基于瞬變速度的智能軸承監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其方法
【專利摘要】本發(fā)明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由一塊集成信號(hào)調(diào)理電路板及一塊振動(dòng)加速度傳感器電路板構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)兩路轉(zhuǎn)速傳感器、兩路溫度傳感器及一路三軸振動(dòng)加速度信號(hào)的信號(hào)調(diào)理及信號(hào)輸出。對(duì)采集到的加速度信號(hào)及脈沖信號(hào)進(jìn)行處理獲得角域與時(shí)域平穩(wěn)信號(hào)及瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，主要有四個(gè)步驟：步驟1，周向?qū)⑤S承分成若干區(qū)域并安裝磁鋼，磁鋼隨軸承轉(zhuǎn)動(dòng)通過霍爾傳感器獲得脈沖信號(hào)；步驟2，計(jì)算相鄰脈沖之間的時(shí)間差，獲得軸承的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速；步驟3，通過對(duì)每個(gè)區(qū)域采集的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行均等插值，得到時(shí)域平穩(wěn)信號(hào)；步驟4，根據(jù)轉(zhuǎn)速變化關(guān)系對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行插值重采樣，得到角域平穩(wěn)信號(hào)。本發(fā)明總體實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)速、溫度及振動(dòng)加速度三種動(dòng)態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)理與監(jiān)測(cè)。
【專利說明】基于瞬變速度的智能軸承監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)械自動(dòng)化領(lǐng)域，尤其涉及一種基于瞬變速度的智能軸承監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高速列車及城市軌道交通是一個(gè)國(guó)家先進(jìn)科技的象征，其可靠性和安全性直接關(guān)系到人民的人身及財(cái)產(chǎn)安全和國(guó)家形象。智能軸承突破了傳統(tǒng)的軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷方式，是應(yīng)用于高速列車的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，目前此項(xiàng)技術(shù)被國(guó)外壟斷和封鎖，因此研究智能軸承具有重大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。而智能軸承的概念就是集成多種傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承的各種動(dòng)態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與故障診斷。而復(fù)合傳感器的原始信號(hào)并不一定都是常用的標(biāo)準(zhǔn)電壓或者電流信號(hào)，需要電路板進(jìn)行調(diào)理轉(zhuǎn)換后才能輸入到采集儀器進(jìn)行采集，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)智能軸承實(shí)時(shí)狀態(tài)的顯示、監(jiān)測(cè)、分析與儲(chǔ)存。
[0003]在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，工況和荷載的變化，會(huì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)速度出現(xiàn)一定程度的波動(dòng)。傳統(tǒng)的時(shí)間采樣方式使得信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征與時(shí)間緊密相關(guān)，一旦轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波動(dòng)，這些統(tǒng)計(jì)特征也會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，以致采集到軸承的時(shí)域振動(dòng)信號(hào)會(huì)是一個(gè)非平穩(wěn)信號(hào)，增加了軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)的難度。