（机械电子工程专业论文）振动检测技术和涡街流量计的研究.pdf

摘要 全文摘要 随着振动试验在产品可靠性领域的推广，振动测量的应用显得越来越重要。 而电荷放大器作为连接振动传感器与信号分析仪之间的关键器件，是不可缺少一 个环节。电荷放大器可以用于电子、航空航天、船舶等重要工业，同时也是教学 科研不可缺少的重要手段。在论文系统闸述了电荷放大器研制方法，对关键的电 路进行了详细的说明，并给出了相应的电路图。为了满足电荷放大器低噪声性能 要求，论文介绍了电荷放大电路的噪声分析以及计算，提出减小电荷放大电路系 统噪声的方法。电荷放大器也能用于涡街流量计的流体振动测量，因此在论文中 论述了如何提高涡街流量计的测量精度，讨论了z o o m f f t 谱分析分析方法在 涡街流量计中的应用。 论文各章节主要内容概述如下： 。 第一章主要概述了振动检测技术的发展背景，电荷放大器在振动检测中的 应用与发展，同时介绍了涡街流量计的发展状况，并提出了本论文的主要研究内 容。 第二章说明了振动测量电路的研制，对关键电路进行了详细的介绍，并给 出个具体的电路，对电荷放大电路的噪声进行计算与分析。 第三章介绍振动检测技术在涡街流量计中的应用，重点讲述了电荷放大器 在涡街振动频率的检测中的应用。 第四章主要讲述了涡街流量计信号处理方法，着重介绍了z o o m - - f f t 谱 分析方法在涡街流量计中的应用。 第五章对全文进行了简要的总结，并对未来该领域的研究进行了展望。 关键词：振动检测电荷放大器涡街流量计z o o m - f f t 摘要 a b s t r a c t w i t ht h es p r e a do fv i b r a t i o nt e s tr e l i a b i l i t yi nt h ef i e l do fp r o d u c tp r o m o t i o n , v i b r a t i o nm e a s u r e m e n ta p p l i c a t i o n sa r eb e c o m i n gi n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t b u tt h e c h a r g ea m p l i f i e rc o n n e c t e da sav i b r a t i o ns e r l s o ra n ds i g n a la n a l y s i so fk e yd e v i c e si s a l li n d i s p e n s a b l ep a r t c h a r g ea m p l i f i e rc a l lb ea p p l i e dt oe c l e c t i c s ，a e r o s p a c e ， s h i p p i n ga n do t h e ri m p o r t a n ti n d u s t r ya n d i t 。sa l s oa l li n d i s p e n s a b l ei m p o r t a n tm e a n s o ft e a c h i n ga n dr e s e a r c h t h i sp a p e rh a dm a d eas y s t e m a t i ce x p o s i t i o no ft h e d e v e l o p m e n to f t h ec h a r g ea m p l i f i e ra n d ad e t a i l e dd e s c r i p t i o no f t h ek e yc i r c u i ta n di t a l s og i v eo u tt h ec o r r e s p o n d i n gc i r c u i t a st ot h el o w - n o i s ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s o fc h a r g ea m p l i f i e r , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec h a r g ea m p l i f i e rn o i s ea n a l y s i sa n dt h e c a l c u l a t i o nm e t h o da n dp u tf o r w a r dam e t h o dt or e d u c es y s t e mn o i s eo fa m p l i f i e r c i r c u i t a g a i n s t t h ec h a r g ea m p l i f i e ri sa l s ou s e dv o r t e xf l o w m e t e rv i b r a t i o n m e a s u r e m e n t , t h i sp a p e rh a sd i s c u s s e ds o m ew a y st oe n