一種振動信號采集處理模塊及處理方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于航空電子【技術領域】，涉及一種直升機轉動部件的振動信號采集處理模塊及處理方法。該模塊包括順次連接的傳感器接口電路、可編程放大器、抗混疊濾波器、A/D轉換電路以及FPGA，該方法步驟包括振動傳感器將振動信號輸入到傳感器接口電路轉換為電壓信號，電壓信號經過傳感器接口電路內的高通濾波器，濾除信號中的直流分量。本發(fā)明通過FPGA對A/D轉換進行控制，相比CPU控制A/D轉換方式，提高了采樣頻率和實時性；通過采用抗混疊濾波技術，可靈活設置濾波器的階數和截止頻率，提高了濾波器的阻帶下降斜率，增強了信號抗干擾能力。
【專利說明】一種振動信號采集處理模塊及處理方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于航空電子【技術領域】，涉及一種直升機轉動部件的振動信號采集處理模塊及處理方法。
【背景技術】:
[0002]直升機旋翼、尾槳、傳動系統(tǒng)等動部件的故障直接影響直升機的飛行安全，因此對直升機的動部件進行監(jiān)測及診斷成為裝備保障的重要內容之一。由于直升機結構特殊，一些關鍵部件很難實現冗余設計，一旦發(fā)生故障將造成嚴重后果，因此需要對直升機的動部件進行實時監(jiān)測，對可能發(fā)生的故障提前預測，避免事故的發(fā)生。
[0003]HUMS是直升機狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷系統(tǒng)(Health and Usage MonitoringSystem)的縮寫(直譯為健康和使用監(jiān)視系統(tǒng))，通過監(jiān)測直升機動部件的運行狀況，為系統(tǒng)維護和使用提供合理信息，提高直升機的可靠性、維修性和保障性。
[0004]早在二十世紀八十年代英國已經開始應用直升機故障診斷系統(tǒng)。目前，國內直升機故障診斷系統(tǒng)的研究基礎比較薄弱，僅有一些大學和研究所在不同領域開展了一些初步研究，直升機故障診斷技術還處在探索階段，不能滿足直升機維護的需要。
[0005]在直升機故障診斷系統(tǒng)中，常用的狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷方法包括:發(fā)動機功率監(jiān)測、金屬屑監(jiān)測、傳動系統(tǒng)振動信號監(jiān)測和發(fā)動機部件壽命監(jiān)測等。目前，應用于直升機轉動部件的故障診斷方法主要是振動信號分析法，振動信號分析法通過安裝在適當位置的振動傳感器監(jiān)測發(fā)動機和傳動系統(tǒng)產生的振動信號，并對此信號進行分析和處理來判斷部件的工作狀況。振動信號分析方法是實現故障診斷的有效方法之一，通過對振動信號實時分析，并依據適當的故障模型判斷部件當前的工作狀態(tài)，為系統(tǒng)使用和維護提供合理信息。

【發(fā)明內容】

[0006]發(fā)明目的:為了對直升機轉動部件的振動信號進行處理和分析，以實現直升機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷功能，一種振動信號采集處理模塊及處理方法。
[0007]技術方案:一種振動信號采集處理模塊，該模塊包括順次連接的傳感器接口電路、可編程放大器、抗混疊濾波器、A/D轉換電路以及FPGA，所述FPGA控制可編程放大器和A/D轉換電路，FPGA還連接有自檢電路，為其提供測試的基準電壓，用于BIT檢測，DSP從FPGA中讀取采樣數據，提取振動信號的特征值，對數據進行處理和分析，將分析結果存放在FPGA內部的RAM中供主控板讀取。
