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1、Mechanical & Electrical Engineering Magazine Vol.18 No.5 2001 机电工程 2001 年 第 18 卷 第 5 期 114基于 P C 机的数字式轴承振动噪声检测系统 林瑞仲，朱善安，郑剑锋，郑行一 (浙江大学电气工程学院，浙江 杭州 310027) 摘 要：介绍了一种基于 PC 机的数字式滚动轴承振动噪声检测系统，包括整个系统的总体结构，系统的硬件设计，软件功能、特点及程序设计，最后给出了系统实践的结果。 关 键 词：PC 机；数字式；滚动轴承；振动噪声检测 Digital Bearings Vibration and Noise D
2、etecting System Based on Personal Computer LIN Rui-zhong，ZHU Shan-an，ZHENG Jian-feng，ZHENG Xing-yi （College of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027） Abstract：This article introduces a digital bearings vibration and noise detecting system based on personal computer，including the
3、 global structure of the system，hardware design，the functions and characteristics of the software and its programming. In the end，the result in practice of the system is also given. Key Words：personal computer；digital；rolling bearing；detecting of vibration and noise 1 引 言 轴承的振动噪声检测对于轴承工作状态的监测、故障的预测，
4、防止事故发生，控制轴承的生产质量等都具有重要的意义。目前，国内的主要的两种轴承振动测量仪加速度型和速度型虽然能基本满足振动测量的要求，但有显示值不够全面、硬件需经常校验、界面不够直观等缺陷。针对国内轴承振动测量仪的现状，研制了一种以计算机为核心的数字式振动检测分析系统。系统完全继承了现有振动测量仪的功能，同时还增加了其它的特征参数分析，以及频域分析故障诊断等功能，有效的提高了轴承振动测量仪的“柔性”，以满足轴承行业发展的需要。 2 系统结构 系统包括 3 部分：振动测试台（机械部分）、数据采集块、计算机信号处理系统，如图 1 所示。振动测试台严格按照国家标准来设计，达到机械行业标准中对测量系统
5、的机械装置的要求。信号采集处理系统将传感器输出的模拟信号放大， 并对其作一些初始处理后一路经过A/D转换为数字信号，传入计算机进行处理，另一路通过音频放大，可供耳机或音响进行监听。同样，这一模块也完全达到标准中对电子处理系统的要求：具有 5010000Hz 的频率响应范围，同时信噪比也满足要求。 系统软件完成对振动信号的采集控制、 处理、分析、显示等功能，提供人机交互界面。 图 1 系统整体框架示意图 作者简介：林瑞仲（1978），男，福建省仙游县人，浙江大学电气工程学院硕士研究生，主要研究方向为旋转机械状态监控与故障诊断 机电工程 2001 年 第 18 卷 第 5 期 Mechanical
6、 & Electrical Engineering Magazine Vol.18 No.5 2001 1153 硬件设计 3 . 1 振动测试平台 系统振动测试机架采用三级减震机构，能有效抑制各种振动对传感器的影响。三相交流电机驱动，通过三角皮带带动主轴以 1800r/min 的转速运转。振动测试传感器采用压电式速度传感器。考虑到加速度传感器的频率响应具有局限性，且加速度传感器在安装上具有较高的技术要求，选择速度型作为测试传感器。同时，根据需要，在软件系统软件中也允许选择传感器的类型（加速度型和速度型）。 3 . 2 测量放大器 测量放大器， 采用 ADI公司的高精度、 高性能、 高增益、低
7、噪声、 低价格的 AD620 仪用放大器， 它只需要一个外部电阻就可以设置选择 11000 的增益。 AD620 具有很高的精度(最大非线性性为 40ppm，最大值为 50V 的失调电压，最大失调漂移为 0.6V/)，是用于系统的数据采集较理想的接口芯片。另外，AD620 的输入电压噪音低：9nV/Hz，0.28VP-P(0.110Hz 带宽)，输入电流噪音为 0.1PA/Hz，也符合国家标准对测量放大器的频响、噪声等特性的要求。 3 . 3 监听放大器 监听放大器采用以NEC公司的音频放大器NE5532为核心的音频放大电路，如图 2 所示。该电路通过可调电位器来调节音量。 3 . 4 数据采
