一种可提早检测轴承故障的检测仪的制作方法

本实用新型涉及机械设备故障监测技术领域，尤其涉及一种可提早检测轴承故障的检测仪。

背景技术：

目前在机械设备故障诊断和状态监测领域采用的主要传感器仍然以振动传感器为主，如压电式加速度传感器(也称加速度计或加速度传感器)，其功能是将机械振动转换成电信号。当压电式加速度传感器感受到振动信号时，其输出端会产生一个与振动加速度成正比的电荷量，既可以测量振动的加速度、速度和位移，也可以测量一些幅值较大的振动冲击信号。由于它体积小、重量轻、频带宽、可靠性高以及动态范围大，所以在振动测量领域中能够得到非常广泛的应用。

但是，对于重载荷、慢速的旋转设备，其故障信号表现为瞬态的、幅度较小的冲击信号，使用目前的振动传感器和测振仪是无法检测到的，包括轴承的润滑不良等状况，检测也是无法用振动分析的方法去完成。对于这些瞬态信号的检测，振动传感器存在的缺陷是很明显的，主要表现在以下几个方面：

1、常规的振动传感器是共振减弱型的，也就是说为了提取更多的频率信号，传感器设计的初衷是把余振吸收掉，因此振动分析仪主要是用于采集周期性信号，对于冲击能量有限的瞬态故障信号，难以捕捉到。

2、故障信号的频率成分非常复杂，难以通过振动分析仪的频带限制。而且对于太宽的频带进行分析，无论是硬件开销还是软件开销都是非常大的。

3、早期故障信号往往很小，很可能被外界噪声淹没。例如在工业设备实际运行环境中，环境噪声是非常嘈杂的，如果采用振动分析的方法，对于没有特征频率的瞬态信号，是很难从环境噪声中提取出来的。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能够提高信号强度，减少环境噪音干扰，能够有效获取轴承故障初期瞬态信号并及时产生故障信息的可提早检测轴承故障的检测仪。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种可提早检测轴承故障的检测仪，包括微处理器，所述微处理器的输入端连接有供电电源，所述微处理器的输出端连接有检测信息输出装置；还包括共振增强型压电传感器，所述共振增强型压电传感器与所述微处理器之间电连接有传感器触发检测电路，所述传感器触发检测电路的输入端并联有传感器信号选择电路，所述传感器信号选择电路串联有传感器信号处理电路，所述传感器信号处理电路的输出端连接有可编程增益电路，所述可编程增益电路连接至所述微处理器，所述传感器触发检测电路、所述传感器信号选择电路、所述传感器信号处理电路和所述可编程增益电路还分别连接至所述供电电源。

作为优选的技术方案，所述共振增强型压电传感器包括相对设置的正极导电棒和负极导电棒，所述正极导电棒和所述负极导电棒之间夹装有压电陶瓷片，所述正极导电棒与所述负极导电棒夹装所述压电陶瓷片的一端外侧套装有电棒连接紧固套，所述电棒连接紧固套与所述正极导电棒及所述压电陶瓷片之间设有电绝缘装置，所述电棒连接紧固套与所述负极导电棒间隙配合连接。

作为优选的技术方案，所述电绝缘装置包括设于所述压电陶瓷片与所述电棒连接紧固套之间的电绝缘环，设于所述正极导电棒与所述电棒连接紧固套之间的电绝缘套，所述电绝缘套一端抵靠在所述电绝缘环上，所述电绝缘套另一端延伸至所述电棒连接紧固套的外侧。

作为优选的技术方案，所述正极导电棒、所述负极导电棒、所述压电陶瓷片的端面分别设置为圆形，且所述负极导电棒的端面直径大于所述压电陶瓷片的端面直径，所述负极导电棒超出所述压电陶瓷片的部分端面形成所述电绝缘环的绝缘环定位台。

作为优选的技术方案，所述正极导电棒与所述压电陶瓷片接触的一端设有绝缘套限位凸环，所述电绝缘套上设有与所述绝缘套限位台配合的绝缘套限位凹环。

作为优选的技术方案，所述传感器触发检测电路包括与所述共振增强型压电传感器输出端电连接的低通滤波电阻r31，所述低通滤波电阻r31的输出端通过低通滤波电容c34接地，所述低通滤波电阻r31的输出端还连接至运算放大器a1的同相输入端，所述运算放大器a1的反相输入端连接至其输出端，所述运算放大器a1的输出端连接至所述微处理器，所述运算放大器a1的电源端通过分压电阻r59连接至所述供电电源，所述分压电阻r59还通过电容c52安全接地。

