断系统，进行实时波形与直方图的显示、时域参数的计算与直方图特征提取。实时波形与直方图能够判断机械运转状况和故障类型，其中时域参数的应用为故障诊断系统提供一个判断故障的参考标准。本设计还加入SD卡来进行实时数据、实时波形图和直方图存储，能够下载到上位机进行数据的分析处理，以便进一步对故障信号分析研究。最后，本文在利用信号发生器与MATLAB软件验证了本系统所显示的波形与时域参数的正确性，并利用MATLAB对故障数据进行分析，验证了包络直方图能够对各种类型的故障进行判别，利用循环统计方法对故障数据进行处理，证明了循环统计方法在旋转机械故障诊断方面的优越性。

第 1 章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义
科技的发展带动工业设备的变革，随着工业的向前发展，机械设备在各行各业中发挥着越来越重要的作用，并且设备精密性、复杂程度和自动化程度也大大增加。在工作过程中，设备的各个部分紧密相连，一旦某处发生故障便会引起整个机械设备发生故障，并很可能带来较大的经济损失与社会危害[1-3]，所以对设备的检测与维护非常有必要性。旋转机械在机械设备中占有重要的地位，很大程度上机械设备发生的故障都是旋转机械发生的，旋转机械是冶金、采矿、电力等行业中的关键设备，在生产中占有重要地位。它的运转情况在很大程度上决定着生产的质量、安全与经济利益，因此，对旋转机械进行故障诊断避免遭受经济损失与质量安全具有重要意义。现阶段，大型旋转机械设备的检测与维修主要有以下两种方式：故障发生后停机检修与定期维护[4]，这两种方式都会给生产带来不便与经济利益的损失，而前者更有可能引发灾难性事故。因此，最合理的方式应该是能够在故障发生的早期将故障检测出来，以便能够合理、准确地对旋转机械的各种故障原因和故障位置做出预判，来及时的消除故障，并能够对设备的故障发展趋势进行预测，提高机械设备运转的可靠性与稳定性，尽力避免由于机械故障引发的安全事故[5]。为适应这一要求，旋转机械的故障诊断技术应运而生，其基本任务是检测设备的运行状况，判断设备的状态与故障发生的原因，便于及时采取相应措施，保障生产的安全。
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1.2 故障诊断研究现状
在近几十年来，伴随着科技的快速发展，旋转机械在线监测与诊断技术得到广泛发展，旋转机械设备运行状况的实时监测与故障诊断方法已经在工业中被广泛采用，为旋转机械的维护与维修起到了重要的作用。上世纪 70 年代，旋转机械故障诊断技术在欧洲就作为一门综合学科进行研究[6,7]，其在各个国家与地区也发展迅猛，在 20 世纪 60 年代，美国国家宇航局就已经针对旋转机械的故障就组织学者进行了专门的研究，并在 70 年代，美国波音公司发明一项“共振解调分析技术”的专利[8]，其可以监测到冲击信号高频谐振的幅值，诊断出机械故障程度与故障具体位置，其国内的大学在故障诊断方面也取得显著成果[9]。另外，英国建立了机械保健中心，日本[10]和加拿大[11]也在此方面进行大量的科研，并研制出整套的检测系统。我国旋转机械的故障诊断技术发比较晚，直到上世纪 70 年代故障诊断技术才开始得到发展，但是在借鉴国外的基础上，在 80 年代得到迅速发展，并在一定程度上有了很大的创新，近年来有很多科研工作者在旋转机械运行时产生的故障类型与相应的诊断方法方面取得可喜成果，研制出满足工程需要的诊断系统与设备，开发出了专门的设备与软件，诊断水平已经接近或达到国际先进水平[12,13]。
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第 2 章 旋转机械故障诊断理论基础及总体设计

