振动信号数据采集与处理系统的研制

1、便携式振动信号数据 采集与处理系统的研究摘要本课题采用自行开发的振动信号数据釆集板与PC104相结合的集成技术，研制了一便携式振动信号数据釆集与处理系统，着重解决了目前两个比较难以解决的问题：一是采集同一机组的不同测点时，釆集到的信号间的相位如何保持一致的问题；二是在转速不恒定情况下，怎样实现抗混叠滤波的问题。论文简要介绍了目前便携式振动信号数据釆集与处理系统的发展 及国内外的现状及本课题的现实意义；提出了实现本系统的可能方案 及最终方案的选择；研制了该系统的硬件电路，主要包括：信号输入 模块、信号调理模块、信号釆集模块、信号处理模块；设计了 下数据采集板的驱动程序；给出了该系统的软件设计整体

2、框架及所要 完成的功能。关键词：数据采集，信号调理，抗混叠滤波，锁相环RES EARCH ON A P ORT ALBE VI BROS I GNALA C Q UI S I T I O N A ND P R O C E S S I NG S YS T E MABS T RACT A p o r t a b l e v i b r o s i g n a l a c q u i s i t i o n a n d p r o c e s s i n g s y s t e m i s r e a l i z e d , . b a s e d o n p c 1 0 4t e c h n o

3、l o g y a n d t h e p o r t a b l e v i b r o s i g n a l d a t a a c q u i s i t i o n b o a r d w h i c h i s d e v e l o p e da c c o r d i n g t o t h e f i e l d r e q u e s t s . T h e s y s t e m f o c u s e s o n s o l v i n g t h e p r o b l e ms o f k e e p i n gc o n s i s t e n t a m o n

4、 g s e v e r a l s i g n a l s ' p h a s e s i n a c o m p l e t e s a m p l i n g p e r i o d a n d o f s e l f -a d a p t i o n a n t i - a l i a s i n g f i l t e r i n g w h e n t h e w h e e l r o t a t i o n a l s p e e d i s n o t c o n s t a n t . T h e d e v e l o p me n t o f p o r t a

5、 b l e v i b r o s i g n a l a c q u i s i t i o n a n d p r o c e s s i n g s y s t e m s i sb r i e f l y i n t r o d u c e d a s we l l a s t h e d o me s t i c a n d f o r e i g n c u r r e n t s i t u a t i o n , w h i c h r e v e a l st h e s i g ni f i c a n c e o f t h i s r e s e a r c h .

6、I n t e r m s o f s y s t e m d e s i g n , s e v e r a l s o l u t i o n s a r ep r o v i d e d a n d b y c o m p a r i s o n t h e o n e b a se d o n p c l 0 4 i s p r e f e r a b l e t o o t h e r s . T h eh a r d w a r e d e s i g n s o l u t i o n i s e l a b o r a t e d w h i c h i n c l u d e

7、 s s i g na l i n p u t mo d u l e s , s i g na lc o n d i t i o n i n g mo d u l e s , d a t a a c q u i s i t i o n mo d u l e s a n d s i g na l p r o c e s s i n g m o d u l e s . T h ed r i v e r d e s i g n o f t h e d a t a a c q u i s i t i o n b o a r d i n t h e Wi n C E o p e r a t i n g

8、s y s t e m i s p r o v i d e df o l l o w e d b y t h e i n t r o d u c t i o n o f s o f t w a r e d e s i g n f r a m e a n d f u n c t i o n .K E Y WO R D S : D a t a A c q u i s i t i o n , D i g i t a l S i g na l s P r o c e s s , S e l f - a d a p t i o n a n t i - a l i s i n gf i l t e r ,

9、 P h a s e l o c k e d l o o p ( P L L )第一章 前言1.1课题的意义和来源离心压缩机是石化企业中很普遍、很关键的设备，其特点是，工作时都有转子在高速运转，转子的价格在整台设备费用中占相当大的比例，由转子故障造成 的损失也在设备故障的总损失中占有很大的份额。例如1985年我国大同电厂和1988年我国秦岭电厂的200MW汽轮发电机组的严重断轴毁机事件，都造成了巨大的经济损失。严重的教训迫使人们配置相应的监测和诊断系统，开展和加强对转子运行状态的监测和故障诊断以完成以下的功能：1.及时发现转子故障的早期征兆，以便釆取相应措施，将故障消灭在萌芽状态，减少或避免重

