（光学工程专业论文）弓网振动在线检测及信号分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 弓网的振动状态是评价弓网关系的重要指标之一。振动加速度参数检测 能够反应受电弓的振动故障，如硬点、冲击。当电力机车处于高速行驶状态 时，由于接触网结构缺陷会造成弓网之间的振动。受电弓上形成水平方向上的 冲击和垂直方向的硬点。由于接触网硬点造成的“弓网事故 占弓网事故总 和的比重相当大。 由于弓网振动检测系统的前端处于高压环境中，这个环境中由于电弧干 扰和电气的不连续性所产生的电磁干扰给检测系统提出了严峻的挑战。弱电 级的检测电路要在高达1 0 0 k v 浪涌和由电弧引起的宽频带电磁干扰，以及瞬 时电流高达1 k a ，同时机械振动超过5 0 9 的情况下稳定运行，为系统提出了 新的要求。 本文针对硬点和冲击检测的现状设计了弓网振动加速度检测系统。针对 现场环境的实际情况选择了两款不同原理的加速度传感器，并对两种传感器 进行了适应现场环境的改进。论文中采用高速模数转换，应用过采样技术， 较好的完成信号的采集以及滤波预处理，降低了抗混叠滤波器的设计难度， 提高了信噪比。d s p 技术已大量应用于各领域，本文中引入d s p 技术到弓网检 测中，提高了检测系统实时性，并降低了功耗。为了实现模拟信号与采集电 路的隔离，利用光耦隔离技术，实现了模拟信号的隔离。加速度信号必须要 从高压部分传输到低压部分，利用光纤进行高低压隔离传输是有效的方法。 最后基于工控机平台对信号进行了现代数字信号处理，包括短时傅里叶变换， 小波分析等。通过信号分析发现，压电式加速度传感器和电容式加速度传感 器的联合应用可以有效的克服高压端的干扰。 关键词：弓网振动检测：加速度传感器：数字信号处理；d s p 处理 查童奎塑盔堂塑圭塑窒生堂鱼迨窒篁! ! 夏 a b s tr a c t c a t e n a r y - p a n t o g r a p hv i b r a t i o ns t a t ei s ak e yi n d i c a t o rt oe v a l u a t et h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nc a t e n a r ya n dp a n t o g r a p h v i b r a t i o na c c e l e r a t i o np a r a m e t e r sc a l lr e a c tt h e v i b r a t i o nf a u l to ft h ec a t e n a r y - p a n t o g r a p h ，s u c ha sh a r d p o i n t ，i m p a c te t c w h e n t h ee l e c t r i cl o c o m o t i v er u n si nah i g h s p e e d ，c a t e n a r y - p a n t o g r a p hw i l lv i b r a t e r e s u l tf r o ms t r u c t u r a lf a u l to ft h ew i r e i m p a c ti nt h eh o r i z o n t a ld i r e c t i o na n d h a r d - p o i n ti nt h ev e r t i c a ld i r e c t i o nw i l lf o r m e di nt h ec a t e n a r y p a n t o g r a p h t h eh i 曲- v o l t a g ee n do ft h ed e t e c t i o ns y s t e mi si nah i g h v o l t a g ee n v i r o n m e n t ， e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ei nw h i c hg e n e r a t e db yt h ed i s c o n t i n u i t yo fe l e c t r i c a l a lea n de l e c t r i cf o r m sag r i mc h a l l e n g et ot h es y s t e m i nt h i s p a p e r , c a t e n a r y - p a n t o g r a p hv i b r a t i o na c c e l e r a t i o n d e t e c t i o ns y s t e mi s d e s i g n e da i m e da tc h a n g i n gt h ep r e s e n t c o n d i t i o n s t w ot y p e so fa c c e l e r a t i o n s e n s o rw i t hd i f f e r e n tp r i n c i p l e sa r ec h o s e na n di m p r o v e da c c o r d i n gt ot h e e n v i r o n m e n