基于复合信息传感器齿轮箱的位置序列采样装置和方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于复合信息传感器的齿轮箱位置序列采样装置和方法，均匀分布在齿轮齿根处的光纤传感器，所述光纤传感器信号输出端连接光信号测量处理单元信号输入端，通过光信号测量处理单元实现齿轮根部的应变位置序列测试；通过寻找拐点获得轮齿进入啮合的触发点，为振动加速度位置序列和温度位置序列的采集提供脉冲触发；振动加速度传感器分布在轴承座和齿轮箱体上，所述振动加速度传感器信号输出端连接信号采集处理单元振动信号输入端，温度传感器浸泡在齿轮箱体机油中，所述温度传感器信号输出端连接信号采集处理单元温度信号输入端，结合应变位置序列提供的脉冲触发实现振动位置序列和温度位置序列的采样的测试。
【专利说明】基于复合信息传感器齿轮箱的位置序列采样装置和方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及自动化领域，尤其涉及一种基于复合信息传感器齿轮箱的位置序列采 样装置和方法。

【背景技术】
[0002] 齿轮箱是传动系统重要组成部件，广泛应用在工程机械、船舶以及航空航天等领 域，作为核心传动部件，齿轮箱的健康状态直接影响着机械设备的正常运转。齿轮箱由于变 速变载以及高油温等极端工作环境，经常导致齿轮裂纹、剥落、点蚀甚至断齿等故障，大幅 度降低齿轮箱工作性能的稳定性，严重时造成灾难性后果。
[0003] 目前已有众多学者对齿轮箱故障诊断展开了一系列的研宄，往往通过在齿轮箱轴 承座以及基体上布置振动加速度传感器拾取齿轮箱时域振动信号，通过时域参数、频域特 征以及一些智能算法对齿轮箱的健康状态做出评价；另外，目前也有一些学者对多信息故 障诊断方面展开研宄，同时采集机械设备的时域振动信号、温度信号及噪声信号等对设备 健康状态进行诊断，并取得一些效果，但在齿轮箱诊断方面应用较少。
[0004] 综上所述，目前齿轮箱故障诊断主要基于时域采样方法进行诊断，导致齿轮箱在 变转速和变载荷等复杂工况下造成时域采样的定位不精确、频率模糊等问题；另外，齿轮箱 健康状态影响因素众多，单靠振动信号来判断明显不足，且一般振动测量为广域信号，即传 感器布置在齿轮箱箱体、轴承座上，由于传递路径和界面能量耗散的影响，致使测量的振动 信号无法精确反映振源信息，为齿轮箱健康状态判定造成很大的困难。


【发明内容】

[0005] 本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种基于复 合信息传感器齿轮箱的位置序列采样装置和方法。
[0006] 为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种基于复合信息传感器的齿轮箱位 置序列采样装置，其关键在于，包括：
[0007] 均匀分布在齿轮齿根处的光纤传感器，所述光纤传感器信号输出端连接光信号测 量处理单元信号输入端，通过光信号测量处理单元实现齿轮根部的应变位置序列测试，采 集固定应变位置序列采样样本；利用应变突变识别方法判断单齿齿根应变位置序列是否产 生突变点，求解趋势项函数的拐点，通过寻找拐点获得轮齿进入啮合的触发点，从而判断齿 轮箱体内部对应齿轮的啮合状态，为振动加速度位置序列和温度位置序列的采集提供脉冲 触发；振动加速度传感器分布在轴承座和齿轮箱体上，所述振动加速度传感器信号输出端 连接信号采集处理单元振动信号输入端，温度传感器浸泡在齿轮箱体机油中，所述温度传 感器信号输出端连接信号采集处理单元温度信号输入端，结合应变位置序列提供的脉冲触 发完成齿轮振动位置序列测试和温度位置序列的测试工作。
[0008] 上述技术方案的有益效果为：通过光纤传感器、光信号测量处理单元等电路元器 件实现齿轮箱位置序列采样。
[0009] 所述的基于复合信息传感器齿轮箱的位置序列采样装置，优选的，所述光信号测 量处理单元包括：滑环、耦合器、光信号处理模块、探测器，
