基于沖擊脈沖法的便攜式軸承故障檢測儀的設計與改進

李珊珊

(蘭州職業(yè)技術(shù)學院，甘肅蘭州　730070)

0　引言

采用沖擊脈沖法的便攜式軸承故障檢測儀因具有在生產(chǎn)現(xiàn)場檢測與判斷容易，預報滾動軸承損傷情況正確，工程實用性強的特點廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場中。為降低便攜式軸承故障檢測儀的成本，提高檢測速度，使檢測儀電路更為簡化易于單片機實現(xiàn)，文中在傳統(tǒng)的沖擊脈沖法基礎上對沖擊脈沖序列的生成方式進行了改進。

1　傳統(tǒng)的沖擊脈沖法信號處理

在沖擊脈沖信號的處理過程中脈沖序列生成電路主要是通過一個比較器和一個計數(shù)器來實現(xiàn)的，具體的電路框圖如圖1所示：

圖1　脈沖序列生成電路的組成

實際電路中，檢測儀中的微處理器首先取一個較大的數(shù)字量，然后不斷減小此數(shù)字量，直到比較器輸出第一次反轉(zhuǎn)為止，然后由算法軟件處理得到輸入信號沖擊脈沖值的標準分貝dBn值的大小。根據(jù)上述的測量原理，檢測儀測量軸承的強沖擊脈沖值dBm(低頻值)和地毯值dBc(高頻值)是按在規(guī)定的時間內(nèi)由計數(shù)器讀得的比較器反轉(zhuǎn)次數(shù)的多少來決定的。它規(guī)定在24 ms內(nèi)比較器反轉(zhuǎn)1次為低頻值，在16 ms內(nèi)比較器反轉(zhuǎn)16次為高頻值，具體的dB值由數(shù)字控制量給出。可見因為要不斷地進行比較和記數(shù)，這樣的測量方法速度較慢，完成一個測點的測量需14 s左右。

2　對傳統(tǒng)的沖擊脈沖序列生成電路的改進

文中對傳統(tǒng)的沖擊脈沖法信號處理過程進行了改進，改進后的脈沖序列生成電路由峰值保持電路結(jié)合脈沖觸發(fā)電路來檢測傳感器拾取的經(jīng)過前期信號處理(帶通濾波、包絡檢波、低通濾波等)的滾動軸承沖擊脈沖信號并生成脈沖序列。用峰值保持電路得到的模擬信號就是高低頻(dBm和dBc)的脈沖序列，把它們送到單片機A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，單片機進行1 000點采樣后送到MSP430F149單片機集成的FLASH中，采用相應的軟件算法得出dBm值，從而依據(jù)沖擊脈沖法的判別標準對滾動軸承故障進行判定。

2．1峰值保持電路

圖2峰值保持電路中LF356是具有場效應管作輸入級的運算放大器。第一個LF356是為存儲電容C1、C2提供充電電流，第二個LF356它置于總反饋回路內(nèi)，這有利于精度的跟蹤。穩(wěn)壓管二極管D1的作用是避免第一個LF356出現(xiàn)過載飽和。單刀單擲模擬開關(guān)SPST由脈沖觸發(fā)電路控制，脈沖觸發(fā)電路產(chǎn)生高電平時SPST導通，低電平時截止。場效應管Q2由單片機I/O口P1.5發(fā)送高電平控制其導通，從而對存儲電容進行放電，基本上能使存儲電容上的電壓放到零，這樣就為下次跟蹤作好了準備。R2為保護電阻，用來防止電壓突變而使第二個LF356過載。加入電容C3和C4，可使電路穩(wěn)定避免階躍輸入信號引起上沖。

圖2　峰值保持電路

電路的工作過程如下：當場效應管Q1的漏極導通條件滿足時，場效應管Q1導通。第一個LF356通過二極管D2和場效應管Q1對電容C1、C2充電，使輸出信號跟蹤輸入信號。當二極管滿足截止條件時，第一個LF356的輸出端為負電壓，場效應管Q1的柵極也是負電壓，而源極由于電容C1的放電緩慢所以是正電壓，因而Q1截止，這時存儲電容C2與第二個LF356的輸出端之間的漏電流通道被二極管D2和場效應管Q1切斷，電路進入峰值保持階段。

值得注意的是：在保持階段電容C1和C2上的電壓幾乎相等，即場效應管Q1源漏之間的電壓降很小，因此Q1所產(chǎn)生的漏電流就非常微小。這就減小了電壓漂移率，增加了保持時間。

2．2脈沖觸發(fā)電路

直接采用以上峰值保持電路的問題是，單片機要控制場效應管Q2對充電電容C1、C2進行放電以保證電路為下次峰值跟蹤作好準備，這樣就出現(xiàn)了單片機何時發(fā)出控制信號的問題。本文采用脈沖觸發(fā)電路就解決了這個問題，具體電路如圖3所示。

圖3　脈沖觸發(fā)電路

該電路由微分電路和比較電路構(gòu)成。當信號上升時，圖3中比較器LM339輸出高電平使圖2峰值保持電路中模擬開關(guān)SPST導通，峰值保持電路導通，存儲電容C1、C2充電。當信號到達峰值后開始下降時，比較器LM339輸出低電平，SPST斷開，存儲電容C1、C2保持脈沖峰值電壓；比較器LM339的低電平同時觸發(fā)單片機中斷，開始A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，單片機P1．5口發(fā)出高電平控制場效應管Q2導通，對峰值保持電路中存儲電容C1、C2進行放電。

圖4對脈沖觸發(fā)電路用Multisim軟件進行模擬，圖中A為通過帶通濾波、包絡檢波、低通濾波處理后的傳感器采集的滾動軸承沖擊脈沖信號，B為脈沖觸發(fā)電路產(chǎn)生的高低電平。由圖4可看出信號A和脈沖觸發(fā)電路產(chǎn)生的高低電平B在時序上的關(guān)系：信號A達到波峰后開始下降時，脈沖觸發(fā)電路將產(chǎn)生低電平；信號A達到波谷開始上升時，脈沖觸發(fā)電路將產(chǎn)生高電平。脈沖觸發(fā)電路在脈沖序列生成電路中的功能得以實現(xiàn)。

圖4　時序圖

對整個脈沖序列生成電路用Multisim軟件進行模擬。將通過帶通濾波、包絡檢波、低通濾波處理后的傳感器采集的滾動軸承沖擊脈沖信號通過脈沖序列生成電路處理后如圖5所示。圖中A為峰值保持后的信號，B為保持前的信號。

圖5　脈沖序列生成結(jié)果

從脈沖序列生成電路的仿真結(jié)果可看出，電路對沖擊脈沖信號的峰值跟蹤保持效果較好，電路設計是合理和有效的。

3　結(jié)束語

文中對傳統(tǒng)的沖擊脈沖法的信號處理進行了改進，方法實現(xiàn)上方案簡單(電路規(guī)模大約為進口儀器的1/3左右)，并且對硬件要求不高，非常適合單片機開發(fā)。目前該電路在實驗室已經(jīng)調(diào)試成功，經(jīng)測試每測1點的速度比傳統(tǒng)的沖擊脈沖方法提高了近4倍，僅需3 s左右。通過改進使得便攜式軸承故障檢測儀成本降低(大約為進口儀器的1/3)而且電路性能可靠，能夠滿足大規(guī)模的應用，有良好的應用前景。

參考文獻：

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