專利名稱：基于陣列式聲發(fā)射器的分布式機械故障實時監(jiān)測裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于聲發(fā)射傳感器對整個系統(tǒng)機械故障的實時監(jiān)測裝置及方法， 尤其適用于機械軸承、機械加工刀具斷裂等機械故障的監(jiān)測。
背景技術(shù)：
目前聲發(fā)射故障檢測以其優(yōu)良的監(jiān)測特性在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛的發(fā)展和 應(yīng)用，利用聲發(fā)射技術(shù)可以對加工中心刀具、機械軸承等故障進行診斷，對電站壓力容器無 損檢測，故障產(chǎn)生時，聲發(fā)射信號在某一特定頻帶的信號能量顯著增加，一般在很高頻段， 比一般的機械振動頻率要高得多，采用對聲發(fā)射信號的時域分析和頻域分析相結(jié)合的方法 判斷故障。工業(yè)現(xiàn)場中多數(shù)情況下是單片機控制的方式，容易造成生產(chǎn)效率不高，人力、物 力資源的極大浪費，而且一個完整的工作流水線需要很多故障檢測裝置。鑒于此設(shè)計了以 PC機作為上位機、RS485通信接口的陣列式聲發(fā)射傳感器作為下位機的分布式監(jiān)控系統(tǒng)， 對各聲發(fā)射傳感器進行遠程監(jiān)控和實時數(shù)據(jù)的采集，從而達到生產(chǎn)設(shè)備的合理化設(shè)置和檢 測效率的極大提高。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是針對已有技術(shù)中存在的問題，提供一種結(jié)構(gòu)簡單，方法 簡便，易實現(xiàn)，成本低，快速準確，效果好的基于陣列式聲發(fā)射器的分布式機械故障實時監(jiān) 測裝置及方法。技術(shù)方案本發(fā)明的檢測裝置是由陣列式聲發(fā)射傳感器、前置放大器、帶通濾波 器、多通道高速AD轉(zhuǎn)換器、單片機、RS-485總線、高通濾波器、包絡(luò)分析器、低通濾波器、故 障識別器以及故障指示組成，陣列式聲發(fā)射傳感器的四路輸出信號直接通過通過前置放大 器與帶通濾波器，經(jīng)放大濾波后經(jīng)多通道高速AD轉(zhuǎn)換后輸入到單片機，單片機首先對四路 信號進行預(yù)處理和信息融合，然后將融合后的信號通過485總線傳送給上位機進行分析判 斷，上位機對信號進行濾波、頻譜分析、故障識別，最后進行故障顯示和報警。所述的每個傳感器頭都是由不同諧振頻率的聲發(fā)射傳感器組合在一起，組成陣列 式傳感器，用以增加故障檢測的頻帶范圍；該裝置采用分布式檢測方法，多個下位機經(jīng)485 總線連接到一個上位機上進行信號處理；所述的聲發(fā)射傳感器、前置放大器、信息采集卡均 由集成模塊構(gòu)成；從聲發(fā)射源發(fā)出的故障波信號經(jīng)介質(zhì)傳播后到達陣列傳感器，四個傳感 器頭接收到信號后輸出電信號，四路信號分別經(jīng)放大濾波后，分別輸入ADC0809的INO IN3端，ADC0809的OE端、ALE端和START端分別與megal6單片機的P3. 3、Ρ3· 4和Ρ3. 5管 腳相連接，ADC0809的ADDA與megal6單片機的P3. 6管腳連接，ADDB和ADDC連接到megal6 單片機的P3. 7管腳，ADC0809的DO D7分別與megal6的P0. 0 P0. 7管腳相連接，megal6 的P3. 0、P3. 1和P3. 2分別與MAX485的1、4和2、3管腳相連接。單片機的輸出信號實際上 并不符合RS232的標(biāo)準，采用RS232/RS485的串行通信接口連接，同時為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力和工作的可靠性，在進行RS232/RS485轉(zhuǎn)換時對通信系統(tǒng)進行光電隔離；上位機是 一臺安裝有FFT分析軟件的PC機。