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丁程现场振动监测及信号处理系统研究浙江大学硕士学位论文2 0 0 4 工程现场振动监测及信号处理系统研究 摘要 本文运用前人研究累积的理论成果，分析了当前振动测量技术，并结合现 有各种振动信号测量系统的优点，讨论了工程现场振动监测及信号处理系统的系 统设计，研制开发了相应的信号采集器，介绍了数字信号处理软件程序。 工程现场振动监测和信号处理系统是采用分布式系统结构，采用单片机构成 高性能的下位机系统，模块化结构使系统容易实现通用化与系列化，系统的扩充 也很方便，可实现远距离测量控制。 系统把r s - 4 8 5 与u s b 两种通讯协议取长补短，利用u s b 接口的即插即用 和热插拔的能力和r s 4 8 5 具有的远距离传输和抗干扰性能好的特点实现系统的 高速远距离数字通讯。 文中还介绍了系统上位机软件中的采集控制功能和数学运算、数字信号处 理、图形显示等功能。 关键字：振动信号分布式系统r s - - 4 8 5u s b 数字信号处理 工程现场振动监测及信号处理系统研究 浙江大学硕士学位论文2 0 0 4 a b s t r a c t s t u d y o nf i e l dv i b r a t i o n m o n i t o r i n g a n d s i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m v i b r a t i o nm e a s u r e m e m t e c h n o l o g yi sd i s c u s s e db a s e d o i lt h ef o r m e rr e s e a r c h e r s i n t h i s p a p e r t h e f i e l dv i b r a t i o nm o n i t o r i n ga n ds i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e mi s d i s i g n e d b a s e do ns o m eo t h e rv i b r a t i o nm e a s u r e m e ms y s t e m s ，a n di t h a st h e a d v a n t a g e o u so fp r e s e n tm e a s u r e m e n ts y s t e m s t h es i g n a ls a m p l e ro f t h i ss y s t e mi s d e s i g n e da n d t h e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gs o f t w a r e i si n t r o d u c e t h et w oc l a s s e sd i s t r i b u t e ds t r u c t u r ei su s e di nt h ef i e l dv i b r a t i o nm o n i t o r i n g a n ds i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m c p ui st h ec e n t e rp r o c e s s o ro f th eh i g hp e r f o r m a n c e s i g n a ls a m p l e r t h em o d u l a r s t r u c t u r eo ft h es y s t e mm a k e si ti se a s yt og e n e r a l i z ei t s l l s ea n de x t e n di t t h er e m o t ep o i n t sc a r lb em e a s u r e dc o n v e n i e n t l yb yu s i n gt h i s s y s t e m t h e r ea r et w oc o m m u n i c a t i o n si nt h es y s t e m ，r s 一4 8 5a n du s b t h es y s t e mc a n p l u g a n d p l a y , a n d i tc o v e r sl i n el e n g t hu pt o1 2 0 0 m t h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e ss o m ef u n c t i o n so fs o f t w a r e ，s u c ha sc o n t r o l l i n g ， d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g a n ds oo n k e yw o r d s ：v i b r a t i o ns i g n a l ，d i s t r i b u t e dw s t e m ，r s 一4 8 5 ，u s b ，d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g t 程现场振动妊锲4 及信号处理系统研究浙江大学母! 