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排列3杀号:基于振动相位差的螺栓连接状态监测系统

发布时间:2019-03-22   来源:电子工程设计   作者:赵建钧,陈向东  

体彩排列3试机号 www.hab5.com.cn   螺栓连接是一种非常普遍的工件连接方式,存在而不仅限于于绝大多数机械、桥梁、航空航天工程中。螺栓连接的健康状况易受工件振动、疲劳腐蚀等因素的影响,从而引发其松动、断裂、丢失等故障,造成进一步的损失。各地各工程因小小的螺栓松动而导致的重大事故也屡见不鲜。由此可见对螺栓连接健康状态的检测和评估显得极具重要意义。传统的检测方法是主要通通过人工判断螺栓是否拧紧来逐个判断其连接是否出现问题。而人工的方法存在各种弊端[1-3]。使得人们更为倾向于使用微系统进行监测,达到实时性高、人员安全等目的。在对螺栓连接松动的研究学者中,闫瑞航等利用小波分析法来研究螺栓在松动情况下的信号特点[4];董广明等利用信号的谱矩因子再结合神经网络的算法对导弹支撑座连接螺栓的故障进行诊断[5];屈文忠等利用亚谐波共振分析来对螺栓松动进行识别[6];李允公等提出通过分析被联两工件的振动信号的概率密度来判断螺栓连接的方法[7];也有使用图像识别来对机车车底的关键螺栓进行故障检测的[8],以及利用超声自动检测技术[9]。这些方法近年来都颇受关注。

  已有研究表明,在不同螺栓松动比例的情况下,风机塔筒法兰盘的上、下盘之间的1 阶相位差即使螺栓在松动较小的情况下其相位差也会发生明显的突变特征[10]?;诖讼钛芯?,文中拓展并提出一种利用分析两被联件振动相位差来判断其螺栓连接紧密程度的系统。

  1 系统总体

  基于振动相位差的螺栓连接状态监测系统结构如图1 所示,主要由感器???、高速AD 采样???、FPGA 与上位机4 部分组成。传感器??橛裳沟缣沾纱衅饔胗蒐M358 搭建的运算放大电路构成;高速AD采样??橹饕蒚I公司的ADS7947高速12位ADC构成;FPGA 中包括ADC的驱动???、对采集信号的数字滤波??橛敕⑺透衔换拇谕ㄐ拍?樽槌?;上位机使用C#语言,在Microsoft Visual Studio2010软件开发环境下完成。

  2 硬件设计

  系统的硬件电路部分主要由LM358运放电路和ADS7947高速AD电路组成,硬件电路部分结构如图1中硬件部分所示。

  2.1 运算放大电路的设计与实现

  LM358 共有8 个管脚,其芯片内部集成了两个相互独立、高增益的运算放大器,利用这两个运放,设计出其增益可调的两级放大电路(增益可调的目的是为适应不同的检测环境)。其中利用单级运放设计一个增益为10倍的反相放大器。为防止震荡,抑制高频噪声,在负反馈中与反馈电阻并联一个电容。再将前级运放的输出信号通过滑动变阻器的分压作为后级的输入,达到该放大电路放大倍数从1至100倍之间可调,设计原理图如图2所示。

  2.2 AD 采样???/strong>

  ADS7947 共有16 个管脚,支持双通道差模输入,其采样速率最高可达2MSPS,是一款高速的12位ADC。采用SPI 通信。由于本系统需采集两路信号的波形参数,故不使用差模设计,将差模信号负端输入接地,其余电路部分按芯片手册所给标准确定。

  3 FPGA 系统设计

  经过大量的实验表明,在螺栓连接较为紧密时,两传感器所采样的振动信号基本以振动激励的振动函数为主,此时两信号除振动幅度以外,基本不存在其他差异,也反映出两被联件连接相当紧密受激励部件完全跟随主振器件发生振动。然而,当螺栓连接不紧密,出现松动时,其振动波形包含高次谐波,而高次谐波在本系统中不作为判定条件,属于没有意义的引入杂波,需对其进行滤除。本文选用FPGA进行数字滤波,其主要特点是对不同的应用场合可通过改变FPGA 内滤波器的方式来适应不同的应用场合,例如高频振动环境下的滤波并不适用于低频振动环境下的滤波情况,而不需要更换硬件设施,只需将FPGA的代码做更改即可适应不同工作环境[11]。为使得通过FPGA 的波形能够为上位机所用,滤波系统必须为一个线性相位的稳定滤波系统。FIR 系统全称为有限冲击响应数字滤波器,其单位脉冲响应h(n)是长度为N 的有限长序列,相应的FIR系统函数为:

      其直接型输出y(k)与输入x(k)的函数关系为:

、

      其直接型结构图如图3所示。

  其中由于H(z)是z-1 的(N-1)次多项式,导致其在Z 平面上存在(N-1)个零点,而z=0 是其(N-1)阶极点。所以FIR滤波器为一个稳定的滤波系统。本系统中为使该滤波系统具备线性相位的特点,在设计过程中使其系数具备对称或反对称结构。即

  W(n)=±W(N-1-n)

  由于本系统采用两路信号同时滤波,且为达到尽可能理想的滤波器及处理性能与FPGA 逻辑资源之间的平衡。本系统利用FIR 滤波系统在具备线性相位时的对称特点,采用对称结构对此滤波器进行实现,以减少对乘法器资源的使用以及尽量增大滤波器的阶数,使其更接近于理想滤波器[12-14]。当滤波系统的N 个实值系数具备对称结构时,其FIR系统函数可变为:

