非稳态机械设备振动信号的监测装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种非稳态机械设备振动信号的监测装置，包括：加速度传感器将采集到的电信号传输至并联加速度处理回路、速度处理回路和位移处理回路；加速度处理回路，包括：串联的第一固定增益放大器和第一数模转换器；速度处理回路，包括：串联的第二固定增益放大器、积分电路、第三固定增益放大器和第二数模转换器；位移处理回路，包括：串联的第四固定增益放大器、双积分电路、第五固定增益放大器和第三数模转换器；第一至第三数模转换器输出端连接数字逻辑单元，其转换触发分别由数字逻辑单元控制。本发明能实现不同的采样速率，能实现对加速度、速度和位移三个物理量或其中任意两个物理量同时采集、并对所述每个物理量均能实现连续不间断采集。
【专利说明】非稳态机械设备振动信号的监测装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及机电领域，特别是涉及一种非稳态机械设备振动信号的监测装置。
【背景技术】
[0002]振动信号监测是保证机械设备安全运转的、一个不可缺失的环节，对于提高系统可靠性、保障设备的可用性具有重要的经济和现实意义。而获得原始振动信号的采集方式直接关系到后续的信号分析、故障诊断、维护预报的可靠性及准确性。在振动工程上，振动量值的物理参数常用位移、速度和加速度来表示。对于不同的行业、不同的设备，甚至相同的设备不同的运行状态下，所需要监测的物理量往往不相同。比如对于低频振动问题，由于位移和速度比较敏感，所以通常监测位移和加速度的比较多，对于高频振动而言，加速度比较敏感，因此监测加速度的比较多。而位移、速度和加速度之间也可以通过微分或积分互相转换，现代数字信号处理技术的发展也为此开辟了一条道路。
[0003]目前有两种采集方法:
[0004]一、时域:信号分时切换法；如图1所示，这是工程上普遍应用的电路处理方法。加速度传感器的输出的微弱信号首先通过可编程放大器Al得到放大后的加速度电信号，然后送到一次模拟积分器Kl得到速度电信号，速度信号再经过第二次模拟积分器K2得到位移电信号。三个模拟的电信号通过三选一电子开关输入到Α/D转换器变成数字量，处理器接收该数字量，进行计算或存储等操作。该方法的缺点是加速度、速度、位移量不能同时获得。由于故障设备运行状态是不确定的，最能反映故障特征的敏感量可能稍纵即逝。例如，当前三选一开关在加速度采集状态，当系统发现此时应该采集位移量，则需要立即执行开关切换动作，启动位移采集任务。而这个切换过程必定有计算延迟、电路稳定等一系列延迟，经过这一长串延迟，敏感信号可能会消失或部分消失，因此造成原始数据缺失而不能进行下一步的故障有效诊断分析。另外，信号回路中可编程放大器的影响也不能忽略，因为量程切换过程中会发生信号丢失现象。尤其是频繁的高低量程来回切换，会造成系统完全无法正常工作。
[0005]二、频域:直接计算法；如图2所示，时域加速度信号经可编程放大器A放大后，通过Α/D转换器变成离散的数字信号后，经过频域变换得到速度信号及位移。理论上似乎可以同时获得这三个物理量，但是影响因素诸多:A/D精度、采样速度、样本数量、信号复杂性、计算实时速度等都制约该方法的工程应用。目前一次数字积分效果尚可，二次数字积分就很不理想了。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术问题是提供一种加速度、速度和位移三个物理量能同时连续采集非稳态机械设备振动信号的监测装置。
[0007]为解决上述技术问题，本发明的非稳态机械设备振动信号的监测装置，包括:加速度传感器AS将采集到的电信号传输至并联加速度处理回路、速度处理回路和位移处理回路；
[0008]所述加速度处理回路，包括:串联的第一固定增益放大器Al和第一数模转换器A/Dl ；
[0009]所述速度处理回路，包括:串联的第二固定增益放大器A2、积分电路K1、第三固定增益放大器A3和第二数模转换器A/D2 ；
[0010]所述位移处理回路，包括:串联的第四固定增益放大器A4、双积分电路K2、第五固定增益放大器A5和第三数模转换器A/D3 ；
[0011]所述第一至第三数模转换器A/D1?A/D3输出端连接数字逻辑单元DL，其转换触发分别由所述数字逻辑单元控制，能实现不同的采样速率。
[0012]其中，所述第一至第三数模转换器A/D1?A/D3为24位以上数模转换器，具有120dB的动态范围，不再需要动态改变电路增益，从而能实现对加速度、速度和位移，每个物理量均能连续不间断采集，完整记录信号(包括其突变过程)。
[0013]本发明将加速度传感器输入的微弱电信号进入采集系统后，同时接到加速度、速度、和位移处理回路；这三个回路互不影响、互不干涉；
[0014]所述三个回路有各自的放大器:加速度回路有第一固定增益放大器；速度回路有一个前置放大器(第二固定增益放大器)、一个积分电路、一个后置放大器(第三固定增益放大器);位移回路有一个前置放大器(第四固定增益放大器)、一个双积分电路、一个后置放大器(第五固定增益放大器)；位移直接由加速度双积分得到，并不通过速度积分；所述三个回路的放大器增益由Α/D转换器(数模转换器)输入最大幅值、加速度传感器最大输出信号幅值、系统需要的最大加速度值、系统需要的最大速度值、系统需要的最大位移值综合决定，各回路的参数可以互不相关；