士论文2 0 0 4 第一章引言 本章介绍论文研究工作的相关理论，包括振动测量的必要性，振动信号 分析的相关理论，振动测量技术的概述及其国内外发展状况。 1 1 工程现场振动测量的必要性及其应用 1 1 1 工程现场振动测量的必要性 振动是一种常见的物理现象，如钟摆振动、机器振动、飞机机翼的颤动， 甚至地震等等。在建筑工程中振动现象更是随处可见：山体爆破、打桩、强夯、 振动冲扩等施工都会使土层内出现强大应力波并在向外辐射的过程中引起周边 土体发生振动，这种土体的振动会对周边已有建筑物、机器、精密仪器和人体 等造成不同程度的振动危害。 1 、建筑物 建筑物受到振动的影响有大有小，表现为墙皮剥落、墙壁龟裂、地板裂缝、 基础变形或下沉，甚至于倒塌。 2 、机器 振动会影响机器的正常运转，甚至使机器遭到破坏。 3 、精密仪器 振动对精密仪器的影响表现为：影响仪器的正常运行，过大振动会直接损 害仪器，使之无法使用：影响对仪器仪表刻度阅读的准确性和阅读速度，对于 自动打印和描绘曲线，有时无法正常进行；对于某些精密和灵敏的电器，过大 的振动甚至使其产生误动作，从而引起较大的事故。 4 、人体 振动对人体的影响分为四种情况：从劳动保护角度考虑，全身振动通过物 理效应和生物学效应会对人体的骨骼、肌腱、循环系统、消化系统、神经系统、 呼吸系统及新陈代谢等多方面造成影响及危害；从环境保护角度考虑振动干扰 居民正常生活，环境振动传达到居民处振动强度小，不会危害身体健康，但振 动会影晌居民的正常生活，如振动会影响睡眠、干扰学习、妨碍正常休息或娱 工程现场振动监测及信号处理系统研究浙江大学硕士论文2 0 0 4 乐，引起烦恼，长期因振动影响心烦也会引起神经衰弱等疾病；从生产效率考 虑，在振动环境中工作精力难于集中，从而造成工作效率下降；振动会破坏舒 适性。 解决振动问题有两种方法，一种是理论分析法，一种是振动测量方法。理 论分析计算法利用振动系统的质量、阻尼、刚度等物理量构成系统的力学模型， 通过数学分析求出在自由振动情况下的模态特性( 固有频率、模态质量、模态 阻尼、模态刚度和模态矢量等) ，并在激振力的作用下求出相应的强迫振动响应 特性。在实际工作中，大部分结构较复杂，其物理参数往往难以确定，很难建 立个符合实际的力学模型。振动测量方法主要是采用激励方法使被测对象产 生一定的振动响应，测量出激励力与系统振动的响应特性( 如位移、速度、加 速度等函数的时间历程) ，然后通过模拟信号分析或数字信号分析得到系统的模 态特性。 振动测量方法具有速度快、无损伤、不影响结构正常工作等特点，是种 解决振动问题的好方法。随着各种建筑、机械越来越多，越来越大型化，建筑 工程施工振动引起周边建筑物、机器、仪器设备的破坏程度及对人体、环境的 影响程度也越来越大，工程中的振动问题已经成为建筑工程中一个急需解决的 技术和社会问题，工程现场振动测量的重要性和必要性也日益凸现出来。 1 1 2 振动测量技术的应用 振动信号检测可以得到位移、速度、加速度、振动频率和两个同频振动信 号之间的相位差等，这些动力参数在建筑工程中都是极其重要的。下面列出了 振动测量数据几种最为普遍的应用： 1 监测振动环境影响 随着环境问题的日益突出，环境振动问题也越来越引起人们的重视。目前， 振动对建筑物、机器、仪器设备和人体影响的评价都有相应的国际和国家标准， 在这些标准中，评价振动等级的参数不尽相同，其允许界限也各不相同，主要 的评价参数有位移、振动速度、加速度或这三个参数的均方根值等。振动测量 可为振动环境监测提供真实可靠的数据，是实现对振动环境程度的监测与控制 的有效方法和手段。 丁程现场振动监测及信号处理系统研究 浙江大学硕】。论文2 0 0 4 2 结构设计的优化 建筑工程结构设计都是在一定的基本假设条件下进行计算的，包括承载能 力和变形验算等，但这些假设条件与实际会有出入，有时会有较大的差别，如 果设计过于保守，会使得结构设计出现资源浪费，相反如果估计不足则可能会 由于设计原因而引起工程事故。振动测量可以为建筑工程设计提供实测数据， 使得结构设计的假设条件尽可能的与实际情况相符合，从而使结构设计优化， 避免设计不足和不必要的浪费。 3 特殊建筑抗微震设计的依据 振动测量还可为一些特殊用途的建筑抗微震设计提供依据。例如超大规模 集成电路工程对防微振技术要求很高，而i c 工业环境振动影响因素很多，传递 途径复杂，单纯靠计算无法得到准确结果，有时甚至无从下手，必须通过振动 测量得到实际的环境振动参数，用以满足设计要求。 4 振动测量为结构分析提供实测数据 振动测量可以得到可得到建筑结构的频率、模态振型等动力参数。利用这 些结构实测振动信息可修正结构有限元模型，修正后的结构有限元模型至少可 以应用于三个方面：( 1 ) 结构动力响应和动力安全性再分析；( 2 ) 某些振动控 制技术的控制策略制定；( 3 ) 利用新建桥梁现场测试数据修正得到的结构模型 可以用作大桥健康监测和整体性评估的基准。 