10、大事故的发生，提高设备运行的可靠性、安全性和有效性，以期把故障损失降低到最低水平；2，一旦发生故障，自动记录故障过程的完整数据资料以便事后的故障原 因分析避免再发生同类故障：3记录下转子运行全过程的状态变化情况，反映出转子系统各部分的劣化 程度和原因为确定维修时间制定维修计划提供依据，为设备结构修改、优化 设计、合理制造及生产过程提供数据和信息；4取得设备寿命周期的大量数据，可充分了解设备性能保证设备发挥最 大的设计能力制订合理的检测维修制度，以便在允许的条件下充分挖掘设备潜 力延长服役期限和使用寿命降低设备全寿命周期费用；5随时掌握设备性能的发展变化情况，为逐步实现定期强迫维修制度向预 知维

11、修制度的过渡提供条件。因此，设备故障诊断应包括如下几个主要环节：1.机械设备状态参数的监测；2，进行信号处理，提取故障特征信息：3丨确定故障类型和发生部位；对确定的故障作防治处理或控制。1.2国内外的相关硏究目前国内外很多企业工厂都为大型转子配备了监测和诊断系统，由此带来的 经济效益十分可观。例如石化系统的30万吨合成氨厂，过去每年需大修一次，需 时45天，检修费用占年产值15义。釆用故障诊断后改为三年内修二次，一次不 到30天，检修费用降为年产值的。/。，经济效益十分巨大【1】。因此可以看出，监 测和诊断系统保证了设备的安全可靠运行，并获取很大的经济效益和社会效益。近年来计算机迅速发展，性能

12、不断提高。以出似-？。系列微机为例，内存 贮量和外存贮量不断扩大运算速度大大加快；输入输出接口和设备的灵活配置 使得以微机为基础的系统建立越来越容易；丰富的支持软件使得用户的各种需求 得到更好的满足【3】。这就从软硬件上保证了用微机实现转子监测和诊断的可行性。 诊断装置或系统是设备故障诊断的手段和工具，随着电子技术和计算机的发展而 得到了很大的发展。综合看来，旋转机械诊断系统的硏制和发展大体上可分为五 个层次：传感器便携式检测仪器和分析仪器在线监视仪表系统，计算机化的 监测分析与诊断系统，智能化诊断系统等。传感器是诊断装置的“眼”和“耳”，它关系到整个设备状态监测与故障诊断 结果的可靠性和准确

13、性。在振动机械设备状态监测与故障诊断中所用的传感器通 常有振动、电涡流、光电传感器等。各种便携式的检测仪器和分析仪器有振动测量仪、温度检测仪、轴承检测仪 等。目前各种便携式数据釆集器高性能的频谱分析仪，在线监测仪表系统和计 算机化的设备状态监测、分析及诊断系统巳经使用的比较多。智能诊断系统是在传统系统基础上结合人工智能和专家系统这一最新科学技 术而发展起来的。虽然它的开发历史不长但80年代以后得到了迅速的发展，在 机电方面，一些国际知名的大公司投入大量的人力物力，开发了一批有代表性的 智能诊断系统，如1982年6003.1(11&公司硏制的用于诊断和处理核反应堆的故 障诊断专家系统尺2

14、八丁0尺；06公司用于内燃电力机车故障排除的专家系统 061人；1985年她等人研制的透平机械故障诊断专家系统丁似人 1987 年知等人硏制的透平压缩机组故障诊断专家系统；！989年0权记开发的旋转 机械故障诊断专家系统；1993年86份公司研制的工程师辅助系统等等。国内在近10多年来在引进、消化国外先进技术基础上在分析设备方面已北京化工大学研究生学位论文生产出一批先进的产品，如天津电子仪器厂与美国亚特兰大的3？3分部合作生产 的30375型？丁分析仪和803802忍0380以30385分析仪；与美国01八0尺03丁公司合作生产？1202及？1318等高技术？丁分析仪。 此外，国内一批髙校、研

15、究所及有关工厂正在大力开发计算机检测与诊断系 统及各种各样的便携式数据釆集器，与国外相比虽然起步较晚，但是发展速度 很快，出现了不少有代表性的系统 1.3本论文的主要研究内容在本课题中，釆用具有的强大数据处理功能及丰富外设的PC104板配上根据现场要求自行硏制的数据釆集卡实现了一个便携式的振动信号数据釆集、分析、处理系统，在数据采集卡上，着重解决了目前难以解决的数据釆集信号间同相位的问题以及由于转速不同（包括机型不同及同一机械在起停机时转速不同而使抗混叠滤波截止频率不同的问题。？004功能较之普通？(：并不逊色但是 它的集成化程度髙，体积小因此决定了它特别适合于工控界及嵌入式系统中的 应用而且

