同类、有序动信息(组)群各信息源时域样本的跟踪采集

摘要

对运动机器中n个同类有序信息源各信号的跟踪采样，为动态和在线信息采集提供新途径。在信息源运动路径旁设定的检测区内布设m个传感器，其检测信号经处理输到对应各信息源A1的各切换开关的多路输入口，目标运动识别和控制系统据目标的特征参数确定目标和各信号源A1到达各传感器的时刻和时序，控制切换开关跟踪截取各路输入信号，分离和输出对应各信息源A1的信号O1，获得各信息源信息完整时域样本供诊断分析研究。

说明书

本发明属于对运动信息源信号的跟踪采样，特别是涉及运转(运行)机器(机械)中同类的有序的动信息组群各个信息源信号样本的跟踪采集和分离。

任一种最简单的检测技术，都离不开获取信息这一环节。信号采集是现代工业检测技术的基础，特别是动态或在线检测更有赖于对信号进行准确有效和完整的采样。现有技术中，例如在铁路两侧安装“红外轴温报警器”，“轴承音响探测器”来检测车辆轴承温度或噪音是否超标，以期判定轴承是否有故障，这是用非机载单传感器采集信息进行检测的例子，它们只能通过随机遭遇获得信息源的少量幅值信息，作简单的检测评估，不能获得含有更多信息内容的完整的时域样本，因而不能作深入的分析研究和诊断；大多数的动态或在线检测是针对运转机械中某单一信息源用安装机载单传感器来完成一维(如温度)或多维(如振动：含幅值、频率、调制等)信息采集，但因运动可能导致信息幅度损失或附加调制失真，使信息真实度降低；本发明人发明的，已成功地在“铁路车辆轮对轴承不分解自动诊断系统”中应用的“多传感器共振解调故障检测技术”(专利号90105568.9)，用机载多传感器对单个运动信息源(轮对中一套轴承)进行多方位并列受感，对各传感器的信号合理进行处理叠加，综合成一单个信号用于分析诊断，这种机载多传感器信息采集适于处理单个检测对象(信息源)由于运动导致的信息幅度损失、附加调制失真等不利于信息加工处理的问题，但不能解决对同一运转机械中类同的、有序的多个动信息源(信息组群)各个信息的检测(采集)问题。机载传感器也不能解决对另一机器中相同的信号采集问题。实现对同类机器中类同的有序的运动信息群各个信号的采样是一个工程技术中应用面广而有待解决的现实课题。如对通过的铁路车辆各车轮组件故障在线诊断时的信号采样，螺桨发动机试验各桨叶轴向振动信号跟踪采样，行星齿轮传动装置各行星齿轮故障的信号采样等许多检测技术中的信号采集都可归属于这一课题。

本发明的任务可归结为是：实现对运转机器中n个同类的、有序的动信息源(信息组群A₁～A_n)的各个信息源A_f(_f＝1～n)完整的信号时域样本的跟踪采集和分离。

本发明的技术方案如下：

采样系统含有检测传感器1，信号处理器2，目标与运动识别系统3，跟踪切换开关4和控制系统5。在有序信息群A_f(_f＝1～n)运动路径旁一段特定的检测区域范围L内，布设m个(组)传感器，对待检信号进行探测受感。这些传感器视情可以是接触式传感器或是非接触式传感器，如超声、声纳、振动、冲击、压电、应变、热释电、红外、电容、电涡流、磁阻、射线传感器等等。m个传感器输出的信号经处理器处理后，输出信号至与各信息源A_f(_f＝1～n)对应的各切换开关4的多路输入通道。目标与运动识别系统、控制系统根据目标特有的特征参数进行目标和运动识别测量，确定各信息源A_f到达各传感器1_J(_J＝1～m)受感区域的时刻和时序，控制切换开关4跟踪各输入信号并适时切换，正确截取从而分离和输出对应各信息源A_f的相应信号O_f供记录或存储，如送至计算机A/D接口；

检测传感器及其布局的选择和设计：

检测区段长度L的确定，即多个检测传感器沿信息源运动路径的分布范围，应根据采集信号完整性原则，即在采集的信息样本中，对于最低频率的信号也能得到指定个数的数据，以不致发生低频信号失落别样。例如，信息源中需采集的最低频率信息每经路程S产生一个信号，为便于分析该信号特征，就需要采得的样本中含有K个(至少取2个，较好为4～10个)上述低频信号，则检测传感器分布范围应有L≥K·S。