[0010] 滑环数据连接线连接光纤传感器信号输出端，所述滑环数据交互端连接耦合器， 所述耦合器信号输出端连接探测器信号输入端，所述探测器信号输出端连接光信号处理模 块信号输入端。
[0011] 上述技术方案的有益效果为：所述信号测量处理单元的内部元件设计合理，成本 低廉，使用稳定。
[0012] 所述的基于复合信息传感器齿轮箱的位置序列采样装置，优选的，所述信号采集 处理单元包括：信号采集模块和信号处理模块，
[0013] 所述信号采集模块信号输入端连接振动加速度传感器信号输出端和温度传感器 信号输出端，所述信号采集模块信号输出端连接信号处理模块信号输入端，光信号处理模 块信号输出端连接信号采集模块信号输入端，用于通过信号采集模块对光信号处理模块传 递的脉冲触发完成振动加速度位置序列和温度位置序列的采集测试。
[0014] 上述技术方案的有益效果为：通过信号采集模块和信号处理模块进行信号的采集 和处理。
[0015] 本发明公开一种基于复合信息传感器齿轮箱的位置序列采样方法，其关键在于， 包括如下步骤：
[0016] 步骤1，根据权利要求1所述的装置通过光信号测量处理单元解调对齿根的应变 状况进行测量，采集固定应变位置序列采样样本；
[0017] 步骤2,通过应变突变识别方法判断单齿齿根应变信号产生突变点，求解趋势项函 数的拐点，通过寻找拐点获得触发点，从而判断齿轮箱体内部对应齿轮的啮合状态，为振动 加速度位置序列和温度位置序列的采集提供脉冲触发。
[0018] 步骤3,通过信号采集处理单元并结合应变位置序列提供的脉冲触发完成齿轮振 动位置序列和温度位置序列的测试工作；完成对应啮合域位置序列采样矩阵集合。
[0019] 上述技术方案的有益效果为：通过上述方法实现齿轮每个轮齿的局域强信号应变 监测，并开发应变突变识别方法，实现了每个齿轮轮齿啮合域下应变位置序列、振动位置序 列以及温度位置序列的采集，克服时域采样方法定位不精确等缺点，并为实现齿轮全寿命 监测奠定基础。
[0020] 所述的基于复合信息传感器齿轮箱的位置序列采样方法，优选的，所述步骤1包 括：
[0021] 步骤1-1，通过光信号测量处理单元解调对齿根的应变状况进行测量，获得对应齿 轮进入啮合区域信号，通过公式Yk=[yi，y2，…，yp]采集长度为P的固定应变位置序列采 样样本。
[0022] 所述的基于复合信息传感器齿轮箱的位置序列采样方法，优选的，所述步骤2包 括：
[0023] 步骤2-1，通过获得对应变序列Y所有极大值相连插值，以及所有极小值相连插 值，获得应变序列的上包络线和下包络线，其中上包络线公式SY_up=interp[pmax(Y)]， 下包络线为Y_down=interp[pmin(Y)]，其中pmax代表曲线最大值提取操作，pmin代表曲 线最小值提取操作，interp代表三次Hermite插值，上包络线和下包络线求和取均值，从而 获得应变序列趋势项曲线函数
[0024]

【权利要求】
1. 一种基于复合信息传感器的齿轮箱位置序列采样装置，其特征在于，包括： 均匀分布在齿轮齿根处的光纤传感器，所述光纤传感器信号输出端连接光信号测量处 理单元信号输入端，通过光信号测量处理单元实现齿轮根部的应变位置序列测试，采集固 定应变位置序列采样样本；利用应变突变识别方法判断单齿齿根应变位置序列是否产生 突变点，求解趋势项函数的拐点，通过寻找拐点获得轮齿进入啮合的触发点，从而判断齿轮 箱体内部对应齿轮的啮合状态，为振动加速度位置序列和温度位置序列的采集提供脉冲触 发；振动加速度传感器分布在轴承座和齿轮箱体上，所述振动加速度传感器信号输出端连 接信号采集处理单元振动信号输入端，温度传感器浸泡在齿轮箱体机油中，所述温度传感 器信号输出端连接信号采集处理单元温度信号输入端，结合应变位置序列提供的脉冲触发 完成齿轮振动位置序列测试和温度位置序列的测试工作。