本發(fā)明基于陣列式聲發(fā)射器的分布式機械故障實時監(jiān)測裝置的定位定向方法a、在機械系統(tǒng)的軸承等部位安裝陣列式聲發(fā)射傳感器，傳感器實時采集機械運轉(zhuǎn) 的故障信號；b、故障信號經(jīng)放大、濾波處理形成一定頻帶內(nèi)有輸出的的故障信號，故障信號經(jīng) 高速采樣送入單片機；C、單片機根據(jù)干擾信號的頻率范圍單獨處理特定傳感器的信號，濾掉特定頻段的 干擾信號，然后將處理過的特定傳感器信號與其他傳感器信號融合；d、單片機接到上位機命令后，將融合后的數(shù)字量信號通過485總線傳送至上位 機；e、上位機對從總線上接收到的故障信號進行高通濾波、包絡(luò)分析、低通濾波等處 理后，判斷出故障是否存在，如有故障發(fā)生實時報警并顯示出精確位置和故障類型。有益效果本發(fā)明在于采用陣列式聲發(fā)射傳感器以及分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)， 不同諧振頻率的聲發(fā)射傳感器組合在一起擴展測量帶寬，對于不同的機械故障以特定的頻 率顯示；分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)用于對整個工作系統(tǒng)進行多點實時監(jiān)測，分散的監(jiān)控系統(tǒng)，集中式 數(shù)據(jù)分析。


圖1是本發(fā)明的聲發(fā)射信號參數(shù)的定義示意圖；圖2是本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總示意圖；圖3是本發(fā)明下位機部分原理圖；圖4是本發(fā)明裝置工作流程圖。
具體實施例方式該裝置由上位機和下位機組成，上位機21和下位機23通過485總線36相連接， 上位機21由安裝有數(shù)字信號處理軟件的電腦以及故障顯示部分構(gòu)成，數(shù)字信號處理包括 高通濾波、包絡(luò)分析、低通濾波以及故障識別等環(huán)節(jié)；下位機包括聲發(fā)射傳感器31、前置放 大器32、帶通濾波器33、多通道高速A/D轉(zhuǎn)換器34和單片機35，其中聲發(fā)射傳感器31的 輸出端與前置放大器32輸入端相連接，前置放大器32輸出端連接帶通濾波器33，帶通濾波 器33的輸出信號經(jīng)高速AD采樣34傳至單片機35，單片機35將機械故障信息經(jīng)485總線 接口 36發(fā)送至BAS總線37，BAS總線37通過RS232/RS48522轉(zhuǎn)換器與上位機相連接。陣列式聲發(fā)射傳感器本裝置傳感器頭采用四個型號為SR40的聲發(fā)射傳感器，四 個傳感器中心頻率分別為160kHz、200kHz、240kHz和280kHz，當(dāng)機器工作過程中聲發(fā)射傳 感器將AE轉(zhuǎn)換成電信號，為了防止噪聲的混入采用前置放大器和濾波器分別進行增幅和 濾波，調(diào)理后的信號適合后續(xù)處理和分析。前置放大器對傳感器輸出和后續(xù)處理電路的阻抗匹配和信號放大，由于聲發(fā)射 電壓幅值小，頻率分布廣，且信噪比低，本裝置選用高S/N和高增益的前置放大器。所述的 前置放大器型號是PAI。
帶通濾波器前置放大器的輸出信號含有大量工頻干擾信號和無關(guān)的高頻電噪 音，選用在通頻帶內(nèi)有良好傳輸特性和良好截止頻率的帶通濾波器，四個傳感器頭輸出的 電信號分別經(jīng)過中心頻率為160kHz、200kHz、240kHz和280kHz，頻帶寬度為80kHz，經(jīng)過帶 通濾波器有效地剔除工頻和超高頻干擾。模數(shù)轉(zhuǎn)換本裝置采用ADC0809高速多通道AD轉(zhuǎn)換芯片，四路信號分別輸入到芯 片的INO IN3輸入端，高速采樣后由單片機對信號進行預(yù)處理，首先對特定信號進行噪聲 濾波，剔除特定頻帶的噪聲，其次將四路信號進行信息融合，形成初級的故障信號，最后將 融合后的故障信號發(fā)送至輸出端，等待上位機的讀取。PC機和下位機通信信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換通過atmegaie單片機傳輸?shù)娇偩€上去，單片 機的輸出信號實際上并不符合RS232的標(biāo)準，因此采用RS232/RS485的串行通信接口連接， 同時為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力和工作的可靠性，在進行RS232/RS485轉(zhuǎn)換時對通信系統(tǒng) 進行光電隔離。