作为优选的技术方案，所述传感器信号选择电路包括依次串联在所述低通滤波电阻输入端串联选频电路和并联选频电路，所述串联选频电路的输出端还连接至所述传感器信号处理电路；

所述串联选频电路包括连接在所述低通滤波电阻r31输入端的极性电容c33，所述极性电容c33的输出端依次串联有电容c45和电感l3，所述电感l3的输出端连接至所述传感器信号处理电路；所述并联选频电路包括并联在所述电感l3输出端的电感l4和电容16，所述电容16和所述电感l4的输出端共同接地设置。

作为优选的技术方案，所述传感器信号处理电路设置为带通滤波电路，包括串联设置的电阻r50和电容c48，所述电阻r50的输入端连接至所述电感l3的输出端，所述电容c48的输入端连接有电容c47，所述电容c48的输出端连接有电阻r51，所述电容c48的输出端、所述电容c47的输出端和所述电阻r51的输出端分别连接至所述可编程增益电路。

作为优选的技术方案，所述可编程增益电路包括可编程放大器u1，所述可编程放大器u1的外部参考端连接至基准电压电路，所述可编程放大器u1的模拟输入端连接至所述带通滤波电路，所述可编程放大器u1的模拟输出端连接至所述微处理器。

作为对上述技术方案的改进，所述检测信息输出装置包括设于所述微处理器内的音频转换电路，所述音频转换电路的输出端连接有音频播放器，还包括连接于所述微处理器输出端的led显示器。

由于采用了上述技术方案，一种可提早检测轴承故障的检测仪，包括微处理器，所述微处理器的输入端连接有供电电源，所述微处理器的输出端连接有检测信息输出装置；还包括共振增强型压电传感器，所述共振增强型压电传感器与所述微处理器之间电连接有传感器触发检测电路，所述传感器触发检测电路的输入端并联有传感器信号选择电路，所述传感器信号选择电路串联有传感器信号处理电路，所述传感器信号处理电路的输出端连接有可编程增益电路，所述可编程增益电路连接至所述微处理器，所述传感器触发检测电路、所述传感器信号选择电路、所述传感器信号处理电路和所述可编程增益电路还分别连接至所述供电电源；本实用新型的有益效果是：共振增强型压电传感器能够检测重载荷、慢速旋转设备的故障信号，上述故障信号一般具有瞬态性、幅度小等特点，在相关电路的配合下，最终能够将检测到的冲击信号能量富集在30khz～40khz之间的频率上，提高了信号强度，尽可能减少了环境噪音的干扰，使得故障信号容易检出；另外经过各电路配合后，可使输出的信号形成衰减比较慢(可持续20个周期以上)的共振增强信号，在微处理器的作用下可形成音频信号，通过检测信息输出装置输出，可供故障诊断工程师分析，从而获取到被测设备的初期故障信号，便于及时处理、排除故障。

附图说明

以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中：

图1是本实用新型实施例的结构框图；

图2是本实用新型实施例的结构示意图；

图3是图1中a处的放大结构示意图；

图4是本实用新型实施例中传感器触发检测电路、传感器信号选择电路、传感器信号处理电路、可编程增益电路的电路原理图；

图5是本实用新型实施例共振增强型压电传感器的检测信号图；

图6是本实用新型实施例生成的与共振增强型压电传感器的检测信号对应的包络信号图；

图7是本实用新型实施例的与共振增强型压电传感器的检测信号对应的音频信号图；

图中：1-正极导电棒；2-负极导电棒；3-压电陶瓷片；4-电棒连接紧固套；5-电绝缘环；6-电绝缘套；7-夹装预紧斜面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步阐述本实用新型。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本实用新型的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。

