基于冲击脉冲法的便携式轴承故障检测仪的设计与改进

李珊珊

(兰州职业技术学院，甘肃兰州　730070)

0　引言

采用冲击脉冲法的便携式轴承故障检测仪因具有在生产现场检测与判断容易，预报滚动轴承损伤情况正确，工程实用性强的特点广泛应用于工业生产现场中。为降低便携式轴承故障检测仪的成本，提高检测速度，使检测仪电路更为简化易于单片机实现，文中在传统的冲击脉冲法基础上对冲击脉冲序列的生成方式进行了改进。

1　传统的冲击脉冲法信号处理

在冲击脉冲信号的处理过程中脉冲序列生成电路主要是通过一个比较器和一个计数器来实现的，具体的电路框图如图1所示：

图1　脉冲序列生成电路的组成

实际电路中，检测仪中的微处理器首先取一个较大的数字量，然后不断减小此数字量，直到比较器输出第一次反转为止，然后由算法软件处理得到输入信号冲击脉冲值的标准分贝dBn值的大小。根据上述的测量原理，检测仪测量轴承的强冲击脉冲值dBm(低频值)和地毯值dBc(高频值)是按在规定的时间内由计数器读得的比较器反转次数的多少来决定的。它规定在24 ms内比较器反转1次为低频值，在16 ms内比较器反转16次为高频值，具体的dB值由数字控制量给出。可见因为要不断地进行比较和记数，这样的测量方法速度较慢，完成一个测点的测量需14 s左右。

2　对传统的冲击脉冲序列生成电路的改进

文中对传统的冲击脉冲法信号处理过程进行了改进，改进后的脉冲序列生成电路由峰值保持电路结合脉冲触发电路来检测传感器拾取的经过前期信号处理(带通滤波、包络检波、低通滤波等)的滚动轴承冲击脉冲信号并生成脉冲序列。用峰值保持电路得到的模拟信号就是高低频(dBm和dBc)的脉冲序列，把它们送到单片机A/D转换成数字信号，单片机进行1 000点采样后送到MSP430F149单片机集成的FLASH中，采用相应的软件算法得出dBm值，从而依据冲击脉冲法的判别标准对滚动轴承故障进行判定。

2．1峰值保持电路

图2峰值保持电路中LF356是具有场效应管作输入级的运算放大器。第一个LF356是为存储电容C1、C2提供充电电流，第二个LF356它置于总反馈回路内，这有利于精度的跟踪。稳压管二极管D1的作用是避免第一个LF356出现过载饱和。单刀单掷模拟开关SPST由脉冲触发电路控制，脉冲触发电路产生高电平时SPST导通，低电平时截止。场效应管Q2由单片机I/O口P1.5发送高电平控制其导通，从而对存储电容进行放电，基本上能使存储电容上的电压放到零，这样就为下次跟踪作好了准备。R2为保护电阻，用来防止电压突变而使第二个LF356过载。加入电容C3和C4，可使电路稳定避免阶跃输入信号引起上冲。

图2　峰值保持电路

电路的工作过程如下：当场效应管Q1的漏极导通条件满足时，场效应管Q1导通。第一个LF356通过二极管D2和场效应管Q1对电容C1、C2充电，使输出信号跟踪输入信号。当二极管满足截止条件时，第一个LF356的输出端为负电压，场效应管Q1的栅极也是负电压，而源极由于电容C1的放电缓慢所以是正电压，因而Q1截止，这时存储电容C2与第二个LF356的输出端之间的漏电流通道被二极管D2和场效应管Q1切断，电路进入峰值保持阶段。

值得注意的是：在保持阶段电容C1和C2上的电压几乎相等，即场效应管Q1源漏之间的电压降很小，因此Q1所产生的漏电流就非常微小。这就减小了电压漂移率，增加了保持时间。

2．2脉冲触发电路

直接采用以上峰值保持电路的问题是，单片机要控制场效应管Q2对充电电容C1、C2进行放电以保证电路为下次峰值跟踪作好准备，这样就出现了单片机何时发出控制信号的问题。本文采用脉冲触发电路就解决了这个问题，具体电路如图3所示。

图3　脉冲触发电路

该电路由微分电路和比较电路构成。当信号上升时，图3中比较器LM339输出高电平使图2峰值保持电路中模拟开关SPST导通，峰值保持电路导通，存储电容C1、C2充电。当信号到达峰值后开始下降时，比较器LM339输出低电平，SPST断开，存储电容C1、C2保持脉冲峰值电压；比较器LM339的低电平同时触发单片机中断，开始A/D转换。A/D转换结束后，单片机P1．5口发出高电平控制场效应管Q2导通，对峰值保持电路中存储电容C1、C2进行放电。

图4对脉冲触发电路用Multisim软件进行模拟，图中A为通过带通滤波、包络检波、低通滤波处理后的传感器采集的滚动轴承冲击脉冲信号，B为脉冲触发电路产生的高低电平。由图4可看出信号A和脉冲触发电路产生的高低电平B在时序上的关系：信号A达到波峰后开始下降时，脉冲触发电路将产生低电平；信号A达到波谷开始上升时，脉冲触发电路将产生高电平。脉冲触发电路在脉冲序列生成电路中的功能得以实现。

图4　时序图

对整个脉冲序列生成电路用Multisim软件进行模拟。将通过带通滤波、包络检波、低通滤波处理后的传感器采集的滚动轴承冲击脉冲信号通过脉冲序列生成电路处理后如图5所示。图中A为峰值保持后的信号，B为保持前的信号。

图5　脉冲序列生成结果

从脉冲序列生成电路的仿真结果可看出，电路对冲击脉冲信号的峰值跟踪保持效果较好，电路设计是合理和有效的。

3　结束语

文中对传统的冲击脉冲法的信号处理进行了改进，方法实现上方案简单(电路规模大约为进口仪器的1/3左右)，并且对硬件要求不高，非常适合单片机开发。目前该电路在实验室已经调试成功，经测试每测1点的速度比传统的冲击脉冲方法提高了近4倍，仅需3 s左右。通过改进使得便携式轴承故障检测仪成本降低(大约为进口仪器的1/3)而且电路性能可靠，能够满足大规模的应用，有良好的应用前景。

参考文献：

[1]梅宏斌．滚动轴承振动监测与诊断理论·方法·系统．北京：机械工业出版社，1996．

[2]许宜生，丁振荣．自动检测仪表电子电路设计．北京：原子能出版社，1986．

[3]高歌．随机脉冲触发峰值采集电路的设计．核电子学与探测技术，2005，25(5)：519-521．