to nt h es p o t s i g n a lc o l l e c t i o na n df i l t e r i n gp r e t r e a t m e n ta r ec o m p l e t e d i nab e t t e rw a yb yu s i n gh i g h - s p e e da d ca n dl e a das a m p l et e c h n i q u e ，w h i c ha l s o l o w e r sd e s i g nd i f f i c u l t ya n de n h a n c e ss i g n a l - t o - n o i s e i nt h i sp a p e r , d s p t e c h n i q u ew h i c hh a sb e e nu s e di nm a n ya r e a si si n t r o d u c e di n t ot h ed e t e c t i o no f c a t e n a r y - p a n t o g r a p h t oa d v a n c et h es y s t e mi nr e a l t i m ea n dr e d u c ep o w e r c o n s u m p t i o n i no r d e rt oi s o l a t ea n a l o ga n dc o l l e c t i o nc i r c u i t ，p h o t o c o u p l i n gi s o l a t i o nt e c h n i q u e i su s e d a c c e l e r a t i o ns i g n a l sm u s tb et r a n s f e r r e df r o mt h eh i g h v o l t a g ee n dt ot h e l o w - v o l t a g ee n d ，t r a n s f e r r i n gb yc a b l ei s ae f f e c t i v ew a y i nt h ee n d ，s i g n a l sa r e p r o c e s s e db ym o d e md a t as i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u eb a s e do nc o m p u t e rp l a t f o r m ， i n c l u d i n gs h o r t t i m ef o u r i e rt r a n s f o r m ，w a v e l e ta n a l y s i se t c t r o u g hs i g n a l a n a l y s i s ，i ti sd i s c o v e r e dt h a tt h ea p p l i c a t i o no fp i e z o e l e c t r i c i t ya c c e l e r a t i o ns e n s o r a n dc a p a c i t a n c ea c c e l e r a t i o ns e n s o rt o g e t h e rw i t hd a t as i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d r e a l i z er e a l - t i m eo n - l i n ed e t e c t i o no fc a t e n a r y - p a n t o g r a p hv i b r a t i o na c c e l e r a t i o n ， o v e r c o m i n gi n t e r f e r e n c ef r o mt h eh i g h - v o l t a g ee n de f f e c t i v e l y k e yw or d s ：c a t e n a r y - p a n t o g r a p hv i b r a t i o nd e t e c t i o n ；a c c e l e r o m e t e r ；d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g ；d s pp r o c e s s o r 。 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阏和 借阅。本人授权西南交遥大学可以将本论文的全部或部分肉容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密舀，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：这辽暇 指导老师签名： 日期：) 争、l 】，l 日期：一 、l 1 1 杰僳， 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 设计出了具有实时性的基于d s p 的振动加速度检测系统的硬件和软件，通过有效的 屏蔽、隔离、接地措施使系统在2 7 5 k v 高压、室外的恶劣环境中能够长期稳定的运行。 