h a n c ev o r t e xf i o w m e t e r m e a s u r e m e n ta c c u r a c ya n db r i n gu pv o r t e xf l o w m e t e rs i g n a lz o o m - f f ts p e c t r u n l a n a l y s i sm e t h o d p a p e r sm a i nc o n t e n t so f t h ec h a p t e r sa r eo u t l i n e db e l o w ： t h ef i r s tc h a p t e ro u t l i n e st h em a i nv i b r a t i o nd e t e c t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t b a c k g r o u n d ，t h ea p p l i c a t i o no ft h ec h a r g ea m p l i f i e ri nt h ev i b r a t i o nm e a s u r e m e n t ， d e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n ts t a t eo ft h et y p eo fv i b r a t i o ni n s t r u m e n t a t i o nv o r t e x f l o w m e t e ra n db r i n g so u tt h em a i nc o n t e n to f t h i sp a p e r t h es e c o n dc h a p t e rd i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n to ft h ev i b r a t i o nm e a s u r e m e n t c i r c u i t , m a k e sad e t a i l e dp r e s e n t a t i o nt ot h ek e yc i r c u i ta n dg i v eo u ta na c t u a lc i r c u i t ， a n dm a k e sm e a s u r e m e n ta n da n a l y s i st ot h en o i s eo f c h a r g ea m p l i f i e r t h et l l i r dc h a p t e rp r e s e n t st h ev i b r a t i o nd e t e c t i o nt e c h n o l o g yi nt h ea p p l i c a t i o nt o v o r t e xf l o w m e t e ri nw h i c ht h ev o r t e xv i b r a t i o nf r e q u e n c yd e t e c t i o nb y c h a r g e a m p l i f i e ri st h em o s ti m p o r t a n t t h ef o u r t hc h a p t e rd e s c r i b e st h ea p p l i c a t i o no fs p e c t r a la n a l y s i sm e t h o di nt h e v o r t e xf l o w r n e t e r si nw h i c hm o s t l yi n t r o d u c e sh o wt oi n c r e a s et h ef r e q u e n c y r e s o l v i n gp o w e r 谢t l lz o o m f f t t h ef i f t hc h a p t e ri sab r i e fs u m m a r yt ot h ef u l lt e x ta n df o r e c a s tt h ef u t u r e r e s e a r c hi nt h i sf i e l d k e yw o r d ： v i b r a t i o nt e s t ；c h a r g ea m p l i f i e r ；v o r t e xf l o w m e t e r s ；z o o m - - f f t 浙江大学硕士学位论文 第一章综述 1 1 振动检测技术简介 机械振动是指物体在其稳定的平衡位置附近所作的往复运动，这是物体的一 种特殊形式的运动。任何机械、机构、零件及其组成部分，都会产生机械振动。 在生产和科学试验中，机械振动是普遍存在的现象，如桥梁振动、机床振动、种 摆摆动，飞机翼颤动，汽车运行时发动机和车体振动等。振动会影响机器的正常 运转，使机床加工精度、精密仪器的灵敏度下降，还会引发噪声、污染环境等， 严重的还会引发机器或建筑结构的毁坏。