      其输出y(k)与输入x(k)的函数关系亦可变化为:

      相对应的结构框图如图4所示。

  运用对称结构生成的FIR 滤波器其资源消耗相较于直线型结构达到了减少资源使用的目的,由其原理不难看出单个滤波器的实现只需消耗 N2+1 个乘法器资源。而本设计中采用了两个49 阶滤波器。由于此种结构的引入,导致此设计环节公节省下50 个乘法器单元,效果明显。图5 为本系统设计中FPGA 资源使用情况,从图中可看出采用此种对称结构的必要,若不采用此对称结构节省逻辑资源,在加入其他部分的FPGA 设计后很有可能出现逻辑资源不够用,需要更换芯片的情况。

  鉴于本系统使用的是一个双通道的ADC,所以在FPGA驱动ADC时需将ADC所返回的同一信道的两路信号进行分离。这一部分功能在ADC 驱动中完成。同时也要将FIR 滤波器的输出数据以串口通信的方式传送到PC 上位机。由于本系统主要采集的机械振动信号,相对频率较低,通过前期的实验得出本系统测试所用机械系统的振动频率在50 Hz左右,因而取采样率为500 Hz即可较为完整反映其振动波形。然而本系统主要为测量两信号的相位差,因此对两信号的采样间隔显得尤为重要,若采样间隔太大,将会人为引入两波形函数的时间差,这也是选用高速ADC的原因之一。因此,本设计中对于高速ADC 将其对两信号的采样间隔设到很小,为0.8 μs(理论最小值为0.426 μs)。以此来尽量满足对两路信号的同步采样要求。

  由于本设计中ADC 采样间隔较小,将导致两滤波器的输出间隔也将等于ADC 的采样间隔,而发送给PC 上位机的滤波完成后的16位数据分高八位和第八位两次发送,其时间间隔并不足以完成数据的发送。故此处采用一个乒乓球操作,建立一个32位缓存,将一路数据的高低八位和二路数据的高低八位分四次以特定顺序发送给串口,使其发送给PC 端[15]。

  由于采样率相对较低,因此这个32位缓存完全满足需求,也不存在数据丢失与排序错乱。

  4 上位机软件设计

  该系统PC 上位机是在Microsoft Visual Studio2010软件开发环境下使用C#完成的,其主要功能是实时接收串口数据并使用基于初相和谐波理论的准同步DFT 修正算法[16-17]实时计算出两路信号的相位差,并以所得出的相位差结果作为评判依据来对螺栓连接健康状态进行评估。并具有保存数据与实时波形显示的功能。软件流程图如图6所示。

  本设计在使用准同步DFT非整数修正算法[18]的过程中为使其适应本系统的要求对其做了如下修改:

  1)由于本系统实时性的要求相对较高,采样时利用下位机上传的数据流方法,可同时将该数据流分流为两块,分别用于计算各自的初始相位;

  2)因周期信号的初相与其基波的初相接近,故对两路信号的初始相位只进行了两次迭代,得出其初始相位的近似值;

  3)两路信号的初始相位相减,得出其相位差数据,然而此相位差数据有相对较大误差,通过后续多次重复这一采样与计算过程,并将连续五次的相位差数据取一次算术平均值,得到精度相对较高的相位差数据。

  5 系统测试

  系统模拟了不同的螺栓连接状况进行实际测试。测试系统如图7 所示,测试系统由两块刚性钢板与一个模拟振动的振动电机组成。振动电机被固定在上方钢板上,作为主振部件。下方钢板用螺栓与上方主振部件连接。通过改变螺栓的紧密状态来改变这个振动系统的健康状态。

  5.1 连接紧密测试

  将螺栓完全拧紧(指采用采用转角法拧紧螺栓时,拧紧螺栓的装配的扭矩达到上限,螺栓不再产生转角)[19-20],并给电机通电,上位机测得曲线与相位差如图 8 所示,两曲线严格同步,所得相位差均小于0.1π,较为稳定。判定所得系统状态为正常工作,符合实验条件。

  5.2 连接松动测试

  将螺栓拧松(指采用转角法拧紧螺栓时,拧紧螺栓的装配的扭矩未达上限,螺栓可继续产生转角),并给电机通电,上位机测得曲线与相位差如图9 所示,两曲线出现较大差别,且由于作用力函数的变化,其波形也发生很大变化,但能清楚看出量曲线的相位存在明显较大差异。判定所得系统状态处于磨损状态,符合实验所处状态。虽然其相位差读数在实验过程中均大于0.5π,但其读数变化范围较大(0.5~1.5之间)。

  从波形图中也可通过对比得出在螺栓松动的情况下,由螺栓松动而引起的两联件之间的自由度增加,从而导致工件在振动时受到被联件的冲击作用,导致其振动波形呈现不规则性。是引起实验过程中相位差读数变化较大的主要原因。

  6 结束语

  通过对系统的实验测试说明本系统能够准确判定出螺栓连接的健康状态。与之前利用其它方法判断螺栓松动方法相比存在适用范围更广,实时性更高等特点,而以相位差作为判断螺栓连接健康状态的切入点相对于前面方法更为新颖,可对传统成熟方法进行补充与借鉴。

  参考文献:

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