专利名称：扭振转速测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种转速测量装置，特别是一种扭振转速测量装置。
背景技术：
目前，现有技术的转速测量通常是在大轴上安装测速齿轮，通过测量装 置的采集、计数和计算，最终获得大轴的转速。现有技术转速测量装置包括 齿轮测速探头、隔直分压滤波模块、放大整形模块、计数器模块、定时器模 块和显示模块，当大轴旋转时，齿轮测速探头输出转速信号(类似正弦波或 方波)，该转速信号经过隔直分压滤波模块和放大整形模块进行直流隔离、 分压、滤波、放大和整形后，得到标准脉冲信号，通过定时器模块设定数据 采样周期，计数器模块对标准脉冲信号进行周期性计数即可以计算得到标准 脉沖信号的频率，根据此频率及测速齿轮的齿数，即可计算出大轴在每个数 据采样周期内的平均转速。
假设安装在大轴上的测速齿轮每周有M齿(即齿数为M齿/转)，在数据 采样周期T秒内标准脉冲信号的脉沖数为S，则转速信号的频率fi为fi-S/T (Hz),则大轴在数据采样周期T秒内的平均转速为S/T/M-fi/M (转/秒)。
当测速齿轮的齿数足够多时，现有技术转速测量装置可以保证转速的测 量精度，但用于测量大轴的扭振或摇摆(微小波动)时，现有技术转速测量 装置的测量精度则无法满足要求。
例如，假设测速齿轮的齿数为60齿/转，大轴转速为50转/秒，采样频 率取100Hz，即数据采样周期取0. 01秒。采用现有技术转速测量装置测量时， 每个数据采样周期内计数器模块的计数值为50转/秒x 60齿/转x 0. 01秒= 30齿，测量时计数器模块可能的误差为±1齿，因此测量相对误差在土1/30=±3. 3%左右。实际上，扭振或摇摆的频率通常为30Hz左右，幅度约为1%， 因此，现有技术土 3. 3%左右的测量相对误差在测量1%以下的扭振或摇摆时测 量精度差，甚至无法辨识。
虽然现有技术可以通过增加测速齿轮齿数的方法提高测量精度，但这种 做法不仅十分费事，而且成千上万倍地增加测速齿轮齿数也是难以实现的。

实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种扭振转速测量装置，不仅可以测量多个频 率的扭振转速，而且测量精度高。
为了实现上述目的，本实用新型提供了一种扭振转速测量装置，包括依 次连接的齿轮测速探头、隔直分压滤波模块和放大整形模块，输出标准脉冲 信号的放大整形模块与扭振处理模块连接，所述扭振处理模块包括将所述标 准脉冲信号的频率提高N倍并输出高频脉沖信号的锁相环N倍频单元和根据 所述高频脉冲信号获得扭振转速的扭振处理单元。
所述扭振处理模块还包括设置在所述锁相环N倍频单元与扭振处理单元 之间的光传输单元。
所述光传输单元包括依次连接的电光转换单元、光纤传输单元和光电转 换单元。
所述扭振处理单元包括依次连接的DSP单元、接口单元和计算单元。进 一步地，所述DSP单元包括依次连接的脉冲计数单元、转速计算单元和波动 转速单元，所述脉冲计数单元还连接有定时单元，所述波动转速单元还连接 有带通滤波单元或FFT处理单元。
所述放大整形模块与扭振处理模块之间还设置有通过电气隔离以提高抗 千扰性能的光电隔离模块。
所述扭振处理单元包括依次连接的放大单元、低通滤波单元、特征噪声 阻塞单元和带通滤波单元，所述放大单元与锁相环N倍频单元中的低通滤波单元的输出端连接。
在上述技术方案基础上，所述锁相环N倍频单元包括鉴相单元、低通滤 波单元、压控振荡单元和N倍分频单元，所述鉴相单元的一个输入端与光电
