專利名稱：扭振轉(zhuǎn)速測量裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種轉(zhuǎn)速測量裝置和方法，特別是一種扭振轉(zhuǎn)速測量裝置和 方法。
背景技術(shù)：
目前，現(xiàn)有技術(shù)的轉(zhuǎn)速測量通常是在大軸上安裝測速齒輪，通過測量裝 置的采集、計數(shù)和計算，最終獲得大軸的轉(zhuǎn)速?，F(xiàn)有技術(shù)轉(zhuǎn)速測量裝置包括 齒輪測速探頭、隔直分壓濾波模塊、放大整形模塊、計數(shù)器模塊、定時器模 塊和顯示模塊，當大軸旋轉(zhuǎn)時，齒輪測速探頭輸出轉(zhuǎn)速信號(類似正弦波或 方波)，該轉(zhuǎn)速信號經(jīng)過隔直分壓濾波模塊和放大整形模塊進行直流隔離、 分壓、濾波、放大和整形后，得到標準脈沖信號，通過定時器模塊設(shè)定數(shù)據(jù) 采樣周期，計數(shù)器模塊對標準脈沖信號進行周期性計數(shù)即可以計算得到標準 脈沖信號的頻率，根據(jù)此頻率及測速齒輪的齒數(shù)，即可計算出大軸在每個數(shù)
據(jù)采樣周期內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速。
假設(shè)安裝在大軸上的測速齒輪每周有M齒(即齒數(shù)為M齒/轉(zhuǎn))，在數(shù)據(jù) 采樣周期T秒內(nèi)標準脈沖信號的脈沖數(shù)為S，則轉(zhuǎn)速信號的頻率fi為fi-S/T (Hz)，則大軸在數(shù)據(jù)采樣周期T秒內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速為S/T/M-fi/M (轉(zhuǎn)/秒)。
當測速齒輪的齒數(shù)足夠多時，現(xiàn)有技術(shù)轉(zhuǎn)速測量裝置可以保證轉(zhuǎn)速的測 量精度，但用于測量大軸的扭振或搖擺(微小波動)時，現(xiàn)有技術(shù)轉(zhuǎn)速測量 裝置的測量精度則無法滿足要求。
例如，假設(shè)測速齒輪的齒數(shù)為60齒/轉(zhuǎn)，大軸轉(zhuǎn)速為50轉(zhuǎn)/秒，采樣頻 率取lOOHz,即數(shù)據(jù)采樣周期取0. 01秒。采用現(xiàn)有技術(shù)轉(zhuǎn)速測量裝置測量時， 每個數(shù)據(jù)采樣周期內(nèi)計數(shù)器模塊的計數(shù)值為50轉(zhuǎn)/秒x 60齒/轉(zhuǎn)x 0. 01秒-30齒，測量時計數(shù)器模塊可能的誤差為±1齒，因此測量相對誤差在士1/30 =±3. 3%左右。實際上，扭振或搖擺的頻率通常為30Hz左右，幅度約為1%， 因此，現(xiàn)有技術(shù)± 3. 3%左右的測量相對誤差在測量1%以下的扭振或搖擺時測 量精度差，甚至無法辨識。
雖然現(xiàn)有技術(shù)可以通過增加測速齒輪齒數(shù)的方法提高測量精度，但這種 做法不僅十分費事，而且成千上萬倍地增加測速齒輪齒數(shù)也是難以實現(xiàn)的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種扭振轉(zhuǎn)速測量裝置和方法，不僅可以測量多個 頻率的扭振轉(zhuǎn)速，而且測量精度高。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種扭振轉(zhuǎn)速測量裝置，包括依次連 接的齒輪測速探頭、隔直分壓濾波模塊和放大整形模塊，輸出標準脈沖信號 的放大整形模塊與扭振處理模塊連接，所述扭振處理模塊包括將所述標準脈 沖信號的頻率提高N倍并輸出高頻脈沖信號的鎖相環(huán)N倍頻單元和根據(jù)所迷 高頻脈沖信號獲得扭振轉(zhuǎn)速的扭振處理單元。
所述扭振處理;f莫塊還包括設(shè)置在所述鎖相環(huán)N倍頻單元與扭振處理單元 之間的光傳輸單元，所述光傳輸單元包括依次連接的電光轉(zhuǎn)換單元、光纖傳 輸單元和光電轉(zhuǎn)換單元。
