专利名称：基于阵列式声发射器的分布式机械故障实时监测装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种基于声发射传感器对整个系统机械故障的实时监测装置及方法， 尤其适用于机械轴承、机械加工刀具断裂等机械故障的监测。
背景技术：
目前声发射故障检测以其优良的监测特性在工业生产领域得到了广泛的发展和 应用，利用声发射技术可以对加工中心刀具、机械轴承等故障进行诊断，对电站压力容器无 损检测，故障产生时，声发射信号在某一特定频带的信号能量显著增加，一般在很高频段， 比一般的机械振动频率要高得多，采用对声发射信号的时域分析和频域分析相结合的方法 判断故障。工业现场中多数情况下是单片机控制的方式，容易造成生产效率不高，人力、物 力资源的极大浪费，而且一个完整的工作流水线需要很多故障检测装置。鉴于此设计了以 PC机作为上位机、RS485通信接口的阵列式声发射传感器作为下位机的分布式监控系统， 对各声发射传感器进行远程监控和实时数据的采集，从而达到生产设备的合理化设置和检 测效率的极大提高。
发明内容
技术问题本发明的目的是针对已有技术中存在的问题，提供一种结构简单，方法 简便，易实现，成本低，快速准确，效果好的基于阵列式声发射器的分布式机械故障实时监 测装置及方法。技术方案本发明的检测装置是由阵列式声发射传感器、前置放大器、带通滤波 器、多通道高速AD转换器、单片机、RS-485总线、高通滤波器、包络分析器、低通滤波器、故 障识别器以及故障指示组成，阵列式声发射传感器的四路输出信号直接通过通过前置放大 器与带通滤波器，经放大滤波后经多通道高速AD转换后输入到单片机，单片机首先对四路 信号进行预处理和信息融合，然后将融合后的信号通过485总线传送给上位机进行分析判 断，上位机对信号进行滤波、频谱分析、故障识别，最后进行故障显示和报警。所述的每个传感器头都是由不同谐振频率的声发射传感器组合在一起，组成阵列 式传感器，用以增加故障检测的频带范围；该装置采用分布式检测方法，多个下位机经485 总线连接到一个上位机上进行信号处理；所述的声发射传感器、前置放大器、信息采集卡均 由集成模块构成；从声发射源发出的故障波信号经介质传播后到达阵列传感器，四个传感 器头接收到信号后输出电信号，四路信号分别经放大滤波后，分别输入ADC0809的INO IN3端，ADC0809的OE端、ALE端和START端分别与megal6单片机的P3. 3、Ρ3· 4和Ρ3. 5管 脚相连接，ADC0809的ADDA与megal6单片机的P3. 6管脚连接，ADDB和ADDC连接到megal6 单片机的P3. 7管脚，ADC0809的DO D7分别与megal6的P0. 0 P0. 7管脚相连接，megal6 的P3. 0、P3. 1和P3. 2分别与MAX485的1、4和2、3管脚相连接。单片机的输出信号实际上 并不符合RS232的标准，采用RS232/RS485的串行通信接口连接，同时为了提高系统的抗干扰能力和工作的可靠性，在进行RS232/RS485转换时对通信系统进行光电隔离；上位机是 一台安装有FFT分析软件的PC机。本发明基于阵列式声发射器的分布式机械故障实时监测装置的定位定向方法a、在机械系统的轴承等部位安装阵列式声发射传感器，传感器实时采集机械运转 的故障信号；b、故障信号经放大、滤波处理形成一定频带内有输出的的故障信号，故障信号经 高速采样送入单片机；C、单片机根据干扰信号的频率范围单独处理特定传感器的信号，滤掉特定频段的 干扰信号，然后将处理过的特定传感器信号与其他传感器信号融合；d、单片机接到上位机命令后，将融合后的数字量信号通过485总线传送至上位 机；e、上位机对从总线上接收到的故障信号进行高通滤波、包络分析、低通滤波等处 理后，判断出故障是否存在，如有故障发生实时报警并显示出精确位置和故障类型。有益效果本发明在于采用阵列式声发射传感器以及分布式网络结构监测网络， 不同谐振频率的声发射传感器组合在一起扩展测量带宽，对于不同的机械故障以特定的频 率显示；分布式网络结构用于对整个工作系统进行多点实时监测，分散的监控系统，集中式 数据分析。
图1是本发明的声发射信号参数的定义示意图；图2是本发明系统结构总示意图；图3是本发明下位机部分原理图；图4是本发明装置工作流程图。