串行通信接口的硬件電路采用UART方式；軟件的實現(xiàn)采用上位機查詢、下 位機中斷和查詢兩種方式相結(jié)合的通信方式。下位機部分以串行口中斷服務(wù)方式給出，串 行口方式2和方式3結(jié)合。當(dāng)上位機需要發(fā)送或接收下位機數(shù)據(jù)時，下位機以中斷方式來 接收或發(fā)送；當(dāng)下位機根據(jù)需要向上位機回復(fù)數(shù)據(jù)或上位機下傳數(shù)據(jù)時下位機進入查詢方 式通信模塊，將通信標(biāo)志位置位以等待主機響應(yīng)。該系統(tǒng)中單片機不能主動往RS485總線 上發(fā)送數(shù)據(jù)，必須等待上位機發(fā)送的指令，并且任何時刻只能有一個單片機處于發(fā)送狀態(tài)， 但所有單片機必須處于接收狀態(tài)；若下位機為做好接收或發(fā)送準備，就從中斷程序返回，在 主程序中做準備，等待上位機再次和下位機聯(lián)絡(luò)，使下位機再次進入串行口中斷。上位機系統(tǒng)采用基于WindowsXP為平臺的Lab View分析軟件對實時數(shù)據(jù)進行 處理并實時顯示。系統(tǒng)還具有數(shù)據(jù)更新存儲、故障診斷專家系統(tǒng)、系統(tǒng)管理、在線幫助、歷史 記錄查詢、分析等功能。并可根據(jù)用戶要求進行擴展。采用的測試參數(shù)有事件計數(shù)、振鈴計 數(shù)、能量、幅度、上升時間和持續(xù)時間。聲發(fā)射事件數(shù)表示產(chǎn)生裂紋的個數(shù)，把一個事件信號 用多個寬度相同的脈沖信號表示，采用諧振能量因子判別法判別機械故障的情況，故障產(chǎn) 生聲發(fā)射時釋放能量，而且其發(fā)出的聲發(fā)射波具有較寬的頻帶，因而會有一部分能量落在 傳感器的諧振區(qū)內(nèi)引起傳感器諧振，故障越嚴重，檢測到的能量就越大。釋放能量的大小與 故障的嚴重程度有關(guān)?；陉嚵惺铰暟l(fā)射器的分布式機械故障實時現(xiàn)場監(jiān)測裝置的監(jiān)測方法采用分布 式檢測方法，多個下位機經(jīng)485總線連接到一個上位機上進行信號處理；所述的上位機以 Windows作為平臺采用Lab view對信號進行分析，通過FFT分析軟件，包括包絡(luò)分析、故障 識別等對實時數(shù)據(jù)進行處理并實時顯示，具體方法包括以下步驟a、在機械系統(tǒng)的軸承等部位安裝陣列式聲發(fā)射傳感器，傳感器實時采集機械運轉(zhuǎn) 的故障信號；b、故障信號經(jīng)放大、濾波處理形成一定頻帶內(nèi)有輸出的的故障信號，故障信號經(jīng) 高速采樣送入單片機；C、單片機根據(jù)干擾信號的頻率范圍單獨處理特定傳感器的信號，濾掉特定頻段的 干擾信號，然后將處理過的特定傳感器信號與其他傳感器信號融合；d、單片機接到上位機命令后，將融合后的數(shù)字量信號通過485總線傳送至上位 機；
e、上位機對從總線上接收到的故障信號進行高通濾波、包絡(luò)分析、低通濾波等處 理后，判斷出故障是否存在，如有故障發(fā)生實時報警并顯示出精確位置和故障類型。
權(quán)利要求
一種基于陣列式聲發(fā)射器的分布式機械故障實時現(xiàn)場監(jiān)測裝置，其特征在于該裝置由上位機和下位機組成，上位機(21)和下位機(23)通過485總線(36)相連接，上位機(21)由安裝有數(shù)字信號處理軟件的電腦以及故障顯示部分構(gòu)成，數(shù)字信號處理包括高通濾波、包絡(luò)分析、低通濾波以及故障識別等環(huán)節(jié)；下位機包括聲發(fā)射傳感器(31)、前置放大器(32)、帶通濾波器(33)、多通道高速A/D轉(zhuǎn)換器(34)和單片機(35)，其中聲發(fā)射傳感器(31)的輸出端與前置放大器(32)輸入端相連接，前置放大器(32)輸出端連接帶通濾波器(33)，帶通濾波器(33)的輸出信號經(jīng)高速AD采樣(34)傳至單片機(35)，單片機(35)將機械故障信息經(jīng)485總線接口(36)發(fā)送至BAS總線(37)，BAS總線(37)通過RS232/RS485(22)轉(zhuǎn)換器與上位機相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于陣列式聲發(fā)射器的分布式機械故障實時現(xiàn)場監(jiān)測裝置， 