隔离模块连接，另一个输入端与N倍分频单元的输出端连接，低通滤波单元 与鉴相单元的输出端连接，压控振荡单元与低通滤波单元连接，N倍分频单 元的输入端与压控振荡单元连接，输出端与鉴相单元的另一个输入端连接。 进一步地，所述N倍分频单元中的倍频倍数N为1500 - 8000。
本实用新型提供了一种扭振转速测量装置，通过对齿轮测速探头输出的 转速信号进行直流隔离、分压、滤波、放大和整形处理得到标准脉冲信号， 并通过光电隔离输入到扭振处理模块中，提高了装置的抗干扰能力，并保障 了测量精度。本实用新型通过锁相环N倍频单元对标准脉冲信号进行高倍数 地均匀倍频，数百至数千倍地提高标准脉冲信号的频率，如将数kHz的标准 脉冲信号转换成数MHz甚至数十MHz的高频脉冲信号，因此提高了测量精度。 本实用新型通过对高频脉冲信号进行计数处理获得平均转速，通过平均转速 获得波动转速，最后通过波动转速获得扭振转速频谱或扭振转速，不仅可以 测量多个频率的扭振转速，而且测量精度高，使得大轴上轴段间的微弱扭振 或者转子的微弱摇摆的准确测量成为可能。本实用新型扭振转速测量装置可 以直接用于大轴扭振(或摇摆)的高精度测量，具有广阔的应用前景。


图1为本实用新型扭振转速测量装置第一实施例的结构示意图2为本实用新型第一实施例中采用带通滤波方式输出扭振转速的DSP 单元的结构示意图3为本实用新型第一实施例中采用FFT变换方式输出扭振转速频谱的 DSP单元的结构示意图4为本实用新型第一实施例采用FFT变换得到波动转速的频谱曲线；图5为本实用新型第一实施例采用FFT变换得到波动转速的频谱曲线随 时间变化的示意图6为本实用新型扭振转速测量装置第二实施例的结构示意图； 图7为本实用新型扭振转速测量装置第三实施例的结构示意图； 图8a、图8b和图8c为本实用新型第三实施例采用带通滤波方式得到三 个不同频率的扭振转速波形示意图9为本实用新型扭振转速测量装置一个具体实施的电路图； 图IO为本实用新型扭振转速测量装置另一个具体实施的电路图。 附图标记"i兌明 l一齿轮测速探头； 4 —光电隔离模块； 7—扭振处理单元； 10—特征噪声阻塞单元 52—低通滤波单元； 71—DSP单元； 710—定时单元； 713—波动转速单元；
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。 图1为本实用新型扭振转速测量装置第一实施例的结构示意图。如图1 所示，本实施例扭振转速测量装置包括依次连接的齿轮测速探头1、隔直分 压滤波模块2、放大整形模块3、光电隔离模块4和扭振处理模块。齿轮测速 探头1设置在测速齿轮的一侧，当大轴旋转时，齿轮测速探头l输出转速信 号(类似正弦波或方波)；隔直分压滤波模块2与齿轮测速探头1连接，用 于接收转速信号并对转速信号进行直流隔离、分压和滤波处理；放大整形才莫
2 —隔直分压滤波模块;
5—锁相环N倍频单元;
8—放大单元；
11 —带通滤波单元；
53—压控振荡单元；
72—接口单元；
711—脉冲计数单元；
714—带通滤波单元；