所述扭振處理單元包括依次連接的DSP單元、接口單元和計算單元。進 一步地，所述DSP單元包括依次連接的脈沖計數(shù)單元、轉(zhuǎn)速計算單元和波動 轉(zhuǎn)速單元，所述脈沖計數(shù)單元還連接有定時單元，所述波動轉(zhuǎn)速單元還連接 有帶通濾波單元或FFT處理單元。
所述放大整形模塊與扭振處理模塊之間還設(shè)置有通過電氣隔離以提高抗 干擾性能的光電隔離模塊。
所述扭振處理單元包括依次連接的放大單元、低通濾波單元、特征噪聲 阻塞單元和帶通濾波單元，所述放大單元與鎖相環(huán)N倍頻單元中的低通濾波單元的輸出端連4矣。
在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，所述鎖相環(huán)N倍頻單元包括鑒相單元、低通濾 波單元、壓控振蕩單元和N倍分頻單元，所迷鑒相單元的一個輸入端與光電 隔離模塊連接，另一個輸入端與N倍分頻單元的輸出端連接，低通濾波單元 與鑒相單元的輸出端連接，壓控振蕩單元與低通濾波單元連接，N倍分頻單 元的輸入端與壓控振蕩單元連接，輸出端與鑒相單元的另一個輸入端連接。 進一步地，所述N倍分頻單元中的倍頻倍數(shù)N為1500 - 8000。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種扭振轉(zhuǎn)速測量方法，包括
步驟l、探測大軸旋轉(zhuǎn)并獲得轉(zhuǎn)速信號；
步驟2、對所述轉(zhuǎn)速信號進行直流隔離、分壓、濾波、放大和整形處理，
獲得標準脈沖信號；
步驟3、對所述標準脈沖信號進行1500 ~ 8000倍的倍頻處理，獲得高頻
脈沖信號；
步驟4、對所述高頻脈沖信號進行處理，獲得扭振轉(zhuǎn)速。 所述步驟4包括
步驟41、對所述高頻脈沖信號進行周期性計數(shù)，得到采樣周期內(nèi)的平均 轉(zhuǎn)速；
步驟42、計算所述平均轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的差，得到轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速詠近 的波動轉(zhuǎn)速；
波動轉(zhuǎn)速進行快速傅立葉變換獲得扭振轉(zhuǎn)速頻譜。
本發(fā)明提供了一種扭振轉(zhuǎn)速測量裝置和方法，通過對齒輪測速探頭輸出 的轉(zhuǎn)速信號進行直流隔離、分壓、濾波、放大和整形處理得到標準脈沖信號， 并通過光電隔離輸入到扭振處理模塊中，提高了裝置的抗干擾能力，并保障 了測量精度。本發(fā)明通過鎖相環(huán)N倍頻單元對標準脈沖信號進行高倍數(shù)地均 勻倍頻，數(shù)百至數(shù)千倍地提高標準脈沖信號的頻率，如將數(shù)kHz的標準脈沖
6信號轉(zhuǎn)換成數(shù)MHz甚至數(shù)十MHz的高頻脈沖信號，因此提高了測量精度。本 發(fā)明通過對高頻脈沖信號進行計數(shù)處理荻得平均轉(zhuǎn)速，通過平均轉(zhuǎn)速獲得波 動轉(zhuǎn)速，最后通過波動轉(zhuǎn)速獲得扭振轉(zhuǎn)速頻譜或扭振轉(zhuǎn)速，不僅可以測量多 個頻率的扭振轉(zhuǎn)速，而且測量精度高，使得大軸上軸段間的微弱扭振或者轉(zhuǎn) 子的微弱搖擺的準確測量成為可能。本發(fā)明扭振轉(zhuǎn)速測量裝置可以直接用于 大軸扭振(或搖擺)的高精度測量，具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明扭振轉(zhuǎn)速測量裝置第一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明第一實施例中采用帶通濾波方式輸出扭振轉(zhuǎn)速的DSP單元 的結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明第一實施例中采用FFT變換方式輸出扭振轉(zhuǎn)速頻譜的DSP
單元的結(jié)構(gòu)示意圖4為本發(fā)明第一實施例采用FFT變換得到波動轉(zhuǎn)速的頻譜曲線；
