[发明专利]集成的振动测量和分析系统

说明书

技术领域

本发明涉及在运行的机器中通过测量机器振动检测机器的机械、电气和电磁故障状态的领域，尤其是涉及一种对反映机器振动的时域信号进行实时数字处理的系统。

背景技术

机器监测系统中常规模拟积分存在的问题：

实现从一种振动相关信号（比如加速度）到另一种振动相关信号（比如速度或位移）的转换是振动监测系统的常见要求。典型的例子可以是通过对加速度信号的积分实现从加速度到速度的转换。类似地，相反的转换可以通过对速度信号进行微分而实现。在过去，人们通过使用模拟硬件滤波器实现这些转换。在收集数据后，这样的转换也可以通过在转换了的频域数据上执行快速傅立叶变换（Fast Fourier Transform，FFT)的软件实现。

图4中显示了一种理想的硬件积分器。这种电路通过一个与1/R1×C2成比例的转换因子将加速度（或者速度）信号直接转换成速度（或者位移）信号。不幸的是，由于高直流电流增益，这种电路在实际中并不适用。由于运算放大器的偏移电流和电压，这种电路会很快达到饱和。图5显示了一种更精密的电路，其中增加的R2和C1限制了运算放大器的低频响应以防止饱和。适当的选择R1和C1可以在信号之间提供直接的转换（比如用于加速度到速度转换的61.45/f）。这种方法在数据采集之前直接转换信号，因而不需要额外的数据处理。然而，它并不能为改变转换因子提供灵活性，并受硬件电子元件参数的可变性所支配。另外，因为低频运行在物理上需要大型组件，因此它消耗了大量的电路板空间。

另一种现有的转换方法是使用模拟/数字转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）将振动信号数字化，使用FFT方式将信号变换为频域信号，并在所得到频谱上应用积分或微分处理。这个过程在图6中得到描述。此方法的缺点在于其缺乏实时连续地进行转换的能力，以及运行FFT变换所需的系统复杂度。另外，生成积分时域波形信号需要对数据进行大量的处理（比如正反快速傅立叶运算）。最后，FFT方法假设信号是静态的，但此假设对动态信号环境下并不正确而且会在重新生成时域信号时导致误差。

这样，我们所需要的就是一种能减少硬件复杂度，减少数据存储需求，并能在不采用FFT处理方法的情况下对时域振动信号波形进行直接积分或微分的转换系统。

机器监测系统中常规模拟信号调节存在的问题：

如图7所示，典型的振动分析通道50包括模拟前端52、模拟/数字转换器（ADC）54，和数字信号处理器（DSP）56或者微控制器。模拟前端52通常包含振动传感器58、输入放大器60、AC耦合放大器62、模拟积分器64、变增益放大器66和低通抗混叠滤波器和高通滤波器68。

在模拟领域里实现前端信号调节功能导致了大量的问题。因电子元件参数的变化导致信号通道的灵敏度和带宽也产生变化，此时需要校准。模拟电子元件在印刷电路板上需要相对较大的空间，并且其低噪音的设计需要消耗大量的能量。而且它们在可编程性上也受到限制。对于用于高危环境下的系统设计，降低了的电压和电容留量在模拟信号通道中强制了噪音和带宽的折中设计。

因此我们所需要的就是一种在数字领域里执行其前端信号调节功能的机器振动测量系统，比如在现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）或专用集成电路(Application-Specific Integrated Circuit，ASIC)中执行，或者是作为数字信号处理器中的一种算法。

对于现有技术中的机械振动分析仪的讨论可以为理解本发明中的机器振动测量系统的各种优点提供进一步的背景资料。授权给Garcia等人的美国专利US 5,412,985，授权给Canada等人的美国专利US 5,633,811，授权给Piety等人的美国专利US 5,965,819和授权给Leigh的美国专利US 2006015738A1代表此类现有的振动分析仪。

授权给Garcia等人的美国专利US 5,412,985公开了在机械振动分析仪中使用IIR或FIR滤波器。它结合了模拟信号处理，包括积分处理，它在模拟/数字转换之前需要进行抗混叠滤波。

授权给Canada等人的美国专利US 5,633,811描述了一种具有模拟信号处理能力的机械振动分析仪，其含有模拟积分器、直流（DC）补偿、增益控制和固定频率低通抗混叠滤波器。除了这种模拟电路之外，此专利还公开了数字滤波、抽取（decimation）和三角（sigma-delta）噪声整形。