新型旋转机械扭振监测仪的研制

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新型旋转机械扭振监测仪的研制

摘要：介绍了新型旋转机械扭振监测仪的总体设计方案。该监测仪基于脉冲时序计数的方法，利用大规模可编程器件，结合跟踪滤波和峰值检测技术进行设计，并通过PC机并口完成数据通信。此方案与采用A/D数据采集卡的监测方式相比，性价比和精度均较高。     关键词：扭振监测 脉冲时序计数 可编程器件 跟踪滤波 峰值监测
1 总体设计
监测仪总体结构如图1中虚线框部分所示。图中的转子轴属机械装置，一端开有键相槽，另一端安装齿盘。计数器、锁存器、管理逻辑、写FIFO接口及数据转换接口采用XILINX公司的CPLD XC95288实现。

    仪器的输入设计为四通道电涡流传感器信号输入。计数器为24位，外加8位四通道状态信息，形成32位数据线。FIFO采用四片IDT7206接收32位数据。数据转换接口完成32位数据读入并将其转成8位逐次输出及完成相应控制逻辑。PC机通过并口采用EPP模式读入数据，并作相应计算处理。
前端信号处理应用跟踪滤波和峰值监测技术，可抑制干扰，并能有效地跟踪复杂环境下齿信号的时序。
1．1 跟踪滤波
实际环境中常存在电气干扰等信号，使得传感器输出信号发生畸变及存在毛刺等，从而影响齿信号脉冲到来时刻的计数值。所以对信号作前端处理时，需采用滤波器除掉高频杂波等干扰信号。在传统扭振测量中，对于转速相对稳定的动力设置，常应用中心频率固定的滤波器；而当转速变化范围较大时，如重型车辆传动抽系扭振的监测分析中，就需要滤波器的中心频率能跟踪转速的变化。考虑到干扰信号主要是高频噪声，所以在信号前端处理部分采用低通滤波器，芯片为MAXIM公司的MAX297，如图2所示。


图2

    MAX297是8阶低通椭圆开关电容滤波器，其滚降速度快，从通频带到阻带的过渡带可以做得很窄。其时钟可调拐角频率范围为0.1Hz～50kHz；时钟与拐角频率比为50：1；可外接时钟或使用内部时钟；可单、双电源工作。此外，MAX297还有一个独立的运算放大器（反相输入端已接地），用于后置滤波、反混叠滤波等连续时间低通滤波器中。
齿信号分为两路，一路进入MAX297，另一路经比较器整形后，输入由CD4046等组成的倍频器进行倍频。考虑到信号波动问题，倍频系数选作60，锁相环分频器部分由XC95288提供。倍频输出提供给MAX297作为时钟信号。
1．2 峰值检测
理论上齿盘随轴旋转时，传感器输出近似正弦波信号，但实际运行中，因存在齿盘磁化不均及环境介质的影响，使得信号幅值不断变化。当把前端输入的负极性信号整形为脉冲信号时，如果用传统的比较器固定阈值整形的方法，就会造成脉冲沿到来时刻的延迟或提前，如图3所示，这样即使没有扭振发生，也会使得计数值相对基准数据发生变化，从而检出虚假的扭振信号来。

    经试验分析，多数情况下虽振动信号幅值发生变化，但其峰值时刻的位置基本不变，这样如果使得脉冲沿发生在峰值时刻，就能避免其延迟或提前，从而获得正确的脉冲信号。
峰值检测部分设计如图4所示。
1．3 计数部分主体设计
XC95288内主体设计部分为一个24位计数器，一个32位×4的锁存器，一个32位×4的数据选择器及触发与管理、接口逻辑等，如图5所示。

    外部四片FIFO组成一个32位存储区，各通道计数值分别按触发时序并行写入，不同通道的计数值按通道编码加以区别。当各齿脉冲触发时刻相同时，管理逻辑将按通道顺序号依次查询写入的计数值。本设计中，计数时钟频率为10MHz，同时它也是CPLD的工作时钟频率。假设测速齿盘为60齿，转速为50Hz，则每个通道触发脉冲为3kHz，四个通道之和远小于工作时钟。另外，四个通道的触发与锁存并行工作，因此计数值能有效记录各通道触发脉冲的到来时刻。

    管理逻辑可根据FIFO的FOF信息判断是否进行写操作。若有脉冲触发而FIFO又写满，则FOF信息将被保留并编入下一次计数值，作为出错信息标识。

    1．4 数据转换接口部分设计
数据转换接口部分主要完成读四片FIFO内的数据并根据并口给出的地址逐次送到8位输出口线上，如图6所示。
软件通过PC机并口查询FIFO的状态信息，当写入数据超过一半容量时，将发指令读入32位FIFO数据并锁存，其后将数据转为8×4格式，给出地址逐次读入并口。当管理逻辑检测到FIFO的EOF（空）信息不一致时，将通过/RST信号复位存储器。

    2 性能测试
对于一个齿轮传动系统，现场测试环境是比较复杂的，由传感器输出的信号发生畸变并有毛刺。将此信号分为两路，一路接入数字示波器通道1，另一路接入仪器前端信号处理部分，进行跟踪滤波和峰值检测后，接入示波器通道2。其波形如图7所示。
仪器检测的是输入信号波形的负峰值。由图中波形对比可知，前端信号处理部分能够排队干扰，有效地检测出负峰值位置，这也正是对应的齿形位置。

    PC机通过并行接口与仪器连接，底层接口处理部分采用C语言编写，数据处理部分及界面采用VB编写。
结合仪器对某电厂一台机组进行的在线监测及数据处理，其某时间段扭振振幅和频谱图如图8所示。扭振最大振幅处，一倍频约为24.66Hz，与理论值基本相符。


图8

    与传统的A/D采集卡技术相比，此新型旋转机械扭振监测仪基于脉冲时序计数原理并结合相关硬件技术，实现了对轴系扭振的高精度测量，具有精度和性价比高、抗干扰性好的优点，可作为动力旋转机械轴系扭振监测的有效方法，在大型发电机组及重型车辆动力系统等领域有一定的应用前景。