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1、10申请公布号CN104089775A43申请公布日20141008CN104089775A21申请号201410304769222申请日20140630G01M13/04200601G01H11/0620060171申请人石家庄铁道大学地址050043河北省石家庄市北二环东路17号72发明人杨绍普马增强郭文武潘存治纪尊众王金祥刘永强赵志宏马新娜申永军74专利代理机构石家庄国为知识产权事务所13120代理人李荣文54发明名称基于电流模式的轴承故障诊断用共振解调器57摘要本发明公开了一种基于电流模式的轴承故障诊断用共振解调器，涉及轴承的测试装置技术领域。包括高Q带通滤波器、包络峰值检波器以及抗混。
2、频滤波器；相对于电压模式，电流模式具有速度高，频带宽，电压低，功耗低的特点。本文在阐述共振解调基本原理的基础上，利用改进型电流传输器CCII实现了基于电流模式的轴承故障诊断用共振解调器。这种解调器可在微安级、高频的信号下正常工作，并能够成功地从强大的背景噪声中提取了具有冲击性特征的轴承故障信号，计算机仿真和实验结果证实了共振解调器输出的信号具有更小的失真度和较大的信噪比，表明了解调器的正确性。51INTCL权利要求书1页说明书6页附图8页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书6页附图8页10申请公布号CN104089775ACN104089775A1/1页21一种。
3、基于电流模式的轴承故障诊断用共振解调器，其特征在于所述共振解调器包括高Q带通滤波器、包络峰值检波器以及抗混频滤波器；所述高Q带通滤波器的输入端接加速度传感器，高Q带通滤波器经包络峰值检波器与抗混频滤波器的输入端连接，抗混频滤波器的输出端接采集仪，所述高Q带通滤波器、包络峰值检波器以及抗混频滤波器采用电流传输器对电流信号进行采集和处理；轴承冲击性的故障信号在加速度的安装揩振频率处得到了大幅度加强，经过高Q带通滤波器后，保留下故障成分比较大的信号频段，而常规的干扰噪声由于其多分布在低频段内而得以消除，其中通带中心频率与加速度传感器的安装谐振频率一致；然后，带通滤波器截取的信号在经过包络检波器后，得。
4、到一个相当于放大并拓宽的脉冲串；最后，该信号经抗混频滤波器剔除残余的较高频率的干扰噪声输入给采集仪进行处理。2根据权利要求1所述的基于电流模式的轴承故障诊断用共振解调器，其特征在于所述高Q带通滤波器的电流输入端第一路与电流传输器U1的电流输出端连接，第二路经电阻R2接地；电流传输器U1的电流输入端经电容C1接地，电流传输器U1的电压输入端分为两路，其中第一路经电阻R1接地，第二路与改进型电流传输器U2的正向电流输出端连接，改进型电流传输器U2的电流输入端经电容C2接地；电流传输器U1的电流输入端、改进型电流传输器U2的电压输出端和反向电流输出端连接，连接后的结点为高Q带通滤波器的输出端。3根据。
5、权利要求1所述的基于电流模式的轴承故障诊断用共振解调器，其特征在于所述包络峰值检波器的输入端为电流传输器U3的电压输入端；电流传输器U3的电流输出端分为两路，第一路经二极管D1和电源V1接地，第二路经二极管D2和电阻R4接地；电流传输器U3的电流输入端经电阻R3与电流传输器U4的电流输入端连接，电流传输器U4的电压输入端接地，电流传输器U4的电流输出端分为两路，第一路经二极管D4和电源V2接地，第二路经二极管D3接二极管D2与电阻R4的结点，所述二极管D2与电阻R4的结点为包络峰值检波器的输出端。4根据权利要求1所述的基于电流模式的轴承故障诊断用共振解调器，其特征在于所述抗混频滤波器的输入端依。
6、次经电阻R5和电阻R6接电流传输器U5的电压输入端，电流传输器U5的电压输入端经电容C3接地，电流传输器U5的电流输出端接地，电流传输器U5的电流输入端经电容C4接电阻R5和电阻R6的结点，电流传输器U5的电流输入端为抗混频滤波器的输出端。权利要求书CN104089775A1/6页3基于电流模式的轴承故障诊断用共振解调器技术领域0001本发明涉及轴承的测试装置技术领域，尤其涉及一种测量精度高的基于电流模式的轴承故障诊断用共振解调器。背景技术0002现代工业生产普遍朝着连续化、高速化和自动化等高度现代化方向发展，这样发展的必然结果使得现代生产体系的规模越来越大，生产系统的功能越来越强，机械性能指。