3—》文大整形一莫块； 6—光传输单元； 9—低通滤波单元； 51—鉴相单元； 54—N倍分频单元； 7 3—计算单元； 712—转速计算单元; 715—FFT处理单元。块3与隔直分压滤波模块2连接，用于对转速信号进行放大和整形处理，得 到标准脉冲信号；光电隔离模块4与放大整形模块3连接，用于转速探测电 路和信号处理电路之间的电气隔离以提高装置的抗干扰性能；扭振处理模块 与光电隔离模块4连接，用于从光电隔离模块4接收经过隔离的标准脉冲信 号并进行处理，得到扭振转速或扭振转速频谱。本实施例中，扭振处理模块 包括锁相环N倍频单元5和扭振处理单元7，锁相环N倍频单元5与光电隔 离模块4连接，用于从光电隔离模块4接收经过电气隔离的标准脉沖信号， 并将标准脉冲信号的频率严格地提高N倍，获得高频脉沖信号；扭振处理单 元7与锁相环N倍频单元5连接，用于从锁相环N倍频单元5接收高频脉冲 信号，并通过对高频脉沖信号的处理获得扭振转速或扭振转速频谱。
本实施例上述技术方案中，锁相环N倍频单元5包括鉴相单元51、低通 滤波单元52、压控振荡单元53和N倍分频单元54，其中鉴相单元51的一个 输入端与光电隔离模块4连接，另一个输入端与N倍分频单元54的输出端连 接，用于比较标准脉冲信号fi与高频脉冲信号Nfi经过N倍分频后的信号的 相位，并将相位差转换为0~Vcc的电压信号V;低通滤波单元52与鉴相单 元51的输出端连接，用于接收鉴相单元51输出的电压信号V，并进行滤波 处理，滤除电压信号V中的高频噪音；压控振荡单元53与低通滤波单元52 连接，用于接收经过低通滤波单元52滤波处理后的电压信号V，并输出频率 与电压信号V成正比的高频脉冲信号Nfi; N倍分频单元54的输入端与压控 振荡单元53的输出端连接，用于接收经过压控振荡单元53输出的高频脉沖 信号，并进行N倍分频处理得到与输入的标准脉冲信号fi同频率并可以比较 相位的信号；N倍分频单元54的输出端与鉴相单元51的另一个输入端连接， 形成闭环控制。经过上述闭环控制后，当参数选择合适时就可保证将标准脉 沖信号的频率严格地提高N倍，达到倍频的效果。
本实施例上述技术方案中，扭振处理单元7包括依次连接的DSP单元71、 接口单元72和计算单元73,其中DSP单元71与锁相环N倍频单元5中的压控振荡单元53的输出端连接，用于接收高频脉冲信号，并对高频脉沖信号进
行处理，获得扭振转速或扭振转速频谱；接口单元72与DSP单元71连接， 计算单元73与接口单元72连接，接口单元72作为DSP单元71与计算单元 73之间的通信接口 ，以实现计算单元73与DSP单元71之间的数据通信和传 输。实际应用中，接口单元可以是串口或网口装置，计算单元可以是计算机。
图2为本实用新型第一实施例中采用带通滤波方式输出扭振转速的DSP 单元的结构示意图。如图2所示，本实施例DSP单元包括依次连接的脉冲计 数单元711、转速计算单元712、波动转速单元713和带通滤波单元714，脉 冲计数单元711还连接有定时单元710。定时单元710用于设定数据采样周 期并提供数据采样时钟；脉冲计数单元711与锁相环N倍频单元5中的压控 振荡单元53的输出端连接，用于接收高频脉冲信号，并对高频脉沖信号进行 周期性计数，获得计数值；转速计算单元712用于从脉冲计数单元711接收计 数值，并将计数值处理成数据采样周期内的平均转速；波动转速单元713用 于从转速计算单元712接收平均转速，并计算平均转速与额定转速之间的波 动转速(转速差)；带通滤波单元714为多个带通滤波器，用于从波动转速 单元713接收波动转速，通过多个带通滤波器对波动转速进行不同频带的带 通滤波，获得不同频率的扭振转速。