5 振动测量是早期损伤识别的一种有效方法 工程结构的损坏会引起整个结构系统的破坏，导致建筑物的倒塌，从而酿 成灾难性的悲剧，如1 9 9 3 年美国c o n n e c t i c u t 的m i a n u s 江高速公路大桥的突然 倒塌，1 9 9 4 年汉城市中心一座桥梁因内部损伤而突然倒塌。用振动参数来评估 结构的整体特性的方法始于2 0 世纪6 0 年代的航空航天和机械工程界，随后这 种方法引起了建筑工程领域的注意，至今己被广泛使用。振动参数应用于结构 损伤的原理在于结构的物理参数如刚度、质量、阻尼比的变化，会改变结构的 动力特性( 固有频率和模态) 。例如损伤降低了刚度，提高了阻尼比，从而导致 了动力特性参数的改变。通过振动测量，可得到结构的固有频率和模态振型等 动力参数，利用固有频率的变化或结构模态振型变化可识别结构的损伤存在、 损伤类型、位置及损伤程度。 工程现场振动崎测及信号处理系统研究浙江大学硕i 论文2 0 0 4 1 2 振动测量技术原理 1 , 2 1 振动测量原理 物体或质点相对于平衡位置所作的往复运动叫振动，通过不同的传感器， 振动可以表现为位置变化或者力和时间的函数，因而振动可以成为传感嚣连续 变化的输出信号。振动测量的主要参数有：位移、速度、加速度和振动频率等。 振动位移、速度、加速度三者之间的存在微积分变换关系，相位依次相差r d 2 ： 位移： x 缸) = f v ( r 印= f p o ) 砒 ( 1 1 ) 速度： v ( f ) = 胁= 型d t ( 1 2 ) 燃度：a ( f ) = 掣= 了d 2 x ( t ) ( 1 - 3 ) 此外，振动量的有效值在振动测量也具有重要的意义，定义为： 。r m s ：辱肛：西 。 。、弘r ( 1 4 ) 振动的有效值兼顾了信号时间历程的全过程，与振动信号的能量有直接关 系；振动位移的有效值与势能有关；振动速度得有效值与动能有关；振动加速 度的有效值则决定了惯性力的大小。 1 2 2 测量中振动参数的选择原则 由于振动位移、速度和加速度这三者之问存在着确定的微积分关系，从理 论上看，当测得三者中的一种运动量时，便可通过计算或微积分电路得到另外 两种运动量。然而在实际测量工作中，由于位移、速度或加速度的传感器及其 微分或积分电路特性等方面的差别，引起的误差是不同的；同时，选用什么运 动量合适，还与频率的大小有关。一般而言，三个参数的选择可以参考下面的 原则： 1 位移 位移振幅与频率无关，能够反映振动的程度，位移信号包含着不同频率下 各自对应的振幅，对于估计各种振动率的影响是重要的参数。位移适合于低频 测量，一般频率低于l k h z ，1 0 h z 以下的低频振动会出现可观的位移。 4 工程现场振动监测及信号处理系统研究 浙江大学硕= l 论文2 0 0 4 2 速度 适合于中频测量，范围1 0 h z 1 k h z 。因为振动速度能够反映振动的能量， 国际上流行用振动烈度作为描述振动状态的特征量，振动速度的均方根为测量 振动烈度的单位，表达式为： = ( 1 5 ) 式中：，。，屹n ：分别为横向、纵向和垂直三个方向上 的振动速度有效值平均数。 振级定义为： l = 2 0 l g 孚( d b ) ( 1 6 ) v d 式中为振动烈度，为振动速度基准，取= 1 0 c m s 。 3 加速度 加速度适合于高频测量，频率范围在2 h z l o k h z 之间或更高。高频振动和 宽频带测量、冲击实验及谱分析时，宜选用加速度作标量。宽频带随机振动可 用加速度作振动参数。 除了上述原则外，选择测量参数时还要考虑到测量的具体情况和要求。 1 2 3 振动测量方法 按测量过程中的物理性质区分，振动参数的测量方法可以分成机械式、光 学式和电测方法三类。 1 、机械式的测量方法 机械式的测量方法是将振动参数转换成机械信号再经机械系统放大后， 进行显示和记录。这种方法的优点是简单方便，但测量的频率范围较低，精度 也不高。 2 、光学式的测量方法 光学式的测量方法是将振动参数转换为光学信号，经光学系统放大后显示 并记录。这种方法精度高，频率范围广，但使用复杂，环境要求较高，目前主 要用于实验室内的振动仪器系统的标定及校准。 t 程现场振动监测及信号处理系统研究 浙江大学硕士论文2 0 0 4 3 、电测方法 电测方法是将振动参数转换成电信号，经电子线路放大后显示和记录。这 是目前应用得最广泛的测量方法。它与机械式和光学式的测量方法比较，有以 下几方面的优点； ( 1 ) 具有较高的灵敏度和分辫率，测量频带较宽 ( 2 ) 具有较大的动态测量范围： ( 3 ) 振动传感器可以做得很小，以减小传感器对被澳f 对象的附加影响，还 可做成非接触式的测量系统； ( 4 ) 能进行远距离测量，可根据不同被测参数选择不同的振动传感器，适 合多点测量； ( 5 ) 可以对信号新型实时分析，也可对测得的信号进行贮存，以便作进一 步分析。 1 2 4 振动测量系统的组成 虽然上述三种测量方法的测量原理不同，各有其优势，但所有振动测量系 统的构成基本上都是相同，都包含拾振、测量放大线路和显示记录三部分。 ( 1 ) 拾振部分：把被测的振动参数转换为机械的、光学的或电的信号这项 工作由传感器或拾振器来完成。 ( 2 ) 测量线路。测量线路是针对不同传感器( 或拾振器) 的变换原理设计而 成，不同类型传感器都有其专用的测量线路，比如压电式传感器的测量线路有 电压放大器和电荷放大器等：电阻、电容和电感变换原理的传感器的有各种测 量电桥和调制线路等。此外，测量线路还包括积分线路、微分线路、滤波线路 和归一化装置等等。 ( 3 ) 显示及记录环节。从测量线路输出的电压信号，可按测量的需要送给 显示仪器( 如电子电压表、示波器、相位计) 、记录设备( 如光线示波器、磁带 记录仪、x _ 一y 记录仪) 及信号分析仪等，并在信号分析仪进行各种分析处理， 从而得到最终结果。 工程现场振动监测及信号处理系统研究浙江大学硕士论文2 0 0 4 1 3 振动测量技术的发展状况 1 3 1 振动测量技术的发展 用振动测量方法解决振动问题经历了半个世纪的发展过程。【4 3 一直以来， 振动测量用记录仪和示波器将传感器输出信号记录下来，转变成图形后加以利 用。撮早的模拟输出信号是记录在磁带或磁盘上，模拟数据实现数字化以来， 数字分析已经被广泛应用。 f f t 是基础 微电子技术的发展促进了高速的模数转换技术和半导体存储器的飞速发 展，数据采集能力随之飞速提高。现在，1 0 0 k h z 级的振动数据可以连续地变换 成数字数据并记录下来，并且在极短时间内得出数值分析结果。 目前，采用最为广泛的分析波动的数学方法是傅立叶变换。在五十年代， 可以在计算机上高速进行傅立叶变换的算法f f t ( 快速傅立叶变换) 进入实 用阶段，成为现在的振动测量和分析技术的基础。通过对信号的f f t 运算，可 以根据随时间而变化的信号记录，由频率范畴的能量分布、相位范畴的信号出 现频度等多个视角，了解信号的特性并观察其相互的关系。随着计算机的运算 与存储能力的迅速提高，整机的小型化，使得f f t 分析仪这样的单机测试仪器 得到广泛使用。 一些新的传感方式如应用激光多普勒效应的变位计、应用高速多角镜 的激光扫描仪等引起人们广泛注意，并开始在振动测量领域应用。 振动测量技术主要是以f f t 技术为主体发展而来的，不仅对稳定的振动现 象要求进行快速而细致的分析，对于声音与冲撞等一次性突发现象也要求进行 快速而细致的分析。 小波变换是继f f t 之后的新的信号处理方式，已经在声音、地震等突发现 象领域中开始投入使用。其特点是：对于高频分置，时间分辨率高；对于低频 分量，频率分辨率高：局域波形中没有直流分量，波形的变化点( 不连续点) 可 以灵敏地取得；关于对数频率轴，可以进行频带等效分析等。在图像和声音的 范畴里发生急剧的变化时，要找出其发生变化的位置，而在发生徐缓的变化时， 则往往需要确认这一变化过程的长短。小波变换方式正好具有符合上述要求的 特点，可以很容易地发现在通常的傅立叶变换中难以观察到的信息。 工程现场振动监测及信号处理系统研究 浙江大学硕一l 论文2 0 0 4 网络技术 2 0 世纪7 0 年代以后，振动测量技术进入一个重要的发展时期。在这一时期， 由于计算机的快速发展以及快速傅里叶变换的普遍应用，各种基干数字信号处 理原理的频率分析仪以及以计算机为核心的多功能信号分析软件大量涌现，从 而大大加强了对振动信号的时域及频域分析功能。由于有关软件功能的不断完 善，在测试过程中只要掌握振动理论，并熟悉有关仪器、设备的工作原理以及 操作步骤和要求，根据激励和响应的关系，就能很容易地通过极端机软件进行 模态分析而得到各阶振动模态特性。 网络技术的普及使锝在网络上进行数据交换、数据共同利用及控制应用， 协同作业等成为可能。测量及其数据应用的环境统一成为一个网络已经成为振 动测量技术发展的一个重要方向。 1 3 2 振动测量的一些新技术 9 0 年代以来，动态测试领域出现了很多新的技术突破，如激光多普勒测振 ( s l d v ) 技术和电子散斑干涉( e s p i ) 技术，这两种不接触式全场激光振动 测量新技术显示良好的应用前景。口5 l 、扫描激光多普勒测振( s l d v ) 技术 激光多勒谱测振( l d v ) 基于迈克尔逊干涉原理，即光波经振动体表面反 射后参考光的频差会对光强产生调制作用，起频率( 即多勒谱频率) 与反射振 动速度成正比。该信号经9 0 0 相移，由余、正弦信号进行频率调制，形成单边带 压缩载波。输出信号经频率解调后，即可得到原模拟量速度信号。 l d v 在的主要优点是可实现远距不接触振动测量，对被测物表面无特殊要 求，在科研与工业界获得广泛应用。9 0 年代激光扫描( s c a n n i n g ) 与数据采集 技术研制成功，l d v 如虎添翼，使激光全场( f u l lf i e l d ) 测量的能量充分发挥， 从根本上解决勒用传统振动加速度计无法解决的空间分辨率问题，使s l d v 技 术成为机械、结构运行响应模型( o d s ) 和试验模态分析( e m a ) 的重要工具。 s l d v 技术的主要优点是： ( 1 ) 可实现远程不接触式振动测量； ( 2 ) 可实现极高空间分辨率振动测量； ( 3 ) 对周围环境和测量表面无特殊要求； ( 4 ) 特别适合中频( 如1 0 0 - - 5 0 0 h z ) 范围振动特性测试。 