7、标越来越高，设备的组成越来越复杂。对大型机械设备的关键运动部件进行在线监测、故障诊断和故障预报就显得十分必要。我们在轴承故障诊断课题的研究过程中，成功地将共振解调技术用于滚动轴承的故障诊断，电压模式的共振解调器利用了加速度传感器对冲击性故障信号的共振放大作用，使处理之后的故障特征更为明显。共振解调器需引入很强的负反馈来实现精密整流环节，不仅电路元件参数匹配要求较高而且器件的转换速率要求十分严格。受阻抗水平、转换速率和带宽等限制因素的影响，在处理微弱、高频信号时，电路会失去整流作用。发明内容0003本发明所要解决的技术问题是提供一种基于电流模式的轴承故障诊断用共振解调器，所述共振解调器整流部分因。
8、工作于电流模式，可以完全克服二极管阈值电压的影响，从而可以处理微安数量级或微伏数量级的信号，在处理微弱信号时，仍能呈现良好的线性整流特性，结果明显优越于电压模式的同类电路，滤波部分采用同样的电流传送器能够实现中心频率和品质因数的独立可调，由于器件的一致性使得整体电路易于集成化。0004为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是一种基于电流模式的轴承故障诊断用共振解调器，其特征在于所述共振解调器包括高Q带通滤波器、包络峰值检波器以及抗混频滤波器；所述高Q带通滤波器的输入端接加速度传感器，高Q带通滤波器经包络峰值检波器与抗混频滤波器的输入端连接，抗混频滤波器的输出端接采集仪，所述高Q带通滤波器、。
9、包络峰值检波器以及抗混频滤波器采用电流传输器对电流信号进行采集和处理；轴承冲击性的故障信号在加速度的安装揩振频率处得到了大幅度加强，经过高Q带通滤波器后，保留下故障成分比较大的信号，而常规的干扰噪声由于其多分布在低频段内而得以消除，其中通带中心频率与加速度传感器的安装谐振频率一致；然后，冲击性的故障信号在经过包络检波器后，得到一个相当于放大并拓宽的脉冲串；最后，该信号经抗混频滤波器剔除残余的较高频率的干扰噪声输入给采集仪进行处理。0005进一步的，所述高Q带通滤波器的电流输入端第一路与电流传输器U1的电流输出端连接，第二路经电阻R2接地；电流传输器U1的电流输入端经电容C1接地，电流传输器U1。
10、的电压输入端分为两路，其中第一路经电阻R1接地，第二路与改进型电流传输器U2的正向电流输出端连接，改进型电流传输器U2的电流输入端经电容C2接地；电流传输器U1的电说明书CN104089775A2/6页4流输入端、改进型电流传输器U2的电压输出端和反向电流输出端连接，连接后的结点为高Q带通滤波器的输出端。0006进一步的，所述包络峰值检波器的输入端为电流传输器U3的电压输入端；电流传输器U3的电流输出端分为两路，第一路经二极管D1和电源V1接地，第二路经二极管D2和电阻R4接地；电流传输器U3的电流输入端经电阻R3与电流传输器U4的电流输入端连接，电流传输器U4的电压输入端接地，电流传输器U4。
11、的电流输出端分为两路，第一路经二极管D4和电源V2接地，第二路经二极管D3接二极管D2与电阻R4的结点，所述二极管D2与电阻R4的结点为包络峰值检波器的输出端。0007进一步的，所述抗混频滤波器的输入端依次经电阻R5和电阻R6接电流传输器U5的电压输入端，电流传输器U5的电压输入端经电容C3接地，电流传输器U5的电流输出端接地，电流传输器U5的电流输入端经电容C4接电阻R5和电阻R6的结点，电流传输器U5的电流输入端为抗混频滤波器的输出端。0008采用上述技术方案所产生的有益效果在于所述共振解调器整流部分因工作于电流模式，可以完全克服二极管阈值电压的影响，从而可以处理微安数量级或微伏数量级的信。
12、号，在处理微弱信号时，仍能呈现良好的线性整流特性，结果明显优越于电压模式的同类电路，滤波部分采用同样的电流传送器能够实现中心频率和品质因数的独立可调，由于器件的一致性使得整体电路易于集成化。0009通过以上分析可以得知，所述共振解调器能够有效地去除低频干扰噪声，提取轴承冲击性故障信号，提高滚动轴承信号的信噪比、降低信号的失真度，能够凸显轴承的故障特征。由于基于电流模式的共振解调器作为信号的调理单元来提取轴承故障信号、排除干扰噪声，使得后续的A/D采样过程和微处理器分析故障更精确，易于实现滚动轴承工况的在线监测。附图说明0010下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。0011图1是。