通过数据的时域、频率、时频域的分析，发现了去除干扰信号的有效方法，即结合 两种类型传感器进行信息融合。 目前，系统的开关量检测功能被成功的运用到兰州弓网分段检测项目中，解决了高 压端对单片机系统的干扰困扰。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 弓网系统振动研究的意义和研究内容 1 1 1 弓网振动研究的意义 电力机车在运行过程中，通过受电弓与接触网动态接触来获取电能。受 电弓与接触网可靠的接触是保证高速受流的重要条件。受电弓弓头的滑板与 接触网接触，相对滑动，从接触网上取下电流输送给电动机，这个过程称为 受流。动态受流是指电力机车通过受电弓与接触线的活动接触接受电流并传 给电力机车的过程。在这一过程中受电弓与接触网相互作用，相互制约，相 互依赖。机车受流的好坏将直接影响到机车运行安全。弓网振动故障诊断主 要是可以诊断出垂直硬点和水平冲击。 接触网硬点是指在接触线接头、区分绝缘器、定位装置以及中心锚结等 处所，接触线柔性变差或形成集中质量的现象乜刳。 开展弓网的振动故障诊断技术具有以下意义。 1 提高设备现代化管理水平 弓网故障诊断是设备管理的重要组成部分，“管好，用好，修好 弓网将 提高机车的运行效率。 2 提高可靠性和可维修性 动态弓网接触系统可靠性，可维修性必须加以保证。进行振动故障诊断 可提高机车运行的可靠性，提供维修依据，从而提高生产率，降低成本，保 证铁路系统正常运营。 3 避免重大事故的发生，减少事故危害性。 要想接触网结构完整，不出现故障是不可能的。中国铁路线比较长，施 工的强度大，并且由于环境的各种原因也会造成接触网结构不完善的地方。 进行弓网振动的研究可以提前找到这些隐藏的故障。特别是硬点等故障对弓 网系统的影响。把握其发展趋势，及早采取有效措施，做到防患于未然。 1 1 2 弓网振动研究的内容 弓网振动的故障诊断的基本过程如图1 1 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 图1 1 故障诊断基本过程 具体研究内容如下： 1 机车运行时，振动故障机理和特殊环境 机车处于高速行驶状态时，由于接触网结构缺陷都会造成弓网之间的振 动，当与缺陷碰撞时，会形成水平方向上的冲击和垂直方向的硬点。但是弓网 振动检测又不同于普通环境，主要是因为状态检测系统或信号处理系统处于 机车车顶高压端，信号容易受到电磁干扰。利用各种抗干扰技术保证数据的 真实性，也是重要的研究内容。 2 状态监测 状态检测包括三个方面的内容：信号的测取，信号调理，和信号模数转 换。信号测取要求根据振动的机理来选择故障检测的特征参量。本系统中通 过检测弓网振动加速度来提取冲击和硬点故障数据。既然要检测弓网振动加 速度信号，那么选择一款适合弓网运行环境的加速度传感器也是关键点。信 号的测取到后需要对信号进行滤波，放大调理，使信号更适合a d 芯片的转 化范围，提高精度。同时，滤波有助于去除杂质信号。信号模数转化需要根 据信号的振动频率选择合适的a d 转化芯片。 3 信号处理 有a d 芯片转化而来的信号虽然经过了信号调理，但是，基于d s p 系统 的预处理可以完成信号提取，信号缓存，和数字滤波。这个部分是本系统的 设计重点。由于受到传输通道的影响，通道带宽有限，需要对故障信号进行 提取，然后再传输。信号提取后传输需要时间，需要优化信号缓存任务。通 过平均法和f i r 滤波方法可以有效的解决高频电磁的干扰。 4 信号传输 因为车项高压端为2 7 5 k v ，5 0 h z 的高压交流电，不能将信号电缆直接接 入车内的计算机中，这样会造成击穿车顶的重大事故。所以信号传输时必须 进行高低压隔离。本系统中主要采用的r s 4 8 5 光纤通讯。 5 故障诊断 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 这部分主要包括故障信号的时域分析，频域分析，时频域分析，小波分 析等。从经典信号处理和现代信号出发对故障信号进行全方位的分析。整个 检测系统的难点在高压端的采集部分。必须从大的干扰信号中找到合适的算 法，从而实现振动超限的故障诊断。 1 2 接触网硬点检测的主要问题 对于接触网硬点问题，一直是业内比较头疼的问题，由于接触网硬点造 成的“弓网事故”占弓网事故总和的比重相当大。尤其是在机车运用速度不 高的时期运用比较稳定的区段，当机车提速以后由于硬点的原因造成的弓网 事故，不得不让我们将接触网硬点的问题重新设计，以更好的适应铁路提速 的发展。 由于机车运用速度的大幅度提高，同等技术条件下所存在的硬点，高速 运用状态比低速运用条件下对受电弓造成冲击负荷大得多，致使弓架发生变 形，导致弓头及弓体出现断裂。硬点冲击的测量问题，在研制工作的一开始 曾经存在有非量化与量化测量的两种竞争意见。 前者认为，凡是有硬点存在，就必然存在冲击加速度，据此找出硬点的 存在部位，即可解决硬点测量问题，所以，在研制前期对加速度的测量一直 是作为开关量处理的一个辅助参数，即该系统只将加速度的存在与否，作为 一个开关量予以识别。 但后来由于机车大幅度提速提出了“分档量化测量加速度 的新概念。 也正是这种量化测量概念的提出，为系统的研制工作增加了新的难度。 