圖5為本發(fā)明第一實施例采用FFT變換得到波動轉(zhuǎn)速的頻譜曲線隨時間
變化的示意圖6為本發(fā)明扭振轉(zhuǎn)速測量裝置第二實施例的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7為本發(fā)明扭振轉(zhuǎn)速測量裝置第三實施例的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖8a、圖8b和圖8c為本發(fā)明第三實施例采用帶通濾波方式得到三個不
同頻率的扭振轉(zhuǎn)速波形示意圖9為本發(fā)明扭振轉(zhuǎn)速測量裝置一個具體實施的電路圖； 圖10為本發(fā)明扭振轉(zhuǎn)速測量裝置另一個具體實施的電路圖； 圖11為本發(fā)明扭振轉(zhuǎn)速測量方法的流程圖； 圖12為本發(fā)明扭振轉(zhuǎn)速測量方法中獲得扭振轉(zhuǎn)速的流程圖。
附圖標記說明
1—齒輪測速探頭； 2 —隔直分壓濾波模塊；3—放大整形模塊；7—扭振處理單元；
IO—特征噪聲阻塞單元;
52—低通濾波單元；
71—DSP單元；
710—定時單元;
713—波動轉(zhuǎn)速單元；
5—鎖相環(huán)N倍頻單元;
8—放大單元；
ll一帶通濾波單元；
53—壓控振蕩單元；
72—接口單元；
711 —脈沖計數(shù)單元；
714 —帶通濾波單元；
說明書第5/ll頁
6—光傳輸單元； 9—低通濾波單元； 51—鑒相單元； 54—N倍分頻單元； 73—計算單元； 712—轉(zhuǎn)速計算單元； 715—FFT處理單元。
具體實施例方式
下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細描述。 圖1為本發(fā)明扭振轉(zhuǎn)速測量裝置第一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示， 本實施例扭振轉(zhuǎn)速測量裝置包括依次連接的齒輪測速探頭1、隔直分壓濾波 模塊2、放大整形模塊3、光電隔離模塊4和扭振處理模塊。齒輪測速探頭l 設(shè)置在測速齒輪的一側(cè)，當大軸旋轉(zhuǎn)時，齒輪測速探頭1輸出轉(zhuǎn)速信號(類 似正弦波或方波)；隔直分壓濾波模塊2與齒輪測速探頭1連接，用于接收 轉(zhuǎn)速信號并對轉(zhuǎn)速信號進行直流隔離、分壓和濾波處理；放大整形模塊3與 隔直分壓濾波模塊2連接，用于對轉(zhuǎn)速信號進行放大和整形處理，得到標準 脈沖信號；光電隔離模塊4與放大整形模塊3連接，用于轉(zhuǎn)速探測電路和信 號處理電路之間的電氣隔離以提高裝置的抗千擾性能；扭振處理模塊與光電 隔離模塊4連接，用于從光電隔離模塊4接收經(jīng)過隔離的標準脈沖信號并進 行處理，得到扭振轉(zhuǎn)速或扭振轉(zhuǎn)速頻譜。本實施例中，扭振處理模塊包括鎖 相環(huán)N倍頻單元5和扭振處理單元7,鎖相環(huán)N倍頻單元5與光電隔離模塊4 連接，用于從光電隔離模塊4接收經(jīng)過電氣隔離的標準脈沖信號，并將標準 脈沖信號的頻率嚴格地提高N倍，獲得高頻脈沖信號；扭振處理單元7與鎖 相環(huán)N倍頻單元5連接，用于從鎖相環(huán)N倍頻單元5接收高頻脈沖信號，并 通過對高頻脈沖信號的處理獲得扭振轉(zhuǎn)速或扭振轉(zhuǎn)速頻譜。本實施例上述技術(shù)方案中，鎖相環(huán)N倍頻單元5包括鑒相單元51、低通 濾波單元52、壓控振蕩單元53和N倍分頻單元54，其中鑒相單元51的一個 輸入端與光電隔離模塊4連接，另一個輸入端與N倍分頻單元54的輸出端連 接，用于比較標準脈沖信號fi與高頻脈沖信號Nf i經(jīng)過N倍分頻后的信號的 相位，并將相位差轉(zhuǎn)換為0~Vcc的電壓信號V;低通濾波單元52與鑒相單 元51的輸出端連接，用于接收鑒相單元51輸出的電壓信號V,并進行濾波 處理，濾除電壓信號V中的高頻噪音；壓控振蕩單元53與低通濾波單元52 連接，用于接收經(jīng)過低通濾波單元52濾波處理后的電壓信號V,并輸出頻率 與電壓信號V成正比的高頻脈沖信號Nfi; N倍分頻單元54的輸入端與壓控 振蕩單元53的輸出端連接，用于接收經(jīng)過壓控振蕩單元53輸出的高頻脈沖 信號，并進行N倍分頻處理得到與輸入的標準脈沖信號fi同頻率并可以比較 相位的信號；N倍分頻單元54的輸出端與鑒相單元51的另一個輸入端連接， 形成閉環(huán)控制。經(jīng)過上述閉環(huán)控制后，當參數(shù)選擇合適時就可保證將標準脈 沖信號的頻率嚴格地提高N倍，達到倍頻的效果。
