动平衡机振动信号测量电路设计

动平衡机振动信号测量电路设计摘要随着动平衡和科学技术的飞速发展，各种旋转机械的转速越来越高，转子动平衡问题在生产实践中显得越来越重要，动平衡机是进行动平衡试验和校正的设备。测量系统是平衡机的重要环节，随着数字信号技术和计算机技术等的高速发展，平衡机测量系统得到了迅速发展。而国产动平衡机测量系统水平落后。本课题研究了新型高精度测量系统。本文首先分析了转子动平衡机振动信号产生的原理，主要研究了基于C8051F020的振动信号测量系统。采用压电传感器作为振动测量元件，设计了电荷放大器、由两个程控增益放大器AD603组成的可调增益放大电路、自动跟踪带通虑波器、C8051F020主控制器接口电路等硬件电路。用C8051F020的12位ADC0进行数据采集。该测量系统具有较高精度、较强的抗干扰能力、测量范围宽、通用性较好等优点。关键词动平衡机；测量系统；单片机；带通滤波器目录摘要11课题背景及意义411动平衡机振动测量的意义与课题背景412动平衡机振动信号产生的原理52动平衡机振动信号测量系统方案621测量系统总体结构622振动信号处理电路方案723系统的硬件构成8231传感器种类与选择8232压电式压力传感器的工作原理与选用8233微处理器的选取103振动信号处理电路设计1231振动信号的电荷放大电路设计1232程控增益放大电路13321程控增益放大器13322程控增益放大电路设计1433跟踪带通滤波电路设计1534传感器输出信号处理电路设计174总结与展望19参考文献211课题背景及意义11动平衡机振动测量的意义与课题背景在造成旋转机械异常状态的各种原因中，失衡所占的比重是最多的，一般情况下约占30,高速旋转机械所占的比重更大。所以，正确校正失衡是一项非常重要的实用技术。而转子的不平衡是旋转机械的主要激振源，也是多种自激振动的触发因素。不平衡会引起转子绕曲和内应力，使机器产生振动和噪声，加速轴承等零件的磨损，降低机器的工作效率，有时甚至会引起各种严重的事故。据统计，由于不平衡原因而引起的振动故障约占机器总故障24。对于高速旋转的机械，由于不平衡原因引起的振动十分显著。消除或减小机器振动首先考虑是对转子进行平衡。消除或减小机器旋转零部件因失衡而引起的不平衡惯性力，使机器的振动限制在容许的范围内。动平衡机是教学实验、工程测试中的重要设备，它专用于对转子不平衡的测试，能够比较准确迅速地测出工件的不平衡量大小和该不平衡量在工件上的角度位置。旋转机械是电力、石油化工、交通、冶金、机械、航空以及一些军事部门的关键设备。随着现代工业和科学技术的发展以及自动化程度的进一步提高，旋转机械正朝着大型化、高速化、连续化、集中化、自动化方向发展，生产系统中各设备的联系越来越紧密，由于各种因素的影响，这些机械难免会出现一些故障现象，而且机组一旦出现故障就可能引起连锁反应，导致整个设备甚至整个生产过程无法正常工作，造成巨大的经济损失，甚至还会引起严重的灾难性人员伤亡事故，这主要是转子的不平衡引起的。根据动平衡机测出的数据对转子的不平衡量进行校正，可改善转子相对于轴线的质量分布，使转子旋转时产生的振动或作用于轴承上的振动力减少到允许的范围之内。动平衡机是减小振动、改善性能和提高质量的必不可少的设备。因此，展开振动及动平衡的研究具有重要的意义。动平衡机的出现已有100多年的历史，直到20世纪40年代，几乎所有的平衡工序都在纯机械式的平衡设备上进行，而电子技术的发展促进了平衡技术的变革。到了50年代，在刚性转子平衡理论基础完善的同时，90以上的平衡设备都利用了电子测量技术。如今在电子技术的基础上，由于计算机的广泛应用，使动平衡的研究更加深入。因此开发计算机辅助测量系统，能以较低的成本取得较好的测量效果。传统的测试系统主要是采用矢量瓦特表式平衡机和振动幅相测量仪加专用的计算机。不仅测试系统复杂，而且测量精度低，工作效率可想而知。