传感器分布密度即间距H的选择或设计，则应按下述各点者虑：

一、符合信号定常性准则：即切换开关对各传感器经处理的信号跟踪切换后输出的相应信号O_f，应是在整个检测时域内基本完整和稳定的，能真实反应映该信息源A_f信息的。也就是不应因所检测的信息源渐离某检测传感器而产生切换输出信号幅值大幅度跌落失真和产生附加的调制现象或丢失某段时域的信息。根据在传感器的受感半径区间(-x₀，x₀)内其输出幅度响应F与传感器距信息源沿其运动方向的距离x的函数关系，对于可近似用

F＝f(x)＝1表达的这一类恒输出型传感器，或可近似用

F＝f(x)＝1-|x|/x₀表达的线性变化输出型传感器，应分别取传感器间距使满足H≤2x₀，H≤x₀。对于后者这便于采用叠加处理以满足定常性要求。

例如当H＝x₀时，每相邻两传感器的信号幅值分别有：

F₁＝f(x)＝1-|x|/x₀，

F₂＝f(x)＝1-|x₀-x|/x₀，则

F₁+F₂＝1-|x|/x₀+1-|x₀-x|/x₀＝1，

即可简便地用二叠加处理使满足输出为定常稳定值。

二.若两传感器过于邻近会导致相互干扰，允许的最小距离是L₀，则两传感器间距应大于L₀，有H≥L₀。

三.为准确分离出各信息源的信息，即相邻最近的两信息源(间距L₁)的信号，不应相互混入相邻的传感器，也即不应混入该二信息源所对应的切换开关输出的信号中，应有L₁≥2x₀。

对于确定的检测对象，L₁是确定的，因此应正确合理选择设计传感器及受感区间半径X₀及其布局来满足上述要求。

综上所述，在一般情况下，传感器及其布局的选择和设计，对于恒输出型传感器应满足：

传感器分布范围：L≥K·S，                    --(1)

传感器性能限制：H≤2X₀，                    --(2)

传感器干扰限制：H≥L₀，                     --(3)

信息源间距限制：L₁≥2X₀，                  --(4)

对于线性变化输出型传感器应满足：

传感器分布范围：L≥K·S                      --(1)

传感器性能限制：H≤X₀                       --(2)

传感器干扰限制：H≥L₀                       --(3)

信息源间距限制：L₁≥2X₀                    --(4)

本发明在可不装设机载传感器及仪器设备的情况下，实现了对目标中同类的有序动信息组群中各信息源产生的简单或多维复杂信号进行分离，并采集到其完整的信号时域样本。为工程上大量运动机械的动态和在线检测的信息采集，提供了一种有效途径，不仅采样快速、并可节约大量购置机载检测设备的开支，又不影响机器的正常运转和不至因安装检测传感器破坏其工作状况，同时采集并分离出了信息十分丰富的信号样本，便于应用现代高科技进行分析研究，得到更加可靠的测量诊断结果等有益效果。对于确保工程设备安全可靠运行，防止设备事故损失和提高经济效益都有重要意义。

附图说明：

图1：本发明的方案框图。

图2：对通过的列车各车轮组件故障诊断的信息采集框图。

图3：螺桨发动机试验各桨叶振动信号跟踪采样框图。

图4：行星齿轮减速器行星齿轮故障信息的跟踪采样框图。

图5：机车车轮轮箍松动故障跟踪采样框图。

图6：火车轮轮毂裂纹故障信息在线跟踪采样框图。

图7：车轮轮径及不圆度检测信号的采样框图。

 1：检测传感器，                       2：信号处理器，

21：二叠加器，                        22：调频振荡器，

23：鉴频检波器，

 3：目标与运动识别系统，

31：目标与运动识别系统的前置电路。

 4：跟踪切换开关，                     5：控制系统，

51：控制系统的测速接口，

52：控制系统的控制接口，53：控制系统的_A/D接口。

下面结合附图对一些实施例进一步作说明。

实施例1，对通过的列车各车轮组件故障诊断的信息采集。

铁路机车和车辆在每个转向架上有2对或3对车轮A₁，A₂，A₃。一列列车则有多组这样的信息源。为了取得一个车轮上传来的低频故障源的信号样本，如车轴轴承保持架的故障信号，一般需在4～7倍车轮圆周长的一段铁路轨道上或路旁安装传感器。根据现有车型及间距，传感器间距一般取H＝1～1.45米为宜，所需传感器数m＝L/H为十余至二十多个。在上述检测传感器前方一个车辆长以上的确定距离的道路旁安装一传感器3，用于目标与运动识别，它感受车轮到来，每个车轮通过该传感器产生一个脉冲，通过前置电路31处理输给控制系统计算机5的测速接口51，用软件确定各车轮通过该传感器的时间间隔并据时间间隔序列与计算机数据库中存储的对应型号车辆车轮间距的相似性，识别车型再用确定的车轮间距和上述时间间隔算出车速进而计算出各个车轮到达各个检测传感器1_J的时刻，计算机控制接口52输出跟踪控制代码去控制对应各信息源(车轮)A_f的各个切换开关4，切换开关可由多路模拟数据选择器如CD4051，LF13508，CD4067等构成，各切换开关受控适时切换，正确截取经信号处理器2_J输入的多路信息并输出，作为各个信息源A_f信号样本的一部分，当该信息源走过整个受感区段时，对应切换开关就得到并输出该信息源一个完整的时域样本信号Oi至计算机的A/D接口53。