因此有必要實(shí)現(xiàn)非平穩(wěn)信號(hào)的平穩(wěn)化轉(zhuǎn)變，已有的基于編碼器與基于轉(zhuǎn)速計(jì)的等角度采樣方式雖然實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，但前者的采樣頻率固定且較低，后者的轉(zhuǎn)換精度較低，而且二者采集設(shè)備的安裝均有較大的局限性，不利于實(shí)際應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，特別創(chuàng)新地提出了一種基于瞬變速度的智能軸承監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其方法。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提供了一種基于瞬變速度的智能軸承監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于，包括加速度傳感器電路、兩個(gè)霍爾傳感器、兩個(gè)溫度傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、鋼隔圈、磁鋼和防塵蓋，
[0006]所述加速度傳感器電路分別連接電腦終端和信號(hào)調(diào)理電路，所述霍爾傳感器連接信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)速測(cè)量輸入端，所述信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)速測(cè)量輸出端連接電腦終端，所述溫度傳感器連接所述信號(hào)調(diào)理電路溫度轉(zhuǎn)換輸入端，所述信號(hào)調(diào)理電路溫度轉(zhuǎn)換輸出端連接電腦終端；
[0007]兩個(gè)霍爾傳感器之間圓心角為90°，兩個(gè)溫度傳感器也對(duì)稱布置在加速度傳感器的兩邊，所述兩個(gè)溫度傳感器之間的圓心角小于90°，所述兩個(gè)溫度傳感器布置在所述兩個(gè)霍爾傳感器之間，所述加速度傳感器布置在所述兩個(gè)溫度傳感器之間，所述兩個(gè)霍爾傳感器、兩個(gè)溫度傳感器和加速度傳感器安裝于防塵蓋上，所述鋼隔圈圓周上均勻布置磁鋼，所述鋼隔圈固定于軸承上，軸承帶動(dòng)所述鋼隔圈運(yùn)動(dòng)，所述防塵蓋封蓋鋼隔圈，所述防塵蓋相對(duì)于鋼隔圈固定不動(dòng)。
[0008]所述的基于瞬變速度的智能軸承監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，優(yōu)選的，所述加速度傳感器電路包括:加速度傳感器、第一電阻、第一電容、第二電容、第三電容、第四電容和第五電容；
[0009]所述第一電阻一端連接加速度傳感器，所述第一電阻另一端連接信號(hào)調(diào)理電路，所述第一電容一端分別連接信號(hào)調(diào)理電路、第二電容一端、第三電容一端和加速度傳感器COM端，所述第一電容另一端連接加速度傳感器X軸輸出端，所述第二電容一端還連接信號(hào)調(diào)理電路、第三電容一端和加速度傳感器COM端，所述第二電容另一端連接加速度傳感器Y軸輸出端，所述第三電容一端還連接信號(hào)調(diào)理電路和加速度傳感器COM端，所述第四電容一端分別連接第一電阻一端和第五電容一端，所述第四電容另一端連接所述第無電容另一端，所述第五電容另一端連接所述加速度傳感器。
[0010]所述的基于瞬變速度的智能軸承監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，優(yōu)選的，所述加速度傳感器電路還包括加速度傳感器供電單元，所述加速度傳感器供電單元一端連接直流供電電源，所述加速度傳感器供電單元另一端連接加速度傳感器。
[0011]所述的基于瞬變速度的智能軸承監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，優(yōu)選的，所述加速度傳感器供電單元包括:第六電容、第七電容、第八電容、直流電源供電單元、穩(wěn)壓?jiǎn)卧图铀俣葌鞲衅鞴╇娦酒?br> [0012]所述第六電容一端分別連接直流電源供電單元接地端和穩(wěn)壓?jiǎn)卧拥囟?，所述第六電容另一端連接穩(wěn)壓?jiǎn)卧椭绷麟娫垂╇妴卧妷狠敵龆耍龅谄唠娙菀欢诉B接穩(wěn)壓?jiǎn)卧拥囟?，所述第七電容另一端連接穩(wěn)壓?jiǎn)卧敵龆撕图铀俣葌鞲衅鞴╇娦酒妷狠敵龆?，所述第八電容一端連接穩(wěn)壓?jiǎn)卧拥囟?，所述第八電容另一端連接加速度傳感器供電芯片電壓輸出端。
[0013]所述的基于瞬變速度的智能軸承監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，優(yōu)選的，所述信號(hào)調(diào)理電路包括:轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊和溫度轉(zhuǎn)換模塊，