之后，国内外研制出了一些微机控制的动平衡测试装置，如西德申克公司、劳特林格公司在90年代初生产的微机平衡装置，国内郑州机械研究所研制出的APPLEII微机辅助平衡系统和清华大学研制的单板机控制的动平衡测试仪。目前，由于具有体积小、功能强、用途广、使用灵活、价格便宜、工作可靠等优点的单片机的应用，使得广大工程技术人员具有了现代化的技术革新的强有力的武器。尤其在测控系统中，物美价廉的单片机再加上高集成度的外围芯片使得振动测试与动平衡系统向小型化、智能化、精密化发展。国内外相继出现了这样的系统，如著名的美国恩泰克公司推出的便携式系统，功能齐全，但价格昂贵；国内的系统相对国外来说功能单一，人机交互性不够好，不利于人们操作。总的来说，工业生产的需要和电子技术的发展，系统的发展趋势是以计算机控制代替传统的模拟。12动平衡机振动信号产生的原理动平衡机有硬支撑和软支撑之分。软支撑是指转子的支撑系统的固有频率远远低于平衡转速，这种平衡机的支承刚度小，传感器检测出的信号与支承的振动位移成正比。硬支撑则是支撑系统固有频率远远高于平衡转速，这种平衡机的支承刚度大，传感器检测出的信号与支承的振动力成正比。通常，转子的平衡包括不平衡量的测量和校正两个步骤，平衡机主要用于不平衡量的测量，而不平衡量的校正则往往借助于钻床、铣床和点焊机等其他辅助设备，或用手工方法完成。有些平衡机已经将校正装置做成为平衡机的一个部分。本系统基于硬支撑动平衡机研究振动信号产生的原理。振动信号是由于不平衡量产生的,曲轴做动平衡都选用专用的硬支承动平衡机来进行的。这种平衡机在计算不平衡离心力作用在支承上的力时,可不考虑支承刚度的影响,可FRULURPRCPLBC图1转子不平衡示意图FLA由静力学平衡方程直接计算出支承上所受的力与曲轴转子校正平面上不平衡量间的关系。根据静力学原理由图得PLFL1/BAFLCFRPRFR1/BAFLCFR校正平面上不平衡量UL和UR与支承上动载荷力之间的关系为UL1/2FL1/BAFLCFRAOUR1/2FL1/BAFLCFR式中为实际使用的最高角速度RAD/S。动平衡机上的曲轴转子旋转时,由于不平衡离心力的作用产生的动载荷,通过安装在动平衡机“摆架”上的传感器测出,并由模拟电路完成UL和UR不平衡量的运算,即可测出校正平面上不平衡量的大小1。2动平衡机振动信号测量系统方案21测量系统总体结构测量系统主要由两部分构成一部分由压电传感器、传感器输出信号处理电路、单片机组成。压电传感器把振动信号转换成电信号，经传感器输出信号处理电路处理，送于单片机获得不平衡量的大小和相位。另一部分由光电传感器、基准信号处理电路等组成。光电传感器测出转子的转速信号,经基准信号处理电路处理后,分别送入压电传感器输出信号处理电路和C8051F020单片机,用于控制跟踪滤波以及振动信号的转速和振动信号的幅值、相位测量。单片机再与外围设备连接用于显示结果。系统主要功能模块如图2所示图2测量系统总体框图由于工件（转子）旋转的不平衡所产生的离心力,迫使摇摆架振动。因摇摆架的刚度很大,所以振动幅度较小,首先通过压电传感器将两支撑处的振动反作用力转换为相应的电荷信号,此信号较微弱,经压电传感器输出信号处理电路进行信号变换、滤波及调整后得到与转子同频率的方波信号,再送给C8051F020单片机，经计算获得不平衡量的大小和相位。光电传感器测出转子的转速信号,经基准信号处理电路进行整形、放大和锁相倍频等处理后,分别送入压电传感器输出信号处理电路和C8051F020单片机,用于控制跟踪滤波以及振动信号的转速和振动信号的幅值、相位测量。键盘用来控制动平衡仪的运行和参数设置2。22振动信号处理电路方案该电路由电荷放大电路、程控放大电路、跟踪带通滤波电路组成。压电传感器测量得到的正弦振动信号含有大量的高次谐波和噪音信号,无法直接利用此信号进行计算。为了从很强的干扰信号中得到有用的基频信号不平衡信号,一种方法是利用硬件进行跟踪带通滤波,另一种方法是用快速傅立叶变换技术,将其时域采样到的振动信号,进行时域频域变换,进行数字信号处理来测得其振动的幅值和相位。