具体实施例方式该装置由上位机和下位机组成，上位机21和下位机23通过485总线36相连接， 上位机21由安装有数字信号处理软件的电脑以及故障显示部分构成，数字信号处理包括 高通滤波、包络分析、低通滤波以及故障识别等环节；下位机包括声发射传感器31、前置放 大器32、带通滤波器33、多通道高速A/D转换器34和单片机35，其中声发射传感器31的 输出端与前置放大器32输入端相连接，前置放大器32输出端连接带通滤波器33，带通滤波 器33的输出信号经高速AD采样34传至单片机35，单片机35将机械故障信息经485总线 接口 36发送至BAS总线37，BAS总线37通过RS232/RS48522转换器与上位机相连接。阵列式声发射传感器本装置传感器头采用四个型号为SR40的声发射传感器，四 个传感器中心频率分别为160kHz、200kHz、240kHz和280kHz，当机器工作过程中声发射传 感器将AE转换成电信号，为了防止噪声的混入采用前置放大器和滤波器分别进行增幅和 滤波，调理后的信号适合后续处理和分析。前置放大器对传感器输出和后续处理电路的阻抗匹配和信号放大，由于声发射 电压幅值小，频率分布广，且信噪比低，本装置选用高S/N和高增益的前置放大器。所述的 前置放大器型号是PAI。
带通滤波器前置放大器的输出信号含有大量工频干扰信号和无关的高频电噪 音，选用在通频带内有良好传输特性和良好截止频率的带通滤波器，四个传感器头输出的 电信号分别经过中心频率为160kHz、200kHz、240kHz和280kHz，频带宽度为80kHz，经过带 通滤波器有效地剔除工频和超高频干扰。模数转换本装置采用ADC0809高速多通道AD转换芯片，四路信号分别输入到芯 片的INO IN3输入端，高速采样后由单片机对信号进行预处理，首先对特定信号进行噪声 滤波，剔除特定频带的噪声，其次将四路信号进行信息融合，形成初级的故障信号，最后将 融合后的故障信号发送至输出端，等待上位机的读取。PC机和下位机通信信号经AD转换通过atmegaie单片机传输到总线上去，单片 机的输出信号实际上并不符合RS232的标准，因此采用RS232/RS485的串行通信接口连接， 同时为了提高系统的抗干扰能力和工作的可靠性，在进行RS232/RS485转换时对通信系统 进行光电隔离。串行通信接口的硬件电路采用UART方式；软件的实现采用上位机查询、下 位机中断和查询两种方式相结合的通信方式。下位机部分以串行口中断服务方式给出，串 行口方式2和方式3结合。当上位机需要发送或接收下位机数据时，下位机以中断方式来 接收或发送；当下位机根据需要向上位机回复数据或上位机下传数据时下位机进入查询方 式通信模块，将通信标志位置位以等待主机响应。该系统中单片机不能主动往RS485总线 上发送数据，必须等待上位机发送的指令，并且任何时刻只能有一个单片机处于发送状态， 但所有单片机必须处于接收状态；若下位机为做好接收或发送准备，就从中断程序返回，在 主程序中做准备，等待上位机再次和下位机联络，使下位机再次进入串行口中断。上位机系统采用基于WindowsXP为平台的Lab View分析软件对实时数据进行 处理并实时显示。系统还具有数据更新存储、故障诊断专家系统、系统管理、在线帮助、历史 记录查询、分析等功能。并可根据用户要求进行扩展。采用的测试参数有事件计数、振铃计 数、能量、幅度、上升时间和持续时间。声发射事件数表示产生裂纹的个数，把一个事件信号 用多个宽度相同的脉冲信号表示，采用谐振能量因子判别法判别机械故障的情况，故障产 生声发射时释放能量，而且其发出的声发射波具有较宽的频带，因而会有一部分能量落在 传感器的谐振区内引起传感器谐振，故障越严重，检测到的能量就越大。释放能量的大小与 故障的严重程度有关。基于阵列式声发射器的分布式机械故障实时现场监测装置的监测方法采用分布 式检测方法，多个下位机经485总线连接到一个上位机上进行信号处理；所述的上位机以 Windows作为平台采用Lab view对信号进行分析，通过FFT分析软件，包括包络分析、故障 识别等对实时数据进行处理并实时显示，具体方法包括以下步骤a、在机械系统的轴承等部位安装阵列式声发射传感器，传感器实时采集机械运转 的故障信号；b、故障信号经放大、滤波处理形成一定频带内有输出的的故障信号，故障信号经 高速采样送入单片机；C、单片机根据干扰信号的频率范围单独处理特定传感器的信号，滤掉特定频段的 干扰信号，然后将处理过的特定传感器信号与其他传感器信号融合；d、单片机接到上位机命令后，将融合后的数字量信号通过485总线传送至上位 机；
