专利名称：一种用于提取低速重载设备多种信号的数据采集器的制作方法
技术领域：
本发明是一种数据采集器，具体为一种用于提取低速重载设备多种信号的数据采
集器。
背景技术：
目前，工业现场使用的数据采集仪器对于低速重载设备的振动信号的采集一直是 一个难题，主要是因为在采集的信号中参杂了大量的噪声信号，而且没有一种行之有效的 将噪声信号进行分离的措施的应用。
发明内容
本实用新型提出了一种带有高频共振的振动信号采集仪器，该采集仪器将共振解
调技术引入振动信号的数据采集中，能够有效的提高振动信号的信噪比。 为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。本发明中的数据采集器包括加
速度传感器、温度传感器、声音传感器、共振器、A/D转换模块、控制器、通讯模块、触摸屏和
电子标签模块，所述的共振器包括依次连接的光电耦合电路、差动放大电路、谐振电路、高
通滤波电路、单极性电路和抗混叠滤波电路，加速度传感器、温度传感器和声音传感器均与
所述共振器中的光电耦合电路相连，共振器中的抗混叠滤波电路通过AD转换模块与控制
器相连，控制器还分别与触摸屏、通讯模块和电子标签模块相连。 当低速重载设备的轴承元件表面有局部损伤类故障(如剥落、点蚀、裂纹等)时， 伴随轴承运转这些故障会产生周期性脉冲冲击。本发明中所针对的低速重载设备的轴承其 旋转频率很低(在O. 1Hz左右)，频域却很宽，并且其中混杂了很多的噪声信号，为了提高信 噪比更好的识别故障信号，共振解调技术不是直接分析振动信号的频谱，而是设置一个谐 振频率远远高于常规振动频率的"共振器"去处理振动信号。常规的、不危害机器安全的振 动是柔和的，不含在"共振器"频带内的频谱分量，共振器没有与之相关的输出；而故障冲击 不论多么小，也含有几乎无限丰富的高频能量，能够激发共振器发生共振，故障冲击得到了 放大。采用共振解调技术，在前端设置一个合适的谐振器，将故障信号(高频)分离出来， 把噪声信号有效的隔离，能够很大程度上提升数据采集系统的性能。并且融合了声音和温 度信号的采集，来提高对机械设备的诊断准确性。将采集的各种信号存储到外扩的存储芯 片上，在采集任务完成后通过通讯模块将采集的数据传送到上位机。通过触摸屏实现人机 交互，对数采器下达采集任务，并且通过电子标签来记录下达的点检任务的完成情况，确保 下达的各项采集任务被完成。 本发明是针对振动、温度和声音信号的采集仪器，在振动信号的采集中引入了共 振解调技术以提高振动信号的采集质量，为下一步在计算机上分析振动信号，诊断机械设 备的运转状况提供了前提。 共振解调是一项非常好的消除振动信号噪声的技术，将共振解调技术引入到振动 信号的数据采集中，能够有效的提高振动信号的信噪比，即使对轴承旋转频率在0. 1Hz左右的低频信号也能够有效的提取。
图1采集器的整体框图
图2光电耦合模块电路图
图3差动放大电路图
图4谐振电路图
图5高通滤波电路图
图6单极性电路图
图7抗混叠滤波电路图
图8A/D转换电路图
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步说明 如图1所示，本发明中所述的数据采集仪器包括以下部分加速度传感器、温度传
感器、声音传感器以及各传感器接口模块，对传感器采集的模拟信号进行前端处理的共振
器，将模拟信号转换为数字信号的A/D转换模块，控制器负责对整个采集系统进行资源调
度和分配，实现下位机与上位机进行通讯的通讯模块，用以标记设备点检工作的完成情况
的电子标签模块，本实施例中的控制器是基于嵌入式技术的，并且带有LINUX操作系统，用
以对整个采集系统的各个资源进行调度和分配，具体选用的芯片是S3C2410。 传感器采集到模拟信号后首先进行一个前端的信号调理，在本实施例中信号调理
是通过共振器来实现的。共振器包括依次连接的光电耦合电路、差动放大电路、谐振电路、
高通滤波电路、单极性电路和抗混叠滤波电路。加速度传感器、温度传感器、声音传感器，用
来采集目标设备振动的加速度信号、温度信号或者声音信号，并以电压的形式输出给共振
器中的光电耦合电路。 a.传感器采入模拟信号，应该首先进行光电隔离以将系统的强弱电分开，增强系
统的抗干扰性能和安全系数。线性光耦的隔离原理与普通光耦没有差别，只是将普通光耦
的单发单收模式稍加改变，增加一个用于反馈的光电接收电路用于反馈。这样，虽然两个光