16、它的(：？!；也支持多种操作系统。为了幵发方便上位机操作系统选用编程软件选&(。十+利用讷！丰富的系统资源及丑！朋乂 匸+强大的幵发功能实现包括时域分析、频域分析（幅值谱、功率谱、带窗 函数选择、谱平均、坐标选择功能轴心轨迹、包络谱分析、倒频谱分析、启停 机状态分析三维瀑布图、波德图、奈奎斯特图、轴心位置图、历史趋势分析日 趋势、周趋势、月趋势、年趋势等功能为进一步的故障诊断提供依据。第二章开发背景及需求分析2.1开发背景“便携式”是随着计算机技术、电子技术、微电子技术的快速发展而对电子产品研制的一个新的挑战，它不仅要求产品体积小，功耗低，便于携带，而且还 要求它们功能强，如速度快，操

17、作方便，信息内容丰富，人机界面友好，与其它智能外设接口简单，通讯方便等等。因此如何在有限的空间里实现如此多的功能对设计者都是一个不小的挑战。本文所说的便携式故障诊断仪是面向大型旋转机械振动信号数据釆集、分析， 从而实现诊断的目的而幵发的。由于它的专业性及特殊性，笔者仅从这一角度来 说明。有需求才能带动研发，而研发也会促进需求，二者是互为补充和互为促进 的。2.2需求分析目前旋转机械的应用广泛，而且当机械一旦投入运转，如果不是特殊的原因，就不能停止工作，这就对它们运转的可靠性及安全性提出了一个要求。如何保证它们能够无故障的连续运转，及早发现隐患，是防止出现危险的一个好的措施。 故障诊断就是基于这

18、样的理念而提出来的。目前很多大型工厂都配置了大型的故 障诊断专家系统，它们功能强大，知识库丰富，诊断能力强，但是它们也有一些 弱点，如不易携带，不够灵活，操作复杂。而便携式故障诊断仪恰恰弥补了大型 故障诊断专家系统的这些缺点，虽然它的功能还不如大型故障诊断专家系统丰富， 但是仍可以解决大部分的故障诊断。因此目前许多厂家把大型故障诊断专家系统 和便携式故障诊断仪相结合使用，大大提髙了故障诊断的成功率和效率，将许多 隐患消灭在无破坏状态，避免了许多大的灾难。因此，本课题所研究的便携式故 障诊断仪有实际需求背景，可以预测它的前景是旺盛的和光明的。第三章方案的比较与选定3.1设计的要求设计要求产品的开

19、发周期短，功能丰富，扩展性能好，在同类产品中要有较高的性价比，从而有较髙的竞争力，也就是说要具有下面二点要求： 使用最新技术提高性能和集成度； 成本低；开发周期短。下面的软硬件方案设计都是基于以上考虑而进行的。3.2设计方案流程图从本课题所要完成的任务可以把设计分成两个阶段来完成，硬件和软件，故此，设计可以按照如图3-1所示的系统设计的流程进行。此方案的出发点是：因为在大型旋转机械状态监测中，数字信号处理部分比较多，涉及到频谱分析、数字滤波、自相关和卷积等一系列需要数字信号处理器 比较容易完成的工作，因此可以釆用080+0？！？。八)的方案，逻辑控制完全由 一片CPLD来完此方案的缺点是硬件设

20、计工作量大，开发周期较长，系统可扩展性能较差3.3.2 PDA方案此方案是基于开发周期短而考虑的，是在PDA上进行二次开发，需要完成的工作是设计数采板卡和软件。缺点是PDA由于是一种成型的产品，虽然PDA的体积小，功耗低，带有操作系统，但是在性能扩展方面不是很灵活。 3.3.3笔记本方案笔记本方案是以笔记本为核心，配备一定的外围装置而构成的便携式数据釆集系统。其优点是外部资源丰富、系统组成灵活、存储容量大、支持软件多、软 件更新快等特点，其缺点是目前许多基于笔记本的数据釆集系统需要配置价格昂 贵的专用扩展箱，由于不同厂家的笔记本的总线扩展槽标准不统一，有的甚至不 能配扩展箱，这使得此类系统在价

21、格及通用性方面受到限制。 3,3.4 PC104 方案目前，多数幵发者倾向于尽可能多地使用现成的硬件和软件，以缩短开发周期和使用最新技术。然而，在PC104模块出现之前，没有合适的嵌入式微机供选 择，除非使用髙成本和体积大的总线板卡象12、似11衍或3丁0等产品。因 此，常常要从芯片设计做起。在本课题的初步设计阶段，我们就曾面临着幵发周期短，技术复杂度高的难 题，通过权衡考虑，我们放弃了髙性能口？+：?!等需要复杂配件设计的方案及 釆用笔记本加数釆卡和？0八二次幵发等方案，而是釆用了 ？0104做为核心中央 处理器的方案，将主要精力放在数据采集板及板卡驱动和应用软件的设计上。 ？0104嵌入式

