一种轴承疲劳信号检测系统的制作方法
【专利摘要】本发明是一种轴承疲劳信号检测系统，应用在高速精密运动轴承的疲劳状态检测与故障诊断，可以为有效开展故障诊断研究和材料疲劳实验提供测量基础。本发明采用的是疲劳振动信号分析法，通过由疲劳信号前置提取和调理模块、疲劳信号跟踪滤波处理模块以及疲劳信号分析和显示模块组成的检测系统将有效疲劳损伤信号提取出来。疲劳信号跟踪滤波处理模块根据疲劳振动信号频率随高速精密元件运动的变化规律从包含各种噪声的信号中获得有效的疲劳振动信号。本发明方法通过跟踪滤波技术将有效的疲劳振动损伤信号从复杂的背景噪声中提取出来，从而使微损伤信号的检测效率和准确性得到了极大的提高。
【专利说明】一种轴承疲劳信号检测系统
【技术领域】
[0001]本发明是一种轴承疲劳信号检测系统，属于微小信号精密测量装备，该系统采用疲劳振动信号分析法，主要通过跟踪滤波技术对高速精密运动元件的疲劳损伤振动信号进行检测，从而为高速精密运动元件的疲劳故障诊断以及材料的疲劳实验提供重要依据。
【背景技术】
[0002]高速精密运动元件(例如航空发动机轴承)在发生损伤后，其产生的有效疲劳损伤信号较微弱，而背景噪声却比较复杂。而且该疲劳损伤信号的频率随着元件运动速度的变化而发生相应的变化。这些都增加了对元件有效疲劳损伤信号提取的难度。目前使用的疲劳损伤信号提取方法包括了温度检测法、油液分析法和声反射法等。但以上方法都存在着操作难、成本高以及精度灵敏度较差的缺点，难以满足高速精密运动元件疲劳损伤信号的检测要求。
【发明内容】
[0003]本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种轴承疲劳信号检测系统，该系统根据轴承运动的速度，对采集提取到的具有高背景噪声的疲劳损伤信号进行跟踪滤波放大处理，从而可以将微弱的有效疲劳振动信号提取出来，用于疲劳损伤程度的判断。
[0004]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
[0005]该轴承疲劳信号检测系统，其特征在于:该系统包括:
[0006]⑴疲劳信号前置提取和调理模块，该模块对轴承的振动信号和速度信号进行实时采集，分别对振动信号进行放大滤波处理和对速度信号进行锁相倍频处理，将处理后的振动信号和速度信号传送到跟踪滤波处理模块，该模块是由振动信号检测传感器(I)、前置振动信号调理电路(2)、速度测量计(3)、速度信号锁相电路(4)和速度信号倍频电路(5)组成，其中:接收轴承振动信号的振动信号检测传感器(I)和前置振动信号调理电路(2)相连，将滤波放大处理后的振动信号传输给跟踪滤波处理模块，而接收轴承高速运动信号的速度测量计(3)、速度信号锁相电路(4)和速度信号倍频电路(5)依次相连，将处理后的速度信号传输给跟踪滤波处理模块和信号分析和显示模块；
[0007]⑵振动信号跟踪滤波处理模块，该模块接收的是疲劳信号前置提取和调理模块提供的轴承振动信号和速度信号，其根据速度信号对振动信号进行跟踪滤波和低通滤波处理，将振动信号中的背景噪声滤除，从而得到有效地轴承疲劳振动信号，最终将振动信号传输给疲劳信号分析和显示模块，该模块是由跟踪滤波处理电路(6)和低通滤波处理电路
(7)组成，它们依次相连，对得到的振动信号进行跟踪滤波，将滤波后得到的有效振动信号传输给疲劳信号分析和显示模块；
[0008]⑶信号分析和显示模块，该模块接收的是振动信号跟踪滤波处理模块提供的有效振动信号和疲劳信号前置提取和调理模块提供的轴承速度信号，其完成对振动信号幅值大小的显示以及轴承旋转速度和次数的记录，该模块是由疲劳振动信号控制仪表(8)、旋转次数显示仪(9)和转速表(10)组成，其中疲劳振动信号控制仪表(8)和振动信号跟踪滤波处理模块相连，传输处理有效的振动信号；旋转次数显示仪(9)、转速表(10)分别和疲劳信号前置提取和调理模块相连，传输处理的是轴承速度信号。
[0009]振动信号检测传感器(I)选择基于加速度检测原理的传感器。