图3为本实用新型第一实施例中采用FFT变换方式输出扭振转速频谱的 DSP单元的结构示意图。如图3所示，本实施例DSP单元包括依次连接的脉 冲计数单元711、转速计算单元712、波动转速单元713和FFT处理单元715， 脉冲计数单元711还连接有定时单元710。定时单元710用于设定数据采样 周期并提供数据采样时钟；脉沖计数单元711与锁相环N倍频单元5中的压 控振荡单元53的输出端连接，用于接收高频脉冲信号，并对高频脉冲信号进 行周期性计数，获得计数值；转速计算单元712用于从脉冲计数单元711接收 计数值，并将计数值处理成平均转速；波动转速单元713用于从转速计算单 元712接收平均转速，并计算平均转速与额定转速之间的波动转速；FFT处理单元715用于从波动转速单元713接收波动转速，通过FFT变换获得扭振 转速频语。
图4为本实用新型第一实施例采用FFT变换得到波动转速的频谱曲线。 如图4所示，将一段采样数据样本内的波动转速(扭振转速相对于额定转速 的变化量，单位为％。)进行快速傅立叶变换(FFT)后得到的频谱曲线，由曲 线可见，波动转速中不仅包含50Hz的分量，还包含有13. lHz、25. 0Hz和29. 4Hz 的扭振转速。
图5为本实用新型第一实施例采用FFT变换得到波动转速的频谱曲线随 时间变化的示意图。如图5所示，三个扭振转速在开始时较快地增长，到达 峰值后逐步衰减。
图6为本实用新型扭振转速测量装置第二实施例的结构示意图。如图6 所示，本实施例是一种扩展结构，在前述第一实施例技术方案基础上，本实 施例扭振处理模块还包括光传输单元6,光传输单元6设置在锁相环N倍频 单元5和扭振处理单元7之间，用于将转速信号通过光纤进行远距离传送。 本实施例中，光传输单元6包括依次连接的电光转换单元、光纤传输单元和 光电转换单元，电光转换单元与锁相环N倍频单元5中的压控振荡单元53的 输出端连接，光电转换单元与扭振处理单元7的DSP单元71连接。
图7为本实用新型扭振转速测量装置第三实施例的结构示意图。如图7 所示，本实施例扭振转速测量装置包括依次连接的齿轮测速探头1、隔直分 压滤波模块2、放大整形模块3、光电隔离模块4和扭振处理模块。其中齿轮 测速探头1、隔直分压滤波模块2、放大整形模块3和光电隔离模块4的连接 关系和作用与前迷第一实施例相同，扭振处理模块与光电隔离模块4连接， 用于从光电隔离模块4接收经过隔离抗干扰处理的标准脉冲信号并进行处 理，得到扭振转速。本实施例中，扭振处理模块包括依次连接的锁相环N倍 频单元5、放大单元8、低通滤波单元9、特征噪声阻塞单元10和带通滤波 单元ll。其中，锁相环N倍频单元包括鉴相单元51、低通滤波单元52、压控振荡单元53和N倍分频单元54，结构与前述第一实施例相同；放大单元8 与锁相环N倍频单元5中的低通滤波单元52的输出端(或压控振荡单元53 的输入端)经过緩沖隔离后连接，将低通滤波单元52的输出信号(或者压控 振荡单元的输入信号)隔直放大后得到电压变化的模拟信号，该模拟信号经 过低通滤波单元9和特征噪声阻塞单元10后，送入带通滤波单元11。本实 施例中，带通滤波单元11为多个带通滤波器，用于接收电压变化的模拟信号， 通过多个带通滤波器进行不同频带的带通滤波，获得不同频率的扭振转速。
图8a、图8b和图8c为本实用新型第三实施例釆用带通滤波方式得到三 个不同频率的扭振转速的波形示意图。这三个扭振转速随时间变化曲线是分 别采用中心频率为13. lHz、 25. 0Hz和29. 4Hz的带通滤波器滤波后的结果。
本实用新型上述实施例中，可以根据需要测量信号的特点和要求，合理 选择转速信号倍频倍数和数据采样周期，以得到最好的测量精度。为了适应 不同测量场合的需要，锁相环N倍频单元的倍频倍数N设置成可调整或改变 的，优选地，倍频倍数N可以取1500 ~ 8000,倍频后的高频脉沖信号的频率 在6MHz-20MHz，相应地，测量相对误差可缩小N倍。