2.1 引言
信号的采集与预处理是旋转机械故障诊断的重要环节，只有采集到准确的故障信号，才能够准确的行之有效的提取出故障特征，实现状态监测和故障诊断。由于旋转机械工作环境恶劣存在大量干扰噪声，振动传传感器与声发射技术采集到的信号会伴有各种干扰噪声，而超声传感器结合合适的信号与处理电路可以有效的去取噪声的干扰。本章分析了旋转机械故障机理，阐述故障信号的分析方法及利用超声传感器进行故障诊断系统的设计理念。
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2.2 超声传感器介绍
超声传感器主要是利用超声的波的各种物理特性与晶体压电效应原理而研制的一种传感器。超声传感器按照其工作原理可以分为：压电式、电磁式等，而按照探头的形状又可以分为直探头、表面波探头、双晶探头等、可变探头等[33]。本文采用的即为压电直探头式超声传感器，压电直探头利用压电晶体的压电效应，在晶体的两边聚集正负电荷，依靠这个原理可将机械工作中产生的超声振动的波动转化为电信号，并且产生的频率非常高，不宜受到外界噪声影响。超声探头的实物图如图 2-1所示。旋转机械主要是指旋转运动为其主要功能的机械装置，尤其是机械主要部件做旋转运动的机械装置，其故障一般表现为主要功能失效、性能恶化、不能完成要求的技术指标。主要故障原因可以分为：设计原因、制造原因、安装、操作运行、机器劣化等。上述故障因子都会在机器运行时产生异常振动与噪声，这些振动与噪声是状态检测与故障诊断的主要依据并能够被超声传感器所采集。由于转轴裂纹[35]产生的故障并不是太多，但也不是可以忽略的问题，其造成的主要原因是应力集中、复杂受力、恶劣的工作环境等，如果任由其发展很可能会产生断轴等严重事故。转轴裂纹对裂纹的位置、裂纹深度及其受力状况有很大关联，根据所处应力状态的不同，裂纹可以分为以三种状态，旋转期间转轴的裂纹不张开而始终处于闭合的称为闭裂纹。闭裂纹可以通过转轴运转时与静态壁摩擦产生的超声信号来识别判断，避免事态恶化。裂纹区在运转时始终处于张开状态的称为开裂纹，开裂纹运转时会伴有高频成分，并且随着裂纹的增加，其对应频率的幅值也会增加。每当轴进行旋转一次，裂纹区开闭一次称为开闭裂纹。裂纹故障对故障信号的采集工作有着比较大的影响。经有关理论表明，由于其偏心及其重力等因素的影响，对其进行故障特征分析时候，发现所采集信号的峰值会在两个不对称刚度相应的临界转速之间出现或在临界转速处出现较大峰值[36]。
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第 3 章 系统的硬件电路设计.........17
3.1 引言.....17
3.2 系统硬件电路的总体设计.....17
3.3 模拟电路处理模块.....18
3.4 数字电路部分.......25
3.5 电源模块.........30
3.6 本章小结.........31
第 4 章 系统软件设计与实现.........33
4.1 引言.....33
4.2 嵌入式集成开发环境简介 .....33
4.3 软件功能模块简介 .....33
4.4 系统流程图.....34
4.5 系统初始化.....36
4.6 ADC 模块功能实现 ........36
4.7 SD 卡数据存储....38
4.8 LCD 波形显示 ......41
4.9 五点三次数据平滑算法.........42
4.10 直方图故障判别方法 .....44
4.11 本章小结 .......46
第 5 章 系统验证及数据分析处理.......47
5.1 引言.....47
5.2 信号采集系统可行性研究.....48
5.3 上位机数据处理 .........52
5.4 本章小结.........55

第 5 章 系统验证及数据分析处理

5.1 引言
在前面四章分析了构成基于超声的机械故障检测系统的模拟系统硬件、数字系统硬件和软件，将相应的各个部分组合，可以构成不同类型的基于超声的旋转机械故障检测系统。图 5-1 与图 5-2 分别为故障检测系统的模拟电路系统实物图和数字系统实物图。本章节主要有两个部分构成，第一部分主要为系统处理方式可行性验证；第二部分为对采集的数据进行分析处理。利用超声方式对机械故障检测时，带通滤波器的频率范围在 20kHz 到 40kHz 之间，时域参数的最能反映故障特性。超声信号后续经过包络检波后可以将其频率会降为 2kHz 以内，为了使本课题所使用的三极管包络检波电路的效果更好，对采集到的超声原始信号进行了分析。而为了说明采集系统的可行性与准确性，本文选用TDS2022B 示波器，F20A 型数字合成函数信号发生器，阿尔泰 PCI8664 采集卡等仪器，通过信号发生器输出正弦波与采集实际超声信号来验证采集系统，并利用MATLAB 处理采集的数据。本节正是采用以上方式，验证模拟电路的处理方式可行性，数字系统的波形显示、直方图、时域参数和 SD 卡存储数据的有效性。

 

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结 论

本文利用旋转机械的故障特点，设计了利用机械设备运转时发出的超声信号来进行故障检测的系统。旋转机械设备在故障的早期会出现轻微的摩擦或者气流紊流现象，此时会产生高频振荡波，而超声传感器是一种装有探头的压电晶体传感器，可以接受频率很高的振动波并将其转化为电信号，因此可以及时发现机械的故障，避免遭受重大的损失。本文的工作总结如下：
（1）设计了信号调理电路和稳压电源模块，本文根据不同类型机械及其在不同的情况下，输出信号的强度不一，设计放大倍数可调的放大器，而同时为了抑制共模信号干扰，最终选择放大倍数可调的前置差分放大电路。根据机械的早期故障频率设计了带通滤波电路。最后根据信号的特点设计了包络检波电路。本文对于前期的故障判断，，是基于设计一款便携式仪器，所以本设计以可充电的锂电池为供电电源源，并设计不同的电压稳压模块，为不同的系统芯片提供所需要的供电电压。
（2）设计了信号强度显示电路与超声信号监听电路。本文根据维修人员的需要将故障信号转化为音频信号进行输出，同时通过条形数码管来显示信号的强度。此种方式可以利用耳机与发光数码管的显示判断机械存在问题，取代了工厂依靠听音棒等传统方式。
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参考文献：

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[10] 苏强,林旭梅.  一种基于单片机的超声波传感器的研究与设计[J]. 微型机与应用. 2010(15)



本文编号：11823