22、计算机模块系列是一套成本低，高可靠性，能迅速配置成产品的结 构化模块。由于与通用的？0和？(：/八I标准（记它丑-？?)完全兼容，可以很快掌 握其软、硬件的使用，而且费用低、风险小。并且能缩短产品开发周期，体现最 新技术。3.4软件方案的选择目前，各种各样的嵌入式系统及基于其上的丰富应用软件为便携仪的开发提 供了极大的便利，从而使幵发者不再需要从底层幵发费时、费力的软件，而完全 可以将精力放在顶层应用软件的幵发上。 3.4.1嵌入式操作系统的选择嵌入式操作系统要求要有良好的可移植性，能够用在根据应用要求选择的微处理器中：软件开发工作变得规范，容易测试，可实现模块化编程，同时由多个 人共同完成一

23、个任务；解决己往幵发产品存在的诸多不安全隐患。很多软件厂商 迎合嵌入式系统发展的需要，推出了多种不同特点的嵌入式操作系统。例如 M i c r o s o f t 公司的Windows CE , 3 C O M公司的P a l m O S , S y m b i a n 公司的E P O C ,中科院凯思集团的H O p e n 以 及L i n u x 等。 3.4.2 Windows CE操作系统Windows CE操作系统是微软为实现“信息随手可得”的设想而努力开发的成 果。通过Windows CE，微软提供了标准的幵放式平台，极大地减少了硬件制造商（IHV)、软件开发商（SHV)以及最

24、终将釆纳新一代非PC技术解决方案的客户多方之间的矛盾。Windows CE是一个功能强大的开放的32位实时嵌入式操作系统，适用于怏速构建新一代内存少、体积小的智能设备。例如工业控制器、手持式设备、智能电话、机顶盒和零售点设备等。目前的掌上电脑（PDA）、全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS、车载PC（Auto PC）有很多釆用Windows CE操作系统。3.4.2.1 WinCE操作系统特点Windows CE是一个抢先式多任务并具有强大通信能力的嵌入式操作系统。它是一个全新的、可移植的、实时的、模块化的操作系统，具有流行的微软程序开发界面，提供许多快速开发嵌入式系统的工具。（1）新

25、内核Windows CE看上去和Windows 9X/NT很像，但它不是这些操作系统的简化版,也不是从这些系统移植过来的。Windows CE具有全新的内核和任务调度、内存管理策略。(2)可移植性由于Windows CE操作系统几乎完全是用C语言编写的，所以可移植到众多处理器中：软件开发工作变得规范，容易测试，可实现模块化编程，同时由多个 人共同完成一个任务；解决己往开发产品存在的诸多不安全隐患。很多软件厂商迎合嵌入式系统发展的需要，推出了多种不同特点的嵌入式操作系统。例如Microsoft 公司的Windows CE , 3COM公司的Palm OS, Symbian公司的EPOC ,中科院

26、凯思集团的HOpen以及Linux等。的32位微处理器上；支持各种处理器家族，包括x86,PowerPC,ARM,MIPS和SH等系列。微软为每个支持的处理器家族提供完整的系统库。Windows CE可以通过OEM适配层OAL(OEM Adaptation Layer)适配到任何硬件平台。OAL是驻留在CE内核和硬件之间的代码层。原始设备制造商使用这些代码把CE适配到自己的硬件上。OAL链接CE的内核和定制的硬件。（3）实时性Windows CE2.1及其以前的版本实时性能不强，但Windows CE3.0及以后的版本实时性能得到明显改善。Windows CE 3.0的实时性能主要通过以下技术

27、实现：支持嵌套中断，髙优先级的中断并不需要等待低优先级的中断服务例程（ISR） 完成；256个线程优先级，可以灵活调度嵌入式系统的任务；通过固定高优先级 中断服务线程（IST）的最大调度延迟改善线程响应时间；使用API函数CeSetThreadQuantum和CeGetThreadQuantum修改操作系统中线程的线程量；中断服务子程序的响应时间非常短；支持信号量。在基于Windows CE的参考平台上，使用Hitachi SH3微处理器，系统可以在2-5微妙内启动一个中断服务例程（ISR），在90170微妙内启动相应的中断服务线程。如果考虑其它因素，如CPU类型、时钟频率、总线速度等的影响，

