风电在线状态监测系统信号调理单元的硬件设计与测试(2)
1.2 阶次分析简介在齿轮箱的故障诊断中，一般的频谱分析通常是把时域信号转化为频域信号，从中提取故障诊断所需要的特征信息，再根据特征信息判断齿轮箱是否出现故障。 频谱分析一般是对时域信号中振动信号的时间序列进行傅里叶变换得到振动信号频谱。但，傅里叶变换只适用于稳定态的信号，对于非稳态信号进行傅里叶变换就会发生“频率模糊”现象，而不能获取需要的特征信息。阶次分析主要是把等时间间隔采样，通过一些硬件措施，例如编码器，转变为等角度间隔采样信号。 通过对采集得到的的转动速度与振动信号进行处理得到阶次谱[15]。阶次分析方法追重要是获取等角度采样的时刻，实现阶次跟踪。一般来说有两种阶次跟踪的方法[16]， 第一种是传统的阶次分析方法，另一种是计算阶次分析方法。 传统阶次分析方法侧重于信号的同步采集，即同时采集振动信号和转速信号，这就对硬件设备的性能有较高的要求。旋转机械运转时，转速传感器采集到转速信息后，直接转化成等角度重采样的时标信号，控制加速度传感器采集振动信号。 计算阶次分析则不需要同步采集振动和转速信号，所以对硬件设备的性能要求不高。 对于第一种方法, 在转速变化较缓慢时工作效果较好,但在转速变化抖动或变化相对较快时, 很难保证精度。本毕业设计研究的对象是转速较慢的星形轮故采取第一种方法。
1.3等角度采样阶次分析方法的关键是获得待测轴等角度重采样的时间序列 （等角度时标）。高速旋转机械轴等角度精确时标的获取，需要准确测量速度变化的瞬时情况，这在工程上存在许多技术上的困难， 对转速计量技术和传感器的精度要求很高。常用的转速测量方案按传感器的类别来分类，主要有磁电、光电、霍尔等[17]。在工业控制领域，编码器由于具有精度高、响应快、稳定性好、结构简单以及使用寿命长等优点，自上世纪 50 年代以来在精密定位、速度测量等方面得到了广泛的应用 [18]。编码器是利用光栅衍射作用测量的，将旋转机械部件的角度量利用光3电转换原理转变成对应的脉冲或数字量输入到 PLC（可编程逻辑控制器）或计算机等，进一步的计算处理。本毕业设计提出一种用长磁栅测量转速的方法并制作了一种磁栅信号调理装置。 长磁栅是对表面镀有磁性材料的金属尺上录入整数个波长相等的正弦磁波形成的。磁栅上的每个磁栅栅纹都用一个正弦波表示, 两条栅纹间的间隔即为波长, 用λ表示, λ长磁栅的长度计量单位。当磁栅移动一个波长λ, 输出磁头拾磁的正弦信号变化一个周期, 只一点与光栅感应同步器有点相似。因此, 磁栅传感器件可将被测对象的位移信号变换为易测的电信号而获得高精度的测量结果。
1.4IEPE 加速度传感器机械装置状态检测和故障诊断中，最主要是组成是数据收集和检测系统。第一部是采集噪声信号，通常需要各种功能的传感器来完成，第二部是将模信号转换成数信号以便于计算机进行运算和储存。我们举一例说明，在噪声信号的测量中，加速度传感器用于收集噪声信号之，接下来将噪声信号经过信号调理模块处理，把模拟噪声信号调理成标准电压信号(±5V)，调理后的电压信号再通过 A/D采样电路中，转换成数字信号，计算机就能对其采取适当的运算处理。本毕业设计选用的YD系列IEPE加速度传感器， 主要构成为压电加速度计和ICP芯片，它将传感器和放大器放在一起，电源和信号输出用二线制的方法，（即用同轴电缆线给传感器提供 2~20mA 的恒流电，而信号也由这根电缆线输出)；这使得系统简单，精度和可靠性得以提高。其特点如下：1）该加IEPE 抗干扰能力强，适合长距离信号传输。2）输出阻抗低，噪声低。3）经济便宜，安装容易。本课题的主要研究目的是开发一种适用于 IEPE 传感器的前置调理装置， 它能够为 IEPE 加速度传感器提供供恒流电源，同时能够使 IEPE 传感器的输出信号能被A/D 信号采集电路获取，而且结构简单，价格低廉。
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