其特征在于所述的聲發(fā)射傳感器(31)由不同諧振頻率的聲發(fā)射傳感器組合在一起，組成 陣列式傳感器，用以增加故障檢測的頻帶范圍，根據(jù)干擾信號的頻率范圍單獨處理特定傳 感器的信號，再將去除掉干擾信號的特定傳感器信號與其他傳感器頭的信號進行融合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于陣列式聲發(fā)射器的分布式機械故障實時現(xiàn)場監(jiān)測裝置， 其特征在于所述的前置放大器(32)型號是PAI。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于陣列式聲發(fā)射器的分布式機械故障實時現(xiàn)場監(jiān)測裝置， 其特征在于所述的帶通濾波器(33)包括運放LF444AF、反饋電阻和電容組。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于陣列式聲發(fā)射器的分布式機械故障實時現(xiàn)場監(jiān)測裝置， 其特征在于所述的高速AD采樣(34)型號為ADC0809。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于陣列式聲發(fā)射器的分布式機械故障實時現(xiàn)場監(jiān)測裝置， 其特征在于所述的單片機型號為atmegaie。
7.—種如權(quán)利要求1所述的基于陣列式聲發(fā)射器的分布式機械故障實時現(xiàn)場監(jiān)測裝 置的監(jiān)測方法，其特征在于采用分布式檢測方法，多個下位機經(jīng)485總線連接到一個上位 機上進行信號處理；所述的上位機以Windows作為平臺采用Lab view對信號進行分析，通 過FFT分析軟件，包括包絡(luò)分析、故障識別等對實時數(shù)據(jù)進行處理并實時顯示，具體方法包 括以下步驟a、在機械系統(tǒng)的軸承等部位安裝陣列式聲發(fā)射傳感器，傳感器實時采集機械運轉(zhuǎn)的故障信號；b、故障信號經(jīng)放大、濾波處理形成一定頻帶內(nèi)有輸出的的故障信號，故障信號經(jīng)高速 采樣送入單片機；C、單片機根據(jù)干擾信號的頻率范圍單獨處理特定傳感器的信號，濾掉特定頻段的干擾 信號，然后將處理過的特定傳感器信號與其他傳感器信號融合；d、單片機接到上位機命令后，將融合后的數(shù)字量信號通過485總線傳送至上位機；e、上位機對從總線上接收到的故障信號進行高通濾波、包絡(luò)分析、低通濾波等處理后， 判斷出故障是否存在，如有故障發(fā)生實時報警并顯示出精確位置和故障類型。
全文摘要
本發(fā)明是一種基于陣列式聲發(fā)射器的分布式機械故障實時監(jiān)測裝置及方法，其檢測裝置是由陣列式聲發(fā)射傳感器、前置放大器、帶通濾波器，多通道高速AD轉(zhuǎn)換器、單片機、485總線以及上位機構(gòu)成，其檢測方法是將陣列式聲發(fā)射傳感器安裝在機械軸承的端蓋等需要檢測的機械部位，聲發(fā)射傳感器輸出的故障信號先由前置放大器放大，再經(jīng)帶通濾波器濾波，然后進行高速采樣進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后由單片機經(jīng)總線將信號傳至上位機，由上位機進行一系列地信號處理，信號處理包括高通濾波、包絡(luò)分析、低通濾波、故障識別以及故障指示，不僅可以實現(xiàn)機械故障的實時監(jiān)測，而且實現(xiàn)對多個機械或者一個系統(tǒng)多個監(jiān)測點的監(jiān)測，節(jié)約成本。
文檔編號G08C19/00GK101943682SQ20101027490
公開日2011年1月12日 申請日期2010年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月7日
發(fā)明者劉永春, 唐守鋒, 童敏明, 童紫原 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)