如图1所示，一种可提早检测轴承故障的检测仪，包括微处理器，所述微处理器的输入端连接有供电电源，所述微处理器的输出端连接有检测信息输出装置。所述供电电源可为整个检测仪中的电子部件提供工作电压。所述检测信息输出装置包括设于所述微处理器内的音频转换电路，所述音频转换电路的输出端连接有音频播放器，还包括连接于所述微处理器输出端的led显示器。所述音频播放器可以设置为耳机，由故障诊断工程师佩戴。所述微处理器为arm微处理器可以将故障信号转变成音频信号并通过耳机播放。

本实施例还包括共振增强型压电传感器，所述共振增强型压电传感器与所述微处理器之间电连接有传感器触发检测电路，所述传感器触发检测电路的输入端并联有传感器信号选择电路，所述传感器信号选择电路串联有传感器信号处理电路，所述传感器信号处理电路的输出端连接有可编程增益电路，所述可编程增益电路连接至所述微处理器，所述传感器触发检测电路、所述传感器信号选择电路、所述传感器信号处理电路和所述可编程增益电路还分别连接至所述供电电源。所述共振增强型压电传感器负责故障信号的拾取，所述共振增强型压电传感器用于检测其与所述微处理器直接是否正常接通，所述传感器信号选择电路、所述传感器信号处理电路和所述可编程增益电路实现所述共振增强型压电传感器检测信号使用频率的选择及处理，以供所述微处理器进一步分析使用。

如图2和图3所示，所述共振增强型压电传感器包括相对设置的正极导电棒1和负极导电棒2，所述正极导电棒1和所述负极导电棒2之间夹装有压电陶瓷片3，所述正极导电棒1与所述负极导电棒2夹装所述压电陶瓷片3的一端外侧套装有电棒连接紧固套4，所述电棒连接紧固套4与所述正极导电棒1及所述压电陶瓷片3之间设有电绝缘装置，所述电棒连接紧固套4与所述负极导电棒2间隙配合连接。

本实施例中，所述正极导电棒1的主体部分为直径7mm、长35mm的圆柱体结构，所述负极导电棒2为直径7mm、长40mm的圆柱体结构，所述正极导电棒1、所述负极导电棒2和所述电棒连接紧固套4的材料均为304不锈钢，耐高温、耐腐蚀性好，对使用环境要求低；而所述压电陶瓷片3的优选尺寸为直径7mm，厚度1mm的圆片结构，材料为锆钛酸铅，利用所述电棒连接紧固套4将传感器的各个部件组装固定在一起。

具体地，所述电绝缘装置包括设于所述压电陶瓷片3与所述电棒连接紧固套4之间的电绝缘环5，设于所述正极导电棒1与所述电棒连接紧固套4之间的电绝缘套6，所述电绝缘套6一端抵靠在所述电绝缘环5上，所述电绝缘套6另一端延伸至所述电棒连接紧固套4的外侧，所述电绝缘环5设置为陶瓷绝缘环，所述电绝缘套6设置为塑料套。通过上述结构可以看出，所述电绝缘套6和所述电绝缘环5可以将所述正极导电棒1和所述负极导电棒2隔开，防止传感器内部短路。所述电棒连接紧固套4与所述负极导电棒2是直接接触的，因此两者之间是电导通的，同时所述负极导电棒2与所述压电陶瓷片3的一个端面电导通。

传感器在实际工作过程中，在所述电棒连接紧固套4内部巧妙构建了一个谐振系统，这个谐振系统的振子是所述压电陶瓷片3，该系统的回复力来自于所述电棒连接紧固套4将所述正极导电棒1、所述负极导电棒2和所述压电陶瓷片3的预紧力。在合适的预紧力下，当所述压电陶瓷片3产生微小位移δx时，回复力f近似等于-kδx。设定压电陶瓷片3的质量为m，则谐振频率为：

本实施例的所述压电陶瓷片3作为质量块，质量轻，有利于传感器结构形成谐振，成为拾取瞬态微弱冲击信号的基础，进而实现了故障信号的拾取和共振增强。

本实施例中，所述正极导电棒1、所述负极导电棒2、所述压电陶瓷片3的端面分别为圆形，且所述负极导电棒2的端面直径大于所述压电陶瓷片3的端面直径，所述负极导电棒2超出所述压电陶瓷片3的部分端面形成所述电绝缘环5的绝缘环定位台，使所述电绝缘环5与所述压电陶瓷片3和所述电棒连接紧固套4之间形成间隙配合。所述正极导电棒1与所述压电陶瓷片3接触的一端设有绝缘套限位凸环，所述电绝缘套6上设有与所述绝缘套限位台配合的绝缘套限位凹环，使所述正极导电棒1与所述电绝缘套6之间形成过盈配合。所述负极导电棒2与所述压电陶瓷片3接触的一端设有紧固套限位环台，所述电棒连接紧固套4上设有与所述紧固套限位环台配合的紧固套限位环槽，所述电绝缘环5和部分所述电绝缘套6分别装配于所述紧固套限位环槽内，使所述电棒连接紧固套4与所述负极导电棒2之间形成间隙配合。