13、本发明的原理框图；图2是改进型第二代电流传输器CC的原理框图；图3是高Q带通滤波器的原理图；图4是包络峰值检波器的原理图；图5是抗混频滤波器的原理图；图6是用LABVIEW软件写的一个数据转换程序界面图；图7是CC电流传输器的原理图；图8是CC电流传输器的原理图；图9是共振解调器的整体仿真原理图；图1021是共振解电路的输出结果采样图。具体实施方式0012下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于说明书CN104089775A3/6页5本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性。
14、劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。0013在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。0014为了克服背景技术指出的缺陷，我们研制出了基于电流模式的轴承故障诊断用共振解调器。这种解调器在处理高频、微弱信号具有更小的失真度和更大的信噪比，将该共振解调器应用于轴承故障在线监测，取得了良好的效果。0015共振解调器的基本原理11故障信号的调制滚动轴承在正常运行中，会产生两种振动，一种是常规振动，由轴承元件材料特性引。
15、起，如不圆度、粗糙度和波纹度；另一种是固有振动，由滚动体与轴承内、外圈之间相互碰撞引起，属于强迫性振动，固有频率很大，一般为1KHZ20KHZ，有时高达80KHZ。0016在轴承无局部缺陷的情况下，振动信号主要是滚动元件的常规振动频率即车轴转频及其各次谐波成分，故障振动信号可以XT表示为FN表示轮对转频，当滚动轴承上出现损伤类故障或分布缺陷时，轴承故障振动信号发生调制现象。故障轴承随轴每转一周，缺陷通过一次，幅值调制信号模型可以表示为其中，FK为轴承故障特征频率。0017一般情况下在频谱中寻找故障特征频率FK及其倍频，根据故障特征谱线频谱值的大小来确定被监测部件是否存在某类故障。由于牵引电机输。
16、入功率不同、故障存在部位不同、故障形成的阶段不同等频带变化类影响因素的存在，使得轴频FN是一个变动的函数会使故障信号共振频率发生迁移。这就使得信号发生混叠和迁移，障信号成分变得极为复杂，包含轴频FN和故障特征频率FK各次谐波的时变调制过程。001812共振解调器的基本构成，如图1所示由于轴承故障损伤具有冲击脉冲特性，能够激起轴承的固有振动（共振）。这种共振信号通过共振解调器处理后能够得到一系列冲击脉冲序列，以便进行A/D转换和微处理器的后续处理工作。共振解调器主要由以下几部分构成1高Q带通滤波器冲击性的故障信号在加速度的安装揩振频率处得到了大幅度加强，经过高Q带通滤波器通带中心频率与加速度传感。
17、器的安装谐振频率一致后，保留下故障成分比较大的信号，而常规的干扰噪声由于其多分布在低频段内而得以消除。00192包络峰值检波器冲击性的故障信号在经过包络检波器后，得到一个相当于放大并拓宽的脉冲串。00203抗混频滤波器经此滤波器剔除残余的较高频率的干扰噪声。002113第二代电流传送器的工作原理和特性说明书CN104089775A4/6页6改进型第二代电流传输器CC是一种电流型四端口有源集成器件，如图2所示。它采用了单位增益缓冲器、电流镜及电流模等新技术和互补型双极性工艺，具有宽通带、高速度和高精度的电流传输特性。新型电流传送器能够实现电流反馈降低阻抗电流输出，因而有利于级联。符号X、Y分别代。
18、表电流和电压输入端，和代表两个互补的电流输出端。CC的输入、输出端口特性可以用下列混合矩阵方程描述，即实质上CC同时包含CC和CC，CCZ端输出电流与X端电流极性相同，而CCZ端输出电流与X端电流极性相反。0022基于电流模式的共振解调器的硬件电路设计1、低灵敏度高Q带通滤波器电流模式带通滤波器如图3所示，由两个CC、两个接地电阻和接地电容构成。采用电流镜复制技术在第2个电流传送器的Z端再引出一个输出端，即可得到具有较强电流驱动能力的输出端口。根据图3分析可得到高Q带通滤波器的电流传递函数为IIN为输入信号，滤波器的中心频率及品质因数Q分别为和，显然和Q独立可调的。根据灵敏度计算公式分析计算可。
19、得，图示电路中各个无源元件参数相对于滤波器特性参数和Q的灵敏度都满足，说明电路具有灵敏度低的特点。00232、包络峰值检波器的设计由两个CCLL构成的包络峰值检波器是一个与二极管非线性无关的精密线性整流电路，其主要由两个CCLL模块和四个二极管组成，如图4所示。以电流传送器为基础的包络峰值检波器的失真情况受DV/DT的限制，而该电路提供了一种AB类偏置电压，使所有的二极管上在零输入情况下处于临界导通状态。特别是二极管D1/D3和D1/D3交换传导时，这个条件保证呈现于Z终端负载阻抗比其它任何时候都低，提高了带载能力和级联水平。00243、抗混频滤波器的设计测量和控制系统中广泛应用的低通滤波器的。