另一方面，人们利用机械振动，设计制 造了众多的机械设备和仪器仪表，如振动筛稳选机、振动研磨机、振动输送机、 振动打桩机。混凝土振捣器及测量传感器、钟表计时仪器、振子示波器等等 1 1 1 2 1 。 振动测量是利用现代测试手段，对机械结构振动进行测量并对信号频率组 成作进一步的分析，以获得该结构的振动特性。 1 1 1 振动测量目的 振动测量是工程测试的重要内容之一，振动测试的目的一般可以分为三类： 其中有对振动基本参数测试：对机械结构或部件振动特性参数测量；对机械强度 试验。 对机械设备进行振动测量主要目的： 1 ) 、测定振级：按国家有关规范或标准，对振动的量级进行检测，评定其 是否符合国家的有关标准。 2 ) 、寻找振源：振动的原因是多种多样的，可以通过必要的振动测试手段 和分析方法，在复杂的现象中准确地找出振动的主要根源。 3 ) 、提取设备故障的信息：振动信号是反映设备工作状态的信号之一。通 过对设备振动的测量或监视，可以进行设备的故障诊断。这种用振动信号进行设 备故障诊断的方法是目前应用是广泛的方法。 4 ) 、研究结构的动态特性：分析结构在各种振动、冲击负荷下的动态响应， 求得振动系统的固有频率、振形、质量、刚度与阻尼比等特征参数。 5 ) 、研究振动理论、方法和材料：通过试验手段，对隔振理论和材料的使 用效果进行评定。 6 ) 、环境条件模拟和产品质量检查：用振动的方式对机电产品设备进行环 境模拟试验；对产品质量进行抗振或特性检查0 1 。 浙江大学硕士学位论文 1 1 2 振动测量的分类 按照结构振动的类型，可分为确定性振动和随机振动。”“”。 确定性振动测量是通过幅值分析、时域分析和频域分析得到表征振动参量的 数据，主要有：结构振动的各种幅值( 峰值、有效值、平均值、瞬时值等) ：振 动的主要谐波分量频率值：各个谐波分量的幅值比较：各个振动信号的相位 关系：结构系统阻尼系数等。 随机振动从时间历程上看是杂乱无章的，没有确定性的周期，而且振动幅值 和时间也没有一定的关系。研究随机振动，主要是考虑概率和统计因素，需要 通过频域分析求出幅值概率密度：通过时域分析求相关函数( 相关分析) ：通 过频域分析得到功率谱密度( 谱分析) 。 涡街流量计中流体引起的振动，属于工业现场中的确定性振动。利用传感器 采集振动信号，测量其流体的振动频率，进而确定流体在管道中流速与流量。 振动测量从原理上可以通过两种途径实现，一是测量振动物体的绝对运动。 这时需要将振动传感器基座固定在振动物体待测点上。绝对式振动传感器的主要 力学元件是一个惯性质量块和支承弹簧。质量块经弹簧与传感器基座本相联，在 一定频率范围内，质量块相对基座的运动( 位移、速成度或加速度) 与作为基础 的振动物体的振动( 位移、速度或加速度) 成正比。传感器敏感元件再把质量块 与基座的相对运动转变为与之成正比的电信号，从而实现绝对式振动测量。绝对 式振动测量又称基础式测量，或称惯性传感器。振动测量的另一种方式是相对式 测量，即测量振动物体待测点与固定基准的相对运动。这时传感器敏感元件直接 将此相对运动( 亦即振动物体的振动) 转变为电信号。但是在实际情况中，有时 ( 如振动物体在空间宏观移动) 很难建立一个测量的固定基础，也就根本不可能 建立传感器的固定基准，因此绝对式测量是主要的测量方法。 振动检测就是将振动运动量转变为与之成正比的电学或者其他便于观察、显 示或处理的物理信号。振动参数的测量，有各种不同的方法，按其测量过程的物 理性质可以分为三类：即机械测量法、光测法和电测法。 机械测量的原理是利用杠杆机构进行放大，把振动波形用笔尖直接记录到运 动的纸带上。其主要特点是抗干扰能力强，构造简单、但频率范围和动态线性范 围窄，灵敏度低，测量的振幅不能够太小，给振动体附加的质量大等。主要应用 场合是低频大振幅振动和扭转振动。 光测法的原理是把振动参量转换成光信号，经过光学系统放大，然后利用光 的干涉原理和多普勒效应等进行测量。光测法的主要特点有测量精度高、适用于 非接触式测量：同时利用激光的单色性、波长稳定等特点可以测量微小振动，利 用激光能量集中、准直性好的特点，可以进行远距离位移测量，利用激光全息摄 影方法，可以测结构振型等。光测法在精密测量，以及传感器、测振仪的标定中 2 浙江大学硕士学位论文 应用较多。 电测法的原理是通过传感器将被测机械振动信号转换成电信号，经过电子系 统放大后，进行记录和分析。与机械测量法和光测法相比，电测法具有以下明显 的优点： 1 、与机械测量法相比，电测法具有较宽的使用频率范围、较高的灵敏度和 和较大的动态范围。 2 、机电转换用的传感器很多，可以不同的测量对象选择不同的传感器。 3 、电测法结构较简单，数据分析处理方便。 1 1 3 振动测量传感器 振动传感器在机械接收原理方面，只有相对式、惯性式两种，但在机电变换 方面，由于变换方法和性质不同，其种类繁多，应用范围也极其广泛。在现代振 动测量中所用的传感器，已不是传统概念上独立机械测量装置，它仅是整个测量 系统中的一个环节，且与后续的电子线路紧密相关。 由于传感器内部机电变换原理的不同，输出是电量也各不相同。有的是将机 械量的变化变换为电阻、电感等电参量的变化。一般说来，这些电信号并不能直 接被后续的显示、记录、分析仪所接受。