28、许多实际的基于Windows CE平台的响应时间更短。（4）模块化由于存储器资源在移动和嵌入式设备中非常有限，Windows CE设计成一个模块化操作系统,设计者只需选择那些需要的模块以满足指定平台的存储器要求。Windows CE的结构如图3-3所示，主要包括4个模块：内核(Kernel)、图形窗口事件子系统（GWES)、文件系统（Filesys）和通信模块。Kernel负责中断处理、进程和线程管理、虚拟内存管理和其它相关任务； GWES ( G r a p h i c s Wi n d o w i n g a n d E v e n t s S u b s y s t e m) 相当于桌面

29、Wi n d o w s 的图形设备接口G D I 和用户库; F i l e s y : 用于永久存储，包括文件系统、注册表和数据库;C o m m u n i c a t i o n s 模块负责与桌面P C 、 其它C E 设备和因 特网的互联。 每个模块又分成许多小组件。裁减Wi n d o w s C E时，可以只选择那些需要的组件。（5）Win32兼容性 Wi n d o w s C E采用与Wi n d o w s 9 5 / N T相同的编程模型， 它的A P I 是Wi n 3 2 A P I的一个子集，大约有6 0 0个A P I 函数，可以实现所有的嵌入式应用。C E只支

30、持U N I C O D E码， C E A P I 删除了Wi n 3 2 A P I 中包含A N S I 字符串参数的函数。 C E还支持当前流行的软件技术和运行库，如M F C ( M i c r o s o f t F o u n d a t i o n C l a s s ) ,A T L ( A c t i v e T e m p l a t e L i b r a r y ) , E V C ( E m b e d d e d V i s u a l C + + ) , E V B ( E m b e d d e d V i s u a lB a s i c ) . Wi n

31、3 2的兼容性可以容易地把现成的Wi n d o w s 应用程序移植到Wi n d o w sC E中。3.4.2.2Wi n d o w s C E在嵌入式控制系统中的应用分析嵌入式操作系统释一种应用广泛的系统软件,工业控制是它的传统应用领域， 在这一领域里已有一些比较成功的嵌入式操作系统。但是，随着应用对象的扩大 和技术的进步，实际应用对工业控制系统的功能和性能提出了许多新的要求。例 如，适应恶劣的工作环境熟悉和友好的用户界面，统一的编程界面，强大的通 信功能和多媒体功能等，这些嵌入式操作系统很难满足工业应用的新需要。由于 Wi n d o w s C E2.1及以前版本的实时性较差，在

32、工业控制领域应用较少，主要应用 在移动式（或便携式）产品和信息家电领域。Wi n d o w s C E的出现极大地改善 了它的实时性能为Wi n d o w s C E进入工业控制领域奠定了基础。 （1）实时性实时性是指能够在限定时间内执行完规定的功能并对外部的异步事件做出 反应的能力。实时性的强弱以完成规定功能和做出响应时间的长短来衡量。提高 硬件的处理能力可以在一定程度上提高计算机控制系统的实时性，但是当硬件确 定以后，控制系统的实时性能主要由操作系统来决定。无论从汽车制造到工业自 动化还是从电子通信到交通运输 Wi n d o w s C E均可为具备确定性响应能力的 应用程序提供内建

33、实时支持。 (2）可靠性工业控制系统对可靠性要求很髙，计算机控制系统发生故障或死机对于企业 安全髙效生产带来不利的影响。可靠性主要包含两个方面的含义：一是控制计算 机本身要连续稳定运行，二是系统检查出故障后要有保持安全状态的能力。虽然 软硬件抗干扰技术、热冗余技术可以在一定程度上提高工业控制系统的可靠性， 但是操作系统的可靠性仍然影响着工业控制系统的运行。稳定性方面，在实时控制操作系统中，一般要提供源代码或者提供许可证， 由控制器生产商来保证系统的稳定性。控制器生产商根据应用需要定制识操作系统，经过一段时间的完善和测试以后投入使用。测试的方式和时间由 生产商确定。从故障角度来看，实时操作系统在

34、应用中是以内核模式工作的，应用的故障 会立刻造成系统崩溃。Wi n d o w s C E内核具有内存管理功能，可以检查出应用造 成的系统异常，抑制由于应用不正常直接破坏系统的危险性。所以 比一般的实时系统健壮。（3）人机界面不同对象对工业控制系统的人机界面H MI ( H u m a n Ma c h i n e I n t e r f a c e )要求差别很大。在一般的实时嵌入式操作系统中，图形功能弱，虽然也有提供图形库 的，但没有更强的功能。不仅支持图形和窗口具有多媒体功能，而 且还可以利用丰富灵活的控件库在Wi n d o w s C E环境下为嵌入式应用建立各种图 形用户界面。Wi