弓网振动检测系统是强弱电紧密结合、以电力电子和微电子器件为核心 的硬件系统，其所用的原器件和电了线路，具有工作信号电平低、速度快、 元器件安装密度高的特点，对电磁、高压干扰较敏感，必须采取合理的抗干 扰措施，保证其长期稳定可靠地运行。 ( 1 ) 需要选择在高压，室外环境中能够稳定工作的加速度传感器。但是 从世界范围来说，对于高电磁场中的加速度传感器研究比较少。 ( 2 ) 对信号的采集工作提出了难题。采集系统处于高压端中，必须保证 其生存能力和抗干扰的能力。同时必须具有良好的电源，信号隔离能力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 ( 3 ) 高压端系统功能的增强伴随着功耗的增加，而高压端的设备供电主 要依靠换能而来，也就是说将高压端的电磁能转化为检测系统的电能，所以 需要更加强大的换能器。 ( 4 ) 信号在高低压之间传输，需要进行隔离。那么隔离系统信号带宽必 须大于信号的带宽才能无损耗的实时传输。 ( 5 ) 整个系统的整体抗干扰能力要综合考虑。对系统的干扰主要发生在 升弓，降弓，过分相，合闸，断闸，网压突变等过程中。在这种恶劣的环境 中进行检测是一种挑战 弓网振动检测的高压端处于在2 7 5 k v 的高压环境中，这个环境中由于电 弧和电气的不连续性所产生的电磁干扰形成了严峻的挑战。弱电级的检测电 路要在高达i o o k v 浪涌和由电弧引起的宽频带电磁干扰，以及瞬时电流高达 1 k a ，同时机械振动超过5 0 9 的情况下稳定运行不是一件容易的事。 1 3 论文的主要工作和突出特点 论文主要对弓网振动信号进行采集，处理和频谱分析，小波分析等，不 涉及其他弓网参数的检测方法研究。 本论文给出了受电弓振动检测的原理方法，设计了车项高压端的d s p 采 集处理系统，设计了高低压的光纤通信系统，并且基于d s p b i o s 实时操作系 统实现了信号的实时采集，滤波，传输算法，以及对采集到的故障信号进行 了现代数字信号处理和分析，最后给出了高压环境抗干扰的原理与方法。 论文共分为六章，分别是“绪论 、“振动检测原理与数据采集系统设计、 “基于数字信号处理器的硬件设计 、“基于d s p b i o s 嵌入式实时操作系统软 件设计 、“振动信号的数字信号分析处理 、“系统的抗干扰性”等。其中“绪 论”主要讲述了弓网检测的意义和主要工作内容，概括了论文中所需要使用 的工具和开发平台。“振动检测原理与数据采集系统设计”主要讲述采集系统 的构成，传感器的选型和弓网振动检测所需传感器的特殊要求，以及过采样 技术在采样中的应用等，还讲述了过采样算法在d s p 中的实现。“基于数字信 号处理器的硬件设计 部分详细讲解了系统的硬件设计，给出了原理图和电 路说明，其中包含有信号调理电路、a d 电路、模拟信号光隔离电路、光发射 电路、光接受电路、异步串行通讯接口电路等。在叙述完系统的硬件设计后， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 接下来主要讲述“基于d s p b i o s 嵌入式操作系统开发”，给出了系统的任务 分布图。在“振动信号的数字信号分析处理部分中，结合经典的频谱分析 方法和现代的时频分析方法对信号进行深入的分析。最后从抗干扰的角度给 出了系统中设计到的抗干扰措施。 1 4 软硬件开发环境和工具 本论文基于p r o t e ld x p 设计了系统的原理图，p c b 图。 硬件设备驱动和采集调试程序由c 语言编制而成，基于d s p 信号处理算 法用汇编程序编写。所以软件系统属于混合编程。 论文中主要使用到t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片，该芯片资源丰富，运算 速度快，可达1 5 0 m h z ，属于控制领域优秀的d s p 产品。其开发环境为c c s 3 1 。 利用m a t l a b 7 0 生成滤波器参数，信号的分析，处理和变换等工作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章振动检测原理与数据采集系统设计 2 1弓网振动检测综述 2 1 1 振动的描述 振动是指物体或结构随时间变化相对其平衡位置所做的往复运动，通常 用位移，速度和加速度来描述，也可以是一些物理量如力和应变等按上述运 动方式所做的变化。本系统中是用加速度来描述的。振动随时间变化的过程 可以画成有坐标的曲线图形，通常横坐标为时间，纵轴坐标为振动物理量幅 值，振动随时间变化曲线称为振动时程曲线，也称为振动波形。描述振动的 信息称为振动信号，振动现象可以分为两大类。 一类为确定性振动。确定性振动的特点时振动有规律性，可以用确定的 时间函数来描述物体的所有振动物理量。确定性振动又分为周期性振动和非 周期性振动。周期性振动时指按一定时间间隔重复运动规律的振动，周期振 动能由有限个按线型分布的频率的简谐振动的合成。非周期振动是指运动规 律没有周期性的振动。 另一类为随机振动，也称为非确定性振动。随机振动的特点是振动的无 规律性，物体的任何振动物理量都不能用确定的时间函数来描述，随机振动 只能用概率论和统计学的方法来描述，随机振动还可以分为平稳随机振动和 非平稳随机振动。平稳随机振动是指运动的统计特性不随时间变化的随机振 动。非平稳随机振动是指运动的统计特性随时间变化的随机振动。 确定性振动与随机振动的本质区别在于是否可以用确定的时间函数来描 述振动过程。图2 1 描述了振动过程的分类。 