本實施例上述技術(shù)方案中，扭振處理單元7包括依次連接的DSP單元71、 接口單元72和計算單元73，其中DSP單元71與鎖相環(huán)N倍頻單元5中的壓 控振蕩單元53的輸出端連接，用于接收高頻脈沖信號，并對高頻脈沖信號進 行處理，獲得扭振轉(zhuǎn)速或扭振轉(zhuǎn)速頻譜；接口單元72與DSP單元71連接， 計算單元73與接口單元72連接，接口單元72作為DSP單元71與計算單元 73之間的通信接口 ，以實現(xiàn)計算單元73與DSP單元71之間的數(shù)據(jù)通信和傳 輸。實際應(yīng)用中，接口單元可以是串口或網(wǎng)口裝置，計算單元可以是計算機。
圖2為本發(fā)明第一實施例中采用帶通濾波方式輸出扭振轉(zhuǎn)速的DSP單元 的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，本實施例DSP單元包括依次連接的脈沖計數(shù)單 元711、轉(zhuǎn)速計算單元712、波動轉(zhuǎn)速單元713和帶通濾波單元714，脈沖計 數(shù)單元711還連接有定時單元710。定時單元710用于設(shè)定數(shù)據(jù)采樣周期并 提供數(shù)據(jù)釆樣時鐘；脈沖計數(shù)單元711與鎖相環(huán)N倍頻單元5中的壓控振蕩
9單元53的輸出端連接，用于接收高頻脈沖信號，并對高頻脈沖信號進行周期 性計數(shù)，獲得計數(shù)值；轉(zhuǎn)速計算單元712用于從脈沖計數(shù)單元711接收計數(shù)值， 并將計數(shù)值處理成數(shù)據(jù)采樣周期內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速；波動轉(zhuǎn)速單元713用于從轉(zhuǎn) 速計算單元712接收平均轉(zhuǎn)速，并計算平均轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速之間的波動轉(zhuǎn)速 (轉(zhuǎn)速差)；帶通濾波單元714為多個帶通濾波器，用于從波動轉(zhuǎn)速單元713 接收波動轉(zhuǎn)速，通過多個帶通濾波器對波動轉(zhuǎn)速進行不同頻帶的帶通濾波， 獲得不同頻率的扭振轉(zhuǎn)速。
圖3為本發(fā)明第一實施例中采用FFT變換方式輸出扭振轉(zhuǎn)速頻鐠的DSP 單元的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，本實施例DSP單元包括依次連接的脈沖計 數(shù)單元711、轉(zhuǎn)速計算單元712、波動轉(zhuǎn)速單元713和FFT處理單元715,脈 沖計數(shù)單元711還連接有定時單元710。定時單元710用于設(shè)定數(shù)據(jù)采樣周 期并提供數(shù)據(jù)采樣時鐘；脈沖計數(shù)單元711與鎖相環(huán)N倍頻單元5中的壓控 振蕩單元53的輸出端連接，用于接收高頻脈沖信號，并對高頻脈沖信號進行 周期性計數(shù)，獲得計數(shù)值；轉(zhuǎn)速計算單元712用于從脈沖計數(shù)單元711接收計 數(shù)值，并將計數(shù)值處理成平均轉(zhuǎn)速；波動轉(zhuǎn)速單元713用于從轉(zhuǎn)速計算單元 712接收平均轉(zhuǎn)速，并計算平均轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速之間的波動轉(zhuǎn)速；FFT處理單 元715用于從波動轉(zhuǎn)速單元713接收波動轉(zhuǎn)速，通過FFT變換獲得扭振轉(zhuǎn)速 頻語。