接收电路都是非线性的，但两个光接收电路的非线性特性都是一样的，这样，就可以通过反
馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性，从而达到实现线性隔离的目的。 本实用新型选用了 Agilent公司的HCNR200型高精密线性光耦来搭建光电耦合模
块。又采用了TI公司的LMV321高精密运放来辅助实现信号的电压隔离。其应用电路在说
明附图中图2所示。 b.传感器输出的冲击信号虽经内置放大器进行放大，但其幅值仍是非常小，在传 输过程中存在衰减，如果不进行放大而直接对其进行处理，则信号失真相当严重。因此选用 了美国Burr-Brown公司的PGA205搭建差动放大电路。该芯片最大特点为可通过在线编程 实现1 、 2 、 4、 8倍的增益控制。其应用电路如说明附图中图3所示。 c.谐振电路设计是高频共振技术的重要环节，它的功用在于剔除几乎所有低频 的振动以及冲击的低频频谱成分，保留冲击的高频成分；应用其谐振特征，对冲击进行共振
4响应，实现波形的时域变换，即能实现对脉冲冲击进行放大、展宽的共振变换。针对这种特 点，选用了 MAXIM公司的MAX268高精密带通滤波器来实现电路。MAX268内部包含一个放大 器和两个二阶滤波部分，可以实现精度很高的带通滤波中心频率、品质因数和操作模式可 以通过管脚输入而设定。其应用电路图在说明附图中图4所示。 d.解调有多种方式，在此采用硬件来实现高通绝对值解调。高通绝对值解调电路 由高通滤波器和绝对值电路(即全波精密整流电路)构成。高通滤波电路的设计采用压控 电压源形式，它只需要几个精密电阻和电容就可以很方便的实现截止频率和增益控制。其 应用电路如说明附图中图5中所示。 e.绝对值电路也叫单极性电路，实现解调的同时控制系统增益。其应用电路如说 明附图中图6中所示。 f.单极性电路后加一个抗混叠环节来防止信号混叠现象的出现。在此采用4阶切
比雪夫低通滤波器实现抗混叠操作。其应用电路如说明附图中图7中所示。 本实施例采用ADS7805实现信号的A/D转换，并与主芯片S3C2410连接，图8是实
现A/D转换的电路图。 为实现人机交互而采用了触摸屏技术，将S3C2410片上的触摸屏控制资源直接引 出，实现使用人员对仪器的控制。 为实现数采器与上位机的通讯，引出主芯片的串口和USB 口资源，将采集仪器上
临时保存的数据上传给上位机，方便在上位机上对数据进行分析得出结论。 为适应在工业现场的使用，本实用新型中引入了电子标签技术，用以避免在点检
任务中出现漏检和误检的情况出现。在本实用新型中采用了美国Dallas公司的电子标签
产品DS1990A，该电子标签具有抗电磁干扰、抗挤压和抗油污的功能，使得其适合在恶劣的
工业环境中使用。 本实施例应用嵌入式技术设计带有操作系统的数据采集仪器，可以实现多任务并 发，有效管理系统的资源；在信号调理模块中应用了高频共振技术，对噪声信号进行分离， 提高了信噪比。
权利要求
一种用于提取低速重载设备多种信号的数据采集器，其特征在于包括加速度传感器、温度传感器、声音传感器、共振器、A/D转换模块、控制器、通讯模块、触摸屏和电子标签模块，所述的共振器包括依次连接的光电耦合电路、差动放大电路、谐振电路、高通滤波电路、单极性电路和抗混叠滤波电路，加速度传感器、温度传感器和声音传感器均与所述共振器中的光电耦合电路相连，共振器中的抗混叠滤波电路通过AD转换模块与控制器相连，控制器还分别与触摸屏、通讯模块和电子标签模块相连。
全文摘要
本发明是一种数据采集器，具体为一种用于提取低速重载设备多种信号的数据采集器。本采集器包括包括加速度传感器、温度传感器、声音传感器、共振器、A/D转换模块、控制器、通讯模块、触摸屏和电子标签模块。共振器包括依次连接的光电耦合电路、差动放大电路、谐振电路、高通滤波电路、单极性电路和抗混叠滤波电路，加速度传感器、温度传感器和声音传感器均与共振器中的光电耦合电路相连，共振器中的抗混叠滤波电路通过AD转换模块与控制器相连，控制器还分别与触摸屏、通讯模块和电子标签模块相连。本发明在信号调理模块中应用了高频共振技术，对噪声信号进行分离，提高了信噪比。
文档编号G01H17/00GK101696894SQ20091023631
公开日2010年4月21日 申请日期2009年10月16日 优先权日2009年10月16日
发明者任志强, 叶辉, 王旭, 王燕, 苏善斌, 赵元喜, 邱志成, 郝倩, 阳子婧, 高立新 申请人:北京工业大学;