弓网振动就是一种随机振动，由于机车运行速度，接触网质量，铁轨质 量的不确定性，使弓网振动信号不能重复。无法用实验的方法再重复。其主 要特点如下： ( 1 ) 弓网的随机振动没有固定的周期，不能用简单函数的线型组合来表 示其运动规律。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 图2 1 振动信号分类 ( 2 ) 对于确定的时间t ，振动的三要素，即振幅，频率，和相位不可能 事先知道，因为它们本身是随机的。 ( 3 ) 在相同的条件下，进行一系列的测试，各次纪录结果不可能一样。 对随机振动的分析于对确定性振动的分析是完全不同的，其本身的区别 就在于对随机振动的分析一般指的不是对单个的振动现象的分析，而是着眼 于大量的振动现象的分析。再这大量的振动现象的集合中，就单个现象来看 似乎是杂乱的，无规则的，但从总体来你看，它们之间确存在着一定的统计 规律性。因此，它的规律虽然不能用时间的确定函数来描述，但确能用概率 论和统计学的方法来描述。对随机振动的描述需要统计参数，这些统计参数 主要有概率密度函数，均值，方差等一些数字特征量，相关函数以及功率谱 密度函数等。 2 1 2 弓网振动信号的处理内容 机车在运行的过程中，弓网经常会发生的离线的情况，这些导致受电弓 电流急剧变化的情况都会产生严重的电磁干扰。所以弓网的振动检测数据在 大多数情况下不是真实的振动信号，或者说与真实的振动信号之间存在一定 的差别，所以未经过分为分析处理，修正，直接采用测试得到的振动信号作 为结果往往会产生错误的结论。 振动信号处理就是通过一些数学运算方法对振动测试得到的信号进行加 工，去伪存真，计算出需要了解的内容。弓网振动信号的处理包括预处理， 时域分析，频域分析，时频分析，小波变换等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 振动信号的预处理：由于加速度传感器被固定在受电弓上，所处的环境 非常恶劣，传感器在输出加速度信号时，必然夹杂着许多不需要的成分。这 样就需要对所得的信号做初步加工处理，修正波形的畸变，剔除混杂在信号 中的噪声和干扰，削弱信号中的多余内容，强化突出感兴趣的部分。弓网振 动信号的预处理包括标定数据的物理单位，把采集得到的振动信号数据由量 化的数字量转换成所测试的物理量。消除趋势项，可将由于基线偏离所造成 波形畸变加以修正。用平均值法来消除混杂于信号中的高频噪声的干扰和影 响。当然，信号的预处理还包括基于硬件的信号调理和放大，以及隔离等。 振动信号的时域处理：振动信号的时域处理又叫波形分析，主要是对时 域信号波形的分析处理。滤波是时域信号处理的重要内容。基于硬件的r c 低 通滤波器和基于软件的线型相位f i r 滤波器可以滤除信号夹杂的高频信号。 同时从时域信号中可以得到波形的最大值，平均值，有效值等等。通过信号 的相关函数以及将加速度与与位移，速度相互转化的积分变换等。由于弓网 振动信号属于随机信号的范围，所以，可以进行一些概率和数理统计的处理 方法，如概率密度分布函数，概率密度函数，均值，均方值，方差和相关分 析等。 振动信号的频域处理：频域处理也称为频谱分析，是建立在傅立叶变换 的基础上的时频变换，处理得到的结果已频率为变量的函数，称为谱函数。 频域处理主要的方法有傅立叶变换，通过傅立叶变换可以得到信号的幅度谱 和相位谱。随机振动信号的频域处理以功率谱密度函数为基本函数。 另外，弓网振动系统的统计规律也随着时间变化，也就是说弓网的振动 是以种非平稳的随机振动，所以要利用现代信号处理技术完成对信号的分析。 本论文中用到的频域处理方法包括时频分析，小波分析，复倒谱等。 2 1 3 振动信号的测量 在本论文中，振动信号的检测是由加速度传感器以及将传感器所输出的 电信号进行加工的放大器或变换器组成。加速度传感器包括压阻式，悬臂梁 式，压电式，电容式，光纤式等。这些传感器将被测对象的振动加速度转化 为电阻，电荷，电容，光相位或者光强的变化。由于压阻式和悬臂梁式的加 速度传感器多用在航天、机车控制、工业振动、运动控制等低频应用领域， 并不适合高频冲击检测。虽然光纤式的加速度抗干扰能力强，但是测量范围 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 一般小于2 0 9 ，适合小振动高精度测量，不适合弓网振动的测量。本文选择的 是压电式加速度传感器和电容式加速度传感器。这两种传感器都有高压的应 用经历，特别是压电传感器用于航天，航空，车辆，机械，兵器，爆破的振 动冲击测量。 2 1 4 信号的采集 由于数字信号在抗干扰能力，容易处理，容易保存，和容易传输等特点， 经常需要将模拟信号转化为数字信号。采集系统采样保持，模数转化，微处 理控制采集和存储。 2 2 弓网振动信号的测量 2 2 1 弓网振动信号检测的主要特点 加速度信号往往在高频冲击过后有大约3 2 h z 的振荡过程。有文章指出嵋3 ， 在时速3 0 0 k i n 时，受电弓受硬点冲击作用的加速度振动频率小于6 0h z 。然而 我们选择传感器不能局限于振动频率的两倍。因为大的加速度振动值往往出 现在6 0 h z 的振动以前，所以选择频率要大于几百赫兹( 信号频率的4 - - 5 倍) 。 同时，弓网振动检测的高压端处于在2 7 5 k v 的高压环境中，这个环境中由于 电弧和电气的不连续性所产生的电磁干扰形成了严峻的限制。