專利名稱：基于聲發(fā)射技術(shù)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備故障檢測儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種旋轉(zhuǎn)設(shè)備故障檢測儀，特別涉及一種基于聲發(fā)射 技術(shù)的設(shè)備故障檢測儀。
背景技術(shù)：
旋轉(zhuǎn)設(shè)備故障檢測儀能夠用來檢測旋轉(zhuǎn)設(shè)備的運行狀態(tài)，對于保證旋 轉(zhuǎn)設(shè)備安全運行、避免重大設(shè)備事故和工藝事故發(fā)生等具有明顯的經(jīng)濟和 社會效益?，F(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)設(shè)備故障檢測儀采用振動傳感器(加速度、速度或 位移傳感器)拾取設(shè)備振動信號、利用單片機技術(shù)進行信號處理存在一定的不足振動傳感器安裝有特定技術(shù)要求，安裝精度要求較高；環(huán)境的低 頻擾動信號會被加速度傳感器拾取，影響測試結(jié)果而導(dǎo)致誤判，而且振動 分析方法是通過對加速度、位移等信號的分析處理來判斷故障，相當(dāng)于二 次信號處理，很難實現(xiàn)真正意義上的實時檢測；單片機為核心的數(shù)據(jù)分析 處理系統(tǒng)運算速度慢、精度低、功能相對簡單，也不具備對采集信號進行 實時檢測分析的要求。

實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的是提供基于聲發(fā)射技術(shù)的設(shè)備故障檢測儀，該儀器 利用聲發(fā)射傳感器拾取旋轉(zhuǎn)設(shè)備聲發(fā)射信號、采用高精度DSP和數(shù)字信號處 理技術(shù)進行信號處理，儀器具有信號采集、信號分析、信號存儲、波形記 憶和通訊等功能，它完全克服了以振動檢測和單片機技術(shù)為核心的旋轉(zhuǎn)設(shè) 備故障檢測儀的缺點，具有傳感器安裝使用方便、聲發(fā)射信號豐富、抗環(huán) 境噪聲干擾能力強、檢測實時性好、便于獲取設(shè)備運行狀態(tài)信息等特點。
本實用新型提供的基于聲發(fā)射技術(shù)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備故障檢測儀由聲發(fā)射傳 感器、信號調(diào)理和自動增益放大模塊、數(shù)字信號處理模塊等三部分組成。
所述信號調(diào)理和自動增益放大模塊，其特征在于包括依次連接的前 置放大器l、數(shù)字電位器2、加法器3、 +1.8V基準電源4、單片機5、雙路電 壓比較器6、陷波器7、低通濾波器8、 +2. 5V基準電源9、 +3. 3V基準電源10; 所述信號調(diào)理和自動增益放大模塊，包括前置放大器l、數(shù)字電位器2、加 法器3、 +1. 8V基準電源4、單片機5、雙路電壓比較器6、工頻陷波器7、低 通濾波器8、 +2. 5V基準電源9、 +3. 3V基準電源10;所述的加法器3的輸入端 與前置放大器1的輸出端和+1. 8V基準電源4的輸出端連接，加法器3的輸出
端與工頻陷波器7的輸入端和雙路比較器6的輸入端連接，雙路比較器6的輸 入端與+2. 5V基準電源9和+3. 3V基準電源10的輸出端連接，雙路比較器6的 輸出端與單片機5的輸入端連接，單片機5的輸出端與數(shù)字電位器2的輸入端 連接，數(shù)字電位器2的輸出端與前置放大器1的輸入端連接；工頻陷波器7的 輸出端與低通濾波器8的輸入端連接；加法器3把前置放大器1的輸出信號與 +1. 8V基準電源4提供的+1. 8V電勢疊加，疊加后的電勢為U。分別作為工頻陷 波器7和雙路比較器6的輸入信號，U。分別與雙路比較器6的+2. 5V基準電源9 和+3. 3V基準電源10比較，根據(jù)比較結(jié)果雙路比較器6分別觸發(fā)單片機5產(chǎn)生 中斷INTO和中斷INT1 ，單片機5根據(jù)不同的中斷指令執(zhí)行增益增加或減少程 序，數(shù)字電位器才艮據(jù)單片機5的指令增加或減少數(shù)字電位器的阻值達到前置 放大器l增益自動調(diào)整的目的；自動增益放大后的信號電勢U。維持在0-3V范 圍內(nèi)，經(jīng)陷波器7完成工頻50Hz和150Hz信號陷波，再經(jīng)低通濾波器8實現(xiàn) 0-10kHz低通濾波。