因此针对不同的杨电变换原理的传感器， 必须附有以专配的测量线路。测量线路的作用是将传感器的输出电量最后变为后 续显示，分析仪器所能接受的一般电压信号。因此。振动传感器按其功能可有以 下几种分类方法，如表( 1 1 1 ) 1 、相对式 按机械接收原理 2 、惯性式 l 、电动式4 、电感式 按机电变换原理 2 、压电式5 、电容式 3 、电涡式6 、电阻式 1 、位移传感器5 、应变传感器 按所测机械量 2 、速度传感器6 、扭振传感器 3 、加速度传感器7 、扭矩传感器 4 、力传感器 表1 1 1 振动传感器的分类 以上三种分类法中的传感器是相容的，在实际的应用中根据不同的测量方 法、测量的目的而采用不同的传感器，以达到最佳的测量效果“埘。 浙江大学硕士学位论文 1 1 4 振动测量系统的组成 振动测量广泛采用电测法，这种方法灵敏度高，频率范围及线性范围宽， 便于遥测和运用电子仪器，还可以用计算机分析处理数据。测量时，用传感器将 被测振动量转换成电量，而后再通过对电量的处理获取对应的振动量。振动测量 系统就是这个原理，针对不同的测量类型组成的。 加速度传感器 图1 一1 1 振动测量系统 图( 1 1 1 ) 所示系统是一种最简单的振动测量系统。加速度传感器将被测 的机械振动量转换成电量，从振动分析仪上可以直接读出振动量的位移、速度、 加速度和量值。用于现场测量很方便。系统还能把现场的振动信号记录下来，供 分析时反复使用。【1 5 】 1 1 5 电荷放大器 振动传感器输出的信号一般都很微弱，需经电荷放大后才能驱动后续电路。 由于各种振动传感器的特性各不相同，被测振动量包括位移、速度和加速度等， 不但要测量它们的峰值，还要测量它们的振动频率、周期、相位差等参数。为了 满足振动测试的需要，要求传感器与信号分析仪或记录仪之间需要一种能对各类 振动传感器的信号进行调理放大，而且可以对测量的信号进行位移、速度、加速 度之间进行转换装置。 4 浙江大学硕士学位论文 图1 1 2b k 公司电荷放大器 图1 一1 3s o n y 公司电荷放大器 随着电子技术的发展，电荷放大器的功能越来越多样化。现在市面上电荷放 大器不仅可以完成对电荷量放大，同时也可以对振动电压信号进行放大，针对不 同的传感器类型可以设定不同的放大通道。上图( 1 1 2 ) b k 公司电荷放大器 可接收多种不同类型的信号，如电荷信号、电压信号、音频信号、t e d s 智能传 感器信号等。论文重点研究了多功能低噪声电荷放大器的设计。 1 2 振动测试技术在涡街流量计中的应用 1 2 1 流量计的发展概述 所谓流量，是指单位时间内流经封闭管道或明渠有效截面的流体量，又称瞬 时流量。当流体量以体积表示时称为体积流量：当流体量以质量表示时称为质量 流量。流量是一个动态量，只有流体在封闭管道或明渠中流动时，它才有意义。 在工业生产中，瞬时流量是涉及流体介质的工艺流程中需要控制和调节的重要参 量，用以保持均衡稳定的生产和保证产品质量。累积流量则是有关流体介质的贸 易、分配、交接、供应等商业性活动中必知的参数之一，它是计价、结算、收费 的基础。用于测量流量的计量器具称为流量计。流量计可分为专门测量流体瞬时 流量的瞬时流量计和专门测量流体累积流量的累积式流量计。随着流量测量仪表 及测量技术的发展，大多数流量计都同时具备测量流体瞬时流量和累积算流体总 量的功能。因此，习惯上又把瞬时流量计和累积式流量计统称为流量计。流量计 的种类很多，分类方法也不尽相同。通常是以工作原理来划分流量计的类别。在 浙江大学硕士学位论文 相同的原理下的各种流量计，则以其结构上的不同，主要是测量机构上的不同来 命名。按这样的分类方法可将流量计大致分为差压式流量计、浮子式流量计、容 积式流量计、速度式流量计、动量式流量计和其它形式流量计六大类“”“。 随着经济和科学技术的迅速发展，流量计量日益受到重视，流量仪表随之迅 速发展起来。为满足不同种类流体特性，不同流动状态下的流量计量需要，近3 0 年来，先后研制出并投入使用的流量计有速度式流量计、容积流量计、动量式流 量计、电磁流量计、超声波流量计等几十种新型流量计。目前国外投入使用的流 量计有1 0 0 多种，国内定型投产的也有近5 0 种。 随着工业生产的自动化、管道化的发展，流量仪表在整个仪表生产中所占比 重越来越大。据国内外资料表明，在不同的工业部门中所使用的流量仪表占整个 仪表总数的1 5 - 3 0 ，成为衡量一个国家仪器仪表工业发展水平的重要标志之一。 工业和科学技术的迅速发展向流量计量提出更新更高的要求，流量计量需要解决 的技术问题： l 、流量仪表的品种、规格、准确度和可靠性尚不能满足生产要求。特别对 腐蚀性流体、脏污流体、高粘性流体、多相流体，特大流量、微小流量等，有待 发展有效的测量手段。 2 、流量标准装置不能满足流量计检定要求，尤其是现场实验检定流量计的标 准装置，是在我国目前情况下急待解决的问题。 3 、流量计量技术水平有待进一步提高。 4 ，、流量仪表的配备差距很大，直接影响工业成本核算与经济管理。 上述问题的存在直接影响流量计量的发展，己引起各国重视，都在探讨其解决方 法。目前流量计量的发展动向可综述为以下几个方面。 1 、采用新技术、研制新型流量计。