本实用新型提供了 一种扭振转速测量装置，通过对齿轮测速探头输出的 转速信号进行直流隔离、分压、滤波、放大和整形处理得到标准脉冲信号， 并通过光电隔离输入到扭振处理模块中，提高了装置的抗干扰能力，并保证 了测量精度。本实用新型通过锁相环N倍频单元对标准脉沖信号进行高倍数 地均匀倍频，数百至数千倍地提高标准脉沖信号的频率，如将数kHz的标准 脉冲信号转换成数MHz甚至数十MHz的高频脉冲信号，因此提高了测量精度。 本实用新型通过对高频脉冲信号进行计数处理获得采样周期内的平均转速， 通过平均转速获得波动转速，最后通过波动转速获得扭振转速频语或扭振转 速，不仅可以测量多个频率的扭振转速，而且测量精度高，使得大轴上轴段 间的微弱扭振或者转子的微弱摇摆的准确测量成为可能。本实用新型扭振转 速测量装置可以直接用于大轴扭振(或摇摆)的高精度测量，具有广阔的应用前景。
图9为本实用新型扭振转速测量装置一个具体实施的电路图，采用锁相 环芯片CD4046和分频器芯片CD4020组成的电路实现。如图9所示，运放电 路U3A和U3B用于波形整形和电路驱动，锁相环芯片CD4046完成锁相环N倍 频单元中鉴相单元和压控振荡单元的功能，分频器芯片CD4020完成锁相环N 倍频单元中N倍分频功能，电容C2、电容C3和电阻R3完成低通滤波单元的 功能，电容C1、电阻R1和电阻R2完成压控振荡单元振荡频率及其变化范围 的设置和调整，波动开关Sl完成不同分频倍数N的调整和设置。工作时，将 标准脉冲信号从I叩ut输入，高频脉冲信号从Output输出，通过后续处理系 统即可获得高精度的平均转速，测量相对误差可以缩小N倍。
图IO为本实用新型扭振转速测量装置另一个具体实施的电路图，采用集 成电路74HCT9046和74HC4059实现。如图10所示，齿轮测速探头输出的转 速信号由Jl-I叩ut输入，经过由电容COl、电阻ROl、电阻R02和电容C02 组成的直流隔离、分压电路，经运放U01A隔离放大后，进入由运放U01B、 运放U02A、电阻R05 R08以及电容C03 C06组成的低通滤波器滤波，再经 过运放U02B放大，由斯密斯触发器U03D进行过零检测和波形整形，得到标 准脉沖信号，经过两个触发器放大驱动光耦管U04进行光电隔离后将信号传 递至后续的信号处理单元。以上电路完成输入信号的调理，由图中的U05供 电。
锁相环N倍频单元由集成芯片U41、集成芯片U42及相关电阻电容組成。 其中集成芯片U41完成锁相环N倍频单元中鉴相单元和压控振荡单元的功能， 集成芯片U42完成锁相环N倍频单元中N倍频分频功能，电容C22、电容C23 和电阻R27完成低通滤波单元的功能。通过调整开关S1、开关S2和开关S3 的设置可以实现分频倍数在3 - 18000的数据范围内调整。实际应用中，分频 倍数需要根据输入信号的频率在1500 ~ 8000范围内选择。
图IO所示具体实施电路中给出了三种输出高精度转速信号的实例。 一个是由集成芯片U41的管脚4输出高精度转速脉冲信号，经过斯密斯触发器U43D 整形后输入到发射激光管Oout,输出光脉冲信号，通过光纤传送到下一级信 号处理单元。第二个是由集成芯片U41的管脚4输出的高精度转速脉沖信号 直接输送到同一电路单元的DSP系统进行后续的数据处理，包括计数、求转 速差、滤波以及其他的运算和处理。第三个是由集成芯片U41的管脚10输出 的转速波动模拟信号，由运放U24A緩冲隔离后，经过由运放U24B、运放U25A 及相关的电阻电容组成的低通滤波单元，再经运放U25B放大后由dWa输出模 拟信号。