所述信號調(diào)理和自動增益放大模塊，其中前置放大器l、數(shù)字電位器2、 加法器3、單片機5和雙路比較器6構(gòu)成了增益自動控制閉合回路。
所述的前置放大器其特征為前置放大器允許輸入阻抗大于500M/2, 適合高輸出阻抗的聲發(fā)射傳感器輸出信號的調(diào)理。
所述數(shù)字信號處理模塊，其主要特征在于包括DSP數(shù)字信號處理器ll、 Flash數(shù)據(jù)存儲器12、 RAM數(shù)據(jù)存儲器13、 RS232串口芯片14、可編程邏輯控 制器15、鍵盤16、 LCD顯示器17組成。
所述的DSP數(shù)字信號處理器11帶有片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其作用是把來自信 號調(diào)理和自動增益放大模塊的模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號、初始化DSP數(shù)字 信號處理器、完成數(shù)字信號處理等功能。
所述的可編程邏輯控制寄存器15和鍵盤16其特征為可編程邏輯控制 器15按照編寫的程序擴展DSP數(shù)字信號處理器11外部中斷控制寄存器，鍵盤 16的按鍵不同可以使DSP數(shù)字信號處理器11完成不同的中斷，實現(xiàn)用戶的人 機對話功能。
所述的Flash數(shù)據(jù)存儲器12,其特征為數(shù)據(jù)存儲空間為512Kx 16。 所述的LCD顯示器17，其特征為無需負壓和控制器的LCD顯示器、點陣 分辨率為320 x 240。
所述聲發(fā)射傳感器是在專利《壓電聲敏傳感器(專利號 ZL200520103257. 6 )》的基礎(chǔ)上提出的，其特征在于包括永磁鐵18、背襯 層19、壓電元件20、絕緣層21、拾音探頭22、中間體23、螺釘24、導(dǎo)線固
定板25、密封蓋26、導(dǎo)線27;拾音探頭22的外側(cè)環(huán)形凹槽內(nèi)鑲嵌有永磁鐵 18并和中間體23用螺紋聯(lián)結(jié)，拾音探頭22內(nèi)嵌有背襯層19、壓電元件20、 絕緣層21，絕緣層21用絕緣膠粘貼在拾音探頭內(nèi)部底面內(nèi)，壓電元件20夾 在絕緣層21和背襯層19之間。
聲發(fā)射傳感器靠磁力可以方便的吸附在待測旋轉(zhuǎn)設(shè)備的外表面，檢測 到的聲發(fā)射信號包含有豐富的旋轉(zhuǎn)設(shè)備運行狀態(tài)信息。采用了上述結(jié)構(gòu)， 可以制成聲發(fā)射傳感器抗環(huán)境噪聲干擾能力強、儀器檢測實時性好、獲取 設(shè)備運行狀態(tài)信息豐富、易于實現(xiàn)小型化和便攜式的設(shè)備故障檢測儀。利 用制成的設(shè)備故障檢測儀實現(xiàn)了對往復(fù)式壓縮機氣閥、柱塞泵進排液閥、 滾動軸承等旋轉(zhuǎn)設(shè)備零部件的狀態(tài)檢測，達到了減少旋轉(zhuǎn)設(shè)備事故、避免 災(zāi)害事故發(fā)生的目的。


圖1為基于聲發(fā)射技術(shù)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備故障檢測儀結(jié)構(gòu)框圖2為信號調(diào)理和自動增益放大模塊結(jié)構(gòu)框圖3為數(shù)字信號處理模塊結(jié)構(gòu)框圖4為基于聲發(fā)射技術(shù)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備故障檢測儀信號調(diào)理和自動增益放 大模塊具體實施框圖5為聲發(fā)射傳感器；
