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7.电容:1000pF; 8.重量:2590g
2.3.3转速传感器选择
1.工作原理
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转速传感器选用非接触光电式转速传感器，它分为投射式和反射式两类。投射式光电转速传感器的读数盘和测量盘有间隔相同的缝隙。测量盘随被测物体转动，每转过一条缝隙，从光源投射到光敏元件上的光线产生一次明暗变化,光敏元件即输出电流脉冲信号（图1）。反射式光电转速传感器在被测转轴上设有反射记号，由光源发出的光线通过透镜和半透膜入射到被测转轴上。转轴转动时，反射记号对投射光点的反射率发生变化。反射率变大时，反射光线经透镜投射到光敏元件上即发出一个脉冲信号；反射率变小时，光敏元件无信号。在一定时间内对信号计数便可测出转轴的转速值。
2.具体型号的选用
具体型号选用LG--916光电式转速传感器，制造商为小野（ONO SOKKIONO SOKKI） LG--916是从传感器发出 (红外线)，照到旋转轴上产生反射光,再检测这个反射光的非接触式转速传感器。在旋转轴上通常要贴反射标签，LG--916是在其尖端部使用玻璃纤维束，其玻璃纤维束发出红外线光，同时接受反射回来的光。传感器内装小型放大器，对波形整形为矩形波输出重量只有150g，非常紧凑轻便。
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3.系统的硬件设计
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系统的硬件主要包括电源模块、C8051F340单片机、数据采集模块，数据传输电路等对轴承故障诊断及检测。
3.1 电源模块
电源电路负责给硬件电路提供工作电源。本电路直接使用3节干电池供电，这样增加了设备的可移动性，同时也减小了设备的体积。
3.2 轴承故障诊断的理论与方法
轴承故障诊断中, 采用共振解调法, 基本原理为: 当轴承某一元件表面产生局部损伤时, 在轴承受载运行时要撞击与之相互作用的其它元件表面, 产生一系列的冲击脉冲力. 这些冲击力会激起轴承系统的高频固有振动. 根据实际情况, 可选择其中一个高频固有振动作为研究对象, 通过带通滤波的方法, 把它从其中的高频振动中分离出来. 这个高频固有振动的振幅受轴承元件故障特征频率的调制. 利用包络检波器解调得到反映故障的包络信号, 对此包络信号进行分析, 即可诊断出滚动轴承的故障. 振动信号的分析处理分为时域处理和频域处理两类. 时域处理主要指标为振动信号的均方根值和峰值, 可以通过均方根值硬件电路和峰值保持电路得到. 当利用时域指标监视发现某轴承有故障, 要判断到底是什么类型的故障、故障发生在哪个元件上, 以及故障的严重程度等比较精确的信息时, 需要对滚动轴承的信号进行频谱分析, 即进行频域处理. 根据频谱图中的频率成分以及各有关频率成分处的幅值大小进行精确诊断.如图所示：
元件损伤 冲击 高频 固有振动 传感器拾取振动信号 低通滤波器 包络信号 带通滤波放大 频谱分析 频谱
图3.1 检测流程图
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轴承的故障特性分析
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滚动轴承的不同类型的故障会引起不同类型的特征振动信号，按照振动信号的不同可以将故障区分为一下几个类型：
1.滚动轴承的构造故
当轴承上面加上一定的负载时，旋转轴的中心随着滚动体的位置变动，这是因为负载使轴承的内外圈跟滚动体发生了弹性形变，同时产生的振动叫做滚动体的传输振动，这个振动的主要频率是zfc（z为滚动体数，fc为滚动体频率），对于旋转轴弯曲，轴承跟轴装歪，或者滚动体的直径不一致的故障会产生如下表中的振动：
表3.1 构造故障频率