圖4為本發(fā)明第一實施例采用FFT變換得到波動轉(zhuǎn)速的頻語曲線。如圖 4所示，將一段采樣數(shù)據(jù)樣本內(nèi)的波動轉(zhuǎn)速(扭振轉(zhuǎn)速相對于額定轉(zhuǎn)速的變 化量，單位為％。)進行快速傅立葉變換(FFT)后得到的頻語曲線，由曲線可 見，波動轉(zhuǎn)速中不僅包含50Hz的分量，還包含有13. lHz、 25. 0Hz和29. 4Hz 的扭振轉(zhuǎn)速。圖5為本發(fā)明第一實施例采用FFT變換得到波動轉(zhuǎn)速的頻鐠曲 線隨時間變化的示意圖。如圖5所示，三個扭振轉(zhuǎn)速在開始時較快地增長， 到達峰值后逐步衰減。
圖6為本發(fā)明扭振轉(zhuǎn)速測量裝置第二實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖6所示，本實施例是一種擴展結(jié)構(gòu)，在前述第一實施例技術(shù)方案基礎(chǔ)上，本實施例扭
振處理模塊還包括光傳輸單元6，光傳輸單元6設(shè)置在鎖相環(huán)N倍頻單元5 和扭振處理單元7之間，用于將轉(zhuǎn)速信號通過光纖進行遠距離傳送。本實施 例中，光傳輸單元6包括依次連接的電光轉(zhuǎn)換單元、光纖傳輸單元和光電轉(zhuǎn) 換單元，電光轉(zhuǎn)換單元與鎖相環(huán)N倍頻單元5中的壓控振蕩單元53的輸出端 連接，光電轉(zhuǎn)換單元與扭振處理單元7的DSP單元71連接。
圖7為本發(fā)明扭振轉(zhuǎn)速測量裝置第三實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖7所示， 本實施例扭振轉(zhuǎn)速測量裝置包括依次連接的齒輪測速探頭1、隔直分壓濾波 模塊2、放大整形模塊3、光電隔離模塊4和扭振處理模塊。其中齒輪測速探 頭1、隔直分壓濾波模塊2、放大整形模塊3和光電隔離模塊4的連接關(guān)系和 作用與前述第一實施例相同，扭振處理模塊與光電隔離模塊4連接，用于從 光電隔離模塊4接收經(jīng)過隔離抗干擾處理的標準脈沖信號并進行處理，得到 扭振轉(zhuǎn)速。本實施例中，扭振處理模塊包括依次連接的鎖相環(huán)N倍頻單元5 、 放大單元8、低通濾波單元9、特征噪聲阻塞單元10和帶通濾波單元11。其 中，鎖相環(huán)N倍頻單元包括鑒相單元51、低通濾波單元52、壓控振蕩單元 53和N倍分頻單元54，結(jié)構(gòu)與前述第一實施例相同；放大單元8與鎖相環(huán)N 倍頻單元5中的低通濾波單元52的輸出端(或壓控振蕩單元53的輸入端) 經(jīng)過緩沖隔離后連接，將低通濾波單元52的輸出信號(或者壓控振蕩單元的 輸入信號)隔直放大后得到電壓變化的模擬信號，該模擬信號經(jīng)過低通濾波 單元9和特征噪聲阻塞單元10后，送入帶通濾波單元ll。本實施例中，帶 通濾波單元ll為多個帶通濾波器，用于接收電壓變化的模擬信號，通過多個 帶通濾波器進行不同頻帶的帶通濾波，獲得不同頻率的扭振轉(zhuǎn)速。
圖8a、圖8b和圖8c為本發(fā)明第三實施例采用帶通濾波方式得到三個不 同頻率的扭振轉(zhuǎn)速的波形示意圖。這三個扭振轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線是分別采 用中心頻率為13. lHz、 25. OHz和29. 4Hz的帶通濾波器濾波后的結(jié)果。
本發(fā)明上述實施例中，可以根據(jù)需要測量信號的特點和要求，合理選擇轉(zhuǎn)速信號倍頻倍數(shù)和數(shù)據(jù)采樣周期，以得到最好的測量精度。為了適應(yīng)不同
測量場合的需要，鎖相環(huán)N倍頻單元的倍頻倍數(shù)N設(shè)置成可調(diào)整或改變的， 優(yōu)選地，倍頻倍數(shù)N可以取1500 - 8000,倍頻后的高頻脈沖信號的頻率在 6MHz 20MHz，相應(yīng)地，測量相對誤差可縮小N倍。