工程现场振动监测及信号处理系统研究浙江大学硕士论文2 0 0 4 现代s l d v 技术可测量的振动速度可达l n g s ，频率范围可达5 0 k h z ，测量 距离可达2 0 0 m ( 扫描角度士1 2 5 0 ) ，空间分辨率为5 1 2 5 1 2 ( 即相当于2 6 2 ， 1 4 4 个测点) 。由于测量的物体振动速度，因而对环境( 包括被测物的隔振) 无 特殊要求。 2 、激光全息和电子散斑干涉( e s p i ) 测试技术 光学全息现象早在6 0 年代发明激光后即得到验证。比较两个全息图，由于 干涉条纹可以确定变形( 应变) 和振动，由此出现了激光全息测量技术。8 0 年 代中后期，性价比高的微机的发展和图像处理技术的进步，使e s p i ( 又称数字 散斑干涉) 测试技术重现生机，不仅在应变分析和无损检测中大显身手，而且 在全场振动测量中崭露头角。加上频闪调制技术，不仅可以测量振动量的大小， 而且可以得到振动结构的频率响应函数( f r _ f ) ，从而可用于试验模态分析。 在激光全息进行结构模态分析时，首先对结构进行步进正弦激振。在给定 频率下，可测得以激振力为参考的响应信号的实部和虚部，对步进扫频各点进 行测量和分析，即可得到试验频率段的f r f 数据。 e s p i 和s l d v 具有类似的优点：即可实现远距离不接触测量，可实现极高 空间分辨率，适合中频范围( 如1 0 0 5 0 0 h z ) 结构动态特性测试，因而在航空 和汽车工业的振动一声学分析中显示了特殊的优越性，受到很大重视。 工程现场振动监测及信号处理系统研究浙江大学硕士论文2 0 0 4 第二章系统总体设计 本章介绍了工程现场振动监测及信号处理系统的总体设计，包括系统设计 要求和功能、系统结构及方案选择。 2 1 工程现场振动信号情况分析 工程的现场环境情况都比较复杂，场地大，振源多，频率成分复杂。通过 大量环境监控、建筑物结构评估和工程现场信号监测的实测数据分析，可以认 为，工程现场振动信号频率范围很低，一般是几十赫兹以内，其主频率一般在 1 0 h z 以下。 图2 1 为某锻锤车间振动引起的周围民居的振动加速度时域和频域脯线 图，图2 2 为某工地夯机工作引起的振动速度信号时域和频域图形。，图2 3 为某桥梁汽车经过时的振动速度时域和频域图形。 i 从6 n 扩 v v 、 i 1i 。 6 5 6 f j f ja 01 02 03 0 4 0s 0 f r e q u e n c yl h z l 图2 - 1 锻锤引起的振动时域和频域曲线图 1 0 6 2 工程现场振动监澳4 及信号处理系统研究浙江大学顿l 论立2 0 0 4 j ；j ；二兰；j ；：j ：兰；两隧j 二：p ：! _ 。 n w ey 。：一 。j | 。j叠一- ? 够，i 横 12 5 d 1 上j _ l s 0 1 00 j 图2 - 2 夯机振动时频图 # i i i i i i ；i； j 豢塞璧缫絷麴焖卿螋照 0 j j ! ： ii ：一- 叠_ _ _ 譬。_ _ 一_ _ _ 童_ _ _ j 产3 l j j 二；j 裂滚；耋i i | | | | 图2 3 桥梁振动信号时频图 上面的时频图都是现场实测的不同振动信号图形。图中的频谱曲线的频率 大于1 0 h z ( 图2 2 为大于3 0 h z ) 的信号幅值很小，可以忽略不计。而振动信 号的主频率分别为6 5 6 h z ，8 5 h z 和4 3 h z ，都在1 0 h z 以下a 工程现场振动监测及信号处理系统研究 浙江大学硕j 论立2 0 0 4 2 2 系统设计原则及功能要求 2 2 1 系统整体设计要求 根据工程现场的情况和测试要求，经方案论证后，确定系统整体设计应达 到如下要求： 1 、通用性 要求系统的通用性好，即应用范围广。通用性主要是对系统的测试对象而 言。要求系统不仅可以测量振动信号的位移、速度和加速度参数，也可以是其 他低频信号参数。 2 、设计性能指标 a 、加速度测量精度：不低于5 ； b 、频率响应：取决于压电加速度计频响； c 、耐温耐湿：适合于较恶劣的现场环境： d 、采集频率： 5 1 2 h z1 2 8 h z2 5 6 h z5 1 2 h z 1 2 8 0 h z2 5 6 0 h z51 2 0 h z1 2 8 0 0 h z e 、滤波器截止频率：0 1 k h z ，1 k _ t t z ，3 k h z 和1 0 k h z e 、低功耗设计。 3 、程控放大 工程现场信号复杂，信号强弱差别很大，要求系统能对不同大小的信号进 行适当的放大以提高测量精度。 4 、归一化问题 信号强弱不同时放大倍数也不同，应在监控软件中予以折算； 灵敏度系数：不同类型的信号放大电路也不同，这导致不同类型信号的相 同放大倍数差异，对不同放大路径的线路参数在监控软件中予以折算。 5 、远距离通讯 由于工程现场场地较大，测点分布不均匀，数量多，距离较远，采用r s 4 8 5 数字通讯方式可以实现较远距离的数据采集和通讯。 6 、上位机要求 通用p c 机，w i n d o w s 9 8 2 0 0 0 操作系统。 