圖6 (a) U0<2. 5V時單片機中斷程序框圖6 (b) U0>3. 3V時單片機中斷程序框圖6(c)2. 5V <U0<3. 3V時單片機中斷程序框圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步詳述。
如圖1所示，旋轉(zhuǎn)設(shè)備故障檢測儀由聲發(fā)射傳感器、信號調(diào)理和自動 增益放大模塊、數(shù)字信號處理模塊等三部分組成，其中聲發(fā)射傳感器檢測 旋轉(zhuǎn)設(shè)備的聲發(fā)射信號；信號調(diào)理和自動增益放大模塊實現(xiàn)聲發(fā)射傳感器 輸出信號的前置放大、自動增益控制、工頻陷波、低通濾波等功能，使聲 發(fā)射傳感器的高輸入阻抗變?yōu)榈牡洼敵鲎杩共⒎糯笪⑷醯碾娦盘?、濾除干 擾信號和無用的信號，經(jīng)信號調(diào)理和自動增益放大的檢測信號電壓控制在 0-3V之間、阻抗極低滿足數(shù)字信號處理模塊輸入信號的要求；數(shù)字信號處 理模塊完成A/D才莫數(shù)轉(zhuǎn)換、信號處理、信號顯示、信號存儲和波形記憶等 功能。
本實用新型提供的信號調(diào)理和自動增益放大模塊見圖2、圖4,包括以AD745為核心器件的前置放大器1、以AD5200為核心器件的數(shù)字電位器 2、以AD8642為核心器件的加法器3、以AD318為核心器件的+1. 8V基準電 源4、型號為AT89S8253的單片機5、以AD8612為核心器件的雙路比較器6、 型號為LMF90的工頻陷波器7、型號為MAX291的低通濾波器8、以ADR421 為核心器件的+2.5V基準電源9、以ADR366為核心器件的+3. 3V基準電源 10，前置放大器l、數(shù)字電位器2、加法器3、單片機5和雙路比較器6等 組成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，其閉環(huán)控制的原理為加法器3將前置放大器1 輸出的電信號與+1.8V基準電源4輸出正電勢疊加變?yōu)閱螛O性輸出電信號 U。，雙路比較器6利用+2. 5V基準電源9和+3. 3V基準電源10組成一個電壓 窗口比較器，窗口比較器上限電壓為+3. 3V、下限電壓為+2.5V,當(dāng)U。的峰 值電壓超過上限電壓時，雙路比較器6觸發(fā)單片機5產(chǎn)生外部中斷0，在中 斷程序中單片機5使數(shù)字電位器2的阻值降低、放大器1的增益減少；當(dāng) U。的峰值電壓低于下限電壓時，單片機5使數(shù)字電位器2的阻值增大，放大 器1增益變大。經(jīng)過增益放大的檢測信號經(jīng)過工頻陷波器7進行工頻50Hz 陷波和150Hz陷波，然后再經(jīng)低通濾波器(Max291) 8實現(xiàn)0-10kHz低通濾 波。
本實用新型提供的信號調(diào)理和自動增益放大模塊技術(shù)方案為聲發(fā)射 傳感器檢測到的電信號從前置放大器1的端口 IN輸入，數(shù)字電位器2按照 單片機5的增益調(diào)整指令確定前置放大器1的放大增益；數(shù)字電位器2的 端口 CSI和MOSI分別和單片機5的SCK和MISO端口相連接；前置放大器1 的OUT端口和加法器3的IN端口相連，+1.8乂基準電源4提供的+1.8V電 壓與前置放大器1的輸出信號疊加，疊加后的信號從力。法器3的OUT端口 輸出；疊加后的電信號分成兩路， 一路和雙路比較器6的IN輸入端口相連， 一路和陷波器7的IN輸入端口相連；疊加后的信號在雙路比較器6內(nèi)分別 與+2. 5V基準電源9和+3. 3V基準電源10提供的VL和VH電壓相比較，根 據(jù)比較結(jié)果分別使單片機5產(chǎn)生INTO和INT1中斷，進而使數(shù)字電位器2 的增益變化；雙路比較器6的INTO和INT1端口分別與單片機5的INTO和 INT1端口相連；增益放大后的信號經(jīng)過陷波器7進行工頻50Hz和150Hz陷 波，陷波器7的OUT端口和低通濾波器8的IN端口相連；低通濾波后的信 號從低通濾波器8的OUT端口輸出。