35、 n d o w s C E支持256色，显示分辨率可以设定，支持触摸屏。因 此，Wi n d o w s C E完全可以满足工业控制系统对人机界面的要求。 (4）幵放性Wi n d o w s C E具有良好的通信能力广泛支持各种通信硬件、局域网连接以 及拨号连接，并提供与PC、内部网以及I n t e r ne t的连接，包括用于应用级数据传 输的设备至设备间的互连。Wi n d o w s C E具有良好的可扩展性用户可根据实际 需要定制合适的硬件开发自己的模块和组件，集成到运行Wi n d o w s C E的设备上(5)开发成本和幵发环境工业控制设备的生产批量小开发环境所占比重大，所

36、以易用、廉价的幵发 环境对控制设备生产商十分关键。Wi n d o w s C E的幵发成本低，生成和调试工具方便易用。Wi n d o w s C E P l a t f o r m B u i l d e r 3 . 0 提供了迅速创建Wi n d o w s C E嵌入式系统需要的全部软件工具。 P l a t f o r m B u i l d e r 主要包括Wi n d o w s C E A d d - o n P a c k ( 插件包) 、 各种调试工具及E m b e d d e d V i s u a l T o o l s ( 由面向嵌入式系统开发而进行优化的E m b

37、 e d d e d V i s u a l B a s i c 和E m b e d d e d V i s u a l C + + 组成) 。第四章硬件设计4.1 硬件结构框图4.2输入电路模块4,2.1设计中用到的传感器本设计中用到的传感器功能是将机械的振动量转换为电信号。传感器性能的选择、测点数目和位置的确定以及正确的安装关系到能否获得完整、准确的转子振动信息将直接影响監测和分析工作的效果。本设计中用到的传感器主要是 电涡流式位移传感器和ICP加速度传感器。4.2.1.1电涡流传感器电涡流位移传感器是通过传慼器端部线圈与被测物体（导电体间的间隙变 化来测量物体的振动和静位移，它与被测物

38、之间没有直接的机械接触，因此，特别适合于测量具有表面线速度的转子轴的振动，这种传慼器的特点是： 1，不需要与被测物体有直接的机械接触；2,有很宽的使用频率范围，可以从直流到10kHZ不仅能测量频率较高的 振动位移，还能测量转子的静止位置；3可以直接测量转子相对于机壳的振动信噪比髙，受到的干扰小； 4,波形简单直观，特别便于分析观察； 5 髙电平低阻抗输出，适宜于远距离输送： 6定标方便，只需作静态定标。 4.2.1.1.1电涡流传感器的工作原理在传感器的端部有一线圏，线圈通以频率较高一般为1MHz2MHz)的 交变电压（见图4-2。当线簡平面靠近某一导体面时，由于线圈磁通链穿过导体，使导体的表

39、面层感应出一涡流ie而这一涡流ie所形成的磁通链仏又穿过原线圏。这样，原线圏与涡流“线圏”形成了有一定耦合的互感。耦合系 数的大小又与二者之间的距离及导体的材料有 关。其等效线路图4-3(a)如图。图中R和L为原线圈的电阻与自感；Re和Le为涡流的等效电阻与自感；M为互感系数。当所加的Ui的频率fsr很髙时，有可以证明图4-3（b）中的称为耦合系数。当导体材料给定时，耦合系数尺与距离4有关，也即尤是4的函数：这样，d的变化反映如图4-3 (b)中L的变化，因此，测定L的变化，也就是间接测定d的变化为了测定L的变化，釆用谐振分压线路。为此，在图4-3 (b)中并上电容c，这样构成一R，L C：谐

40、振回路。这一谐振回路的谐振频率F即阻抗Z为最大值时的频率）为4.8即间隙增加反映为谐振频率下降。为了将这一谐振频率的变化转变为某一输出 电压的变化，在线路图4-3 (b)中引进一分压电阻Rc如图所示。引进的分压电阻要足够大使得谐振回路的阻抗|Z|Rc，这样，近似有从公式（4.9）看出：当输入Ui的频率广等于谐振频率F时，Z具有极大值，这 时输出U0的幅值也达极大值。而当么大于或小于尸时，输出都将减小。对应 不同的火（或的输出/。的幅值随输入频率尨的变化见图4-5 (&)所示。如果将输入频率人,严格固定在某一频率丸（比如！!)时,则对应于4 = 00， ，时的输出电压/。如图4-5）上实