[0008]所述傳感器接口電路為振動傳感器提供匹配接口，使用恒流源二極管CR220形成恒流源驅動電路，+24VDC供電，CR220輸出額定電流為2.2mA，在+24VDC和地極之間設置有保護二極管Vl和V2，IOUT+和IOUT-為傳感器驅動輸入和信號輸出復用端，振動傳感器輸出電壓信號經過隔直電容Cl，濾除信號中的直流分量，電阻R2和電容Cl構成RC高通濾波電路，RC高通濾波電路與LM124電壓跟隨器的同相輸入端連接，LM124電壓跟隨器連接到單刀雙擲開關的常閉端，經過自檢電路輸出到可編程放大器的同相輸入端。[0009]一種振動信號采集處理方法，利用到振動信號采集處理模塊，包括以下步驟:
[0010]振動傳感器將振動信號輸入到傳感器接口電路轉換為電壓信號，電壓信號經過傳感器接口電路內的高通濾波器，濾除信號中的直流分量，輸出到可編程放大器，可編程放大器接收FPGA的命令，調節(jié)信號的放大倍數，確保被采信號處于合適的電壓區(qū)間，放大后的信號輸出到抗混疊濾波電路，抗混疊濾波電路內的集成連續(xù)時間濾波器濾除信號中的高頻干擾信號，輸出到A/D轉換電路，A/D轉換電路對輸入的信號進行16位同步采集，FPGA產生A/D轉換電路控制時序，讀取A/D轉換電路產生的數據并將數據存放在FPGA內部的RAM中，DSP從FPGA內部的RAM中讀取采樣數據，提取振動信號的特征值，對數據進行FFT處理，將處理結果存放在FPGA內部的RAM中。
[0011]優(yōu)選地，可同時對多路信號進行處理，每路信號都設置有獨立的可編程放大器。
[0012]有益效果:本發(fā)明通過FPGA對A/D轉換進行控制，相比CPU控制A/D轉換方式，提高了采樣頻率和實時性；通過采用抗混疊濾波技術，可靈活設置濾波器的階數和截止頻率，提高了濾波器的阻帶下降斜率，增強了信號抗干擾能力；通過DSP提取振動信號的特征值，進行實時分析，減小了產生的數據量，減輕了對后端記錄設備的壓力，提高了故障維護的時效性；當直升機轉動部件出現故障時，通過考察振動信號的頻率成分、振幅和相位變化，即振動信號的頻譜中出現異常分量，根據異常分量的特征值比對進行故障判斷和定位。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是振動信號采集處理模塊原理框圖
[0014]圖2是振動傳感器接口電路示意圖
[0015]圖3是可編程放大器示意圖
[0016]圖4是抗混疊濾波器原理圖
[0017]圖5是A/D轉換電路示意圖
[0018]圖6是并行接口 A/D轉換時序圖
[0019]圖7是自檢電路示意圖
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述，請參閱圖1至圖7。
[0021]如圖1所示，振動信號采集采集處理模塊主要包括:振動傳感器接口電路、可編程放大器、抗混疊濾波器、A/D轉換電器、自檢電路、FPGA、DSP等電路組成。
[0022]傳感器接口電路為振動傳感器提供匹配接口，將振動信號轉換為電壓信號，輸出信號經過高通濾波器，濾除信號中的直流分量。振動傳感器接口電路如圖2所示，使用恒流源二極管CR220設計恒流源驅動電路，+24VDC供電，CR220輸出額定電流為2.2mA。圖中Vl和V2為保護二極管。IOUT+和IOUT-為傳感器驅動輸入和信號輸出復用端，振動傳感器的靈敏度為100mV/g，輸出信號為±5V信號，其直流偏置電壓為+12V。振動傳感器輸出電壓信號經過隔直電容Cl，濾除信號中的直流分量，電阻R2和電容Cl構成RC高通濾波電路，Cl的容值為22uF，R2的阻值取3.6k Ω，得到高通濾波器的截止頻率為2.01Hz，高通濾波器消除頻率低于2.0lHz的信號成分，避免這些頻率的信號影響整個增益的設置和信號的頻譜分析。經過高通濾波器濾波的振動信號輸出到LM124電壓跟隨器的同相輸入端，LM124具有IMHz帶寬，電壓跟隨器連接到單刀雙擲開關的常閉端，經過自檢電路輸出到可編程放大器的同相輸入端。