單片機增益控制程序框圖見圖6 (a) 、(b) 、(c)，主程序和中 斷程序通過標(biāo)志位Flag聯(lián)系起來，在主程序中有一個中斷等待時間，隨后 便查看Flag是否在中斷程序1中被設(shè)置為1，若為O代表輸出信號峰值沒有達到所設(shè)的下限電壓，單片機通過增加寄存器RDAC的值來增大放大器1 的增益；若為1則^^表輸出信號峰值已達到下限電壓，此刻;^文大器的增益 比較適合，不需要作調(diào)整，所以主程序不做任何操作，F(xiàn)lag清零后開始新 一輪的檢測； 一旦輸出信號的峰值超過設(shè)定的上限電壓，程序便進入中斷0 的中斷程序中減小寄存器RDAC的值達到減小放大器增益的目的。
本實用新型提供的數(shù)字信號處理模塊見圖3,經(jīng)過信號調(diào)理和增益放 大的電信號送到型號為TMS320F2812的DSP數(shù)字信號處理器11進行信號處 理，數(shù)字信號處理器11帶有12位片上AD轉(zhuǎn)換控制器；DSP數(shù)字信號處理 器11按指令程序完成自身系統(tǒng)的初始化、PIE中斷向量表的初始化、系統(tǒng) 外設(shè)的初始化、中斷服務(wù)程序入口地址的設(shè)置等；利用型號為EPM7128A的 可編程邏輯控制寄存器15外擴外部中斷I/O組成鍵盤16，通過中斷功能使 儀器實現(xiàn)相應(yīng)的采樣、時域分析、頻域分析、相關(guān)分析、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù) 通訊等功能；采用型號為SST39VF400A的Flash數(shù)據(jù)存儲器12保存DSP數(shù) 字信號處理器11送來的數(shù)據(jù)實現(xiàn)儀器的數(shù)據(jù)保存功能；DSP數(shù)字信號處理 器ll也能夠調(diào)用Flash數(shù)據(jù)存儲器中的數(shù)據(jù)實現(xiàn)儀器的波形記憶功能；型 號為MAX3232的RS232串口芯片14是實現(xiàn)DSP數(shù)字信號處理器11和外部 計算機進行串口通訊的硬件設(shè)備，DSP數(shù)字信號處理器11按照相應(yīng)的中斷 指令功能實現(xiàn)和計算機的串口通訊；型號為61LV25616AL的RAM數(shù)據(jù)存儲 器13作為DSP數(shù)字信號處理器11的隨機數(shù)據(jù)存儲器；采用信號為 AT-320240Q1FIEB-33H的LCD顯示器17實現(xiàn)波形顯示、儀器人機界面對話 等功能。
采用這種旋轉(zhuǎn)式設(shè)備故障檢測儀對離心泵滾動軸承和往復(fù)式壓縮機氣 閥的聲發(fā)射信號進行了檢測，實踐證明研制的旋轉(zhuǎn)設(shè)備故障檢測儀具有人 機界面友好、抗環(huán)境噪聲干擾能力強、使用方便等特點，它能夠安全用于 旋轉(zhuǎn)設(shè)備的狀態(tài)檢測，實現(xiàn)信號采集、信號存儲、時域波形分析、頻域信 號分析、均方根分析、平均值偏差分析、波形記憶以及RS232串口通訊等 功能。
權(quán)利要求1. 基于聲發(fā)射技術(shù)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備故障檢測儀，其特征在于包括依次連接的聲發(fā)射傳感器、信號調(diào)理和自動增益放大模塊、數(shù)字信號處理模塊；所述信號調(diào)理和自動增益放大模塊，包括前置放大器(1)、數(shù)字電位器(2)、加法器(3)、+1.8V基準電源(4)、單片機(5)、雙路電壓比較器(6)、工頻陷波器(7)、低通濾波器(8)、+2.5V基準電源(9)、+3.3V基準電源(10)；所述的加法器(3)的輸入端與前置放大器(1)的輸出端和+1.8V基準電源(4)的輸出端連接，加法器(3)的輸出端與工頻陷波器(7)的輸入端和雙路比較器(6)的輸入端連接，雙路比較器(6)的輸入端與+2.5V基準電源(9)和+3.3V基準電源(10)的輸出端連接，雙路比較器(6)的輸出端與單片機(5)的輸入端連接，單片機(5)的輸出端與數(shù)字電位器(2)的輸入端連接，數(shù)字電