[0010]速度信号锁相电路⑷和速度信号倍频电路(5)中的信号多谐振荡器和锁相器分别选择⑶4528和⑶4046芯片来实现，信号倍频器通过⑶4518和⑶4520芯片的组合来分别实现100、200和300倍频。
[0011]跟踪滤波处理电路(6)通过开关电容滤波器MF10CCN和取绝对值电路来实现。
[0012]本发明技术方案的原理是:由于高速精密运动元件的疲劳损伤信号较弱，而且背景噪声复杂，有效疲劳损伤信号频率随着元件运动速度的变化而发生相应的变化，本发明系统通过疲劳信号前置提取和调理模块对振动信号(包括背景噪声)和元件运动信号进行采集，并对采集到的信号进行相应的整形和放大处理，振动信号跟踪滤波处理模块通过开关电容滤波器，根据元件的运动速度，提取出有效的疲劳损伤信号，最终，检测系统对疲劳损伤信号的幅值进行直观显示。
[0013]本发明技术方案的优点是:该方法采用了开关电容滤波器，克服了有效振动信号中心频率会随着元件速度变化而变化的困难。检测灵敏度和准确度高，具有较高的信噪比，成本较低，操作简便，满足高速精密运动元件疲劳损伤信号的检测要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明系统组成示意图
[0015]图2为本发明系统中各模块的组成及信号处理流程图
[0016]图3为本发明系统中前置振动信号调理电路的电路图
[0017]图4为本发明系统中速度信号锁相电路和速度信号倍频电路的电路图
[0018]图5为本发明系统中跟踪滤波处理电路的电路图
【具体实施方式】
[0019]以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述:
[0020]参见附图1?2所示，该种轴承疲劳信号检测系统，其特征在于:该系统包括:
[0021]⑴疲劳信号前置提取和调理模块，该模块对轴承的振动信号和速度信号进行实时采集，分别对振动信号进行放大滤波处理和对速度信号进行锁相倍频处理，将处理后的振动信号和速度信号传送到跟踪滤波处理模块，该模块是由振动信号检测传感器1、前置振动信号调理电路2、速度测量计3、速度信号锁相电路4和速度信号倍频电路5组成，其中:接收轴承振动信号的振动信号检测传感器I和前置振动信号调理电路2相连，将滤波放大处理后的振动信号传输给跟踪滤波处理模块，而接收轴承高速运动信号的速度测量计3、速度信号锁相电路4和速度信号倍频电路5依次相连，将处理后的速度信号传输给跟踪滤波处理模块和信号分析和显示模块；
[0022]⑵振动信号跟踪滤波处理模块，该模块接收的是疲劳信号前置提取和调理模块提供的轴承振动信号和速度信号，其根据速度信号对振动信号进行跟踪滤波和低通滤波处理，将振动信号中的背景噪声滤除，从而得到有效地轴承疲劳振动信号，最终将振动信号传输给疲劳信号分析和显示模块，该模块是由跟踪滤波处理电路6和低通滤波处理电路7组成，它们依次相连，对得到的振动信号进行跟踪滤波，将滤波后得到的有效振动信号传输给疲劳信号分析和显示模块；
[0023]⑶信号分析和显示模块，该模块接收的是振动信号跟踪滤波处理模块提供的有效振动信号和疲劳信号前置提取和调理模块提供的轴承速度信号，其完成对振动信号幅值大小的显示以及轴承旋转速度和次数的记录，该模块是由疲劳振动信号控制仪表8、旋转次数显示仪9和转速表10组成，其中疲劳振动信号控制仪表8和振动信号跟踪滤波处理模块相连，传输处理有效的振动信号；旋转次数显示仪9、转速表10分别和疲劳信号前置提取和调理模块相连，传输处理的是轴承速度信号。
[0024]振动信号检测传感器I选择基于加速度检测原理的传感器。
[0025]附图3所示为前置振动信号调理电路2的实施电路图，图4所示为速度信号锁相电路4和速度信号倍频电路5的实施电路图，其中，信号多谐振荡器和锁相器分别选择⑶4528和⑶4046芯片来实现，信号倍频器通过⑶4518和⑶4520芯片的组合来分别实现100、200和300倍频。附图5所示为跟踪滤波处理电路6的实施电路图，其中，开关电容滤波器选择MF10CCN芯片来实现，根据之前采集到的速度信号，从疲劳信号(包括噪声)中提取出有效的疲劳损伤振动信号，并对其进行取绝对值以及低通滤波处理。