本發(fā)明提供了 一種扭振轉(zhuǎn)速測量裝置，通過對齒輪測速探頭輸出的轉(zhuǎn)速 信號進行直流隔離、分壓、濾波、放大和整形處理得到標準脈沖信號，并通 過光電隔離輸入到扭振處理模塊中，提高了裝置的抗千擾能力，并保證了測 量精度。本發(fā)明通過鎖相環(huán)N倍頻單元對標準脈沖信號進行高倍數(shù)地均勻倍 頻，數(shù)百至數(shù)千倍地提高標準脈沖信號的頻率，如將數(shù)kHz的標準脈沖信號 轉(zhuǎn)換成數(shù)MHz甚至數(shù)十MHz的高頻脈沖信號，因此提高了測量精度。本發(fā)明 通過對高頻脈沖信號進行計數(shù)處理獲得采樣周期內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速，通過平均轉(zhuǎn) 速獲得波動轉(zhuǎn)速，最后通過波動轉(zhuǎn)速獲得扭振轉(zhuǎn)速頻謙或扭振轉(zhuǎn)速，不僅可 以測量多個頻率的扭振轉(zhuǎn)速，而且測量精度高，使得大軸上軸段間的微弱扭 振或者轉(zhuǎn)子的微弱搖擺的準確測量成為可能。本發(fā)明扭振轉(zhuǎn)速測量裝置可以 直接用于大軸扭振(或搖擺)的高精度測量，具有廣闊的應(yīng)用前景。
圖9為本發(fā)明扭振轉(zhuǎn)速測量裝置一個具體實施的電路圖，采用鎖相環(huán)芯 片CD4046和分頻器芯片CD4020組成的電路實現(xiàn)。如圖9所示，運放電路U3A 和U3B用于波形整形和電路驅(qū)動，鎖相環(huán)芯片CD4046完成鎖相環(huán)N倍頻單元 中鑒相單元和壓控振蕩單元的功能，分頻器芯片CD4020完成鎖相環(huán)N倍頻單 元中N倍分頻功能，電容C2、電容C3和電阻R3完成低通濾波單元的功能， 電容C1、電阻R1和電阻R2完成壓控振蕩單元振蕩頻率及其變化范圍的設(shè)置 和調(diào)整，波動開關(guān)S1完成不同分頻倍數(shù)N的調(diào)整和設(shè)置。工作時，將標準脈 沖信號從Input輸入，高頻脈沖信號從Output輸出，通過后續(xù)處理系統(tǒng)即可 獲得高精度的平均轉(zhuǎn)速，測量相對誤差可以縮小N倍。
圖IO為本發(fā)明扭振轉(zhuǎn)速測量裝置另一個具體實施的電路圖，采用集成電 路74HCT9046和74HC4059實現(xiàn)。如圖10所示，齒輪測速探頭輸出的轉(zhuǎn)速信號由J1-I叩ut輸入，經(jīng)過由電容COl、電阻ROl、電阻R02和電容C02組成 的直流隔離、分壓電路，經(jīng)運放U01A隔離放大后，進入由運放U01B、運放 U02A、電阻R05 ~R08以及電容C03~C06組成的j氐通濾波器濾波，再經(jīng)過運 放U02B放大，由斯密斯觸發(fā)器U03D進行過零檢測和波形整形，得到標準脈 沖信號，經(jīng)過兩個觸發(fā)器放大驅(qū)動光耦管U04進行光電隔離后將信號傳遞至 后續(xù)的信號處理單元。以上電路完成輸入信號的調(diào)理，由圖中的U05供電。
鎖相環(huán)N倍頻單元由集成芯片U41、集成芯片U42及相關(guān)電阻電容組成。 其中集成芯片U41完成鎖相環(huán)N倍頻單元中鑒相單元和壓控振蕩單元的功能， 集成芯片U42完成鎖相環(huán)N倍頻單元中N倍頻分頻功能，電容C22、電容C23 和電阻R27完成低通濾波單元的功能。通過調(diào)整開關(guān)S1、開關(guān)S2和開關(guān)S3 的設(shè)置可以實現(xiàn)分頻倍數(shù)在3 - 18000的數(shù)據(jù)范圍內(nèi)調(diào)整。實際應(yīng)用中，分頻 倍數(shù)需要根據(jù)輸入信號的頻率在1500 ~ 8000范圍內(nèi)選擇。
圖IO所示具體實施電路中給出了三種輸出高精度轉(zhuǎn)速信號的實例。 一個 是由集成芯片U41的管腳4輸出高精度轉(zhuǎn)速脈沖信號，經(jīng)過斯密斯觸發(fā)器U43D 整形后輸入到發(fā)射激光管Oout，輸出光脈沖信號，通過光纖傳送到下一級信 號處理單元。第二個是由集成芯片U41的管腳4輸出的高精度轉(zhuǎn)速脈沖信號 直接輸送到同一電路單元的DSP系統(tǒng)進行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，包括計數(shù)、求轉(zhuǎn) 速差、濾波以及其他的運算和處理。第三個是由集成芯片U41的管腳10輸出 的轉(zhuǎn)速波動模擬信號，由運放U24A緩沖隔離后，經(jīng)過由運放U24B、運放U25A 及相關(guān)的電阻電容組成的低通濾波單元，再經(jīng)運放U25B放大后由dWa輸出模 擬信號。
