基于FPGA的便携式轴承状态监测系统技术方案

本实用新型专利技术涉及机械故障检测技术，提供了基于FPGA的便携式轴承状态监测系统，监测轴承的运行状态，从而用于设备故障的预防、预测。包括加速度传感器、信号调理模块、A/D转换器、FPGA芯片、电源管理模块以及仪器面板，所述加速度传感器设于轴承上，所述加速度传感器与所述信号调理模块连接，所述信号调理模块与所述A/D转换器连接，A/D转换器与所述主控芯片连接，所述FPGA芯片与所述仪器面板连接。本实用新型专利技术适用于便携式轴承状态监测仪。

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.

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及机械故障检测技术，尤其涉及基于FPGA的便携式轴承状态监测系统。
技术介绍
目前故障检测技术中最常使用的是振动诊断技术，即通过检测振动信号的加速度、速度、位移、相位等信息来诊断旋转式机械的运行状态。然而，轴承故障却很难从上述信息中获得。目前，轴承故障诊断的方法主要有基于希尔伯特变换和基于小波变换的包络检波分析法，但是其计算复杂耗时长，且不适宜在基于嵌入式系统的巡检设备上实现。针对目前包络检波算法计算复杂且不适宜在便携式设备上进行轴承状态监测诊断的问题，FPGA作为主控芯片，通过模拟信号放大电路、滤波电路和包络检波电路等硬件电路实现包络信号提取、检波功能而发展起来的轴承状态监测技术，该系统能监测轴承的运行状态，掌握故障的早期发生、发展，准确判断设备故障严重程度。
技术实现思路
本技术要解决的技术问题是：提供一种基于FPGA的便携式轴承状态监测系统，监测轴承的运行状态，从而用于设备故障的预防、预测。为解决上述问题，本技术采用的技术方案是：基于FPGA的便携式轴承状态监测系统，包括加速度传感器、信号调理模块、A/D转换器、FPGA芯片、电源管理模块以及仪器面板，所述加速度传感器设于轴承上，所述加速度传感器与所述信号调理模块连接，所述信号调理模块与所述A/D转换器连接，A/D转换器与所述FPGA芯片连接，所述FPGA芯片与所述仪器面板连接。进一步的，所述信号调理模块包括放大滤波电路、带通滤波器和包络检波电路，所述放大滤波电路与所述加速度传感器、带通滤波器连接，所述带通滤波器与所述包络检波电路连接，所述包络检波电路与所述A/D转换器连接。具体的，所述放大滤波电路通过内部两组轨对轨运算放大器构成的反向放大器实现信号的放大。具体的，所述带通滤波器由两个二阶巴特沃斯低通滤波器与两个二阶巴特沃斯高通滤波器串联而成。进一步的，所述电源管理模块包括电池和电源管理电路。进一步的，所述仪器面板包括显示屏和键盘。进一步的,本技术还包括外接通信接口和通信设备，通信设备通过外接通信接口与所述FPGA芯片连接。本技术的有益效果是：本技术通过FPGA芯片分析包络检波信号的方法对轴承运行状态的监测，不仅可以掌握故障的早期发生、发展，准确判断设备故障严重程度，实现设备故障的预防、预测；而且本技术基于FPGA的嵌入式架构，具有运算速度快、便携性强、低功耗、高性能的优点。附图说明图1是本技术的结构示意图；图2是本技术信号调理部分的结构示意图；图3是实施例的放大滤波电路图；图4是实施例的包络检波电路图；图5是包络检波电路的输入信号的波形图；图6是包络检波电路的输入信号的正半轴波形图；图7是包络检波电路的输入信号的负半轴波形图；图8为包络检波电路的输出信号的波形图图中编号：U1A、U1B、U41、42、U43分别为第一至第五放大芯片，R3为第三电阻，R4为第四电阻，R32为第三二电阻，C2第二电容，C3第三电容，C34第三四电容，C35第三五电容，D为二极管组。具体实施方式如图1所示，包括加速度传感器、信号调理模块、A/D转换器、FPGA芯片、电源管理模块、仪器面板、外接通信接口以及通信设备，所述加速度传感器设于轴承上，所述加速度传感器与所述信号调理模块连接，所述信号调理模块与所述A/D转换器连接，A/D转换器与所述FPGA芯片连接，所述FPGA芯片与所述仪器面板、外接通信接口连接；所述外接通信接口与所述通信设备连接。具体的，所述信号调理模块包括放大滤波电路、带通滤波器和包络检波电路，所述放大滤波电路与所述加速度传感器、带通滤波器连接，所述带通滤波器与所述包络检波电路连接，所述包络检波电路与所述A/D转换器连接。所述电源管理模块包括电池和电源管理电路。所述仪器面板包括显示屏和键盘。