7 、上位机软件功能 1 2 工程现场振动监测及信呼处理系统研究 浙江大学预l + 论文2 0 0 4 a 、组态参数设置 b 、与下位机数据通讯 c 、数据存储功能 e 、数据分析处理与诊断功能 f 、图形显示 f 、服务与打印 8 、数据报告生成 a 、图形报告： b 、表格式数据报告。 2 2 2 硬件系统设计原则 稳定性和可靠性 模拟量输入级的性能直接影响整个系统的技术指标，必须从一开始就要考 虑应用现场的环境情况，采取抗干扰措施，注意元器件的老化和筛选并选择恰 当的硬件参数，防止串扰及误差的积累与扩展。整个设计充分考虑简化硬件电 路( 部分硬件软化) ，使用集成度高的元器件，提高器件组装密度，以增加系统 抗干扰性能，达到高的稳定性和可靠性。 功耗与大容嚣数据存贮 功耗是硬件设计时必须考虑的问题。系统单片主处理机芯片选用w 7 7 e 5 8 低功耗芯片，而且软硬件的配置能充分运用单片机中设置的低功耗工作方式。 元器件的选择都是在能满足性能要求的前提下，选择较好性价比的最低功耗元 器件。 在系统的工程应用中，为获取振动数据的最佳资料，采集数据、中间数据 及现场简易分析结果需要保存，以供上位机的进一步分析处理。系统设计时将 存贮在c p u 基本配置的基础上扩展了2 片5 1 2 1 d b 的s r a m 作为数据存储区， 以满足较大容量数据存贮的需要。 速度与精度 根据所给的整机误差限值，按一定的规则预分配各个部件模块所允许的误 差。系统设计过程中根据分配的允许误差选定电路结构、元器件性能。 工程现场振动监测及信号处理系统研究浙江大学硕l 一论文2 0 0 4 2 3 分布式系统的特点 分布式系统由多个构成，各个子系统都由各自的单片机或计算机来控制管 理，子系统之间互相独立运行，也可以进行信息交换。 分布式计算机测量系统的优点： ( 1 ) 性能价格比高。采用低价的单片机构成高性能的系统。大、中型计算 机系统的价格是相同功能的分布式系统的几倍甚至几十倍。 ( 2 ) 资源共享，分布式系统中的数据、外设等资源都可由各子系统共享， 这也是提高性能价格比的重要方面，同时也增加了系统的适应性与灵活性。 ( 3 ) 模块化结构使系统容易实现通用化与系列化，系统的扩充也很方便， 还可以对系统进行重构，实时地动态分配与管理系统，以适应不同环境和用户 的要求。 ( 4 ) 可靠性高。系统对故障的处理能力或带故障运行的能力也称为坚定性 或坚强性，即系统的容错运行能力，它是可靠性指标的重要组成部分。分布式 系统各子系统间相互独立，一个子系统故障一般不会影响其他子系统工作，从 而提高了整个系统的可靠性。另外，予系统规模较小，所涉及的电子器件与装 置较少，可靠性就相对较高。 ( 5 ) 响应速度快。可通过并行处理或各子系统分别处理来实现快速响应。 集中式检测控制则采用分时处理方式对多个对象的申请按优先级排队响应，往 往滞后与等待时间较长。 ( 6 ) 可实现远距离测量控制。由于各子系统分处各地，便于对距离较远的 对象进行测量控制。 分布式系统的结构有很多种，按各子系统间的关系分主要有树形、共享总 线、环形、点至点直连、星形等。这五种结构中，树形结构在测量控制系统中 应用较多，下面主要介绍一下树形结构系统。 树形结构系统又称为分级分布式系统，其拓扑结构呈树状结构。图2 - 4 是典 型的三级分布式系统。在这种结构中，各个处理器之间存在着较明显的层次关 系，通常是下级的处理器执行数据的采集功能，中间处理器执行数据的加工和 控制功能；而高层计算机则根据下级处理器所提供的信息，执行综合处理功能， 4 工程现场振动监测及信号处理系统研究浙江大学项j ：论文2 0 0 4 进行管理决策。 图2 - 4 树形三级分布式结构拓扑图 第1 层通常执行全局管理决策职能，如全局统计分析；产品结构分析：决 策分析等等。一般来说，这一组的处理器功能较强，其数据处理和运算速度较 快，存贮空间也较大。根据具体任务与要求，可以采用高档计算机，甚至功能 更强的工作站等计算机系统。 第2 层的处理器功能应该比第3 层要强，对这一级的功能要求取决于具体 应用，涉及范围较广，它可以包括：对第3 层的数据进行分析处理；建立有关 的文件并执行文件操作，监视第3 层的工作状态；与第3 层进行数据通信等。 第3 层通常由微型机或单片机组成，它通过接口设备与现场的信息检测部 件相连，信息检测设备可以检测温度、压力、液面、流量等参量的变化，以及 某些开关量的状态。微型机应有足够快的响应时间以保证完成外界信息采集的 任务，根据具体应用系统的要求以及微型机的功能，这一级还可以承担简单的 数据加工及处理任务，甚至包括某些回路的控制任务。为了便于故障诊断可 以将外界信息周期地存储起来。 2 4 系统结构框架及特点 2 4 1 系统结构框架 工程现场振动监测和信号处理系统是采用2 级分级分布式系统结构，由上 位机、通讯转接器和数据采集嚣三部分组成，系统结构框图如图2 5 所示。 工程现场振动监铡及信号处理系统研究浙江大学硕i j 论文2 0 0 4 图2 5 工程现场振动监测及信号处理系统结构图 1 上位机 上位机主要是在通用p c 机操作系统平台( w i l l d o w s 9 8 2 0 0 0 p 等) 上的软 件系统。