[0014]所述轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊分別連接兩個(gè)霍爾傳感器，通過霍爾傳感器將軸承轉(zhuǎn)速信息傳送到轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊，所述轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊連接電腦終端，所述溫度轉(zhuǎn)換模塊分別連接兩個(gè)溫度傳感器，通過溫度傳感器將軸承溫度信息傳送到溫度轉(zhuǎn)換模塊，溫度轉(zhuǎn)化模塊連接電腦終端。
[0015]所述的基于瞬變速度的智能軸承監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，優(yōu)選的，所述轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊包括:第一霍爾開關(guān)、第二霍爾開關(guān)、第二電阻、第三電阻、第九電容、第十電容、轉(zhuǎn)速輸出單元、第二穩(wěn)壓?jiǎn)卧椭绷麟娫垂╇妴卧?br> [0016]所述第一霍爾開關(guān)電壓端連接第三電阻一端，所述第一霍爾開關(guān)輸出端連接第三電阻另一端，所述第三電阻另一端還分別連接第九電容一端和轉(zhuǎn)速輸出單元，所述第九電容另一端接地，所述第一霍爾開關(guān)電壓端還連接第二霍爾開關(guān)電壓端和第二穩(wěn)壓?jiǎn)卧妷狠敵龆耍龅诙魻栭_關(guān)電壓端還連接第二電阻一端，所述第二電阻另一端分別連接第二霍爾開關(guān)輸出端和第十電容一端，所述第十電容另一端接地，所述第二穩(wěn)壓?jiǎn)卧妷狠斎攵诉B接所述直流電源供電單元電壓輸出端。
[0017]所述的基于瞬變速度的智能軸承監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，優(yōu)選的，所述溫度轉(zhuǎn)換模塊包括:第一運(yùn)算放大器、第二運(yùn)算放大器、第十一電阻、第十二電阻、第十三電阻、第十四電阻、第十五電阻、二極管、溫度輸出單元和溫度傳感器輸入單元；
[0018]所述溫度輸出單元連接第十五電阻一端和二極管負(fù)極，所述第十五電阻另一端分別連接第十四電阻一端和第一運(yùn)算放大器輸出端，所述二極管正極分別連接第一運(yùn)算放大器正極輸入端和第二運(yùn)算放大器正極輸入端，所述第十四電阻另一端連接第一運(yùn)算放大器負(fù)極輸入端，所述第十四電阻另一端還分別連接第十二電阻一端和第十三電阻一端，所述第十二電阻另一端分別連接第十一電阻一端和直流電源供電單元電壓輸出端，所述第十一電阻另一端連接溫度傳感器輸入單元，所述第二運(yùn)算放大器輸出端連接溫度傳感器輸入單
J Li ο
[0019]本發(fā)明還公開一種基于瞬變速度的智能軸承監(jiān)測(cè)方法，其關(guān)鍵在于，包括如下步驟:
[0020]步驟1，周向?qū)摳羧鶆蚍殖扇舾蓞^(qū)域并均勻安裝磁鋼，防塵蓋上底部安裝霍爾傳感器，當(dāng)鋼隔圈隨軸承一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)鋼隔圈上的每個(gè)磁鋼經(jīng)過霍爾傳感器時(shí)，霍爾傳感器產(chǎn)生一個(gè)脈沖；
[0021]步驟2，通過所述霍爾傳感器得到所述任意兩個(gè)相鄰脈沖之間的時(shí)間差，得到軸承在每個(gè)區(qū)域內(nèi)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速；
[0022]步驟3，通過加速度傳感器采集軸承每個(gè)區(qū)域在時(shí)域信號(hào)，對(duì)每個(gè)區(qū)域的信號(hào)進(jìn)行均等插值，以使每個(gè)區(qū)域的信號(hào)長(zhǎng)度保持一致，得到時(shí)域平穩(wěn)信號(hào)；
[0023]步驟4，根據(jù)所述軸承在每個(gè)區(qū)域的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，得到每個(gè)區(qū)域內(nèi)不同時(shí)刻軸承的轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的變化關(guān)系，根據(jù)所述變化關(guān)系確定給定軸承轉(zhuǎn)角位置對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)，根據(jù)所述時(shí)間點(diǎn)對(duì)采集的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行插值重采樣，就得到了具有穩(wěn)定間隔的角域平穩(wěn)信號(hào)。
[0024]所述的基于瞬變速度的智能軸承監(jiān)測(cè)方法，優(yōu)選的，所述步驟3包括:
[0025]步驟31，由加速度傳感器采集的時(shí)域信號(hào)0，有兩種表達(dá)形式，
【權(quán)利要求】