最后应说明的是以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限 制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术 人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不 脱离本实用新型技术方案的精神和范围。
权利要求1.一种扭振转速测量装置，包括依次连接的齿轮测速探头、隔直分压滤波模块和放大整形模块，其特征在于，输出标准脉冲信号的放大整形模块与扭振处理模块连接，所述扭振处理模块包括将所述标准脉冲信号的频率提高N倍并输出高频脉冲信号的锁相环N倍频单元和根据所述高频脉冲信号获得扭振转速的扭振处理单元。
2. 根据权利要求1所述的扭振转速测量装置，其特征在于，所述扭振处 理模块还包括设置在所述锁相环N倍频单元与扭振处理单元之间用于将转速 信号通过光纤进行远距离传送的光传输单元。
3. 根据权利要求2所述的扭振转速测量装置，其特征在于，所述光传输 单元包括依次连接的电光转换单元、光纤传输单元和光电转换单元。
4. 根据权利要求1所述的扭振转速测量装置，其特征在于，所述扭振处 理单元包括依次连接的DSP单元、接口单元和计算单元。
5. 根据权利要求4所述的扭振转速测量装置，其特征在于，所述DSP单 元包括依次连接的脉沖计数单元、转速计算单元和波动转速单元，所述脉冲 计数单元还连接有定时单元，所述波动转速单元还连接有带通滤波单元或FFT 处理单元。
6. 根据权利要求1所述的扭振转速测量装置，其特征在于，所述放大整 形模块与扭振处理模块之间还设置有通过电气隔离以提高抗干扰性能的光电隔离模块。
7. 根据权利要求1所述的扭振转速测量装置，其特征在于，所述扭振处 理单元包括依次连接的放大单元、低通滤波单元、特征噪声阻塞单元和带通 滤波单元，所述放大单元与锁相环N倍频单元中的低通滤波单元的输出端连 接。
8. 根据权利要求1 ~ 7中任一权利要求所述的扭振转速测量装置，其特征 在于，所述锁相环N倍频单元包括鉴相单元、低通滤波单元、压控振荡单元和N倍分频单元，所述鉴相单元的一个输入端与光电隔离;f莫块连接，另一个 输入端与N倍分频单元的输出端连接，低通滤波单元与鉴相单元的输出端连 接，压控振荡单元与低通滤波单元连接，N倍分频单元的输入端与压控振荡 单元连接，输出端与鉴相单元的另一个输入端连接。
9.根据权利要求8所述的扭振转速测量装置，其特征在于，所述N倍分 频单元中的倍频倍数N为1500 - 8000。
专利摘要本实用新型涉及一种扭振转速测量装置，包括依次连接的齿轮测速探头、隔直分压滤波模块和放大整形模块，输出标准脉冲信号的放大整形模块通过光电隔离模块与扭振处理模块连接，所述扭振处理模块包括将所述标准脉冲信号的频率提高N倍并输出高频脉冲信号的锁相环N倍频单元和根据所述高频脉冲信号获得扭振转速的扭振处理单元。本实用新型通过锁相环N倍频单元对标准脉冲信号进行高倍数地均匀倍频，数百至数千倍地提高标准脉冲信号的频率，不仅可以测量多个频率的扭振转速，而且测量精度高，可以直接用于大轴扭振的高精度测量，具有广阔的应用前景。
文档编号G01H1/10GK201382954SQ20092000372
公开日2010年1月13日 申请日期2009年1月23日 优先权日2009年1月23日
发明者王绍德 申请人:王绍德