41、线所示。实线的两端部都偏离直线，只有中段非常接近直线。在直线部分，输出。的变化量与间隙的变化量成正比，这正是使用的间隙范围。为了得到尽可能宽的线性范围，在线路电容：上再 并联一个可调电容6，以得到最佳的谐振点。厂。还不是最后所要的电压，因为它是载波频率为7。的调幅信号。为了得到最后正比于间隙的直流电压输出，还需对输出/。进行检波，才得到最后间隙随时间变化的电压波形。综上所述，为了实现电涡流位移测量，必须有一个专用的测量线路。这一测量线路应包括频率为丸的稳定的振荡器（一般用石英振荡器和一个检波环节等。传感器加上测量线路（称 之为前置器）的框图如图4-6所示。从前置器输出的电压是正比于间隙4的电压

42、。输出电压的平均值/对应于动态间隙（或初始间隙心，电压的波动部分对应于振动间隙。如果只对动态间隙感兴趣，可用电容隔直或加反向偏置的办法 取出振动部分电压。在安装涡流传感器时要注意平均间隙的选取。要求平均间隙加上振动间隙， 也即总间隙应处在线性段内，否则的话，在非线性段的灵敏度变化将带来测量上 误差和波形失真。一般来说，平均间隙选在线性段的中点，这样，在平均间隙两 边容许有最大的动态振幅，如图4-7 (b)所示。在安装传感器时，另一个要注意的问题是在传感器端部附近除了被测物体表 面外，不得有其它导体与之靠近。因为其它导体靠近端部时，传感器端部线圈的 磁通将有一部分从其它导体穿过，改变了传感器端部

43、线圈与被测物的耦合状态， 这样，不能得到正确反映间隙变化的输出。见图4-7所示。究竟多少距离范围以 外的其它导体不产生影响，这与传感器端部线圏几何尺寸有关。在使用中，除了注意上述传感器的安装问题外，还需考虑被测物体是何种导 体材料。耦合系数/：不仅与距离有关，而且和导体的导电率和导磁率有关，因为 不同的材料对高频电磁场的电感效应和涡流损耗也不相同。因此，同一传感器测 量不同材质的物体时，其输出灵敏度也不相同。一般来说，被测物的导电率越高， 其灵敏度也越高。对于涡流传感器，除了上面提到的各项性能外，另一项非常重要指标是温度 影响系数。旋转机械的转子有很多是在比常温高很多的温度下工作，油膜轴承的

44、润滑油温度可达70。80。0。不仅如此，有时温度还在变化。这样就要求传感器 的温度影响系数尽可能小，应给出温度影响的修正曲线，以供修正间隙电压值及 间隙电压灵敏度。4.2.11. 2电涡流传感器的选择及安装根据现场环境和监测位置的实际情况，选择86尺丁1 ？乂八0八公司的 3300X11111111电涡流传感器。出厂时，是按美国钢铁协会八13164140系列钢严格 校验的大部分的八13正1000与八13124000系列钢都会显现出与八13164140系列 钢相同的响应曲线，但铝、铜、钨钢或其他金属将显现不同的响应曲线，因此， 在校验探头及前置器时，所釆用的样块材质必须与机轴的材质一致或相近，才

45、能 准确地得到探头的特性曲线，以便确定探头精确的（理想的）零点间隙值。一般 来说，机组检测点是在轮盘上，其材质为45号钢，45号钢属于八13154140系列 之内，在实际检测时；选用45号钢样块。传感器的技术规格如下： 电特性电源：无隔栅时要求，17丨5乂彻至。6乂此，电流最大为12111八，有隔栅时要求 “23.5(10 至化乂彻。线形范围：40mm。推荐的间隙设定值：2。5mm。灵敏度：当在0胃线性范围内，包括互换性误差在内为：10011加丨丨土10义。 频响范围：0到8出2，典型值为十0到305米现场连线。 推荐最小轴直径：。 机械特性：探头重量：1708，铠装。 探头端部材料：？?3探

46、头电缆规格；75 0三维轴向？6？绝缘探头电缆，可选择1、5和9米探头总长。探头壳体螺纹：M14X1.5和M16X1.5 环境温度：探头温度范围：丨51。0：至+1771 前置器温度：-351至+851 探头的安装为了保证探头安装合适提髙探头的测量精度在保证探头间隙值时被测件 的表面应保持静止不动，探头间隙既可以经机械调整也可以经电气调整，轴振 动的安装间隙只经电气调整即可而轴位移的安装间隙最好先经机械调整，再 经电气调整，这样更有利于安装。1.在将探头装入安装孔之前先把锥孔清理干净，以防导电碎物干扰电磁场 而产生假信号。2.在探头间隙进行机械调整时，将探头拧入安装孔，并利用一块非金属塞 尺来