[0023]可編程放大器接收FPGA的命令，調節(jié)信號的放大倍數，每路振動信號都設置有獨立的可編程放大器。如圖3所示，REF引腳設定輸出信號的偏置電壓，此處接地，偏置電壓為O。FPGA通過數據線A0、A1設置可編程放大器的增益系數，在/WR的下降沿，將增益系數寫到相應可編程放大器的增益鎖存器中。
[0024]抗混疊濾波電路使用集成連續(xù)時間濾波器，濾除信號中的高頻干擾信號，防止采集的振動信號產生混疊?？够殳B濾波器選用MAX頂公司的MAX274，該芯片為集成連續(xù)時間濾波器，由4個二階濾波器組成?？?5V或±5V供電。由于MAX274內部沒有時鐘信號，設計的濾波器沒有時鐘噪聲，因而該濾波器適用于振動分析。使用MAXM公司提供的MAX274軟件計算MAX274外接電阻的阻值。在軟件中設置濾波器的階數、采樣頻率和截止頻率，就可以得到濾波器的頻率響應圖和外接電阻的阻值。MAX274中濾波器內部原理圖如圖4所示。Rl、R2、R3、R4為四個外接電阻，IN為信號輸入端，LPO為低通濾波器輸出引腳，BPO為帶通濾波器輸出引腳。FC引腳接地時，RY/RX=5:1。在設計濾波器時，應了解振動傳感器輸出信號的有效頻率范圍。按照振動信號抗混疊濾波要求，設置濾波器的階數和截止頻率。
[0025]A/D轉換電路對輸入的多路振動信號進行16位同步采集(至少6路同步)，工程應用中，采樣頻率一般采用信號最高有效頻率的3?5倍。在本文描述的振動信號采集處理模塊中，振動信號采集頻率為96kHz，A/D轉換芯片選用AD公司的AD7656，該芯片包含6路相互獨立的16位、高速、低功耗、逐次逼近型A/D轉換器，芯片的最高采樣率可達250kHz。供電電壓±5V?±15V。可以以并行和串行的方式與外接電路接口，輸出信號兼容3.3V或5V電平，因而該芯片很容易與微處理器或DSP接口。AD7656外圍電路如圖5所示，每個CONVST信號控制兩路A/D轉換器同時進行轉換。AD7656的參考電壓由外部接入，參考電壓值為
[0026]+2.5V。Vdrive引腳為邏輯輸出電平，此處Vdrive接3.3V，即A/D轉換器與其它芯片接口電平為3.3V。H/S SEL引腳設置AD7576的工作模式，當H/S SEL引腳接地時，由CONVST引腳觸發(fā)A/D轉換，當H/S SEL引腳接3.3V時，由芯片內部的控制寄存器觸發(fā)A/D轉換。此處H/S SEL引腳接低電平。RANGE為輸入信號電壓范圍設置引腳，接+3.3V時，輸入信號范圍為±2*Vref。接地時，輸入信號范圍為±4*Vref。此處RANGE引腳接3.3V，輸入信號范圍為±5V。W/B接低電平，A/D轉換器并行數據總線DB [O:15]傳輸數據。由FPGA生成A/D轉換控制時序，并讀取轉換結果存放在FPGA內部RAM中。A/D轉換時序圖如圖6所示。整個采樣過程由FPGA根據系統(tǒng)要求統(tǒng)一調度，由同步信號觸發(fā)A/D轉換，當FPGA檢測到同步信號到來時，向A/D轉換芯片相應通道發(fā)出CONVST信號，采集固定點數的振動信號。在FPGA內部生成雙口 RAM作為數據緩存，DSP從雙口 RAM中讀取采樣數據。