在装配时，所述正极导电棒1、所述压电陶瓷片3和所述负极导电棒2之间施加一定的预紧力之后，再将所述电绝缘环5端部压紧，保持所述正极导电棒1、所述压电陶瓷片3和所述负极导电棒2之间的预紧力不变。在所述压电陶瓷片3的质量m不变的前提下，通过调节预紧力，来改变k值，可使共振频率f＝31khz左右。

本实施例在所述电棒连接紧固套4套装所述正极导电棒1的一端外周面设有夹装预紧斜面7。将所述电绝缘环5端部压紧后，为了保持所述正极导电棒1、所述压电陶瓷片3和所述负极导电棒2之间的预紧力不变，可以利用夹装工具夹住所述夹装预紧斜面7并向内挤压，使所述夹装预紧斜面7的内表面卡紧所述电绝缘套6的外周，达到预紧力保持的效果。

如图4所示，所述传感器触发检测电路包括与所述共振增强型压电传感器输出端电连接的低通滤波电阻r31，所述低通滤波电阻r31的输出端通过低通滤波电容c34接地，所述低通滤波电阻r31的输出端还连接至运算放大器a1的同相输入端，所述运算放大器a1的反相输入端连接至其输出端，所述运算放大器a1的输出端连接至所述微处理器，所述运算放大器a1的电源端通过分压电阻r59连接至所述供电电源，所述分压电阻r59还通过电容c52安全接地。

所述运算放大器a1的型号可以选用tlc2272acd，所述低通滤波电阻r31和所述低通滤波电容c34组成低通滤波器，然后用所述运算放大器a1进行信号跟随，来克服所述共振增强型压电传感器输出端电荷信号小，驱动能力较弱的问题。所述运算放大器a1形成信号跟随后，进入所述微处理器内的芯片stm32f429中进行模拟/数字转换并使用，达到所述共振增强型压电传感器是否正常接入的目的。

所述传感器信号选择电路包括依次串联在所述低通滤波电阻输入端串联选频电路和并联选频电路，所述串联选频电路的输出端还连接至所述传感器信号处理电路。具体地，所述串联选频电路包括连接在所述低通滤波电阻r31输入端的极性电容c33，所述极性电容c33的输出端依次串联有电容c45和电感l3，所述电感l3的输出端连接至所述传感器信号处理电路；所述并联选频电路包括并联在所述电感l3输出端的电感l4和电容16，所述电容16和所述电感l4的输出端共同接地设置。

其中所述电容c45与所述电感l3构成串联lc选频电路，当信号频率达到谐振频率时，所述串联选频电路对信号的阻抗接近于零，而所述电感l4和所述电容c16组成并联lc选频电路，当信号频率达到谐振频率时，其等效阻抗接近于无穷大。例如假定所述共振增强型压电传感器输出信号的频率为32khz，通过选取合适的电容值和电感值，使得lc回路的谐振频率为32khz，则这两个lc回路会组成品质因数非常高(q值很高)的选频电路。电容值和电感值的选取参考下面的公式：

本实施例中，所述传感器信号处理电路设置为带通滤波电路，包括串联设置的电阻r50和电容c48，所述电阻r50的输入端连接至所述电感l3的输出端，所述电容c48的输入端连接有电容c47，所述电容c48的输出端连接有电阻r51，所述电容c48的输出端、所述电容c47的输出端和所述电阻r51的输出端分别连接至所述可编程增益电路。所述电阻r50、所述电容c47、所述电容c48和所述电阻r51对信号进行进一步选频，并将信号送入所述可编程增益电路，所述共振增强型压电传感器检测的声音信号的幅值变化范围较大，采用所述可编程增益电路才能覆盖较宽的量程范围。