[0015]所述综合决定可采用以下方式；
[0016]Vadc: AD满量程输入电压幅值
[0017]Vacc:工程实施中，需要监测到的最大机械振动幅值所对应的传感器输出电信号幅值
[0018]Vmax:电路中，运放最大不失真输出幅值
[0019]Kl:速度积分增益，由截止频率决定
[0020]K2:位移双积分增益，由截止频率决定
[0021]对于加速度量:
[0022]增益Al=Vadc + Vacc
[0023]对于速度量，分配
[0024]增益A2=Vmax + Vacc
[0025]增益A3=Vadc + (Vmax*Kl)
[0026]对于位移量,分配
[0027]增益A4=Vmax + Vacc
[0028]增益A5=Vadc+(Vmax*K2)
[0029]所述三个回路的放大器增益固定，不再需要根据信号幅值进行软件动态调整，可以避免采集大动态信号换量程时的信号间断；
[0030]所述三个回路的信号输出分别连接Α/D转换器，能同时采集三个振动物理量；选择24bit的A/D转换器，具有120dB的动态范围，即便不换量程也可满足常规工程应用，所述三回路Α/D转换器分别由数字逻辑控制单元控制转换启停，可以灵活实现不同频率的采集。
[0031]本发明采用三路Α/D同时采转换的方法打破了常规的一路Α/D轮询的束缚；本发明采用24bit (或更高位数)A/D进行模拟数字转换，凭借A/D本身的大动态范围的优势弥补了小信号时的精度，做到了不需要软件动态改变放大器的增益，使得采集过程可以连续不间断进行。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]下面结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明:
[0033]图1是一种采用时域:信号分时切换法的机械设备振动信号的监测装置的结构示意图。
[0034]图2是一种采用频域:直接计算法的机械设备振动信号的监测装置的结构示意图。
[0035]图3是本发明一实施例的结构示意图。
[0036]附图标记说明
[0037]A是增益放大器
[0038]Al?A5是第一?第五固定增益放大器
[0039]K是数字积分器
[0040]Kl是积分电路
[0041]K2是双积分电路
[0042]A/D、A/D1?A/D3是第一?第三数模转换器
[0043]AS是加速度传感器
[0044]DL是数字逻辑控制单元
[0045]C是处理器单元
[0046]D是数字信号处理器单元
【具体实施方式】
[0047]如图3所示，本发明一实施例，包括:加速度传感器AS将采集到的电信号传输至并联加速度处理回路、速度处理回路和位移处理回路；
[0048]所述加速度处理回路，包括:串联的第一固定增益放大器Al和第一数模转换器A/Dl ；
[0049]所述速度处理回路，包括:串联的第二固定增益放大器A2、积分电路K1、第三固定增益放大器A3和第二数模转换器A/D2 ；
[0050]所述位移处理回路，包括:串联的第四固定增益放大器A4、双积分电路K2、第五固定增益放大器A5和第三数模转换器A/D3 ；
[0051]所述第一至第三数模转换器A/D1?A/D3输出端连接数字逻辑单元DL，其转换触分别由所述数字逻辑单元控制，能实现不同的采样速率。
[0052]其中，所述第一至第三数模转换器A/D1?A/D3为24位以上数模转换器，具有120dB的动态范围。
[0053]以上通过【具体实施方式】和实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种非稳态机械设备振动信号的监测装置，其特征是，包括:加速度传感器(AS)将采集到的电信号传输至并联加速度处理回路、速度处理回路和位移处理回路； 所述加速度处理回路，包括:串联的第一固定增益放大器(Al)和第一数模转换器(A/Dl)； 所述速度处理回路，包括:串联的第二固定增益放大器(A2)、积分电路(K1)、第三固定增益放大器(A3)和第二数模转换器(A/D2)； 所述位移处理回路，包括:串联的第四固定增益放大器(A4)、双积分电路(K2)、第五固定增益放大器(A5)和第三数模转换器(A/D3)； 所述第一至第三数模转换器(A/D1?A/D3)输出端连接数字逻辑单元(DL)，其转换触发分别由所述数字逻辑单元控制，能实现不同的采样速率，实现对加速度、速度和位移三个物理量或其中任意两个物理量同时采集、并对所述每个物理量均能实现连续不间断采集。
2.如权利要求1所述非稳态机械设备振动信号的监测装置，其特征是:所述第一至第三数模转换器(A/D1?A/D3)为24位以上数模转换器，具有120dB的动态范围。
【文档编号】G01H11/06GK104180893SQ201310198636
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2013年5月24日 优先权日:2013年5月24日
【发明者】贾维银, 宋海峰 申请人:安徽容知日新信息技术有限公司