8、集卡 采用研祥公司的高性能数据采集卡，该采集卡提供 8 路的模拟输入通道，16 路的数字输入输出通道，两路模拟输出通道和两个定时器，并支持 DMA 数据传送方式，可以满足本系统的高速数据采集的需要。 32184U2A NE5532R23 33KC810uFC9 100uFR24 8.2KR25 33KC10 54pFC11200uF R26 24KR? 51k+15V-15VInputOutput图 2 监听放大电路 4 软件设计 轴承振动信号检测分析软件是整个系统的核心。该软件采用面向对象程序设计方法（Object-Oriented Analysis，简称OOA）进行软件设计分析，然后利用面
9、向对象编程方法（Object-Oriented Programming，简称 OOP），在 Windows 98环境下，采用 Visual C+集成开发系统进行设计编程。 4 . 1 软件功能 该系统软件的功能模块，如图 3 所示。该软件继承了当前轴承振动测量仪所能实现的所有功能，同时还扩充了数据存储功能、轴承振动信号的峰值因数、峭度等其它特征参数计算功能、频域信号处理功能、智能故障诊断识别功能等。轴承振动检测系统软件 系统标定 数据采集 界面管理 数据分析 各种监控参数设置 数据采集卡参数设置 系统工作方式设置 传感器类型选择 数据传输线程 DMA 数据实时存储/读取 数据初始处理 离线频域
10、分析 在线特征参数计算 在线简易频域分析 离线时域特征分析 在线故障诊断 振动信号时域波形显示 频域分析结果显示 各种特征参数计算显示 故障显示（图形、声音） 图 3 系统软件功能模块示意图 Mechanical & Electrical Engineering Magazine Vol.18 No.5 2001 机电工程 2001 年 第 18 卷 第 5 期 1164 . 2 数据采集程序设计 数据采集主要是由计算机控制系统进行数据采集。 系统采用数据采集卡进行数据采集，包括：设置采集板地址，选择采样通道、设置采样频率、数据增益、采样方式选择等；系统采用 DMA 方式进行数据传送。数据采集
11、程序各模块流程图，如图 4 所示。图 4 数据采集程序流程图 （a）初始化 A/D 板函数流程图 （b）读取数据流程图 （c）停止 A/D 转换流程图 4 .3 数据分析程序设计 数据分析主要是对于系统采集的大量数据经过必要的处理后采用各种方法进行分析。该模块包括四大部分：数据预处理、在线特征参数计算、在线频谱分析和离线数据分析等。 数据分析程序根据数字信号处理的相应的各种处理方法、标准算法进行设计。 4 . 4 界面管理 界面管理部分是整个系统的人机对话部分。为分充分体现了整个系统的方便性和友好性，建立良好的人机界面，本系统采用面向对象编程的既能较快的实现算法又可以设计出优美的界面的高级语言
12、 Visual C+6.0 来实现。 5 系统实践 本系统已在浙江一轴承厂投入实际使用，下面给出该系统实践的部分结果。 （1）用本系统测试某一608 轴承时的振动信号时域波形显示（如图 5 所示为缩小后的显示示意图）。从图中 5 可以看出，轴承的振动信号中明显含有冲击波形，所以可以判定这个轴承存在某种表面损伤。 图 5 振动检测时域波形显示 （2）对某一 608 轴承的振动信号作频谱分析，如图 6 所示。从图 6 中可以看出，轴承振动信号的频谱图中含有明显的谱峰存在，而且各个谱峰之间存在倍频关系。图中的谱峰基频为 85Hz， 同计算的系统外圈故障特征频率非常接近， 可以初步确定轴承外圈存在缺陷
13、。 (a) (c) (b) 机电工程 2001 年 第 18 卷 第 5 期 Mechanical & Electrical Engineering Magazine Vol.18 No.5 2001 117图 6 振动检测频域分析显示 （3）计算某一 608 轴承的各种振动状态特征参数，如图7 所示。图中显示轴承的各种特征参数基本符合要求，为一合格品。图 7 计算显示轴承振动的各种特征参数 6 结束语 该系统完全继承了目前国内广泛使用的轴承振动测量仪的功能，并增加了峰值因数、峭度等特征参数的计算和频谱分析等功能，软件操作简单，功能强大，界面友好，并可以随着轴承行业的发展需要方便的增加其它功能
14、以满足用户的多样化需求。 参考文献 1 宋如英.对滚动轴承振动、噪声及异常声测量的商榷 J ，轴承，1999，（9）：12，32. 2 李秀香.S0910 轴承振动测量仪的改进 J ，轴承，1996，（2）：3234. 3 N. Tandon, A. Choudhury，A review of vibration and acoustic measurement methods for the detection of defects in rolling element bearings J ，Tribology International，1999，（32）：469480. 4 Takeo
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