本测量系统左压电传感器右压电传感器压电传感器输出信号处理电路C8051FMCULED显示打印报警键盘光电传感器基准信号处理电路采用硬件滤波和软件滤波相结合的方法,采用开关电容有源滤波集成电路组成的四阶带通滤波器进行滤波,转速信号经256倍频后作为滤波器的外部时钟,它具有稳定性高、结构简单等特点。信号通过电荷放大电路进行信号放大,然后通过带通跟踪滤波电路,滤去信号中的高频干扰成分，程控放大电路等电路处理,再将信号送入单片机进行软件滤波。传感器输出信号电荷放大电路跟踪带通滤波电路程控放大电路C805F020单片机图3振动信号处理电路方框图23系统的硬件构成231传感器种类与选择本系统测振动信号时采用压电式力传感器，它的优点是无需外界供电，自振频率很高而且频率带宽，体积小，重量轻，适于动态测量；经与电荷放大器配套，克服了低频响应差的缺点，使用要求较高。测基准信号时用光电传感器，它具有以下优点1检测距离长2对检测物体的限制少3响应时间短4分辨率高5可实现非接触的检测6可实现颜色判别7便于调整232压电式压力传感器的工作原理与选用基于压电效应的压力传感器。它的种类和型号繁多，按弹性敏感元件和受力机构的形式可分为膜片式和活塞式两类。膜片式主要由本体、膜片和压电元件组成（见图5）。压电元件支撑于本体上，由膜片将被测压力传递给压电元件，再由压电元件输出与被测压力成一定关系的电信号。这种传感器的特点是体积小、动态特性好、耐高温等。现代测量技术对传感器的性能出越来越高的要求。压电式力传感器晶体片两面所带的电荷大小相等、极性相反，由于晶体片的绝缘电阻很高，因而压电晶体片相当于一个电容，可表示为CAS/式中压电晶体的介电常数S晶体片构成极板的面积晶体片的厚度。电容器上电荷、电压与电容之间的关系为UAQ/CA图5压电传感器内部结构图压电式压力传感器灵敏度较高，工作作频率范围较宽，并且体积小，重量相对较轻，主要用于动平衡时的不平衡量检测。在使用压电传感器时，它是与测量仪器配合一起使用的，此时必须考虑连接电缆电容、放大器的输入电容和输入电阻，在加上传感器本身的电容和泄露电阻绝缘电阻，可得压电式力传感器的完整等效电路如图64。电荷源电压源图6压电传感器等效电路图选用成都亦洛自动化工程有限公司的压电力传感器001D型压电式压力传感器产品参数如表1测量范围025，06（MPA）加速度灵敏度2105（MPA/G工作温度2580（）灵敏度温度子数004（/）QCACCCIRARIQCACCCIRARI表1001D型压电式压力传感器产品参数光电传感器选用光电传感器/对射型光电开关型号E185NA、E185NB，结构类型放大器分离型，检测方式对射式，电源电压DC636（V），输出方式NPN，使用环境温度；1070（）用途产品适用于机床限位、检测、计数、测速、液面信号、自动流水线定位发讯号等多种控制。233微处理器的选取测试系统的核心部分是微处理器。微处理器的选取很关键，其性能的好坏直接影响到系统性能好坏，因此在选取动平衡测试系统的处理器时，主要考虑到以下两个要求L对微处理器速度的要求在动平衡测试系统中，转子旋转的频率将达到60HZ，并且要求在转子一个旋转周期内，微处理器要完成对至少32个以上采集点的计算，并利用DFT算法计算出不平衡信号的振幅及其相位。同时为了保证采集数据的可靠性和精确性，减少噪声干扰，还要对数据进行相应的数字滤波运算。为了使这些操作能正常的进行，要求选取的微处理器必须有足够的运算能力。（2）对微处理器集成资源的要求在系统设计过程中，希望选取的微处理器芯片可以集成尽可能多的资源。原因一是可以降低系统硬件复杂度以往的动平衡测试系统往往要选用一块单独的模数转换芯片，这样做将会增加系统的复杂度，提高设计成本。如果选用集成度高的微处理器芯片，就可以减少外围元件数量，从而减小硬件设计板的尺寸，在设计过程中，PCB布线灵敏度2000，800（PC/MPA）上升时间2（S）非线性05（）固有频率200（KHZ）也会更加容易、方便一些。