??? 摘 要： 介紹了新型旋轉(zhuǎn)機(jī)械" title="旋轉(zhuǎn)機(jī)械">旋轉(zhuǎn)機(jī)械扭振監(jiān)測儀" title="監(jiān)測儀">監(jiān)測儀的總體設(shè)計(jì)方案。該監(jiān)測儀基于脈沖時(shí)序計(jì)數(shù)的方法，利用大規(guī)模可編程器件，結(jié)合跟蹤濾波" title="跟蹤濾波">跟蹤濾波和峰值檢測技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過PC機(jī)并口完成數(shù)據(jù)通信。此方案與采用A/D數(shù)據(jù)采集卡的監(jiān)測方法相比，性價(jià)比和精度均較高。
??? 關(guān)鍵詞： 扭振監(jiān)測? 脈沖時(shí)序計(jì)數(shù) 可編程器件? 跟蹤濾波? 峰值監(jiān)測
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??? 扭振監(jiān)測儀常用于工業(yè)領(lǐng)域中旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測，在進(jìn)行重型車輛傳動(dòng)軸系設(shè)計(jì)分析時(shí)，也有用處。本文介紹的新型旋轉(zhuǎn)機(jī)械扭振監(jiān)測儀可有效記錄扭振信息，為預(yù)防大型機(jī)組災(zāi)變事故及進(jìn)行相關(guān)研究提供了良好的測試手段。
??? 傳統(tǒng)的A/D數(shù)據(jù)采集卡監(jiān)測方法能同時(shí)記錄傳感器輸出" title="傳感器輸出">傳感器輸出信號(hào)的振幅和時(shí)序信息，而對于扭振監(jiān)測，只需要相應(yīng)的時(shí)序信息就足夠了。另外，軸系的扭振振幅往往較小，對于多通道測量來說，要求數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率較高，這樣就增加了儀器成本。基于脈沖時(shí)序計(jì)數(shù)[1]方法研制的新型扭振監(jiān)測儀，其前端采用跟蹤濾波[2]和峰值檢測方法將傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為齒脈沖信號(hào)，后端由鍵相脈沖觸發(fā)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，由齒脈沖觸發(fā)鎖存計(jì)數(shù)值并存入FIFO中，PC機(jī)通過并口讀取各通道時(shí)序計(jì)數(shù)值，經(jīng)分析處理后即可求出扭振信息。實(shí)踐證明，該監(jiān)測儀性價(jià)比和精度均較高。
1 總體設(shè)計(jì)
??? 監(jiān)測儀總體結(jié)構(gòu)如圖1中虛線框部分所示。圖中的轉(zhuǎn)子軸屬機(jī)械裝置，一端開有鍵相槽，另一端安裝齒盤。計(jì)數(shù)器、鎖存器、管理邏輯、寫FIFO接口及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口" title="轉(zhuǎn)換接口">轉(zhuǎn)換接口采用XILINX公司的CPLD XC95288實(shí)現(xiàn)。
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??? 儀器的輸入設(shè)計(jì)為四通道電渦流傳感器信號(hào)輸入。計(jì)數(shù)器為24位，外加8位四通道狀態(tài)信息，形成32位數(shù)據(jù)線。FIFO采用四片IDT7206接收32位數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口完成32位數(shù)據(jù)讀入并將其轉(zhuǎn)成8位逐次輸出及完成相應(yīng)控制邏輯。PC機(jī)通過并口采用EPP模式讀入數(shù)據(jù)，并作相應(yīng)計(jì)算處理。
??? 前端信號(hào)處理應(yīng)用跟蹤濾波和峰值監(jiān)測技術(shù)，可抑制干擾，并能有效地跟蹤復(fù)雜環(huán)境下齒信號(hào)的時(shí)序。
1.1 跟蹤濾波
??? 實(shí)際環(huán)境中常存在電氣干擾等信號(hào)，使得傳感器輸出信號(hào)發(fā)生畸變及存在毛刺等，從而影響齒信號(hào)脈沖到來時(shí)刻的計(jì)數(shù)值。所以對信號(hào)作前端處理時(shí)，需采用濾波器除掉高頻雜波等干擾信號(hào)。在傳統(tǒng)扭振測量中，對于轉(zhuǎn)速相對穩(wěn)定的動(dòng)力設(shè)備，常采用中心頻率固定的濾波器；而當(dāng)轉(zhuǎn)速變化范圍較大時(shí)，如重型車輛傳動(dòng)軸系扭振的監(jiān)測分析中，就需要濾波器的中心頻率能跟蹤轉(zhuǎn)速的變化。考慮到干擾信號(hào)主要是高頻噪聲，所以在信號(hào)前端處理部分采用低通濾波器，芯片為MAXIM公司的MAX297，如圖2所示。
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??? MAX297是8階低通橢圓開關(guān)電容濾波器，其滾降速度快，從通頻帶到阻帶的過渡帶可以做得很窄。其時(shí)鐘可調(diào)拐角頻率范圍為0.1Hz～50kHz；時(shí)鐘與拐角頻率比為50:1；可外接時(shí)鐘或使用內(nèi)部時(shí)鐘；可單、雙電源工作。此外，MAX297還有一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器（反相輸入端已接地），用于后置濾波、反混疊濾波等連續(xù)時(shí)間低通濾波器中[3]。
??? 齒信號(hào)分為兩路，一路進(jìn)入MAX297，另一路經(jīng)比較器整形后，輸入由CD4046等組成的倍頻器進(jìn)行倍頻。考慮到信號(hào)波動(dòng)問題，倍頻系數(shù)選作60，鎖相環(huán)分頻器部分由XC95288提供。倍頻輸出提供給MAX297作為時(shí)鐘信號(hào)。
1.2 峰值檢測