e、上位机对从总线上接收到的故障信号进行高通滤波、包络分析、低通滤波等处 理后，判断出故障是否存在，如有故障发生实时报警并显示出精确位置和故障类型。
权利要求
一种基于阵列式声发射器的分布式机械故障实时现场监测装置，其特征在于该装置由上位机和下位机组成，上位机(21)和下位机(23)通过485总线(36)相连接，上位机(21)由安装有数字信号处理软件的电脑以及故障显示部分构成，数字信号处理包括高通滤波、包络分析、低通滤波以及故障识别等环节；下位机包括声发射传感器(31)、前置放大器(32)、带通滤波器(33)、多通道高速A/D转换器(34)和单片机(35)，其中声发射传感器(31)的输出端与前置放大器(32)输入端相连接，前置放大器(32)输出端连接带通滤波器(33)，带通滤波器(33)的输出信号经高速AD采样(34)传至单片机(35)，单片机(35)将机械故障信息经485总线接口(36)发送至BAS总线(37)，BAS总线(37)通过RS232/RS485(22)转换器与上位机相连接。
2.根据权利要求1所述的基于阵列式声发射器的分布式机械故障实时现场监测装置， 其特征在于所述的声发射传感器(31)由不同谐振频率的声发射传感器组合在一起，组成 阵列式传感器，用以增加故障检测的频带范围，根据干扰信号的频率范围单独处理特定传 感器的信号，再将去除掉干扰信号的特定传感器信号与其他传感器头的信号进行融合。
3.根据权利要求1所述的基于阵列式声发射器的分布式机械故障实时现场监测装置， 其特征在于所述的前置放大器(32)型号是PAI。
4.根据权利要求1所述的基于阵列式声发射器的分布式机械故障实时现场监测装置， 其特征在于所述的带通滤波器(33)包括运放LF444AF、反馈电阻和电容组。
5.根据权利要求1所述的基于阵列式声发射器的分布式机械故障实时现场监测装置， 其特征在于所述的高速AD采样(34)型号为ADC0809。
6.根据权利要求1所述的基于阵列式声发射器的分布式机械故障实时现场监测装置， 其特征在于所述的单片机型号为atmegaie。
7.—种如权利要求1所述的基于阵列式声发射器的分布式机械故障实时现场监测装 置的监测方法，其特征在于采用分布式检测方法，多个下位机经485总线连接到一个上位 机上进行信号处理；所述的上位机以Windows作为平台采用Lab view对信号进行分析，通 过FFT分析软件，包括包络分析、故障识别等对实时数据进行处理并实时显示，具体方法包 括以下步骤a、在机械系统的轴承等部位安装阵列式声发射传感器，传感器实时采集机械运转的故障信号；b、故障信号经放大、滤波处理形成一定频带内有输出的的故障信号，故障信号经高速 采样送入单片机；C、单片机根据干扰信号的频率范围单独处理特定传感器的信号，滤掉特定频段的干扰 信号，然后将处理过的特定传感器信号与其他传感器信号融合；d、单片机接到上位机命令后，将融合后的数字量信号通过485总线传送至上位机；e、上位机对从总线上接收到的故障信号进行高通滤波、包络分析、低通滤波等处理后， 判断出故障是否存在，如有故障发生实时报警并显示出精确位置和故障类型。
全文摘要
本发明是一种基于阵列式声发射器的分布式机械故障实时监测装置及方法，其检测装置是由阵列式声发射传感器、前置放大器、带通滤波器，多通道高速AD转换器、单片机、485总线以及上位机构成，其检测方法是将阵列式声发射传感器安装在机械轴承的端盖等需要检测的机械部位，声发射传感器输出的故障信号先由前置放大器放大，再经带通滤波器滤波，然后进行高速采样进行模数转换后由单片机经总线将信号传至上位机，由上位机进行一系列地信号处理，信号处理包括高通滤波、包络分析、低通滤波、故障识别以及故障指示，不仅可以实现机械故障的实时监测，而且实现对多个机械或者一个系统多个监测点的监测，节约成本。
文档编号G08C19/00GK101943682SQ20101027490
公开日2011年1月12日 申请日期2010年9月7日 优先权日2010年9月7日
发明者刘永春, 唐守锋, 童敏明, 童紫原 申请人:中国矿业大学