随着科学技术的发展，超声波、激光、电 磁、核技术及微计算机等新技术引入流量计量领域，使得无接触、无活动部件问 接技术大大发展，流量传感器趋向电子化和数字化，为流量计量开拓新的领域。 新型流量计要求非接触式流量数字模型简明：量程比宽、线性化、数字化：可靠性 高，价格低廉，维修方便。 2 、开发特殊流量测量研究，如大流量、高粘性流体、极低温流、多相流、高 压及低压气体流量测量等。 3 、在线实验检定测量计的标准装置的研究。测量计的检定目前大多采用离 线检定法。使用该方法检定的流量计虽经误差修正，但因其检定条件与流量计使 用条件相差甚大，造成附加的使用误差，降低测量准确度。在线实液标定法是解 决这一问题的根本方法。在线实液标定法的主要问题是标准装置的合理设计。目 前移动式标准装置和标准流量计是人们比较重视的标准装置。但距实用还有一定 距离n 町【蛐 【翮】。 6 浙江大学硕士学位论文 1 2 2 涡街流量计简述 涡街流量计是在流体中安放一根( 或多根) 非流线型阻流体( b l u f f b o d y ) ， 流体在阻流体两侧交替地分离释放出两串规则的旋涡，在一定的流量范围内旋涡 分离频率正比于管道内的平均流速，通过采用各种形式的检测元件测出旋涡频率 就可以推算出流体的流量。如下图( 1 2 1 ) 图1 2 1 涡街流量计 早在1 8 7 8 年斯特劳哈尔( s t r o u h a l ) 就发表了关于流体振动频率与流速关系 的文章，斯特劳哈尔数就是表示旋涡频率与阻流体特征尺寸，流速关系的相似准 则，即在一定雷诺数范围内，旋涡的频率与流体的平均流速成正比，只要知道旋 涡的频率就可以求出流体的平均流速”儿“。图( 1 2 2 ) o 舞o + 口 图l 2 2 斯特劳哈尔数与雷诺数关系曲线 人们早期对涡街的研究主要是防灾的目的，如锅炉及换热器钢管固有频率与 流体涡街频率合拍将产生共振而破坏设备。涡街流体振动现象用于测量研究始于 2 0 世纪5 0 年代，如风速计和船速计等。6 0 年代末开始研制封闭管道流量计一涡 7 浙江大学硕士学位论文 街流量计，诞生了热丝检测法及热敏检测法涡街流量计。7 0 、8 0 年代涡街流量 计发展异常迅速，开发出众多类型阻流体及检测法的涡街流量计，并大量生产投 放市场，像这样在短短几年时间内就达到从实验室样机到批量生产过程的流量计 还绝无仅有。我国涡街流量计的生产亦有飞速发展，全国生产厂达数十家，这种 生产热潮国外亦未曾有过。应该看到，涡街流量计尚属发展中的流量计，无论其 理论基础或实践经验尚较差。至今最基本的流量方程经常引用卡门涡街理论，而 此理论及其一些定量关系是卡门在气体风洞( 均匀流场) 中实验得出的，它与封 闭管道中具有三维不均匀流场其旋涡分离的规律是不一样的。至于实践经验更是 需要通过长期应用才能积累。一般流量计出厂校验是在实验室参考条件下进行 的，在现场偏离这些条件不可避免。工作条件的偏离到底会带来多大的附加误差 至今在标准及生产厂家资料中尚不明确。这些都说明流量计的迅速发展需求基础 研究工作必须跟上，否则在实用中经常会出现一些预料不到的问题，这就是用户 对涡街流量计存在一些疑虑的原因，它亟需探索解决“”“。 1 2 3 涡街振动信号检测 涡街流量计是一种利用振动测量原理实现的仪表，根据卡门涡街原理，在一 定雷诺数范围内，旋涡的频率与流体的平均流速成正比，只要知道旋涡的频率就 可以求出流体的平均流速。涡街流量计对于振动测量来说只是检测流体振动的特 征参数，即流体在管道中产生的旋涡的频率。对于涡街振动信号的检测，目前国 内常用的涡街流量计按检测方式可分为两类：压电式和电容式。压电式是由压电 晶体作为检测元件由交替旋涡造成的压力脉动使压电晶体产生电脉冲，实现检 测。电容式是以电容为检测元件，旋涡产生的压差使电容量改变差值来完成测量。 两种方式相比较，由于压电元件响应速度快，受流体的密度、粘度与温度影响比 较小，稳定性比较好，因此在涡街流量计得到了广泛的应用。 涡街传感器 图l 2 3 涡街流量计 如上图( 1 2 3 ) 所示，由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常应 把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，才可用 一般的放大检波电路再将信号输a n 显示仪表或进行远程传输，这与振动检测系 统是比较一致的，所用到的检测方法与振动测量一样。因此振动检测技术与测试 8 浙江大学硕士学位论文 理论可以在涡街流量计测量中加以运用。 1 2 4 振动信号处理方法 信号处理可用模拟信号处理系统和数字信号处理系统来实现。数字信号处理 技术及设备具有灵活、精确、抗干扰性强、设备尺寸小、造价低、速度快等突出 优点，这些都是模拟信号处理技术与设备所无法比拟的。自上世纪6 0 年代美国库 列( j w c o l l e y ) 和图基( j w t u k e y ) 提出了快速傅里叶变换( f f t ) 计算方法，随 着计算机技术和信息学科的飞速发展，数字信号处理( d i g i t a l s ig n a l p r o c e s s i n g ，d s p ) 技术应运而生并迅速发展，现在已经形成一门独立的学科体系。 简单的说，数字信号处理就是利用计算机或专用处理设备，以数值计算的方法对 信号进行采集、变换、综合、估值与识别等加工处理，借以达到提取信息和便于 应用的目的。 