所述可编程增益电路包括可编程放大器u1，所述可编程放大器u1的外部参考端连接至基准电压电路，所述可编程放大器u1的模拟输入端连接至所述带通滤波电路，所述可编程放大器u1的模拟输出端连接至所述微处理器。所述可编程放大器u1可采用芯片mcp6s21，为了使所述芯片mcp6s21的输出信号vout能在芯片stm32f429的采集范围内，需要把其基准电压抬到1.65v，本实施例中专门设计了基准电压电路。

所述基准电压电路包括运算放大器a2，所述运算放大器a2的正向输入端通过分压电阻r47连接至电源电压，所述分压电阻r47与电源电压端依次并联设有接地电容c35、接地电容c32和接地电容c37，且所述接地电容c35、所述接地电容c32和所述接地电容c37共同接地设置，所述分压电阻r47与所述运算放大器a2的正向输入端之间依次并联有分压电阻r48和接地电容c39，所述分压电阻r48和所述接地电容c39共同接地设置，所述运算放大器a2的反向输入端连接至所述运算放大器a2的外部参考端，所述运算放大器a2的输出端通过电阻r49也连接至所述运算放大器a2的外部参考端，且所述电阻r49与所述运算放大器a2的外部参考端之间还设有接地电容c22和接地电容c23，所述接地电容c22和所述接地电容c23共同接地设置。所述运算放大器a2设置为芯片lmc6482im/ns/sop8。所述基准电压电路采用所述分压电阻r47和所述分压电阻r48进行分压，然后利用所述运算放大器a2实现电压跟随，提高驱动能力，所述芯片mcp6s21的vcc端压值为3.3v，vre端压值为1.65v。

例如所述运算放大器a2vout处的信号是一个幅度调制的32khz信号(如图5所示)，利用所述arm微处理器内自带的adc(采样率最高2.4msps)对该信号进行数据采集，然后所述arm微处理器内部的浮点处理器fpu(相当于dsp)，对信号进行快速的抽样、检波、求包络，得出包络信号(如图6所示)，形成的包络信号可以直接用所述led显示器显示出来，能够被轴承检测仪的用户能够，该过程中实际求包络的过程就是解调的过程，为本技术领域普通技术人员所熟知的内容，在此不再详细描述。所述arm微处理器将包络信号进一步调制成人耳可以听到的音频信号(频率为几百赫兹)(如图7所示)，这样故障诊断工程师可以从所述耳机里听到，实现了轴承初期或早起故障产生的冲击脉冲信号的检测与利用。包络信号还可以通过所述arm微处理器存储起来，测量完成后，处理过程中的信号可以进行统计分析，以便于利用dbm/dbc(峰值/地毯值)、hr/lr(高频次/低频次)等技术对轴承状态或者故障进行分析。

在大部分轴承故障中，润滑不良、轴承故障和温度上升总是伴随发生的，因此可以在该轴承检测仪扩展设置一热释电模块对轴盖温度进行检测。

传统技术中使用的测振仪的品质主要靠通频能力来体现，也就是说有很多的频率信号需要通过调理电路，测振仪主要检测频率信息，即为功率有限，能量无限的连续信号。而本实施例的检测仪所能检测到的是能量有限的瞬态信号，因此通过它能够检测到轴承故障早期因为润滑不好，由滚珠与滚道粗糙度纹理碰撞形成的冲击脉冲信号，因此本实施例成为目前唯一一种能够检测轴承油膜厚度的设备，而且能够检测并提前3～6个月预测故障的发生。

综上所述，本实施例具有以下优点：

1、用共振增强的方法将信号在30khz～40khz的频段上进行富集，使得信号强度比原来没有富集前增大6～7倍以上，这样可以比振动分析法提前3～6个月发现故障问题，且能够准确采集轴承故障早期的瞬态信号。

2、由于信号的频率集中到一个窄带频段上，比较容易做到增益稳定的放大信号。

3、由于共振增强后的故障信号是能量信号，主要是看能量值，不再携带频率信息，做检波处理之后会得到更加低频的信号，因此采用较低的采样率就可以实现信号采集。

4、采用共振增强型压电传感器dbm/dbc(峰值/地毯值)、hr/lr(高频次/低频次)对比方法可以分析轴承的润滑情况。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征及本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。