[0027]自檢電路為振動信號采集處理模塊提供測試的基準電壓，用于BIT檢測。振動信號的自檢電路原理示意圖如圖7所示。通過INl和IN2控制SPDT開關的狀態(tài)，分別選擇輸出信號為+2.5V、0V (地)或VB (振動信號)，實現電路的自檢測和振動信號測量。通過采集地電平信號，可以對系統(tǒng)的零點進行校驗。單刀雙擲開關選用MAX頂公司的MAX333，該芯片包含四個單刀雙擲模擬開關，供電電壓為±4.5V?±20V，此處接±5V電源，邏輯輸入兼容CM0S/TTL 電平。[0028]FPGA產生A/D轉換控制時序，讀取A/D轉換產生的數據并將數據存放在FPGA內部的RAM中。FPGA對可編程放大器進行控制，確保被采信號處于合適的電壓區(qū)間，從而提高采樣精度。
[0029]DSP從FPGA中讀取采樣數據，對數據進行預處理，通過對數據進行快速傅里葉變換提取振動信號的特征值，利用故障診斷模型算法進行分析，將分析結果存放在FPGA內部的RAM中供主控板讀取。
[0030]本發(fā)明通過FPGA對A/D轉換進行控制，相比CPU控制A/D轉換方式，提高了采樣頻率和實時性；通過采用抗混疊濾波技術，可靈活設置濾波器的階數和截止頻率，提高了濾波器的阻帶下降斜率，增強了信號抗干擾能力；通過DSP提取振動信號的特征值，進行實時分析，減小了產生的數據量，減輕了對后端記錄設備的壓力，提高了故障維護的時效性；當直升機轉動部件出現故障時，通過考察振動信號的頻率成分、振幅和相位變化，即振動信號的頻譜中出現異常分量，根據異常分量的特征值比對進行故障判斷和定位。
【權利要求】
1.一種振動信號采集處理模塊，其特征在于，該模塊包括順次連接的傳感器接口電路、可編程放大器、抗混疊濾波器、A/D轉換電路以及FPGA，所述FPGA控制可編程放大器和A/D轉換電路，FPGA還連接有自檢電路，為其提供測試的基準電壓，用于BIT檢測，DSP從FPGA中讀取采樣數據，提取振動信號的特征值，對數據進行處理和分析，將分析結果存放在FPGA內部的RAM中供主控板讀取。
2.根據權利要求1所述的一種振動信號采集處理模塊，其特征在于，所述傳感器接口電路為振動傳感器提供匹配接口，使用恒流源二極管CR220形成恒流源驅動電路，+24VDC供電，CR220輸出額定電流為2.2mA,在+24VDC和地極之間設置有保護二極管Vl和V2，IOUT+和IOUT-為傳感器驅動輸入和信號輸出復用端,振動傳感器輸出電壓信號經過隔直電容Cl，濾除信號中的直流分量，電阻R2和電容Cl構成RC高通濾波電路，RC高通濾波電路與LM124電壓跟隨器的同相輸入端連接，LM124電壓跟隨器連接到單刀雙擲開關的常閉端，經過自檢電路輸出到可編程放大器的同相輸入端。
3.一種振動信號采集處理方法，其特征在于，利用到振動信號采集處理模塊，包括以下步驟: 振動傳感器將振動信號輸入到傳感器接口電路轉換為電壓信號，電壓信號經過傳感器接口電路內的高通濾波器，濾除信號中的直流分量，輸出到可編程放大器，可編程放大器接收FPGA的命令，調節(jié)信號的放大倍數，確保被采信號處于合適的電壓區(qū)間，放大后的信號輸出到抗混疊濾波電路，抗混疊濾波電路內的集成連續(xù)時間濾波器濾除信號中的高頻干擾信號，輸出到A/D轉換電路，A/D轉換電路對輸入的信號進行16位同步采集，FPGA產生A/D轉換電路控制時序，讀取A/D轉換電路產生的數據并將數據存放在FPGA內部的RAM中，DSP從FPGA內部的RAM中讀取采樣數據，提取振動信號的特征值，對數據進行FFT處理，將處理結果存放在FPGA內部的RAM中。
4.根據權利要求3所述的一種振動信號采集處理方法，其特征在于，可同時對多路信號進行處理，每路信號都設置有獨立的可編程放大器。
【文檔編號】G01H11/06GK103644963SQ201310629438
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年11月28日 優(yōu)先權日:2013年11月28日
【發(fā)明者】徐彤, 劉磊, 宋恒 申請人:陜西千山航空電子有限責任公司