数字信号处理现在已基本上形成一套较为完整的理论体系，主要包括：信号 的采集( a i d 技术，抽样定理、多抽样率、量化噪声分析等) ：离散信号的分析( 时 域及频域分析、各种变换技术、信号特征的描述等) ：离散系统分析( 系统的描述、 系统的单位抽样响应、转移函数及频率特性等) ：信号处理中的快速算法( 快速傅 里叶变换、快速卷积与相关等) ：信号的估值( 各种估值理论、相关函数与功率谱 估计等) ：滤波技术( 各种数字滤波器的设计与实现) ：信号的建模( 最常用的有a r 、 m a 、a r v j a 等各种模型) ；信号处理中的特殊算法( 软件实现与硬件实现) ；信号处 理技术的应用。可以从以上几个方面看出，信号处理的理论和算法是密不可分的。 把一个好的信号处理理论用于工程实际，需要辅以相应的算法以达到高速、高效 及简单易行的目的。比如f f t 算法的提出使d f t 理论得以推广，l e v i n s o n 算法的 提出使t o e p l i t z 矩阵的求解变得很容易，从而使参数模型谱估计技术得到广泛应 用。数字信号处理的实现，大体上有四种方法：在通用的微计算机上用软件来实 现，这种实现方法速度较慢，多用于教学和科研：用单片机实现，依靠单片机的 硬件环境配以信号处理软件可用于工程实际，如数字控制、医疗仪器等：利用专 门用于信号处理的d s p 芯片来实现：利用内嵌软件算法的专用芯片。 对于涡街流量信号的处理，考虑引进数字信号处理的方法，用来代替现在普 遍使用的将传感器信号经前置放大器放大、滤波、整形后变成频率与流速成正比 的脉冲信号，然后进行计数处理得到流量信号的方法，来提高涡街流量计的抗干 扰能力并获得更大的量程比。 涡街流量计信号由两部分组成：一是由流速产生的正弦的涡街信号，二是干扰 引起的噪声信号，因此涡街信号远非理想的正弦波信号，而是一个混有强噪声的 混合信号。现在，己经提出了很多种处理涡街信号的方法，用来提取流量信号的 频率。国夕b s c h l a t e r ，g e r a l d 提出在建立噪声模板和信号模板的基础上，用互相 9 浙江大学硕士学位论文 关和功率谱相结合的方法消除涡街流量计中的强噪声。但是，噪声情况各种各样， 不易获得噪声的所有模板。国内重庆大学蒙建波等采用基于最小均方自适应算法 的现代谱分析处理流量信号。由旋涡发生体、热线探针、前置处理电路和a p p l e 微机构成测量系统，验证了谱分析方法用于涡街流量计信号处理的可行性，但是， 这种方法对谐波干扰的抑制能力较差。合肥工业大学徐科军等分别对周期图谱分 析和基于b u r g 的现代谱分析方法用于涡街流量计的信号处理进行了研究，发现周 期图谱分析方法对长序列的计算精度高，对谐波的抑制能力强，处理非过零采样 的数据，计算精度不受影响：基于b u r g 算法的谱分析方法适用予短序列的分析， 分辨率较高。进行仿真后，发现b u r g 算法抑制随机噪声能力强，但抑制确定性噪 声，如涡街产生的低频摆动噪声能力比周期图法差。徐科军还采用d s p 芯片 a d s p 2 1 8 1 将周期图谱分析法和数字信号处理器应用于涡街流量计的信号处理，研 制了硬、软件系统计算流量信号的频率，取得了不错的效果“”“。 1 3 课题研究内容 l 、振动测量 振动测量已广泛应用于电子、航空、航天、船舶等重要领域。电子技术的不 断发展，振动测量方法越来越多样化。振动测量基本原理采用压电材料，把振动 量转换成相对应的电荷量。人们在测量振动时还需要把电荷量转换为电压量，因 此电荷放大设计是论文研究的重点之一。 振动信号放大电路的设计，包括：电荷通道放大电路设计、i c p 恒流源通道 电路设计、t e d s 智能传感器通道电路设计等。在电荷通道电路设计中重点分析 了电路和内部噪声及噪声的计算方法。电路设计中还有滤波电路、放大电路、归 一化电中路等。最后介绍了电荷放大器的液晶显示界面，各通道参数的设定。 2 、涡街流量计 被人们称为“数字孔板”的涡街流量计，具有测量精度高、无活动件、可靠 性好、输出信号频率与状态体积流量成正比等优点。涡街流量计增长速度居流量 仪表第二位，在各行各业获得广泛应用。涡街流量计在应用中还存在两个关键问 题没有解决。一是由于涡街流量计工作原理的关系，易受外界振动干扰，而工业 现场的振动是普遍存在的。管道机械振动干扰：水泵、阀门的开启，大电机的 运行等；流场干扰：流场不稳定，在现场直管段长度达不到要求。由于现场振 动噪声的干扰，使得现场测量误差远远大于实验室标定误差，有时实际测量误差 可达5 0 之大。二是量程下限受限，不能测量小流量。现场的管道是一定的，并 且，工艺上对流体的压力有要求，不能缩小管道的口径，所以，测量小流量是不 可避免的。量程下限受限是由于当流量小时，涡街传感器的输出信号比较微弱， l o 浙江大学硕士学位论文 易被噪声淹没。上述两个问题是有内在联系的 涡街流量计是一种振动类型的仪表，是对流体涡街的振动测量。涡街广泛采 用压电振动测量技术，通过电荷放大对信号进行分析。课题从提高流量计的测量 精度出发，利用振动测试技术，讨论如何减小电荷放大电路的噪声，同时对涡街 信号提出一种新的处理方法，可以实现较高精度的频率分辨率。 