位器(2)的輸出端與前置放大器(1)的輸入端連接；工頻陷波器(7)的輸出端與低通濾波器(8)的輸入端連接；所述信號調(diào)理和自動增益放大模塊，前置放大器(1)、數(shù)字電位器(2)、加法器(3)、單片機(5)和雙路比較器(6)構(gòu)成了自動增益控制閉合回路；所述的前置放大器(1)，允許輸入阻抗大于500MΩ，適合高輸出阻抗的聲發(fā)射傳感器輸出信號的調(diào)理；所述數(shù)字信號處理模塊，包括DSP數(shù)字信號處理器(11)、Flash數(shù)據(jù)存儲器(12)、RAM數(shù)據(jù)存儲器(13)、RS232串口芯片(14)、可編程邏輯控制器(15)、鍵盤(16)、LCD顯示器(17)。
2 、根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于聲發(fā)射技術(shù)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備故障檢測 儀，其特征在于DSP數(shù)字信號處理器(11)帶有片上才莫數(shù)轉(zhuǎn)換器。
3、根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于聲發(fā)射技術(shù)的設(shè)備故障檢測儀，其 特征在于Flash數(shù)據(jù)存儲器(12)存儲空間為512K x 16Bit。儀，其特征在于LCD顯示器(17)的點陣分辨率為320 x 240。
4.<image>image see original document page 2</image>
5、根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于聲發(fā)射技術(shù)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備故障檢測 儀，其特征在于所述聲發(fā)射傳感器，包括永磁鐵(18 )、背襯層(19 )、 壓電元件(20)、絕緣層(n)、拾音探頭(22)、中間體(23)、螺釘 (24 )、導(dǎo)線固定板(25 )、密封蓋(26 )、導(dǎo)線(27 );拾音探頭(22 ) 的外側(cè)環(huán)形凹槽內(nèi)鑲嵌有永J茲鐵(18 )并和中間體(23 )用螺紋聯(lián)結(jié)；拾音探頭(22 )內(nèi)嵌有背襯層(19 )、壓電元件(20 )、絕緣層(21), 絕緣層(21)用絕緣膠粘貼在拾音探頭內(nèi)部底面內(nèi)，壓電元件(20) 夾在絕緣層(21)和背襯層(19 )之間。
專利摘要本實用新型為一種基于聲發(fā)射技術(shù)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備故障檢測儀，屬于一種旋轉(zhuǎn)設(shè)備故障檢測儀。它由聲發(fā)射傳感器、信號調(diào)理和自動增益放大模塊、數(shù)字信號處理模塊等三部分組成。信號調(diào)理和自動增益放大模塊包括前置放大器(1)、數(shù)字電位器(2)、加法器(3)、單片機(5)和雙路比較器(6)構(gòu)成的增益自動調(diào)整閉合控制回路和陷波器(7)、低通濾波器(8)等幾部分。數(shù)字信號處理模塊包括DSP數(shù)字信號處理器(11)、Flash數(shù)據(jù)存儲器(12)、RAM數(shù)據(jù)存儲器(13)、RS232串口芯片(14)、可編程邏輯控制器(15)、鍵盤(16)、LCD顯示器(17)等各部分組成。此儀器抗環(huán)境噪聲干擾能力強、儀器檢測實時性好、獲取設(shè)備運行狀態(tài)信息豐富、易于實現(xiàn)小型化。
文檔編號G01M99/00GK201078749SQ20072010335
公開日2008年6月25日 申請日期2007年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月26日
發(fā)明者何存富, 斌 吳, 宋吟蔚, 宋國榮, 王慶鋒 申請人:北京工業(yè)大學(xué)