二是减少外界对系统的干扰由于动平衡测试系统工作在各种干扰比较大的场所，将尽可能多的资源集成到一块微处理芯片中，可以有效的减小干扰的影响。三是微处理器为集成的资源提供了便利的操作，在软件设计中，编程也更加方便简单了。根据上述两点要求，设计选取了C805IF020微处理器作为系统的核心。与传统的C51系列单片机相比，C805LF系列单片机具了很多优势之处，下面将介绍该芯片的主要优点及特点该芯片是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，有一个真正的12位多通道ADC，器件内部有一个可编程增益放大器，两个12位DAC、两个电压比较器、一个电压基准、一个具有32KB的FLASH存储器并且与8051兼容的微控制器内核。还有硬件实现的12C/SMBUS、UART、SPI串行接口及一个具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列PCA。还有4个通用的16位定时器和4字节宽的通用数字I/O端口。内部有2304字节的RAM，执行速度可达到25MPIS。它是一个真正能独立工作的片上系统，还具有片内VDD监视器，WDT和时钟振荡器。C8051FO20能有效的管理模拟和数字外设。片内32KB的FLASH存储器具有在系统重新编程能力，可以用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。片内JIAG调试功能允许安装在最终应用系统上的产品微处理器进行非侵入式不占用片内资源、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令5。图7C8051F内部结构图3振动信号处理电路设计31振动信号的电荷放大电路设计电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器。若放大器的开环增益足够大，并且放大器的输入阻抗很高，则放大器输入端几乎没有分流，运算电流仅流入反馈回路。选用LMC集成运放构成电荷放大器。选用宽带宽、高频响的LMC660集成运放构成电荷放大器。LMC660为四路运算放大器，单电源供电。其引脚图如图8所示图8LMC660引脚图C102FR120M225V231411LMC660A15V传传传传传传传传传传传传传图9电荷放大电路图为保证调理电路具有较好的放大、选频滤波特性。选用宽带宽、高频响的LMC660集成运放。它具有如下特点单电源供电降低了电源成本而且具有较高的带宽和较大的输入阻抗。另外,LMC660为轨对轨输出,其输入偏置电压、温漂、宽带噪声抑制等均优于同类双电源供电的集成运放可以抑制电路的零漂及其受环境因素的影响,有利于保证动平衡测量系统的长期稳定性。32程控增益放大电路321程控增益放大器图10AD603的简化原理框图AD603的简化原理框图如图10所示，它由精密无源输入衰减器、增益控制部分和固定增益放大器三部分组成。工作原理图中加在梯型网络输入端VINP的信号经衰减后,由固定增益放大器输出,衰减量是由加在增益控制接口的电压决定。增益的调整与其自身电压值无关,而仅与其差值VG（VGPOSVGENG）有关,由于控制电压GPOS/GENG端的输入电阻高达50M,因而输入电流很小,致使片内控制电路对提供增益控制电压的外电路影响减小。以上特点很适合构成程控增益放大器。图10中的“滑动臂”从左到右是可以连续移动的。当VOUT和FDBK两管脚的连接不同时,其放大器的增益范围也不一样。AD603的基本增益可以用下式算出GAINDB40VG10其中，VG（VGPOSVGENG）是差分输入电压,单位是V，GAIN是AD603的基本增益,单位是DB6。在AD603的应用中要注意以下几点1供电电压一般应选为5V,最大不得超过75V。2在5V供电情况下,加在输入端VINP的额定电压有效值应为1V,峰值为14V,最大不得超过2V。