新型旋轉(zhuǎn)機(jī)械扭振監(jiān)測(cè)儀的研制
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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(guò)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(cè)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(lái)時(shí)刻的計(jì)數(shù)值。所以對(duì)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(cè)量中，對(duì)于轉(zhuǎn)速相對(duì)穩(wěn)定的動(dòng)力設(shè)置，常應(yīng)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(chē)輛傳動(dòng)抽系扭振的監(jiān)測(cè)分析中，就需要濾波器的中心頻率能跟蹤轉(zhuǎn)速的變化?？紤]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。圖2MAX297是8階低通橢圓開(kāi)關(guān)電容濾波器，其滾降速度快，從通頻帶到阻帶的過(guò)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。 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?？紤]到信號(hào)波動(dòng)問(wèn)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(cè) 理論上齒盤(pán)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(pán)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)，如果用傳統(tǒng)的比較器固定閾值整形的方法，就會(huì)造成脈沖沿到來(lái)時(shí)刻的延遲或提前，如圖3所示，這樣即使沒(méi)有扭振發(fā)生，也會(huì)使得計(jì)數(shù)值相對(duì)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(lái)。
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(cè)部分設(shè)計(jì)如圖4所示。 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%26;#215;4的鎖存器，一個(gè)32位%26;#215;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。
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(xiě)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(xiě)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(cè)速齒盤(pán)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(lái)時(shí)刻。管理邏輯可根據(jù)FIFO的FOF信息判斷是否進(jìn)行寫(xiě)操作。若有脈沖觸發(fā)而FIFO又寫(xiě)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。 軟件通過(guò)PC機(jī)并口查詢FIFO的狀態(tài)信息，當(dāng)寫(xiě)入數(shù)據(jù)超過(guò)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%26;#215;4格式，給出地址逐次讀入并口。當(dāng)管理邏輯檢測(cè)到FIFO的EOF（空）信息不一致時(shí)，將通過(guò)/RST信號(hào)復(fù)位存儲(chǔ)器。
2 性能測(cè)試 對(duì)于一個(gè)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(cè)后，接入示波器通道2。其波形如圖7所示。 儀器檢測(cè)的是輸入信號(hào)波形的負(fù)峰值。由圖中波形對(duì)比可知，前端信號(hào)處理部分能夠排隊(duì)干擾，有效地檢測(cè)出負(fù)峰值位置，這也正是對(duì)應(yīng)的齒形位置。
PC機(jī)通過(guò)并行接口與儀器連接，底層接口處理部分采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，數(shù)據(jù)處理部分及界面采用VB編寫(xiě)。 結(jié)合儀器對(duì)某電廠一臺(tái)機(jī)組進(jìn)行的在線監(jiān)測(cè)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。圖8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(cè)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(duì)軸系扭振的高精度測(cè)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(cè)的有效方法，在大型發(fā)電機(jī)組及重型車(chē)輛動(dòng)力系統(tǒng)等領(lǐng)域有一定的應(yīng)用前景。
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