浙江大学硕士学位论文 第二章振动测量电路设计 2 1 振动测量放大电路 2 1 1 振动放大电路的整体功能 随着振动试验在电子、航天、汽车、船舶等工业越来越广泛运用，振动测量 电路显得格外重要。而且随着传感技术的发展，振动传感器的类型也比较多种多 样，为了满足振动测量的需要，研制能适应各种不同类型的传感器振动测量放大 电路显得非常重要。 不同的振动传感器输入的信号是不一样的，一般对于传感器来说信号只有两 种，即电压信号与电荷信号，在电信号放大电路中对于两不同的信号必需采用不 同的输入通道，例如电荷加速度传感器只能用电荷放大器通道，将电荷信号转换 成电压信号并进行相应的放大。如果传感器输入的信号是电压信号，则可以与电 荷放大器通道后续电路相连，在后续电路中对放大倍数进行归一化处理，便于信 号增益统一处理。对于i c p 恒流源传感器，它输入的也是一种电压信号，只是在 工作时必需对其施加一定电流与电压，保证其正常工作，对于一般的电压传感器 不同的是它输出的电压信号是直流与交流信号的叠加，其中叠加在直流上的交流 信号是振动的有效信号，对于这种信号可以通过很简单的高通滤波滤除直流，得 到振动的有效信号。t e d s 智能传感器一种新发展起来的振动传感器，这种传感 主要是针对网络监测系统发展起来的传感器，它可以不需要设定传感器的灵敏度 等参数，系统可以从传感器芯片中读取它的相关参数，在检测系统中自动完成参 数的设定，不需要人为去设定，这样极大地方便了测量，实现系统的智能化。在 本课题设计的振动测量电路中，我们也采用了这一种智能传感器。振动智能传感 器输出的一般是电压信号，放大与信号处理电路和其它电信号一样，但电路中必 需读取智能传感器参数的电路。 振动信号一般是正弦信号，由于各种干扰源的影响，信号中许多噪声，这些 噪声有的是外部的干扰，有的是内部电路系统噪声。为了减小或消除噪声影响， 对振动信号的滤波是不可缺少的一个环节。 1 2 浙江大学硕士学位论文 - 2 0 d b d d b 2 0 d b 图2 一1 1 振动放大电路通道 如图( 2 1 1 ) 所示，通道板主要由通道前端输入电路，放大电路，滤波电 路，归一化电路，积分电路，输出电路路六部分组成。通道前端电路是针对不同 的传感器而设定的，不同的传感器有不同的输入接收电路，其中有电荷放大电路， 电压放大电路，t e d s 智能传感器读写电路，i c p 恒流源电路等。在放大电路中， 由于通道前端电路都将振动电信号转变成电压信号，所以放大电路只是对电压信 号进行等比放大。滤波电路的作用是提供用户选择低通、高通滤波的频率。归一 化处理电路是将电路中不同的增益如放大增益，滤波增益以及不同的传感器灵敏 度综合在一起，将电路总体的增益归为一致，以便于计算的统一，方便处理。积 分电路中有一次积分和二次积分，它的功能是将加速度传感器输入信号转换成振 动的速度信号或位移信号，便于对被测振动物体的分析与研究。以上是通道板的 主要功能，当然还有一些外围电路如控制板、电源、按键电路、液晶显示电路， 它们与通道板共同组成一个完整的振动放大电路，也称为电荷放大器。 2 1 2 振动放大电路功能指标 本论文设计的振动放大器有四个通道，每个通道可以分别调节增益，滤波频 率，针对不同的传感器可以选定不同的输入类型，具体的功能指标如下： 1 、传感器类型：可配接电荷、电压、i c p 、t e d s 智能四种不同类型传感器。 2 、输出类型：电路内部配有一级和二级积分电路，可以选择加速度、速度、 位移输出。 3 、控制显示：采用1 9 2x6 4 像素显示屏，显示内容：信道序号，输入信号 类型，传感器灵敏度，低通滤波频率，高通滤波频率，输出总增益。通过前面板薄 浙江大学硕士学位论文 膜按键设置信道各个参数。通道过载时l e d 指示。 4 、输入与输出 电荷输入最大输入电荷；1 0 0 0 0 0 0 p c ； 增益：0 0 m v p c _ 1 0 v p c 供电电流：4 m h ；输入阻抗：2 0 k o m ； i c p 恒流源与电压输最大电压输入：2 0 v p p ： 入增益范围：0 1 m v m v 一1 v m v ： t e d s 智能传感器输入t e d s 传感器与 c p 恒流源传感器兼容 输出电压信号输出阻抗：3 0 0 h m ；最大输出电压：v p p 2 0 v ： 表2 1 1 电荷放大器通道参数 5 、总体系统结构 整个仪器由三部分组成：四个通道板，c p u 控制板，电源供电电路。 i i l l 个通_ j 鳇 c p u 拧制板 电源供l 乜 c h a n n e i1 c h a n n e i2 l r 田 屯弛 c h a n n e i3 爿 l 。：j c h s n n e 4 广u 图2 1 2 振动放大电路总体结构 通道电路完成对传感器输入信号处理。主控制板完成信道对传感器输入信号 处理过程中各个功能电路单元的状态控制。整个仪器采用单独的电源板供电，电 源板可以选择外部直流适配器供电或采用内部电池供电。通道板通过控制板取 电。 2 2 通道板的电路设计 2 2 1 电荷前端电路 电荷放大器是振动检测中常用的器件，把传感器产生的电荷信号转换成可处 理的电压信号。