关于切换开关的个数：对于特大的有序信息群，如本实施例一列由数十节车箱组成的列车，每节车箱内有2对或3对车轮组件，信息源总数n高达数百个之多，不必设有等同于信息源总数n的切换开关数，只需设置与同时位于检测区段内信息源数(图示为6个)相同的切换开关个数。

关于信号处理：除应对每个传感器输出信号用信号处理器2进行必要的前置处理和放大外，在信号处理器2中还可设置叠加器21，视情将二个(如图2)、三个、或更多个相邻的检测传感器的信号依次组合叠加成单信号送至切换开关4的多路输入口。这样作有助于消除在一个传感器的检测信号不能全面检测到一信息源中所有组件的信息并有利于输出信号恒值。本实施例，车轮转过一周将经历2或3个传感器就可进行每相邻两信号组合叠加或相邻三信号组合叠加。见图2。

实施例2，螺桨发动机试验各桨叶振动信号跟踪采样。

为防止螺桨发动机在某些转速下可能产生的共振损坏，需检测螺旋桨叶运转时的轴向振动，传统的方法是在桨叶上贴应变片检测振动应力，这就要用引电器(电刷滑环等)将信号从转动的螺旋桨轴上引到不转动的机匣上再用应变仪测量，应变参量不能直接表征振动，引电器又极易损坏，而且还改变桨叶的工况。可应用本发明按如下方式实现本实施例。于发动机试车台上，对应桨叶叶尖运转圆周后方，非接触均布安装一排个数与桨叶数n(图示为三叶)相同的电容式传感器的极板，每段极板间及与螺桨和大地(机匣)均绝缘，并使对大地(机匣)的电容量尽量小，两相邻极板间的电容应小于极板与螺桨的电容，极板的横截面应尽量薄而呈流线型，以减少其对螺桨流场的影响，每段极板1与螺桨构成的电容接入一个就近安装的调频振荡器22，桨叶与极板的电容量和调频振荡器22的振荡频偏均与螺桨振动位移量成正比，振荡器22的调频波用鉴频检波器23解调，输出正比于叶片振动的电压。振荡器22，解调器23构成信号处理器2。在一个极板的头部处设一个用于目标与运动识别的传感器3，在每个桨叶通过该传感器时发出一个同步信号给控制系统5，控制系统5是一个由MC14516构成的n进计数器，它输出n巡环码，如三叶螺桨则输出3巡环码，即控制数据线D0和D1，总是在每转过来一片叶片后依次地出现1(D0＝1，D1＝0)，2(D0＝0，D1＝1)，3(D0＝1，D1＝1)的数据，当再进入一个转速脉冲时，计数器形将进位为D2＝1(即计数到4)，此进位脉冲的跳变沿被接到MC14516的“预置控制端”PE，控制预置端A、B、C、D，通过置数端使计数器又置“1”，不用计算机仅用计数器实现周而复始作1、2、3计数的功能，用来控制对应3片桨叶的3个跟踪切换开关4，切换开关可选用多路模拟数据选择器如CD4051，对应第一，第二、第三片桨叶的三个切换开关输入口的第1，2，3通道，应分别依次与1、2、3，2、3，1，3、1、2传感器解调信号连接，桨叶旋转一周切换开关切换三次，每个切换开关输出的定对应一片桨叶的振动信号O₁，O₂，O₃，实现了螺桨振动信号的跟踪采样。见图3。

实施例3，行星齿轮减速器行星齿轮故障信息的跟踪采样

行星齿轮减速器(常用于航空发动机与螺桨之间的减速)其行星齿轮在自转的同时还有公转，因对机匣上的接触式传感器传递冲击信号的能力极差，故障检测是很困难的。而且传统技术还难于区分各行星齿轮中哪一个行星轮有故障。应用本发明的本实施例以如下方式实现：在减速器机匣对应行星齿轮轴心运行的圆周上，按行星轮数n(图示n＝6)均布安装m＝n个超声传感器1，用以感受对准的行齿轮故障冲击超声发射信息，在一个行星轮(如A1)的轴端涂上反光材料，另于一超声检测传感器近旁安装一光电反射式传感器3，用以检测行星轮A1的到来，产生的标志脉冲送到计算机5的测速接口51，用软件测出行星轮公转周期，计算出每个行星轮到达每一个传感器1的时刻，通过控制接口52，适时控制切换开关4，以适时截取并输出对应各个行星轮的信号O_f至A/D接口53。见图4。