圖11為本發(fā)明扭振轉(zhuǎn)速測量方法的流程圖，包括 步驟l、探測大軸旋轉(zhuǎn)并獲得轉(zhuǎn)速信號；
步驟2、對所述轉(zhuǎn)速信號進行直流隔離、分壓、濾波、放大和整形處理， 獲得標準脈沖信號；
步驟3、對所述標準脈沖信號進行1500 ~ 8000倍的倍頻處理，獲得高頻
13脈沖信號；
步驟4、對所述高頻脈沖信號進行處理，獲得扭振轉(zhuǎn)速。 圖12為本發(fā)明扭振轉(zhuǎn)速測量方法中獲得扭振轉(zhuǎn)速的流程圖，包括 步驟41、對所述高頻脈沖信號進行周期性計數(shù)，得到采樣周期內(nèi)的平均 轉(zhuǎn)速；
步驟42、計算所述平均轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的差，得到轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速附近 的波動轉(zhuǎn)速；
波動轉(zhuǎn)速進行快速傅立葉變換獲得扭振轉(zhuǎn)速頻語。
本發(fā)明扭振轉(zhuǎn)速測量方法是采用本發(fā)明扭振轉(zhuǎn)速測量裝置的測量方法， 其處理過程已在前述實施例中詳細說明，這里不再贅述。本發(fā)明步驟43中， 既可以采用其中一種處理方式，如進行帶通濾波處理獲得扭振轉(zhuǎn)速，或進行 快速傅立葉變換獲得扭振轉(zhuǎn)速頻譜，也可以采用二種處理方式，不僅進行帶 通濾波處理獲得扭振轉(zhuǎn)速，而且進行快速傅立葉變換獲得扭振轉(zhuǎn)速頻譜。此 外，本發(fā)明步驟4也可以采用另一種方式獲得扭振轉(zhuǎn)速，即將模擬信號進行 帶通濾波處理。具體處理過程為將鎖相環(huán)N倍頻單元中低通濾波單元的輸 出信號隔直放大后得到電壓變化的模擬信號，將該模擬信號進行低通濾波和 特征噪聲阻塞處理后，通過多個帶通濾波器進行不同頻帶的帶通濾波，獲得 不同頻率的扭振轉(zhuǎn)速。
最后應(yīng)說明的是以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制， 盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當 理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技 術(shù)方案的精神和范圍。
1權(quán)利要求
1. 一種扭振轉(zhuǎn)速測量裝置，包括依次連接的齒輪測速探頭、隔直分壓濾波模塊和放大整形模塊，其特征在于，輸出標準脈沖信號的放大整形模塊與扭振處理模塊連接，所述扭振處理模塊包括將所述標準脈沖信號的頻率提高N倍并輸出高頻脈沖信號的鎖相環(huán)N倍頻單元和根據(jù)所述高頻脈沖信號獲得扭振轉(zhuǎn)速的扭振處理單元。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的扭振轉(zhuǎn)速測量裝置，其特征在于，所述扭振處 理模塊還包括設(shè)置在所述鎖相環(huán)N倍頻單元與扭振處理單元之間用于將轉(zhuǎn)速 信號通過光纖進行遠距離傳送的光傳輸單元，所述光傳輸單元包括依次連接 的電光轉(zhuǎn)換單元、光纖傳輸單元和光電轉(zhuǎn)換單元。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的扭振轉(zhuǎn)速測量裝置，其特征在于，所述扭振處 理單元包括依次連接的DSP單元、接口單元和計算單元。