1.一種基于瞬變速度的智能軸承監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括加速度傳感器電路、兩個(gè)霍爾傳感器、兩個(gè)溫度傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、鋼隔圈、磁鋼和防塵蓋， 所述加速度傳感器電路分別連接電腦終端和信號(hào)調(diào)理電路，所述霍爾傳感器連接信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)速測(cè)量輸入端，所述信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)速測(cè)量輸出端連接電腦終端，所述溫度傳感器連接所述信號(hào)調(diào)理電路溫度轉(zhuǎn)換輸入端，所述信號(hào)調(diào)理電路溫度轉(zhuǎn)換輸出端連接電腦終端； 兩個(gè)霍爾傳感器之間圓心角為90°，兩個(gè)溫度傳感器也對(duì)稱布置在加速度傳感器的兩邊，所述兩個(gè)溫度傳感器之間的圓心角小于90°，所述兩個(gè)溫度傳感器布置在所述兩個(gè)霍爾傳感器之間，所述加速度傳感器布置在所述兩個(gè)溫度傳感器之間，所述兩個(gè)霍爾傳感器、兩個(gè)溫度傳感器和加速度傳感器安裝于防塵蓋上，所述鋼隔圈圓周上均勻布置磁鋼，所述鋼隔圈固定于軸承上，軸承帶動(dòng)所述鋼隔圈運(yùn)動(dòng)，所述防塵蓋封蓋鋼隔圈，所述防塵蓋相對(duì)于鋼隔圈固定不動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于瞬變速度的智能軸承監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述加速度傳感器電路包括:加速度傳感器、第一電阻、第一電容、第二電容、第三電容、第四電容和第五電容； 所述第一電阻一端連接加速度傳感器，所述第一電阻另一端連接信號(hào)調(diào)理電路，所述第一電容一端分別連接信號(hào)調(diào)理電路、第二電容一端、第三電容一端和加速度傳感器COM端，所述第一電容另一端連接加速度傳感器X軸輸出端，所述第二電容一端還連接信號(hào)調(diào)理電路、第三電容一端和加速度傳感器COM端，所述第二電容另一端連接加速度傳感器Y軸輸出端，所述第三電容一端還連接信號(hào)調(diào)理電路和加速度傳感器COM端，所述第四電容一端分別連接第一電阻一端和第五電容一端，所述第四電容另一端連接所述第無電容另一端，所述第五電容另一端連接所述加速度傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于瞬變速度的智能軸承監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述加速度傳感器電路還包括加速度傳感器供電單元，所述加速度傳感器供電單元一端連接直流供電電源，所述加速度傳感器供`電單元另一端連接加速度傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于瞬變速度的智能軸承監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述加速度傳感器供電單元包括:第六電容、第七電容、第八電容、直流電源供電單元、穩(wěn)壓?jiǎn)卧图铀俣葌鞲衅鞴╇娦酒? 所述第六電容一端分別連接直流電源供電單元接地端和穩(wěn)壓?jiǎn)卧拥囟?，所述第六電容另一端連接穩(wěn)壓?jiǎn)卧椭绷麟娫垂╇妴卧妷狠敵龆?，所述第七電容一端連接穩(wěn)壓?jiǎn)卧拥囟耍龅谄唠娙萘硪欢诉B接穩(wěn)壓?jiǎn)卧敵龆撕图铀俣葌鞲衅鞴╇娦酒妷狠敵龆?，所述第八電容一端連接穩(wěn)壓?jiǎn)卧拥囟?，所述第八電容另一端連接加速度傳感器供電芯片電壓輸出端。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于瞬變速度的智能軸承監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào)調(diào)理電路包括:轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊和溫度轉(zhuǎn)換模塊， 所述轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊分別連接兩個(gè)霍爾傳感器，通過霍爾傳感器將軸承轉(zhuǎn)速信息傳送到轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊，所述轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊連接電腦終端，所述溫度轉(zhuǎn)換模塊分別連接兩個(gè)溫度傳感器，通過溫度傳感器將軸承溫度信息傳送到溫度轉(zhuǎn)換模塊，溫度轉(zhuǎn)化模塊連接電腦終端。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于瞬變速度的智能軸承監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊包括:第一霍爾開關(guān)、第二霍爾開關(guān)、第二電阻、第三電阻、第九電容、第十電容、轉(zhuǎn)速輸出單元、第二穩(wěn)壓?jiǎn)卧椭绷麟娫垂╇妴卧? 