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轴承振动噪声的峰值检测
作者：bearingpower 发表时间：2010-12-12
在轴承生产行业中，轴承振动噪声的峰值检测是一项重要的指标。以往，该检测都是采用传统的模拟电路方法，很难做到1：1地捕捉和保持较窄的随机波形的最大正峰值。本文叙述了基于Verilog-HDL与高速A/D转换器相结合所实现的快速轴承噪声检测方法。1 振动噪声电压峰值检测方案的确定1.1 轴承振动噪声的产生及检测轴承振动噪声电压峰值检测系统的示意图。由于加工设备、技术、环境等因素的影响，生产的轴承都程度不同地带有伤疤。图1中，假设某待测轴承有一处伤疤。由于伤痕的存在，轴承在转动过程中，伤疤将与滚珠产生摩擦，从而表现在轴承整个产生微小的振动。这一振动通过加速度传感器输出电压信号，经电荷放大器、峰值检测后，即后得到振动噪声的峰值电压。图2给出了在有伤疤情况下的传感器输出电压波形。1.2 模拟式的峰值电压保持电路 以往的轴承振动噪声峰值电压检测，均采用了模拟式的峰值电压检测法。图3示出了由采样保持电路LF398H构成的该类检测电路。当噪声电压到来后，采样信号跟随模拟信号电压到峰值处，之后采样脉冲消失，电路处于保持状态。保持电容C上即存储了模拟信号的峰值电压Vm。要想较快地跟随输入电压Vin的变化，保持电容C的容量就应相对减小；而C的相对减小，又会导致在保持电压期间，输出电压Vout的下降速率加快。这两者相互矛盾，从而使这种电路难以达到较高的性能。1.3 数字式的峰值电压检测模拟式的峰值检测电路不易做到高速采样。采桥保持电路经长期使用后，多方面的性能会发生明显变化，且不易批量化生产；而由数字电路组成的系统可以做到结构简单、调试方便，长期使用不会导致系统性能指标的下降。图4是一种数字式的峰值检测系统的组成方案。它由A/D转换部分和数字电压的峰值检测部分组成，接口电路内含微处理器，负责与微机进行数据通信和接收来自微机的控制信号，并控制检测系统的工作。根据应用对象的不同，A/D转换器的采样速率可高达上百Msps[1]，并可自带采样保持电路。与A/D转换器相接的数字电压峰值检测电路可采用FPGA，其工作速度也中达上百Msps。因此，在信号的处理速度方面两者都是优于传统的模拟电路方式的。 2 基于Verilog-HDL的峰值电压检测方案2.1 逻辑功能的设计给出了数字电压峰值检测框图。图中除了A/D转换器外，虚线部分所示均为FPGA组成的功能模块。其功能由Verilog-HDL（HDL：硬件描述语言）来实现[2]。工作原理如下：由A/D转换器取得的数字电压送入数据缓冲模块GET_DATA，GET_DATA中的数据与来自数据存储模块DATA_MEM中的数据都送入数据比较模块DATA_COMP进行比较。如果X端的数据大于Y端的数据，比较标志模块产生标志信号，同时该信号将X端的数据打入数据存储模块DATA_MEM中（系统复位后，DATA_MEM中的数据为最小值0），进而实现了保持2个数据中较大的一个功能。当振动噪声电压经A/D转换器转换成数字电压后，数据存储模块便依A/D转换的次数做相应次的比较，最终将噪声电压的峰并保持下来。VDOUT为数字式的峰值输出电压。逻辑功能框图还不能方便地用Verilog-HDL来描述。为此将其进一步细化为图6所示的形式。图6中虚线框内的功能由XC9572（Xilinx公司的产品）实现。图6中，Vin为模拟电压的输入，VDOUT为数字峰值电压的输出，VDOUT、RB1、RB21均与接口电路相接，RB1、RB2受微机的控制。2.2 时序图按照轴承检测的工艺，当系统复位RB2、启动脉冲RB1到来后，经0.7s的延时，便产生1个宽度为1s的门脉冲G_P。在此期间，A/D转换器连续转换的数据送入数据缓冲器GET_DATA，之后进行数字信号的峰值检测和保持。A/D转换器在此采用MAX120。该转换器的分辨率为12bit，转换时间为1.6μs。2.3 逻辑仿真。在硬件电路实现之前，用Verilog-HDL对图6所示的逻辑电路进行了仿真，图8即为仿真结果。从仿真结果中可以看出，系统复位后，D_OUT（VDOUT）输出为0，在1s门脉冲G_P有效期间，GET_DATA接收时钟GET_DATA_CLK。此间来自A/D转换器的数字电压（分别为FROM_ADC=10、15、18、17、4、6、2）相继输入至GET_DATA。由于这期间的最大值为FROM_ADC=18，故有D_OUT=18。在门脉冲G_P无效期间，即使有数据FROM_ADC=11输入，仍有D_OUT=0。上一篇：纳米滚珠轴承结构膜减小磨损
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