轴承发生故障产生周期性脉冲冲击(振动信号)，信号调理模块完成对该振动信号的降噪、放大、以及滤波处理，进进行包络检波，A/D转换器将电信号转换成数字信号并传输给FPGA芯片，FPGA完成对数字信号的计算处理，键盘显示器显示轴承运行状态，同时，电源管理模块供给系统的工作所需电源。具体的，FPGA芯片的实现功能可细分为以下功能模块：采集存储模块、数据计算模块、主控模块及各外通信接口模块。主控模块负责接收和发送控制指令，采集驱动模块负责驱动，A/D转换器进行模拟信号到数字信号的转换；数据处理模块负责将A/D采集的数据进行去直流、求峰值及DFT计算。显示模块负责驱动显示屏将计算结果实时显示在仪器上，通信模块负责驱动外接通信接口与外界进行数据传输。本技术的信号调理过程如图2所示，元件损伤产生周期性的脉冲冲击，激起轴承系统高频固有振动，形成以特征故障频率为基频的振动信号，加速度传感器将振动信号转变成电信号，放大滤波电路并将其幅值进行放大，由带通滤波器滤掉低频信号，包络检波电路对高频信号进行包络检波，A/D转换器将电信号转换成数字信号，由FPGA芯片对包络数字信号进行时频域特征分析。因此，本技术通过包络检波法获取包络线，并进行时频域特征分析可以达到故障诊断的要求。实施例：本例中的放大滤波电路结构如图3所示，传感器输出信号首先经过两级RC低通滤波电路：第三电阻R3→第二电容C2和第四电阻R4→第三电容C3，去除高频噪声干扰；然后，经过两组低噪声轨对轨运放构成的反向放大器：第一放大芯片U1A和第二放大芯片U1B，实现信号的降噪与放大。其中，第一放大芯片U1A和第二放大芯片U1B为8606A芯片。带通滤波器：两个二阶巴特沃斯低通滤波器与两个二阶巴特沃斯高通滤波器串联，实现去除噪声频率、选择目的信号。本仪器选取的加速度信号频率范围是500Hz～10kHz。滤波截止频率可用下式计算：本例中的包络检波电路结构如图4所示，滤波放大电路后的高频信号进入包络检波电路进行包络检波。第一级电路以第三五电容C35进行隔直流操作，去除偏置电压；二极管组D：利用单向流通效应将信号的正负半轴分开；图5表示输入的正弦信号，图6、7分别为该级电路输出的信号正、负半轴信号。第二级电路以第三放大芯片U41、第四放大芯片U42两个运放器作跟随器，防止信号由于负载影响发生变化。第三级电路以第五放大芯片U43、第三二电阻R32、第三四电容C34组成的低通放大滤波电路将输出波形中负半轴的信号翻转到正半轴，由于对信号进行绝对值操作后峰峰值减小，所以通过电阻配置对输出信号进行放大，放大倍数为1.5～2倍。输出波形如图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为LTC2652芯片。需要指出的是，上面所述只是用图解说明本专利技术的一些原理，由于对相同
的普通技术人员来说是很容易在此基础上进行若干修改和改动的。因此，本说明书并非是要将本专利技术局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本专利技术所申请的专利范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于FPGA的便携式轴承状态监测系统，其特征在于，包括加速度传感器、信号调理模块、A/D转换器、FPGA芯片、电源管理模块以及仪器面板，所述加速度传感器设于轴承上，所述加速度传感器与所述信号调理模块连接，所述信号调理模块与所述A/D转换器连接，A/D转换器与所述FPGA芯片连接，所述FPGA芯片与所述仪器面板连接。

【技术特征摘要】
1.基于FPGA的便携式轴承状态监测系统，其特征在于，包括加速度传感器、信号调理模块、A/D转换器、FPGA芯片、电源管理模块以及仪器面板，所述加速度传感器设于轴承上，所述加速度传感器与所述信号调理模块连接，所述信号调理模块与所述A/D转换器连接，A/D转换器与所述FPGA芯片连接，所述FPGA芯片与所述仪器面板连接。2.如权利要求1所述的基于FPGA的便携式轴承状态监测系统，其特征在于，所述信号调理模块包括放大滤波电路、带通滤波器和包络检波电路，所述放大滤波电路与所述加速度传感器、带通滤波器连接，所述带通滤波器与所述包络检波电路连接，所述包络检波电路与所述A/D转换器连接。3.如权利要求2所述的基于FPGA的...

【专利技术属性】
技术研发人员：柯磊，吴继忠，李永桃，李塘，
申请(专利权)人：攀枝花学院，
类型：新型
国别省市：四川;51