所述第一霍爾開關(guān)電壓端連接第三電阻一端，所述第一霍爾開關(guān)輸出端連接第三電阻另一端，所述第三電阻另一端還分別連接第九電容一端和轉(zhuǎn)速輸出單元，所述第九電容另一端接地，所述第一霍爾開關(guān)電壓端還連接第二霍爾開關(guān)電壓端和第二穩(wěn)壓?jiǎn)卧妷狠敵龆?，所述第二霍爾開關(guān)電壓端還連接第二電阻一端，所述第二電阻另一端分別連接第二霍爾開關(guān)輸出端和第十電容一端，所述第十電容另一端接地，所述第二穩(wěn)壓?jiǎn)卧妷狠斎攵诉B接所述直流電源供電單元電壓輸出端。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于瞬變速度的智能軸承監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度轉(zhuǎn)換模塊包括:第一運(yùn)算放大器、第二運(yùn)算放大器、第十一電阻、第十二電阻、第十三電阻、第十四電阻、第十五電阻、二極管、溫度輸出單元和溫度傳感器輸入單元； 所述溫度輸出單元連接第十五電阻一端和二極管負(fù)極，所述第十五電阻另一端分別連接第十四電阻一端和第一運(yùn)算放大器輸出端，所述二極管正極分別連接第一運(yùn)算放大器正極輸入端和第二運(yùn)算放大器正極輸入端，所述第十四電阻另一端連接第一運(yùn)算放大器負(fù)極輸入端，所述第十四電阻另一端還分別連接第十二電阻一端和第十三電阻一端，所述第十二電阻另一端分別連接第十一電阻一端和直流電源供電單元電壓輸出端，所述第十一電阻另一端連接溫度傳感器輸入單元，所述第二運(yùn)算放大器輸出端連接溫度傳感器輸入單J Li ο
8.一種基于瞬變速度的智能軸承監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1，周向?qū)摳羧鶆蚍殖扇舾蓞^(qū)域并均勻安裝磁鋼，防塵蓋上底部安裝霍爾傳感器，當(dāng)鋼隔圈隨軸承一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)鋼隔圈上的每個(gè)磁鋼經(jīng)過霍爾傳感器時(shí)，霍爾傳感器產(chǎn)生一個(gè)脈沖； 步驟2，通過所述霍爾傳感器得到所述任意兩個(gè)相鄰脈沖之間的時(shí)間差，得到軸承在每個(gè)區(qū)域內(nèi)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速； 步驟3，通過加速度傳感器采集軸承每個(gè)區(qū)域在時(shí)域信號(hào)，對(duì)每個(gè)區(qū)域的信號(hào)進(jìn)行均等插值，以使每個(gè)區(qū)域的信號(hào)長(zhǎng)度保持一致，得到時(shí)域平穩(wěn)信號(hào)； 步驟4，根據(jù)所述軸承在每個(gè)區(qū)域的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，得到每個(gè)區(qū)域內(nèi)不同時(shí)刻軸承的轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的變化關(guān)系，根據(jù)所述變化關(guān)系確定給定軸承轉(zhuǎn)角位置對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)，根據(jù)所述時(shí)間點(diǎn)對(duì)采集的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行插值重采樣，就得到了具有穩(wěn)定間隔的角域平穩(wěn)信號(hào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于瞬變速度的智能軸承監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟3包括: 步驟31，由加速度傳感器采集的時(shí)域信號(hào)O，有兩種表達(dá)形式，
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于瞬變速度的智能軸承監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟4包括: 步驟41，根據(jù)脈沖間的時(shí)間間隔可計(jì)算出軸承在每個(gè)區(qū)域的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，由如下公式計(jì)算:
【文檔編號(hào)】G01P3/481GK103630361SQ201310703303
【公開日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月19日
【發(fā)明者】邵毅敏, 葉維軍, 王利明, 葉軍, 陳國(guó)欽, 牛青波, 楊與東, 劉飛 申請(qǐng)人:重慶大學(xué), 洛陽軸研科技股份有限公司