在高达l o o k v 浪涌和由电弧引起的宽频带电磁干扰，以及瞬时电流高达1 k a ，同时机械振动 超过5 0 9 的情况下干扰的频率往往大于1 m h z 。所以选择的传感器的频率最 好在1 i ( h z 和0 5 m h z 之间。 2 2 2 加速度传感器的类型选择 综上所述，选择传感器主要考虑三个方面的参数，振动范围，频率范围， 和环境条件。 弓网的加速度检测的振动环境，无疑必须要选择适应工业环境的加速度 传感器，从各文献和实际的经验来看，选2 0 0 3 0 0 9 的范围是合适的，在这个 范围内也有很多产品可以满足线形化的要求，但要注意耐冲击的能力最好达 到3 0 0 0 9 以上。频率范围也是我们需要关心的，根据用途就可以决定频率。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 文献中没有找到弓网的振动频率的说明。不过根据归类知道，它属于机械测 振动或者冲击测振。 选择加速度计的频率应高于被测物的振动频率，有倍频分析要求的加速 度计频响应更高。土木工程是低频，加速度计可选择0 2 h z l k h z 左右， 机械设备一般是中频段，可根据设备转速、设备刚度等因素综合估计频率， 选择0 5 h z 5 k h z 的加速度计。冲击测量高频居多。将频率定在5 k h z 是 比较合适的。 铁科院试用过p c b 的3 7 0 0 系列电容式传感器，l c 0 1 系列压电式传感器， 东北电力大学也用过p c b 3 7 0 0 系列传感器。3 7 0 0 系列带宽为1 i h z ，激励电压 为1 2 v ，输出电压为正负2 v ，可测量2 0 0 9 的范围。l c 0 1 系列为1 0 k h z ，1 8 2 4 v ， 2 2 0 毫安恒流适配器，输出5 v ，为两线方式。 附加质量：在振动结构上安装的加速度计的质量只要小于结构自身质量 的1 1 0 即可。安装方式有共地型，绝缘型，和浮地型。 共地型可以安装在非导电体的表面，绝缘型在安装到导体表面上时，要 使传感器地与安装系统绝缘。浮地型要使传感器屏蔽层与系统共地，信号电 路与系统地不共地。在高压的强电磁干扰场合，我国研究比较少。问过国内 给一些传感器供应商，也对国外传感器进行了一些咨询，都说没有高压应用 的经历。要找到询问的对象，比较困难。 前面已经提到，加速度传感器包括压阻式，悬臂梁式，压电式，电容式， 光纤式，振梁式等。这些传感器将被测对象的振动加速度转化为电阻，电荷， 电容，光相位或者光强的变化。由于压阻式和悬臂梁式的加速度传感器多用 在航天、机车控制、工业振动、运动控制等低频应用领域，并不适合高频冲 击检测。虽然光纤式的加速度抗干扰能力强，但是测量范围一般小于2 0 9 ，适 合小振动高精度测量，不适合弓网振动的测量。本文选择的是压电式加速度 传感器和电容式加速度传感器。 2 3 工业环境中传感器的特殊要求 工业传感器倾向于被永久的安装在恶劣的环境中。早期的传感器材料 方面的考虑直接影响了传感器在恶劣环境中生存的能力。传感器应该由3 1 6 l 纯钢，连接器应该使用密封军用的连接件。外部的容器也应该完全密封。铝 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 容器的加速度传感器不能在粗陋的工业环境中安装。b n c 或者同轴连接器在工 业环境中不能持久。内部的晶体结构应该机械上稳定，并且不应该粘合在一 起。 _ 电缆装配必须像传感器一样的坚强。在有污染物的地方，与连接器相 交的地方应该密封。电缆的外层材料应该确保化学物质或者温度范围不要超 过它的使用范围。频繁的安装是有危害的，因为没有足够的精力去关注连接 器和电缆。传感器也许是工业标准的，但是失败也可能发生在电缆和连接器 上。 另一个需要考虑的环境性的条件是振动传感器的安装方法。在预测性 的维护中，四个主要的方法被用来安装传感器来监测。他们是螺钉固定的， 粘接剂固定，磁力固定，探针固定。每种方法都会影响传感器的高频响应。 大头螺钉固定方式提供了最广泛的频率响应和最安全可信安装。 就象前面所讲的一样，连接器的选择和电缆的选择对传感器的安装性 能有一个直接的影响，对于电缆的另一个考虑是电缆导体的终止方式，i c p 加速度传感器是内部放大的，两线的加速度传感器。连接到传感器需要两根 线，一个属于电源和信号，另一个属于地和信号回路。同轴电缆在仅仅使用 两线的时候才被使用，并且同轴电缆成本不高。干扰信号由于地回路，电磁 干扰，或者无线电干扰。为了避免地回路的干扰，在系统中应该只有一个地 回路信号。 _ 永久的安装需要双线屏蔽电缆来确保干净的振动信号的传输。双线屏 蔽电缆允许信号和信号地被完全的屏蔽从传感器到显示设备。为了提供最好 的屏蔽从e m i 到r f i ，为了确保地回路信号不受影响。屏蔽应该在一个点接地。 典型的做法是一个双线屏蔽电缆的屏蔽层在传感器端应该保持开路或者不连 接，另一端在仪器端连接到大地。 当把加速度传感器安装到导电设备表面时，一个潜在的地噪声的产生 了。这些接地到结构的的设备如电动机，抽水机，和发电机所产生的噪声， 通过传感器的基底进入了测量信号的地回路。 当传感器安装到与信号调节器和显示设备不等位体的被测量物时，地 回路就产生了。这种情况会导致电流的流动，具有潜在的错误数据，和信号 偏移。在这种条件下。电气隔离或者使加速度与测试系统浮地。这可以通过 多种方法来完成。大部分的加速度传感器可以提供完全隔离的基底。