上位机软件系统具有良好的人机交互界面，主要包括数据采集控制功 能、数据管理功能、数字信号处理功能、分析处理功能、报告生成功能、显示 及打印功能等。上位机的通讯方式为u s b 串行通讯。 1 6 工程现场振动监测及信号处理系统研究 浙江人学硪j 二论文2 0 0 4 2 通讯转接器 通讯转接器是上位机和数据采集器之间u s b 和r s - - 4 8 5 通讯协议转换装 置，具有两种通讯接口：1 个u s b 端1 3 和1 6 个r s 一4 8 5 端口；u s b 端口与上位 机连接，每个r s - - 4 8 5 端口与一个数据采集器连接。通讯转接器将上位机的 u s b 数据转换成r s - - 4 8 5 数据并发送给数据采集器，而数据采集器通过r s 一 4 8 5 上传的经通讯转接器转换后经u s b 端口上传给上位机，从而实现上位机和 数据采集器之间的数字通讯。 3 数据采集器 数据采集器执行系统数据采集任务，每个采集器最多可以接入8 个通道信 号，通讯方式为r s - - 4 8 5 串行通讯。 系统可同时控制1 6 个数据采集器工作，每个采集器可采集8 个通道信号， 系统最多可进行1 2 8 个通道信号。 系统进行数据采集时，首先在上位机软件的数据采集设置界面中人工输入 数据采集任务，包括采集对象( 信号类型、通道数) 、放大倍数、采集频率、采 集时间等参数，然后通过上位机软件通讯模块将采集参数经由通讯转接器下发 给每个采集器。确定采集任务无误后，由人工通过数据采集界面中的数据采集 开始命令启动所有数据采集器同时开始进行数据采集工作，数据采集器将采集 数据上传上位机，上位机将接收到的数据以文件方式保存。上位机软件可以调 用已存在的数据文件，对这些文件中的数据进行转换和分析，还可对数据转换 和分析结果进行保存，显示、打印数据报告和陆线图。图2 - 6 为系统的数据流 图。 t 程现场振动i | ；i 测及信号处理系统研究 浙江大学硕j j 论文2 0 0 4 2 4 2 系统特点 测点多 测量距离远 图2 - 6 系统数据流图 系统测量通道多达1 2 8 个 测量距离可达10 0 0 m 测量对象范围广可测量电荷、电压两种小信号 量程范围大采用两级程控放大器 精度高系统采用1 6 位a d 转换器 工程现场振动监测及信号处理系统研究浙江大学硼j 二论文2 0 0 4 体积小方便携带 使用灵活方便人性化人机接口，操作方便 数据分析能力强采用多种数据分析方法 功能强大可自动生成数字、图像报告并打印等 通道扩展方便 抗干扰能量强 适用复杂的环境 2 5 通讯协议 上位机与数据采集器之间的通讯目的是控制数据采集器采集数据并将采集 数据上传到上位机。下面介绍系统的通讯协议定义。 1 数据包定义 开始1 】 开始2 】 开始3 数据1 【数据2 】 数据3 8 位校验 数据结束标志】 其中开始1 、开始2 、开始3 定义为有效数据包的开始，值分别为0 x f f h 、 o x f f h 、o x 0 0 h 。测试和试验表明，2 5 5 ( o x f f ) 后跟0 ( 0 x o o ) 在噪声发生 概率比较低。 2 命令格式定义 i 含义起始位命令字仪器号内容校验码结柬位 i 长度( b ) 111不确定 11 其中起始位定义为0 f e h ；仪器号从0 0 h 1 f h ，共1 6 个有效仪器号；校验码 采用奇校验方式产生；结束位定义为0 e h 。命令字、内容根据命令类型不同也 不相同，具体定义将在下面介绍。表2 1 为上位机下发命令类型一览表。表2 2 为下位机发送命令类型一览表。表中，“”表示该项不存在。 工程现场振动啦测及信号处理系统研究浙江大学硕j ：论文2 0 0 4 表2 1 上位机下发命令类型表 命令类型命令字仪器号内容 采集设置命令8 0 h1 字节1 7 个字节采集参数 采集开始命令9 0 h 停止采集命令0 a o h 数据上传命令o b o h1 字节 通信出错0 d o h1 字节 通信正确o e o h1 字节 表2 2 下位机发送命令类型表 命令类型命令字仪器号内容 数据上传申请3 0 h1 字节 数据上传o c o h1 字节包括数据长度及采集数据 通信出错0 d o h1 字节错误类型 通信正确 o e o h1 字节 上位机采集设置命令、下位机的数据上传和通讯出错命令的内容定义如下： 1 采集设置命令内容 定义命令中从起始位到结束位的顺序为从低到高，采集设置命令共2 2 个字 节，内容1 7 个字节，起始位为第0 个字节，结束位为第2 1 个字节。 高卜一 低 图2 7 字节高地位定义 通道工作标志：第3 个字节，表示当前采集器8 个通道的每一 个通道工作与否，每一位表一个通道，字节最低位d o 代表通道0 ，依 次排列，最高位d 7 代表通道7 。每位值为0 代表该通道不工作，值为 1 代表该通道工作。 通道工作设置：第4 - 11 字节，从低字节到离字节每个字节代表 t 程现场振动监测及信号处理系统研究浙江大学硕一l 论文2 0 0 4 一个通道的低通滤波器截止频率、信号类型和放大倍数三个参数。不 工作的通道对应的参数字节值置为o f f h ：字节高地位定义如图2 7 所 示。