通过数控增益，用来实现电荷到电压的转换，其增益可数控，具 有转换精度高、使用频带范围宽、尤其适用于计算机控制和处理系统。 浙江大学硕士学位论文 j 图2 2 1 电荷放大电路 传感器可以看作是容性信号源，可用等效电容c a 和等效电压e s 表示，是电缆 分布电容。电荷放大器是一个电压并联负反馈电路，虚地点输入阻抗趋近零，迫 使传感器产生的电荷q 几乎全部转移到反馈电容c ，上，利用运放与电容将被测 量的电荷转换成电压。根据原理，计算公式如下： q = e c v o = 一a 阳 耻艮巧再- j c o a 而o q 吲“一旦c f e 一信号源等效电容 浙江大学硕士学位论文 夥 反馈电阻 盯反馈电容 从公式( 2 2 2 ) 可以看出，电荷放大器输出的电压只与输入的电荷、反 馈电容有关，可是漏电电阻。因为反馈电容叮在电荷积分到一定的时候，会出 现饱和，从而出现电路工作不正常的现象，所以必需避免饱和现象的发生，从而 加一个很大的漏电电阻，但这样又增加了积分电路的误差。 上图( 2 2 1 ) 中电阻r 1 1 0 、r l l l 与电容c 1 0 0 组成t 型低通网络，截止 频率为l o o k ，满足流量计的频率范围，滤掉前端的高频噪声。根据公式 i 砌l * 一另，后面反馈电容与电阻组成三组不同的电荷增益，之间相差是1 0 倍的 v 关系，以满足不同的输入的电荷，为便于后续电路的处理。 2 2 2t e d s 智能传感器前端电路 t e d s 是英文t r a n s d u c e re l e c t r o n i cd a t as h e e t 的缩写，意为传感器电气 数据表。是在传感器内部设置了固定的存储器，用于存储传感器的有关信息。传 感器生产厂家将诸如生产厂商名称、传感器类型、灵敏度、温度特性、频率响应、 出厂日期、序列号、标定日期等一系列原始信息存储在该存储器中。并提供部分 的存储空间让用户加入如通道号、安装方式、安装位置、安装方向、极性及标签 号等信息。 图2 2 2 内置t e d se e p r o m 的智能t e d s 传感器 1 6 浙江大学硕士学位论文 在i e e e1 4 5 1 4 标准中，混合模式接口的智能型传感器定义了一种为传统模 拟模式的传感器和传感器增加自我识别技术的机制。在传感器制造商、仪器和软 件供应商以及用户的共同开发之下， i e e e1 4 5 1 4 确定了混合模式传感器的概 念，该传感器既有模拟接口，也有数据接口。模拟电气接口将提供以传统方式反 映物理现象( 比如温度、压力、力) 的信号。 t e d s 智能传感器内置了传感器的灵敏度等参数，所以这种电路最关键的是 如何读取内置芯片的参数。t e d s 智能传感内置数据采用的是单总线技术。单总线 技术是美国d m l a s 半导体公司近年推出的新技术。它将地址线、数据线、控制线 合为1 根信号线，允许在这根信号线上挂接数百个单总线器件芯片。基于单总线 的每个芯片内部均有1 个出厂前被光刻好的6 4 位r o m 序列号，它可以看作是该芯 片的地址序列码。开始8 位是产品类型标号，如d s l 8 8 2 0 为2 8 h ，2 4 5 0 为2 0 h 等； 接着的4 8 位是该芯片自身的序列号，用以保证在同类芯片中的唯一性；最后8 位 是前面5 6 位的循环冗余校验码，以确保数据传输的可靠性。光刻r o m 的作用是 使每个”单总线”器件的地址都各不相同，这是定位和寻址器件实现单总线测控功 能的前提条件，并以此为依据实现1 根总线上挂接多个”单总线”芯片。芯片内部 集成有收发控制电路和电源存储电路。与微处理器的接口非常简单，可节省大量 的引线和逻辑电路。芯片的耗电量很小，从总线上”偷”一点电存储在片内的电容 中就可正常工作，一般不用另附电源。最可贵的是这些芯片在检测点已把被测信 号数字化了，因此在单总线上传送的是数字信号，这使得系统的抗干扰性能好、 可靠性高、传输距离远。 图2 2 3t e d s 读写电路 上图( 2 2 3 ) 为t e d s 智能传感器读写电路，控制芯片三极管0 1 0 3 ，第一个 运算放大器设定为电压跟随，后一级运放同相放大。当控制脚t e d s _ r w 控制三极 管的开关，t e d s 智能传感器通过二个运放输出传感器内部的逻辑数据，控制芯片 再通过t e d s _ o u t 接收脚接收数据。t e d s 智能传感器单总线对时序要求非常严格， 它通过对时间的控制来区分读写，用时序来实现各种控制命令。 1 7 浙江大学硕士学位论文 2 2 3i c p 传感器前端电路 i c p 传感器要保证其正常工作，必需对其提供一个恒定的电流源，电注流源 的大小一般为2 1 0 i i l a ，有的i c p 传感器对其工作的电压也有一定的要求，电压的 范围一般为1 2 v 一2 4 v 。 图2 2 4i c p 传感器前端电路 上图( 2 2 4 ) 为i c p 传感器前端供电电路，电流源为4 m a ，供电电压为2 3 v ， 满足一般i c p 恒流源传感器的工作要求。i c p 传感器在工作中，经过恒定的电流时， i c p 传感器输出的信号是直流信号与交流信号的叠加，在电路图( 2 - - 2 4 ) 中， 由c 1 2 0 与r 1 2 7 组成的r