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的扭振轉(zhuǎn)速測量裝置，其特征在于，所述DSP單 元包括依次連接的脈沖計數(shù)單元、轉(zhuǎn)速計算單元和波動轉(zhuǎn)速單元，所述脈沖 計數(shù)單元還連接有定時單元，所述波動轉(zhuǎn)速單元還連接有帶通濾波單元或FFT 處理單元。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的扭振轉(zhuǎn)速測量裝置，其特征在于，所述放大整 形模塊與扭振處理模塊之間還設(shè)置有通過電氣隔離以提高抗干擾性能的光電隔離模塊。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的扭振轉(zhuǎn)速測量裝置，其特征在于，所述扭振處 理單元包括依次連接的放大單元、低通濾波單元、特征噪聲阻塞單元和帶通 濾波單元，所述放大單元與鎖相環(huán)N倍頻單元中的低通濾波單元的輸出端連 接。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1 ~ 6中任一權(quán)利要求所述的扭振轉(zhuǎn)速測量裝置，其特征 在于，所述鎖相環(huán)N倍頻單元包括鑒相單元、低通濾波單元、壓控振蕩單元 和N倍分頻單元，所述鑒相單元的一個輸入端與光電隔離模塊連接，另一個輸入端與N倍分頻單元的輸出端連接，低通濾波單元與鑒相單元的輸出端連 接，壓控振蕩單元與低通濾波單元連接，N倍分頻單元的輸入端與壓控振蕩 單元連接，輸出端與鑒相單元的另一個輸入端連4^。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的扭振轉(zhuǎn)速測量裝置，其特征在于，所述N倍分 頻單元中的倍頻倍數(shù)N為1500 ~ 8000。
9. 一種扭振轉(zhuǎn)速測量方法，其特征在于，包括 步驟l、探測大軸旋轉(zhuǎn)并獲得轉(zhuǎn)速信號；步驟2、對所述轉(zhuǎn)速信號進行直流隔離、分壓、濾波、放大和整形處理， 獲得標準脈沖信號；步驟3、對所述標準脈沖信號進行1500 ~ 8000倍的倍頻處理，獲得高頻 脈沖信號；步驟4、對所述高頻脈沖信號進行處理，獲得扭振轉(zhuǎn)速。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的扭振轉(zhuǎn)速測量方法，其特征在于，所述步驟 4包括步驟41、對所述高頻脈沖信號進行周期性計數(shù)，得到采樣周期內(nèi)的平均 轉(zhuǎn)速；步驟42、計算所述平均轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的差，得到轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速附近 的波動轉(zhuǎn)速；步驟43、對所述波動轉(zhuǎn)速進行帶通濾g 波動轉(zhuǎn)速進行快速傅立葉變換獲得扭振轉(zhuǎn)速頻譜.
全文摘要
本發(fā)明涉及一種扭振轉(zhuǎn)速測量裝置和方法。扭振轉(zhuǎn)速測量裝置包括依次連接的齒輪測速探頭、隔直分壓濾波模塊和放大整形模塊，輸出標準脈沖信號的放大整形模塊通過光電隔離模塊與扭振處理模塊連接，所述扭振處理模塊包括將所述標準脈沖信號的頻率提高N倍并輸出高頻脈沖信號的鎖相環(huán)N倍頻單元和根據(jù)所述高頻脈沖信號獲得扭振轉(zhuǎn)速的扭振處理單元。本發(fā)明通過鎖相環(huán)N倍頻單元對標準脈沖信號進行高倍數(shù)地均勻倍頻，數(shù)百至數(shù)千倍地提高標準脈沖信號的頻率，不僅可以測量多個頻率的扭振轉(zhuǎn)速，而且測量精度高，可以直接用于大軸扭振的高精度測量，具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號G01P3/42GK101509930SQ200910001119
公開日2009年8月19日 申請日期2009年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月13日
發(fā)明者王紹德 申請人:王紹德