基于FPGA的便攜式軸承狀態監測系統技術方案

本實用新型專利技術涉及機械故障檢測技術，提供了基于FPGA的便攜式軸承狀態監測系統，監測軸承的運行狀態，從而用于設備故障的預防、預測。包括加速度傳感器、信號調理模塊、A/D轉換器、FPGA芯片、電源管理模塊以及儀器面板，所述加速度傳感器設于軸承上，所述加速度傳感器與所述信號調理模塊連接，所述信號調理模塊與所述A/D轉換器連接，A/D轉換器與所述主控芯片連接，所述FPGA芯片與所述儀器面板連接。本實用新型專利技術適用于便攜式軸承狀態監測儀。

Portable bearing condition monitoring system based on FPGA

The utility model relates to a mechanical fault detection technology, and provides a portable bearing condition monitoring system based on FPGA, which monitors the running state of the bearing and is used for the prevention and prediction of the fault of the equipment. Including acceleration sensor, signal conditioning module, A/D converter, FPGA chip, power management module and the instrument panel, the acceleration sensor is arranged in the bearing, the acceleration sensor and the signal conditioning module, the signal conditioning module is connected with the A/D converter, A/D converter and the main control chip is connected by the FPGA chip is connected with the instrument panel. The utility model is suitable for a portable bearing condition monitor.