[0026]本专利阐述的轴承信号检测系统最终可以形成一套振动信号检测仪器，该仪器可以应用在轴承材料疲劳试验机上，其由普通交流220V电源供电，通过安装在试验机上的光电测速仪和振动信号加速度传感器采集运动速度和振动信号，然后利用检测仪器内部的相关电路板对信号进行处理，最终由仪器上的仪表对振动信号和速度信号进行实时显示。
[0027]本发明疲劳信号检测系统的工作过程:
[0028]高速精密运动元件(如航空发动机轴承)在发生疲劳损伤后，其会产生随元件速度变化而变化的疲劳振动信号，该信号的背景噪声复杂。首先，由前置信号提取和调理模块通过振动信号加速度传感器I和前置信号调理电路2对疲劳损伤信号进行提取和放大，并通过光电测速计3对运动元件的运动速度进行检测，对得到的速度信号由速度锁相电路4和倍频电路5进行处理，从而为跟踪滤波处理模块提供对应频率的速度信号和振动信号。然后，跟踪滤波处理模块根据得到的速度信号频率，利用开关电容滤波器对振动信号进行滤波，并进行信号绝对值和低通滤波处理，从而得到有效的疲劳振动信号。最后，疲劳损伤信号分析和显示模块对运动元件的运动速度、旋转次数和疲劳振动信号进行显示。
【权利要求】
1.一种轴承疲劳信号检测系统，其特征在于:该系统包括: (1)疲劳信号前置提取和调理模块，该模块对轴承的振动信号和速度信号进行实时采集，分别对振动信号进行放大滤波处理和对速度信号进行锁相倍频处理，将处理后的振动信号和速度信号传送到跟踪滤波处理模块，该模块是由振动信号检测传感器(I)、前置振动信号调理电路(2)、速度测量计(3)、速度信号锁相电路(4)和速度信号倍频电路(5)组成，其中:接收轴承振动信号的振动信号检测传感器(I)和前置振动信号调理电路(2)相连，将滤波放大处理后的振动信号传输给跟踪滤波处理模块，而接收轴承高速运动信号的速度测量计(3)、速度信号锁相电路(4)和速度信号倍频电路(5)依次相连，将处理后的速度信号传输给跟踪滤波处理模块和信号分析和显示模块； ⑵振动信号跟踪滤波处理模块，该模块接收的是疲劳信号前置提取和调理模块提供的轴承振动信号和速度信号，其根据速度信号对振动信号进行跟踪滤波和低通滤波处理，将振动信号中的背景噪声滤除，从而得到有效的轴承疲劳振动信号，最终将振动信号传输给疲劳信号分析和显示模块，该模块是由跟踪滤波处理电路(6)和低通滤波处理电路(7)组成，它们依次相连，对得到的振动信号进行跟踪滤波，将滤波后得到的有效振动信号传输给疲劳信号分析和显示模块； ⑶信号分析和显示模块，该模块接收的是振动信号跟踪滤波处理模块提供的有效振动信号和疲劳信号前置提取和调理模块提供的轴承速度信号，其完成对振动信号幅值大小的显示以及轴承旋转速度和次数的记录，该模块是由疲劳振动信号控制仪表(8)、旋转次数显示仪(9)和转速表(10)组成，其中疲劳振动信号控制仪表(8)和振动信号跟踪滤波处理模块相连，传输处理有效的振动信号；旋转次数显示仪(9)、转速表(10)分别和疲劳信号前置提取和调理模块相连，传输处理的是轴承速度信号。
2.根据权利要求1所述的轴承疲劳信号检测系统，其特征在于:振动信号检测传感器(I)选择基于加速度检测原理的传感器。
3.根据权利要求1所述的轴承疲劳信号检测系统，其特征在于:速度信号锁相电路(4)和速度信号倍频电路(5)中的信号多谐振荡器和锁相器分别选择CD4528和CD4046芯片来实现，信号倍频器通过⑶4518和⑶4520芯片的组合来分别实现100、200和300倍频。
4.根据权利要求1所述的轴承疲劳信号检测系统，其特征在于:跟踪滤波处理电路(6)通过开关电容滤波器MF10CCN和取绝对值电路来实现。
【文档编号】G01M13/04GK103712796SQ201310684230
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月13日 优先权日:2013年12月13日
【发明者】王磊, 程爽, 庞长涛 申请人:中国航空工业集团公司北京航空精密机械研究所