2. 根据权利要求1所述的基于复合信息传感器齿轮箱的位置序列采样装置，其特征在 于，所述光信号测量处理单元包括：滑环、耦合器、光信号处理模块、探测器， 滑环数据连接线连接光纤传感器信号输出端，所述滑环数据交互端连接耦合器，所述 耦合器信号输出端连接探测器信号输入端，所述探测器信号输出端连接光信号处理模块信 号输入端。
3. 根据权利要求1所述的基于复合信息传感器齿轮箱的位置序列采样装置，其特征在 于，所述信号采集处理单元包括：信号采集模块和信号处理模块，所述信号采集模块信号输 入端连接振动加速度传感器信号输出端和温度传感器信号输出端，所述信号采集模块信 号输出端连接信号处理模块信号输入端，光信号处理模块信号输出端连接信号采集模块信 号输入端，用于通过信号采集模块对光信号处理模块传递的脉冲触发完成振动加速度位置 序列和温度位置序列的采集测试。
4. 一种基于复合信息传感器齿轮箱的位置序列采样方法，其特征在于，包括如下步 骤： 步骤1，根据权利要求1所述的装置通过光信号测量处理单元解调对齿根的应变状况 进行测量，采集固定应变位置序列采样样本； 步骤2,通过应变突变识别方法判断单齿齿根应变信号产生突变点，求解趋势项函数的 拐点，通过寻找拐点获得触发点，从而判断齿轮箱体内部对应齿轮的啮合状态，为振动加速 度位置序列和温度位置序列的采集提供脉冲触发； 步骤3,通过信号采集处理单元并结合应变位置序列提供的脉冲触发完成齿轮振动位 置序列和温度位置序列的测试工作；完成对应啮合域位置序列采样矩阵集合。
5. 根据权利要求4所述的基于复合信息传感器齿轮箱的位置序列采样方法，其特征在 于，所述步骤1包括： 步骤1-1，通过光信号测量处理单元解调对齿根的应变状况进行测量，获得对应齿轮进 入啮合区域信号，通过公式Yk=[yi，y2，…，yp]采集长度为P的固定应变位置序列采样样 本。
6. 根据权利要求4所述的基于复合信息传感器齿轮箱的位置序列采样方法，其特征在 于，所述步骤2包括： 步骤2-1，通过获得对应变序列Y所有极大值相连插值，以及所有极小值相连插值，获 得应变序列的上包络线和下包络线，其中上包络线公式为Y_up=interp[pmax(Y)]，下包 络线为Y_down=interp[pmin(Y)]，其中pmax代表曲线最大值提取操作，pmin代表曲线最 小值提取操作，interp代表三次Hermite插值，上包络线和下包络线求和取均值，从而获得 应变序列趋势项曲线函数/。= ^(K_W/) +K_ )， 步骤2-2,求解趋势项曲线函数&的一阶导数和二阶导数分别记为fJPf2，在二阶导 数中逐点判断是否为拐点，找到后记录位置i，并在一阶导数中提取位置i附近的向量R= [f\ (i)，(i+1)，(i+2)];判断向量R中是否每一个元素均超过设定阈值，是则结束判断， 否则返回二阶导数中寻找下一个拐点，最终获得触发点位置。
7.根据权利要求4所述的基于复合信息传感器齿轮箱的位置序列采样方法，其特征在 于，所述步骤3包括： 步骤3-1，通过信号采集处理单元获得N个振动加速度传感器与M个温度传感器采集 长度P的固定位置序列采样样本，所述振动加速度传感器采集样本公式为Zki=[zn，z2i，… ，zpi]，温度传感器采集样本公式为Ww=[wu^，…，ww_]，其中Y为应变位置序列采样，Z为 振动位置序列采样，W为温度位置序列采样，k表示轮齿编号，i表示振动传感器编号，j表 示温度传感器编号，所述N、M为正整数； 步骤3-2,通过获得齿轮箱体齿轮的k啮合域位置序列采样矩阵公式NHk= [Yk，Zkl，Zk2，…，ZkN，Wkl，Wk2，…，WkJ，所述啮合域位置序列采样矩阵公式构成啮合域应变、振 动、温度位置序列采样矩阵集合。
【文档编号】G01D21/02GK104457856SQ201410814730
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月24日 优先权日:2014年12月24日
【发明者】邵毅敏, 曹正, 王利明, 刘静, 郭放, 郑红玲, 叶维军 申请人:重庆大学