绝缘安 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 装座的使用，绝缘安装螺钉，绝缘基底和其它绝缘材料如在磁性基底的下面 的纸，都是有效的地绝缘技术。必须意识到增加的地绝缘硬件会降低截止频 率。 2 3 1 压电式加速度传感器的原理与选型 ( 1 ) 压电式加速度计的结构和安装 压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它是 利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电 元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则 力的变化与被测加速度成正比。 由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，而且传感器本身有很大 内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。为此，通常把传感器 信号先输到高输入阻抗的前置放大器。经过阻抗变换以后，方可用于一般的 放大、检测电路将信号输给指示仪表或记录器。目前，制造厂家已有把压电 式加速度传感器与前置放大器集成在一起的产品，不仅方便了使用，而且也 大大降低了成本。 蘸禽 图2 2 常用压电式传感器结构 常用的压电式加速度计的结构形式如图2 2 ( a ) 所示。s 是弹簧，m 是质块， b 是基座，p 是压电元件，r 是夹持环。图2 2 ( a ) 是中央安装压缩型，压电 元件一质量块一弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接。这种结构 有高的共振频率。然而基座b 与测试对象连接时，如果基座b 有变形则将直 接影响拾振器输出。此外，测试对象和环境温度变化将影响压电元件，并使 预紧力发生变化，易引起温度漂移。图2 2 ( c ) 为三角剪切形，压电元件由夹 持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动时，压电元件承受 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 切应力。这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共振 频率和良好的线性。图2 2 ( b ) 为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高 共振频率的加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。 由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高工作温度受到限制。 几种结构的特点和应用对比见表2 1 表2 - 1 压电式传感器结构对比 结构灵敏度频率特性温度特性是否共轴 机械完整应用 扭曲型极高低频中等共轴差低频 微小振动 压缩型一般高频差共轴一般高频 小冲击 剪切型最小中频好不共轴好恶劣环境中 频大冲击 从输出信号上可以分为电荷型( p e ) 和集成i c 型( i c p ) 。两种的优缺点 罗列如下： ( 1 ) p e 型的优点：可运用在高温环境 2 6 0 ，非常宽的动态范围，在已 有的电荷输出系统中可以互换，卓越的低频响应能力。 ( 2 ) p e 缺点：需要具有专业知识的人去操作，高阻抗特性容易受环境干 扰，加速度传感器和电缆的分布电容容易产生干扰，需要特殊的低躁声电缆 来传输信号，加速度传感器的体积和灵敏度直接相关，单通道的花费比i c p 单通道高。 ( 3 ) i c p 型优点：易于操作和实现，可使用标准的同轴电缆或者带状导线， 可驱动长导线而不产生躁声以及不使精度降低，其激励为低成本的恒流源， 可以很方便的与大多数采集仪器接口，低阻抗特性可以有效的避免电磁环境 的干扰，有较好的系统稳定性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 ( 4 ) 主要缺点：典型的动态范围1 i o o k h z 高温温度范围比p e 小 ( 一1 9 6 1 6 3 ) ，电气参数：灵敏度，范围，和放电时间常数是固定不可调的。 石英和p z t ( 人工陶瓷) 都用来生产加速度传感器，每种材料都有自己的 优势和不足。象前面叙说的那样，石英表现出了高温稳定性并且不需要人工 老化，因此可以长时间的稳定。石英传感器提供了高压敏感性，需要电压放 大来达到信号的要求。带有大的精密电阻的电压放大器，具有固有的噪声限 制了小信号的测量，但是可以检测大的振动信号。p z t 型传感器提供了一个高 的电荷输出和一个大电容。低噪音的电荷放大器可用来测量小振动。 0 口10 1ll d1 0 01 0 0 01 0 0 01 0 0 0 0 f j i - i z 图2 3 加速度传感器的幅频曲线 加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率图( 图2 3 ) 。一 般小阻尼( z r x ，z i r l l ，z 2 r l 2 ，又与z 串联后的电路。这样， 模拟地点处的电压v ，为 巧。