20、传递函数为本解调器所采用的抗混频滤波器为二阶巴特沃斯型低通滤波器，其线路简图如图5所示，该滤波器增益在3DB时截止频率为。由于滤波器的输出阻抗低，多节串联时不需要隔离级，并且对微弱信号具有放大作用。说明书CN104089775A5/6页700253实验论证31数据来源本实施例中故障数据来源于型号为352226X22RZ的滚动轴承，其各主要结构参数如表1。实验采集设备采用北京振动和噪声技术研究所研制的INV36DF信号采集仪。0026表1352226X22RZ型轴承主要技术参数中径D/MM滚子直径D/MM接触角/滚子个数Z176292474883320实验主要选取内圈表面损伤、外圈剥离和滚动体电。
21、蚀三类典型故障进行了特征提取，其中，第一种在滚动轴承内圈出现了凹坑，直径大小约为18MM，属于内圈表面损伤类故障。第二种，滚动轴承其中一个滚子表面有一个5MM长条形腐蚀痕迹，属于滚动体电蚀类故障。第三种，滚动轴承外圈表面几块漆体剥落情况，属于外圈剥离类故障。002732硬件实验电路搭建321MULTISIM环境下的基于电流模式的共振解调电路的信号输入为了测试共振解调器的检测效果，需要输入信号，通过LABVIEW电源模块将实际采到的真实数据输入电路。我们通过利用加速度传感器将实际信号记录下来并保存在TXT文件中，再将此信号输入电路中来分析输出结果。0028需要说明的是I1输入的信号格式为XXLV。
22、M。通常实验采到的数据是XXTXT格式，所以在输入实际采样信号之前要转换数据格式，图6是用LABVIEW软件写的一个数据转换程序。0029322改进型电流传送器CC的搭建为了满足电路设计的频带、转换速率和交直流特性的需求，实验采用市面上性能较好的电流反馈型高速运算放大器AD844来搭建CC和CC结构，CC如图7所示，CC如图8所示。0030333仿真参数设定搭建基于电流模式的共振解调器实用电路，包含中心频率为45KHZ带宽为1K的带通滤波器，基于电流模式的包络检波电路和抗混叠滤波电路及相应的抗干扰电路，整体的电路仿真结构如图9所示。0031334滚动轴承实验结果分析实验时，滚动轴承只有一处故障。
23、，其他部分正常，转速为467R/S，设备采样频率为51200HZ，采样时间为10S。通过对经过基于电流模式的共振解电路的输出结果做FFT分析就得到下面图1021的实验结果。0032图10中原信号波形看不出什么特征；原信号经过带通滤波电路后得图11，图11主要截取了45KHZ的共振段，也看不出故障特征；原信经过包络检波电路后得其包络信号，对包络信号求包络谱得图12，图12中频谱能量集中在800HZ以下，有效消除了高频载波信号的影响，但是故障特征不明显；把包络信号输入抗混叠滤波器，对结果进行FFT分析得图13，图13在频率683747HZ处有明显的波峰，且在2倍频和3倍频出也出现了波峰，可知68H。
24、Z即为故障特征频率。0033为了便于观察，将图1517，图1921的结果仅显示0800HZ以内的部分。图17在90HZ、180HZ和270HZ频率处均出现明显的波峰，可知83HZ即为外圈剥离类轴承故障特征频率。图21在275HZ、55HZ和825HZ频率处均出现明显的波峰，可知275HZ即为滚动体电说明书CN104089775A6/6页8蚀类轴承故障特征频率。0034综上所述，滚动轴承信号经过基于电流模式的共振解调器之后的信号频谱在故障特征频率处出现明显的波峰，验证了该解调器的可应用性。00351基于电流模式的共振解调器能够有效地去除低频干扰噪声，提取冲击性故障信号，提高滚动轴承信号的信噪声比。
25、、降低信号的失真度，能够凸显轴承的故障特征。00362由于基于电流模式的共振解调器作为信号的调理单元来提取轴承故障信号、排除干扰噪声，使得后续的A/D采样过程和微处理器分析故障更精确，易于实现滚动轴承工况的在线监测。说明书CN104089775A1/8页9图1图2图3说明书附图CN104089775A2/8页10图4图5说明书附图CN104089775A103/8页11图6图7说明书附图CN104089775A114/8页12图8图9说明书附图CN104089775A125/8页13图10图11图12说明书附图CN104089775A136/8页14图13图14图15说明书附图CN104089775A147/8页15图16图17图18说明书附图CN104089775A158/8页16图19图20图21说明书附图CN104089775A16。