??? 理論上齒盤隨軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，傳感器輸出近似正弦波信號(hào)，但實(shí)際運(yùn)行中，因存在齒盤磁化不均及環(huán)境介質(zhì)的影響，使得信號(hào)幅值不斷變化。當(dāng)把前端輸入的負(fù)極性信號(hào)整形為脈沖信號(hào)時(shí)，如采用傳統(tǒng)的比較器固定閾值整形的方法，就會(huì)造成脈沖沿到來時(shí)刻的延遲或提前，如圖3所示。這樣即使沒有扭振發(fā)生，也會(huì)使得計(jì)數(shù)值相對基準(zhǔn)數(shù)據(jù)發(fā)生變化，從而檢出虛假的扭振信號(hào)來。
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??? 經(jīng)試驗(yàn)分析，多數(shù)情況下雖振動(dòng)信號(hào)幅值發(fā)生變化，但其峰值時(shí)刻的位置基本不變，這樣如果使得脈沖沿發(fā)生在峰值時(shí)刻，就能避免其延遲或提前，從而獲得正確的脈沖信號(hào)。
??? 峰值檢測部分設(shè)計(jì)如圖4所示。
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1.3 計(jì)數(shù)部分主體設(shè)計(jì)
??? XC95288內(nèi)主體設(shè)計(jì)部分為一個(gè)24位計(jì)數(shù)器，一個(gè)32位×4的鎖存器，一個(gè)32位×4的數(shù)據(jù)選擇器及觸發(fā)與管理、接口邏輯等，如圖5所示。
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??? 外部四片F(xiàn)IFO組成一個(gè)32位存儲(chǔ)區(qū)，各通道計(jì)數(shù)值分別按觸發(fā)時(shí)序并行寫入，不同通道的計(jì)數(shù)值按通道編碼加以區(qū)別。當(dāng)各齒脈沖觸發(fā)時(shí)刻相同時(shí)，管理邏輯將按通道順序號(hào)依次查詢寫入的計(jì)數(shù)值。本設(shè)計(jì)中，計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率為10MHz，同時(shí)它也是CPLD的工作時(shí)鐘頻率。假設(shè)測速齒盤為60齒，轉(zhuǎn)速為50Hz，則每個(gè)通道觸發(fā)脈沖為3kHz，四個(gè)通道之和遠(yuǎn)小于工作時(shí)鐘。另外，四個(gè)通道的觸發(fā)與鎖存并行工作，因此計(jì)數(shù)值能有效記錄各通道觸發(fā)脈沖的到來時(shí)刻。
??? 管理邏輯可根據(jù)FIFO的FOF信息判斷是否進(jìn)行寫操作。若有脈沖觸發(fā)而FIFO又寫滿，則FOF信息將被保留并編入下一次計(jì)數(shù)值，作為出錯(cuò)信息標(biāo)識(shí)。
1.4 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口部分設(shè)計(jì)
??? 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口部分主要完成讀四片F(xiàn)IFO內(nèi)的數(shù)據(jù)并根據(jù)并口給出的地址逐次送到8位輸出口線上，如圖6所示。
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??? 軟件通過PC機(jī)并口查詢FIFO的狀態(tài)信息，當(dāng)寫入數(shù)據(jù)超過一半容量時(shí)，將發(fā)指令讀入32位FIFO數(shù)據(jù)并鎖存，其后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為8×4格式，給出地址逐次讀入并口。當(dāng)管理邏輯檢測到FIFO的EOF（空）信息不一致時(shí)，將通過/RST信號(hào)復(fù)位存儲(chǔ)器。
2 性能測試
??? 對于一個(gè)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，現(xiàn)場測試環(huán)境是比較復(fù)雜的，由傳感器輸出的信號(hào)發(fā)生畸變并有毛刺。將此信號(hào)分為兩路，一路接入數(shù)字示波器通道1，另一路接入儀器前端信號(hào)處理部分，進(jìn)行跟蹤濾波和峰值檢測后，接入示波器通道2。其波形如圖7所示。
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??? 儀器檢測的是輸入信號(hào)波形的負(fù)峰值。由圖中波形對比可知，前端信號(hào)處理部分能夠排除干擾，有效地檢測出負(fù)峰值位置，這也正是對應(yīng)的齒形位置。
??? PC機(jī)通過并行接口與儀器連接，底層端口處理部分采用C語言編寫，數(shù)據(jù)處理部分及界面采用VB編寫。
??? 結(jié)合儀器對某電廠一臺(tái)機(jī)組進(jìn)行的在線監(jiān)測及數(shù)據(jù)處理，其某時(shí)間段扭振振幅和頻譜圖如圖8所示。扭振最大振幅處，一倍頻約為24.66Hz，與理論值基本相符。
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??? 與傳統(tǒng)的A/D采集卡技術(shù)相比，此新型旋轉(zhuǎn)機(jī)械扭振監(jiān)測儀基于脈沖時(shí)序計(jì)數(shù)原理并結(jié)合相關(guān)硬件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對軸系扭振的高精度測量，具有精度和性價(jià)比高、抗干擾性好的優(yōu)點(diǎn)，可作為動(dòng)力旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸系扭振監(jiān)測的有效方法，在大型發(fā)電機(jī)組及重型車輛動(dòng)力系統(tǒng)等領(lǐng)域有一定的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
1 傅海忠.轉(zhuǎn)子扭振測量系統(tǒng)的研制.[博士后出站報(bào)告].北京:清華大學(xué)動(dòng)力工程與工程熱物理流動(dòng)站,1992
2 李方澤.工程振動(dòng)測試與分析. 北京:高等教育出版社,1992.10
3 MAX297 Data Sheet. MAXIM公司,2003