如要扩大测量范围,应在AD603的前面加一级衰减。这样可使输出电压峰值的典型值达到30V。3电压控制端所加的电压必须非常稳定,否则将造成增益的不稳定,从而增加放大信号的噪声。4信号地必须直接连在放大器的脚4,否则将由于阻抗低。图11AD603引脚图AD603管脚功能描述1增益控制输入“高”电压端（正电压控制）；2增益控制输入端“低”电压端（负电压控制）；3运放输入；4运放公共端；5反馈端；6负电源输入；7运放输出；8正电源输入322程控增益放大电路设计C41NFC722FC5100FC6001F12345678AD603AD60312345678AD603AD603R7890R68905V5V15V15V传传传传A/D传传传传DAC0图12程控增益放大电路图AD603是一款8个引脚的高增益、带宽可调放大器。但是如果只用一个AD603的话，其带载能力差，而且增益调节范围有限。因此采用两个AD603级联，其中第一级放大器以低放大倍数保证带宽，第二级放大器主要实现高增益放大。中间加上滤波电容，防止高频噪声干扰。33跟踪带通滤波电路设计带通滤波器是一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的设备。比如RLC振荡回路就是一个模拟带通滤波器。带通滤波器有有源和无源两种，无源滤波器通常是用电阻、电容、电感这些无源器件构成的，而有源滤波器常包含运放等要接外部电源才能工作的器件。通常有源滤波的效果较好。本系统采用有源滤波电路，由于含有高频分量,要得到有用信号,必须把它们滤除。另外,由于有用信号的频率较低10HZ,为避免直流信号的影响,本系统设计了如图14所示带通滤波电路。表2MF10CCN引脚功能说明引脚号符号引脚介绍引脚号符号引脚介绍1LPA低通输出A11CLKB时钟输入B2BPA带通输出A1250/100/CL50/100倍频控制逻辑3N/AP/HPA带阻/全通/高通输出A13VD数字负电源4INVA信号输入A14VA模拟负电源5S1A求和输入A15AGND模拟地6SA/B作用开关16S1B求和输入B7VA模拟正电源17INVB信号输入B8VD数字电源18N/AP/HPB带阻/全通/高通输入B9LSH电平移位调整19BPB带通输出B10CLKA时钟输入A20LPB低通B图13MF10CCN引脚图MF10CCN为MOS开关电容有源滤波器，它由2个独立的滤波器模块组成。这2个滤波器模块可以单独使用，构成一个一阶或二阶的滤波器电路；这2个模块也可级联构成四阶滤波器电路。MF10CCN集带通，全通，高通，低通，带阻5种滤波器于一体，它对外部的唯一要求是滤波器所需的电阻。100K10K10K100K5VLPA1BPA2HPA3INVA4VD8VA7SA/B6CLKA10CLKB11LPB20BPB19HPB18INVB17SIA5SIB16AGND15LSH950/10012VD13VA14MF10CCN100K100K5VFCLK传传传传传传传传传传传传图14跟踪带通滤波电路图转子动平衡测量系统工作在复杂的工况环境中，现场可能存在多种成份的信号源（包括周期性的和非周期性的信号）。而不平衡振动特征频率成份为转子转频，为滤除环境干扰，精确地获得不平衡振动信号的幅值与相位，必须滤除非周期或周期性的干扰信号。因此，转子不平衡振动信号在经过放大处理后，还需要进行以转频为中心频率的带通滤波处理。本动平衡测量系统能够对较宽转速范围内的转子系统进行动平衡测试。在不同的转速条件下，滤波电路的中心频率是变化的，因此，必须让滤波电路的中心频率跟随转频的变化而变化，滤除干扰信号，保留不平衡振动信号。本系统采用MF10CCN设计了一个中心频率自适应跟踪滤波电路如图14。