工作的通道对应的参数字节则按以下定义设簧： d 7 、d 6 两位为低通滤波器截止频率 d 7d 6截止频率 001 0 0 h z 01l k h z l03 k h z 1l1 0 k h z d 5 、d 4 两位为信号类型 d sd 4信号类型 00 加速度信号( a ) 0l 速度信号( v ) 10 位移信号( s ) 11 电压信号( u ) d 3 d o 四位为放大倍数，且分为两组，d 3 、d 2 一组，d 1 、d o 一组。放大 倍数与信号类型有关，信号类型为加速度信号( a ) 或电压信号( u ) 时，d 3 、 d 2 无意义，d l 、d o 两位为程控放大器2 的放大倍数，信号类型为速度信号( v ) 或位移信号( s ) 时，d 3 、d 2 两位为程控放大器1 的放大倍数，d l 、d o 两位为 程控放大器2 的放大倍数，有关程控放大器详见第三章第三节 d 3d 2放大倍数d 1d o放大倍数 0 0l倍001 倍 o12倍012 倍 101 0 倍101 0 倍 11 2 0 倍 112 0 倍 采集时间长度：第1 2 1 3 字节，为无符号整数，以秒为单位， 如采集时间长度l 小时为0 e 1 0 h ( 3 6 0 0 s ) 。 采集频率：第1 4 字节，无符号整数。字节数值与采样频率对应 关系如下表。 _ 程现场振动髓测及信号处理系统研究浙江大学硕l 论文2 0 0 4 数值 0l23 4 5678其它 采样频 5 1 21 2 82 5 65 1 21 2 8 02 5 6 05 1 2 01 2 8 0 02 5 6 0 0 率( h z ) 上传方式： 其它值无意义。 触发方式： 字节值 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 其它 触发电平： 第1 5 字节，o o 表示边采边传，0 1 表示采完再传， 第1 6 字节。 触发方式 直接触发 提前触发正极性 提前触发负极性 延迟触发正极性 延迟触发负极性 无意义 第1 7 、1 8 字节，无符号整数，表示测量范围的百分 比。 保留延迟点数：第1 9 字节，无符号整数，提前出发为保留的 字节数，延迟触发为延迟的字节数。 2 下位机的数据上传内容 数据长度为下位机发送缓冲区内等待发送的数据字节数，采集数据即下位 机发送缓冲区内的数据。 3 下位机出错信息内容 错误类型：1 个字节。 数值错误类型 0 8 h通讯出错 0 f h采集器出错 0 f o h参数设置无效 t 程现场振动j | ：i 测及信号处理系统研究浙江大学硕士论文2 0 0 4 第三章系统硬件设计 本章介绍了工程现场振动监测及信号处理系统的硬件组成及其设计。 工程现场振动监测及信号处理系统的硬件部分主要功包括传感器、数据采 集器、通讯转接器三部分。传感器将被测参量转换成采集器能够接受到的电荷 或电压信号，数据采集器负责将传感器输出信号进行转换、放大、滤波，转换 成数字信号并上传给计算机系统的应用软件。通讯转接器的功能是实现单个计 算机与多个数据采集器通讯。 3 _ 1 传感器的选择 从2 0 世纪8 0 年代人类社会进入信息时代以来，传感器技术发展日新月异， 利用新技术、新材料可制造出各种新型传感器，同时微机械加工技术的发展也 促进了现代传感技术向着集成化、智能化发展。 随着现代传感技术的发展，市场上可用于测量振动信号的传感器种类非常 之多，用于测量加速度的传感器有：压电加速度计，伺服加速度计，应变式加 速度计等；用于测量速度的传感器有：电磁传感器、速度传感器、地震仪等； 用于测量位移的传感器有：涡流传感器、电容传感器、差动变压器传感器、光 纤位移传感器、激光干涉仪等。目前振动测量一般用加速度传感器获得振动加 速度，然后通过对加速度信号的积分得到振动速度和振动位移，国际上主要采 用压电式加速度传感器。 压电式加速度传感器利用压电晶体的正电压效应工作，即压电晶体片受到 外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，并在其表面产生电荷，当外力去 掉后又恢复原状。压电晶体和质量块通过弹簧紧压在一起安装在盒形金属壳内， 就组成了压电式加速度传感器。 当加速度计受到振动或冲击时，由于惯性的作用，质量块将产生一个与其 受到的振动成比例的惯性力而作用在压电晶体上。通过测量晶体上的电荷变化， 可测得这个惯性力，由于f = 晰口，通过这个惯性力就可测得振动的加速度值。 这就是压电加速度计的基本工作原理。 工程现场振动监测及信号处理系统研究浙江大学硕士论文2 0 0 4 压电式加速度传感器具有固有频率高，高频( 几k h z 至十几k h z 范围) 响 应好的特点，若配置电荷放大器，其低频特性也很好，可以低至o 3 h z 。此外， 压电式加速度传感器还具有体积小、重量轻的有点。因此压电式加速度传感器 作为振动信号的一个主要获得手段。 但系统的测量对象不仅仅局限于低频振动信号，也不局限于以电荷为输出 信号的传感器。由于以电压信号为输出的传感器种类很多，所以除了电荷输入 接口和转换电路外，系统还设计有电压输入接口和转换电路，可以接入电压信 号。所以以电荷或电压为输出的传感器都可以作为系统的信号源。 3 2 数据采集器设计 数据采集器是按最小功耗、高性价比的信号采集单片机控制系统，按处理 的信号类型