瓦示云瓦v 册 a 点与p 点之间的压差为 v a p = ( 器一去) 吃瓦历币云面一五历币五瓦吵一 z 1 z 2 ， z + z 1i | z 2 + z l 锄 所以采用浮地方式后，共模干扰电压为原来的虿i 淼 3 3 3 压电式传感器衡流源设计 压电传感器采用两线制结构，驱动源为4 m a 的衡流源，其内装i c ，通过 电容隔离直流信号后，输出电压信号。设计采用的主芯片为l m 3 1 7 。l m 3 1 7 可 在输出段( v o u t ) 与调整接口间( a d j ) 输出稳定的1 2 5 v 电压。在两个脚之 间接上3 0 0 欧姆的电阻后，可得4 1 7 毫安的衡流源。图中所示的l 5 与c 1 9 、 c 2 0 构成低通滤波器，主要是防止高频干扰信号影响衡流源精度。因为系统中 使用了两种类型的传感器，所以系统中还设计了一个拨码开关电路，用来选 择加速度传感器的类型。设计的电路如下图3 7 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 图3 7 衡流源设计 3 3 4 模拟信号隔离放大电路设计 由于a d 7 8 6 4 输入电压范围为1 0 v ，传感器的输出范围是1 0 v ，所以 必须要对加速度信号进行放大，然后再进行数模转换。同时为了减小共模干 扰，需要进行隔离系统设计。由于传感器的带宽为0 - - 一5 k h z ，一般的变压器隔 离频率很难达到，需要用模拟光耦隔离的方法。 模拟信号隔离放大器有各种实现方法，一般都包括下列基本部件： ( 1 ) 高性能输入运算放大器 ( 2 ) 调制器和解调器 ( 3 ) 信号耦合变压器或光电耦合器 ( 4 ) 输出运算放大器等 上述这些部件装在一起，组成模块结构。电路如图3 8 。 1 1 ，1 2 分别为两光耦输出三极管的集电极电流，i 为光耦输入发光二极管 的电流，v k l ，v k 2 分别为两光耦输出三极管的集电极电压，9 1 ，9 2 为两光耦的 电流传输特性系数。 从图中可以得到v k l - - v 一+ ：宰， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 v k _ ：- - v o ：厶：9 2 宰， 尼 图3 8 模拟信号光隔离 对于理想运放，有：v 一= v 。，v 一= v + 。设两个光耦特性一致，则有：g 。= g ：， 从而可以得 v k , - v , ：= v k 2 - v o 墨r v o v k 2 一等瞄噜所 当信号满量程时，可见要使v o = 2 v i ，则可以令v k ：= 2 v k 。，调整r ：，使r 。= r 。， 则可以求得v o = 2 v 。 输入输出的推导过程是基于理想集成运放的“虚地 和“输入阻抗为无 穷大 的概念，因此集成运放的非理想性会造成一定的误差。实际中只要采 用了高精度低漂移的集成运放，如0 p 0 7 ，这部分误差就会很小，可以忽略。 但是由于v k l 和v k 2 的稳定性以及电阻r l 和r 2 的精度将影响精度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 3 4a d 选型及与d s p 接口电路实现 本系统由于采用了过采样的算法，所以需要选择一种高速a d 转换芯片。 系统采用的是a d 7 8 6 4 a s - 1 ，其单通道采样频率高达5 m 。多路信号同时采样对 整个测量系统的精度有着很重要的意义。一般的a d 转换器内部只有一个采 样保持器，若要实现多路同时采样，或者使用多个a d 转换器，或者加额外 的采样保持器。a d 7 8 6 4 却可以直接适应这个需求，它是4 通道同时采样的高 精度a d 转换器，高速并行输出接口与d s p 芯片t m s 3 2 0 f c 2 8 1 2 的外部存储 器接口直接相连，此方案实现对多路信号精确测量，具有精度高，电路结构 简单，系统功耗低的特点。a d 7 8 6 4 的特点、结构和工作方式。 3 4 1a d 7 8 6 4 的特点 a d 7 8 6 4 是美国模拟器件公司生产的一款高精度、高采样频率、低功耗的 信号采集芯片，分辨率为1 2 位，可实现4 通道同时采样。a d 7 8 4 6 的转换时间 为1 6 5us o h ，采样保持时间为0 3 5us ，单通道最高采样频率为5 0 0 k s p s 。若四通道同时采样，每通道最高采样频率可达1 3 0k s p s 。信号输出采 用1 2 位高速并行数据输出接口，不需要电平转换等处理，可直接连接m c u 。 通道选择可以通过硬件或软件实现。数据转换和读取可以选用内部时钟模式 或外部时钟模式。信号输入范围很宽：1 0v ，5v ( a d 7 8 6 4 1 型) ：0 v - 2 5v ，0 - 5 ( a d 7 8 6 4 2 型) ：2 5v ( a d 7 8 6 4 3 型) ，而且具有电压过 载保护功能。由+ 5v 单电源供电，功耗低达9 0m w ，省电模式下可低达2 0u w ，可方便用于便携式设备和电池供电设备。 3 4 2 内部结构和引脚配置 a d 7 8 6 4 内部集成1 2 位逐次逼近式a d c 、4 个采样保持器、多路转换器器 和锁存器、内部晶振时钟、输出数据寄存器、2 5v 参考电压、缓冲器和电 阻网络等。结构框图如图3 9 所示。 a d 7 8 6 4 采用4 4 引脚m q f p 封装，引脚包括控制引脚、数字输出并口