34传感器输出信号处理电路设计C102FC41NFC722FC5100FC6001F100KR120M10K10K100K12345678AD603AD60312345678AD603AD603AV11AGND10VREF12DAC0100VREF16AIN0018XTAL126VDD37DGND38C8051F020C8051F020R7890R6890225V5V5V5V15V30V15VA/D231411LMC660A1LPA1BPA2HPA3INVA4VD8VA7SA/B6CLKA10CLKB11LPB20BPB19HPB18INVB17SIA5SIB16AGND15LSH950/10012VD13VA14MF10CCN100K100K5V5VFCLK传传传传传传传30V图15传感器输出信号处理电路图该信号处理电路由电荷放大电路、跟踪带通滤波电路以及程控增益放大电路和C8051F020单片机组成。第一级为电荷放大电路,包括A1LMC660、C1、R1。由于采用电容负反馈,对直流工作点相当于开路,放大器的零漂较大。为解决这个问题,在C1两端并联了高阻值电阻R1,作为直流反馈电阻,其作用为提供直流工作点,抑制A1的零漂,使电荷放大器工作稳定。由于电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关。反馈电容的选择很关键。选择不同容量的反馈电容,前置级的输出大小也不同。在设计电路时,考虑到被测动态载荷力的范围,同时为了避免因输入信号太大引起后级放大器饱和,反馈电容C1选择为02UF。第二级为程控增益放大电路，包括两个AD603级联和中间电容并联组成。只用一个AD603，其带载能力差，而且增益调节范围有限。因此采用两个AD603级联，其中第一级放大器以低放大倍数保证带宽，第二级放大器主要实现高增益放大。中间加上滤波电容，防止高频噪声干扰。对于两个AD603的增益控制脚并接使用的情况,增益计算公式为GAINDB80VG20第三级为跟踪带通滤波电路，由MF10CCN构成的可自动选频带通滤波器组成电路。由于不平衡信号为低频弱信号,各种机械振动干扰和电磁噪声往往比有用信号强得多。为将微弱不平衡信号从强干扰信号中提取出来,选择带通滤波器处理电荷放大器的输出信号。MF10CCN就是一种通用型的开关电容滤波器集成电路其内部集成了两个MF5分别构成两个独立的二阶开关电容滤波器也可级联成一个四阶开关电容滤波依外接方法不同可实现低通高通、带通、带阻和全通等滤波特性。第四级为AD603与C8051F020的连接。采用数控方式实现放大器增益的调节，如果分别调节每个AD603的增益，则使数控变得复杂，且可靠性降低。本设计采用如图电路连接方式，将第一级AD603的2脚电压设置为固定值15V，第二级也2脚设为固定值15V。增益数控电路中单片机的DAC0的输出电压同时接到第一、二级放大器的1脚，同时控制两级放大器的增益。两级放大器的增益变化可实现增益连续线性调节。4总结与展望本课题介绍了动平衡机测量的意义与课题背景，振动信号产生的原理。主要研究动平衡机振动信号测量系统，它主要由压电传感器、传感器输出信号处理电路、基准信号处理电路、单片机以及单片机外围的各种硬件连接设备组成。重点研究了压电传感器输出信号处理电路设计，由电荷放大电路、跟踪带通滤波电路、程控放大电路组成。单片机是整个动平衡测试系统的核心部分，用来实现信号的A/D转换，振动信号信息和不平衡量信息的快速、精确计算，不平衡数据的发送等功能。因此除了要选择合适的单片机芯片外，还要根据实际情况进行单片机外围电路的设计。设计电路主要包括系统电源供电电路、数据串口发送电路、JTAG接口调试电路等一些必须电路。LED显示器硬件选择与电路连接设计，键盘硬件选择和电路连接设计，报警电路装置设计。动平衡测试系统硬件可靠性设计一是系统设计的重要内容之一。大部分的动平衡测试系统都工作在环境复杂的场所，周围到处都有各种强烈的干扰源直接或间接地影响测试系统的工作。但是不管什么干扰源，对整个系统来说都是通过传导和直接辐射这两种方式进入测试系统的，其窜入系统的渠道主要有三个91空间干扰即通过电磁波辐射方式窜入系统。其中通过电场途径干扰的实体是电容藕合干扰，