【技術實現步驟摘要】

本技術涉及機械故障檢測技術，尤其涉及基于FPGA的便攜式軸承狀態監測系統。
技術介紹
目前故障檢測技術中最常使用的是振動診斷技術，即通過檢測振動信號的加速度、速度、位移、相位等信息來診斷旋轉式機械的運行狀態。然而，軸承故障卻很難從上述信息中獲得。目前，軸承故障診斷的方法主要有基于希爾伯特變換和基于小波變換的包絡檢波分析法，但是其計算復雜耗時長，且不適宜在基于嵌入式系統的巡檢設備上實現。針對目前包絡檢波算法計算復雜且不適宜在便攜式設備上進行軸承狀態監測診斷的問題，FPGA作為主控芯片，通過模擬信號放大電路、濾波電路和包絡檢波電路等硬件電路實現包絡信號提取、檢波功能而發展起來的軸承狀態監測技術，該系統能監測軸承的運行狀態，掌握故障的早期發生、發展，準確判斷設備故障嚴重程度。
技術實現思路
本技術要解決的技術問題是：提供一種基于FPGA的便攜式軸承狀態監測系統，監測軸承的運行狀態，從而用于設備故障的預防、預測。為解決上述問題，本技術采用的技術方案是：基于FPGA的便攜式軸承狀態監測系統，包括加速度傳感器、信號調理模塊、A/D轉換器、FPGA芯片、電源管理模塊以及儀器面板，所述加速度傳感器設于軸承上，所述加速度傳感器與所述信號調理模塊連接，所述信號調理模塊與所述A/D轉換器連接，A/D轉換器與所述FPGA芯片連接，所述FPGA芯片與所述儀器面板連接。進一步的，所述信號調理模塊包括放大濾波電路、帶通濾波器和包絡檢波電路，所述放大濾波電路與所述加速度傳感器、帶通濾波器連接，所述帶通濾波器與所述包絡檢波電路連接，所述包絡檢波電路與所述A/D轉換器連接。具體的，所述放大濾波電路通過內部兩組軌對軌運算放大器構成的反向放大器實現信號的放大。具體的，所述帶通濾波器由兩個二階巴特沃斯低通濾波器與兩個二階巴特沃斯高通濾波器串聯而成。進一步的，所述電源管理模塊包括電池和電源管理電路。進一步的，所述儀器面板包括顯示屏和鍵盤。進一步的,本技術還包括外接通信接口和通信設備，通信設備通過外接通信接口與所述FPGA芯片連接。本技術的有益效果是：本技術通過FPGA芯片分析包絡檢波信號的方法對軸承運行狀態的監測，不僅可以掌握故障的早期發生、發展，準確判斷設備故障嚴重程度，實現設備故障的預防、預測；而且本技術基于FPGA的嵌入式架構，具有運算速度快、便攜性強、低功耗、高性能的優點。附圖說明圖1是本技術的結構示意圖；圖2是本技術信號調理部分的結構示意圖；圖3是實施例的放大濾波電路圖；圖4是實施例的包絡檢波電路圖；圖5是包絡檢波電路的輸入信號的波形圖；圖6是包絡檢波電路的輸入信號的正半軸波形圖；圖7是包絡檢波電路的輸入信號的負半軸波形圖；圖8為包絡檢波電路的輸出信號的波形圖圖中編號：U1A、U1B、U41、42、U43分別為第一至第五放大芯片，R3為第三電阻，R4為第四電阻，R32為第三二電阻，C2第二電容，C3第三電容，C34第三四電容，C35第三五電容，D為二極管組。具體實施方式如圖1所示，包括加速度傳感器、信號調理模塊、A/D轉換器、FPGA芯片、電源管理模塊、儀器面板、外接通信接口以及通信設備，所述加速度傳感器設于軸承上，所述加速度傳感器與所述信號調理模塊連接，所述信號調理模塊與所述A/D轉換器連接，A/D轉換器與所述FPGA芯片連接，所述FPGA芯片與所述儀器面板、外接通信接口連接；所述外接通信接口與所述通信設備連接。具體的，所述信號調理模塊包括放大濾波電路、帶通濾波器和包絡檢波電路，所述放大濾波電路與所述加速度傳感器、帶通濾波器連接，所述帶通濾波器與所述包絡檢波電路連接，所述包絡檢波電路與所述A/D轉換器連接。所述電源管理模塊包括電池和電源管理電路。所述儀器面板包括顯示屏和鍵盤。軸承發生故障產生周期性脈沖沖擊(振動信號)，信號調理模塊完成對該振動信號的降噪、放大、以及濾波處理，進進行包絡檢波，A/D轉換器將電信號轉換成數字信號并傳輸給FPGA芯片，FPGA完成對數字信號的計算處理，鍵盤顯示器顯示軸承運行狀態，同時，電源管理模塊供給系統的工作所需電源。具體的，FPGA芯片的實現功能可細分為以下功能模塊：采集存儲模塊、數據計算模塊、主控模塊及各外通信接口模塊。主控模塊負責接收和發送控制指令，采集驅動模塊負責驅動，A/D轉換器進行模擬信號到數字信號的轉換；數據處理模塊負責將A/D采集的數據進行去直流、求峰值及DFT計算。顯示模塊負責驅動顯示屏將計算結果實時顯示在儀器上，通信模塊負責驅動外接通信接口與外界進行數據傳輸。本技術的信號調理過程如圖2所示，元件損傷產生周期性的脈沖沖擊，激起軸承系統高頻固有振動，形成以特征故障頻率為基頻的振動信號，加速度傳感器將振動信號轉變成電信號，放大濾波電路并將其幅值進行放大，由帶通濾波器濾掉低頻信號，包絡檢波電路對高頻信號進行包絡檢波，A/D轉換器將電信號轉換成數字信號，由FPGA芯片對包絡數字信號進行時頻域特征分析。因此，本技術通過包絡檢波法獲取包絡線，并進行時頻域特征分析可以達到故障診斷的要求。實施例：本例中的放大濾波電路結構如圖3所示，傳感器輸出信號首先經過兩級RC低通濾波電路：第三電阻R3→第二電容C2和第四電阻R4→第三電容C3，去除高頻噪聲干擾；然后，經過兩組低噪聲軌對軌運放構成的反向放大器：第一放大芯片U1A和第二放大芯片U1B，實現信號的降噪與放大。其中，第一放大芯片U1A和第二放大芯片U1B為8606A芯片。帶通濾波器：兩個二階巴特沃斯低通濾波器與兩個二階巴特沃斯高通濾波器串聯，實現去除噪聲頻率、選擇目的信號。本儀器選取的加速度信號頻率范圍是500Hz～10kHz。濾波截止頻率可用下式計算：本例中的包絡檢波電路結構如圖4所示，濾波放大電路后的高頻信號進入包絡檢波電路進行包絡檢波。第一級電路以第三五電容C35進行隔直流操作，去除偏置電壓；二極管組D：利用單向流通效應將信號的正負半軸分開；圖5表示輸入的正弦信號，圖6、7分別為該級電路輸出的信號正、負半軸信號。第二級電路以第三放大芯片U41、第四放大芯片U42兩個運放器作跟隨器，防止信號由于負載影響發生變化。第三級電路以第五放大芯片U43、第三二電阻R32、第三四電容C34組成的低通放大濾波電路將輸出波形中負半軸的信號翻轉到正半軸，由于對信號進行絕對值操作后峰峰值減小，所以通過電阻配置對輸出信號進行放大，放大倍數為1.5～2倍。輸出波形如圖8所示。上述，第三放大芯片U41、第四放大芯片U42、第五放大芯片U43為LTC2652芯片。需要指出的是，上面所述只是用圖解說明本專利技術的一些原理，由于對相同
的普通技術人員來說是很容易在此基礎上進行若干修改和改動的。因此，本說明書并非是要將本專利技術局限在所示和所述的具體結構和適用范圍內，故凡是所有可能被利用的相應修改以及等同物，均屬于本專利技術所申請的專利范圍。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
基于FPGA的便攜式軸承狀態監測系統，其特征在于，包括加速度傳感器、信號調理模塊、A/D轉換器、FPGA芯片、電源管理模塊以及儀器面板，所述加速度傳感器設于軸承上，所述加速度傳感器與所述信號調理模塊連接，所述信號調理模塊與所述A/D轉換器連接，A/D轉換器與所述FPGA芯片連接，所述FPGA芯片與所述儀器面板連接。

【技術特征摘要】
1.基于FPGA的便攜式軸承狀態監測系統，其特征在于，包括加速度傳感器、信號調理模塊、A/D轉換器、FPGA芯片、電源管理模塊以及儀器面板，所述加速度傳感器設于軸承上，所述加速度傳感器與所述信號調理模塊連接，所述信號調理模塊與所述A/D轉換器連接，A/D轉換器與所述FPGA芯片連接，所述FPGA芯片與所述儀器面板連接。2.如權利要求1所述的基于FPGA的便攜式軸承狀態監測系統，其特征在于，所述信號調理模塊包括放大濾波電路、帶通濾波器和包絡檢波電路，所述放大濾波電路與所述加速度傳感器、帶通濾波器連接，所述帶通濾波器與所述包絡檢波電路連接，所述包絡檢波電路與所述A/D轉換器連接。3.如權利要求2所述的基于FPGA的...

【專利技術屬性】
技術研發人員：柯磊，吳繼忠，李永桃，李塘，
申請(專利權)人：攀枝花學院，
類型：新型
國別省市：四川;51