异常原因 特征频率 备注
轴弯曲或轴装歪 ?fc??f f为旋转频率，不能引起高频衰减振动 滚动体直径不一致 fc以及nfc=f f为旋转频率，不能引起高频衰减振动
2.滚动轴承的表面损伤 表面损伤的类故障是轴承最常见的故障，常表现为元件表面疲劳导致剥落，压痕，裂痕，烧伤，划伤等。当轴承存在局部损伤时，损伤点通过轴承元件表面时要产生突变的冲击脉冲力，该脉冲是一个宽带信号，所以必然覆盖轴承系统的高频固有振动频率而引起谐振，从而产生冲击振动由于滚动轴承的匀速回转，使冲击具有周期性，对发生在不同位置的损伤，丛集具有不同的频率，通常称为特征频率，故障特征频率一般在1KHz以下，股东轴承不同元件损伤故障特征频率各不相同，损伤故障特征频率计算公式，如下表：
为简单起见，设轴承外圈固定，内圈旋转，表中，d为滚动体直径，D为轴承节圆直径。a为接触角，z为滚动体个数，fx为内圈的旋转频率，fc为外圈的旋转频率，N为工作转速。
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表3.2 滚动轴承的表面损伤
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异常情况 特征频率 备注
外圈损伤 ???????1?(1?dcos?)?? 能引起高频衰减振动
2D内圈损伤 ????????????1?(1?dcos?)?? 能引起高频衰减振动
2D 滚动体损伤 ??????
Ddcos?(1/()2)?? 能引起高频衰减振动 2dD3.精加工面波纹
制造时如在滚道或者滚动体的精加工上面留有波纹，当凸起数达到某一数值时就会引起如下表的振动：
表3.3 波纹频率
异常原因 特征频率 备注
内圈波纹 ????? 波纹凸起数为????，发生左栏中频率振动 外圈波纹 ???? 波纹凸起数为????，发生左栏中频率振动 滚动体波纹 ??????? 波纹凸起数为2n时，发生左栏中振动 4.滚动轴承不同轴
当轴承不对中或者轴承装配不良时都会发生一些低频振动，如下表：
表3.4 滚动轴承不同轴时的频率
异常原因 特征频率 备注
两个轴承不对中，轴承架 表面划伤或进入异物轴承支
球轴承发生振动 ?/2 发生左栏中的振动，
架装配松动，轴承本身装配不良
内圈面的圆度差，轴径圆度差 轴径面划伤或进入异物
2?
同上
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轴承的故障特征频率的实际值跟测量值有偏差，这是因为轴承元件并非绝对的刚性体，滚动体与内外滚道之间也会有相对滑动，再加上瞬时转速的波动跟测量仪器的误差，使得滚动轴承的实际值跟测量值的存在误差，实测值在计算值附近的某频带范围内，轴承型号不同或者元件不同，这种误差也不同。
3.3 轴承故障诊断的硬件结构设计
轴承诊断装置主要是由模拟硬件电路，9通道数据采集电路及自带USB控制器和A/D转换器的混合信号微处理器C8051F340等组成，其主要硬件电路结构图是：
被检测的 轴承设备 压式速传器 电加度感
包络检波电路 USB C8051F340单片机 A/D 转速传感器 串口 PC机
图3.2 硬件电路结构图
电路的设计采用共振解调的原理，利用加速度传感器采集震动信号，获取故障信息，实现对滚动轴承的震动信号的处理，发现轴承的故障后，判断是什么类型的故障，故障发生在哪个元件上，以及故障的严重程度等比较精确的信息时，需要对滚动轴承的信号的信号惊醒频谱分析，即进行频域处理。滚动轴承的故障特性的频率计算需要知道内圈的旋转频率，所以有必要知道旋转体的速度，采用非接触式光电式传感器。 3.3.1信号放大电路
在测量时，由传感器传来的信号一般都是比较弱的低电平信号，不适合直接进去ADC，放大器的作用等同于放大电路，将微弱信号惊醒放大，一边能充分的利用ADC的满刻度分辨率，同时还可以要求放大器能抑制干扰跟降低噪声。由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用