实施例4，机车车轮轮箍松动故障跟踪采样

机车的车轮上装有轮箍，是用热压法套装的，轮箍使用中松动会导致严重事故，因此常需进行检查，常用的检查是靠人工用榔头敲击轮箍凭辩听声音清脆、低沉以判别有无故障的，易受人的因素影响，且轮箍可能是局部松动，人耳判别难以准确可靠。

应用本发明实现对轮箍松动检测的方式如下：利用车轮滚过两段路轨接缝时的撞击，在含有4～8段铁轨的路段上，在道旁对着每段铁轨接缝处安装声音传感器1。或是在一段特设的二倍以上车箱长的路轨段的中部轨面上，每隔1/4～1/8轮周长的距离，开设小V型槽口，对应各槽口位置，设置一声音传感器1；在检测区前方确定距离的轨道旁装一传感器3，检测车轮来到，其信号经前置电路处理至计算机5的测速接口51，用软件确定各车轮通过传感器3的时间间隔，识别车型，测定车速，计算出各车轮到达各检测传感器1的时刻，计算机控制接口52输出跟踪控制代码，控制对应各信息源Ai的各个切换开关4适时跟踪截取来自信号处理器2的多路信号，输出O_f至计算机A/D接口53。见图5。

实施例5，火车轮轮毂裂纹故障信息在线跟踪采样

因运行时的交变应力和材料品质缺陷，车轮轮毂内部和外表面会产生裂纹，裂纹扩展可能产生大块剥落而危及安全，现有技术对这种裂纹检查，无论静态或动态都是离线采用探伤方法进行的，诸如磁粉探伤、萤光探伤、X射线、磁阻、电涡流探伤等。一列客车有近200个车轮，如此检测是很麻烦的。

应用本发明实施对轮毂裂纹检测和实施例1、4相似，采用相同的系统和步骤进行，不再重述，但有下述特点：

1，应用检测传感器1应是如X射线、电涡流、磁阻等这一类能进行内部探伤检测的传感器，按其安装要求安装。

2，本发明对传感器布局有H≤2x₀，H≥L₀的要求。当L₀＞2x₀时，这一传感器布局要求势必难以满足，上述这一些传感器可能出现这类问题。可采用适当扩展检测区段，相应扩大传感器间距，对传感器进行分组分段布局，段组间首尾传感器打破均布，恰当错位，最后对各传感器信号合理编整续接成能反映真实时序的、完整的时域样本O_f。如每个检测传感器1能检测车轮上15°轮毂范围，为了不出现漏检区，应在轮周长的一段路轨区内均布24个传感器，即每15°弧长一个，这样密布的传感器会相互干扰，可将检测段扩展为3倍轮周长，将传感器分成3组，每组分8个，第1组的1-1～1-8传感器按45°弧长一个均布于第一区段内，第2、第3组的各8个传感器也均45°弧长一个分别均布于第二、第三区段内，但第2-1与1-8号传感器，3-1与2-8号传感器其间距为30°弧长。最后按1-1、3-2、2-2、1-2、3-3、2-3、1-3、3-4、2-4…1-8、3-1、2-1，编整续接信号。见图6。

实施例6，车轮轮径及不圆度检测信号的采样

在车轮的维修过程中要对车轮直径和圆度进行检测，常用的是人工使用卡尺对车轮轮径作多角度的测量得出轮径和不圆度或用其它方法，但都不够快速方便。可按下述方法完成连续通过的各车轮轮径和不圆度检测，在一段长度相当于0.5个车轮周长的平直钢轨上方，以轨面为零基准，在大于最大轮径的高度H上，均布安装m个(图示m＝6)能测量其下方的车轮踏面到传感器的垂直距离R的传感器(1)(轮径便是H-R)。在半个车轮圆周长的路轨上只能有2个车轮，因此切换开关只需设2～3个，本实施例的目标与运动识别系统中不设传感器3和测速接口，由计算机5及相应软件通过控制接口52控制切换开关4对检测传感器1的输出进行扫瞄，切换开关4的输出接到计算机A/D接口53，对切换开关跟踪锁定的传感器信号进行测量，当发现某个如1号传感器输出有车轮靠近的信息，就立刻严密监视该传感器的输出信号，提取该传感器输出信号的极(小)值参数R₁，立即控制该切换开关切入下一个传感器的检测，提取下一个传感器测得的极小值R₂，…车轮滚过检测区就得到m个传感器的m个数据，计算出该车轮的平均直径和不圆度。见图7。