47、调整间隙以防划伤探头和被测面，此时，机轴应处在中心位置（即最大静 态串动量的二分之一，其静态零点间隙值由响应曲线提供。3.在探头引线与加长电缆前置器连接后，探头间隙也可以进行电气调整， 在前置器的输出端，接一块数字电压表再接通电源，把探头慢慢拧入安装孔并 观察前置器的输出电压。当拧入探头时前置器的输出电压会保持很低或给一个 虚假值因为电感触到四周材料，当探头伸出来时前置器输出电压最大随之 探头尖与被测面间隙减少，输出电压也随之减少，根据实测的探头及前置器特性 曲线，所确定的零点间隙值，便能调定探头的静态间隙。4.在探头间隙调整合适后，用锁紧螺母固定好。 4-2.1.1.3前置器的配置及安装1.

48、特性曲线是根据探头和前置器配合而测定的探头安装间隙也是根据特性曲线所提供的静态零点间隙值来完成的。因此探头与前置器配合校验后必须 成对配置，不允许随意交换装备。2前置器应安装在保护网中以防机械损伤或弄脏保护罩上不应含有金 属颗粒等物质，以防在前置器端子发生短路。4-2.1.2 CP加速度传感器内置电路加速度计也称恒流源加速度计，它的特点是釆用二线制方法工作， 由于由？08公司命名的“ICP”形式己为国内用户及厂商所接受，所以下面都用ICP传感器来表示。压电加速度计与电荷放大器相配接测量振动与冲击是一种传统的测试方法， 在国内己有二十余年的使用历史，由于近几年各种数据釆集仪的推出及测点的大 量增

49、加，釆用电荷放大器的方法就其方便性或性价比均不好，随之内置式传感器 应运而生，它具有的一些独特之处及低价位使其得以迅速发展。 4.2.1.2.1内置电路十几年前，国内己有ICP传感器，由于当时的条件局限，其电性能较差，图 4-8(a)是典型电路，由结型场效应管组成的电压放大器。图4-8(b)是采用从MOS场效应管复合而成的电压放大器，该电路是目前国内釆用较多的一种形式，它的技 术参数已大大提高：1. 外界电压、电阻的变化不会改变传感器灵敏度；2.中点电位基本恒定；3.频响宽（>100KHz)，该电路的利用，大大提高了国内内置电路传感器的水平与实用性，推动了内置传感器技术水平的提高与发展。

50、 4.2.1.2.2内置电路加速度计主要技术参数及其研究 1.电压灵敏度该传感器釆用压电晶体作敏感元件，通过放大器将高阻转变成低阻输出，该 类传感器的电荷灵敏度与自身质量成正比灵敏度0.513001)0的加速度计质量 应在几克几百克之间。内置电路加速度计的灵敏度除与电荷灵敏度有关，也与敏感元件的电容有关，但它灵敏度与自身质量成正比的关系不变。我们釆用电压 传输系数为100.96的放大电路时，如重量在200克左右时灵敏度则为。丨丨乂/!2 左右这类传感器一般用于诸如土木工程等大型结构测量。由于缺少髙度集成的芯片国内低于8克的10？传感器极为罕见，国外有几 克重但输出电压有几百毫伏的忙？加速度计时

51、，显然是釆用了放大芯片制成，这 种小型传感器对物于轻质微型结构的测量是特别合适，但也应知道传感器自身的 噪声指标及信噪比，以便得到准确测量值。 2.供电电压范围及适配器ICP传感器的一个显著特点是二线制电源线也是信号输出线，它只需要单 直流电源供电即可。由于是单电源供电放大输出电路带有偏置电压，动态信号是叠加在偏置上， 一般用户不希望偏置存在，一般采用大电容（川?)隔直。输出零点在士 1011 左右。市售产品有二种形式：一种是中点偏置随外电压的变化 一种是中点电位 随电源电压变化而变化。只要偏置电压适当不影响输出幅值即可。市售ICP产品有1224乂或182”两种前者实际可在9乂下工作，但此 时

52、加速度计的动态范围只有±2乂？左右。良好的内置电路传感器必须满足的条件是：（丨外电压的变化不影响传感器的自身电压灵敏度；偏置电压的范围使传感器的动态输出值在左右，如有约定也可降低供电电压使动态范围在23乂口左右（一般用于小型手掌式釆 集器。3.工作温度就目前国内所大量釆用的传感器压电晶体？2丁5的某些温度特性，了解ICP传感器的温度特性对特殊场合尤为重要。一般的传感器在60。0温度范围内误差 较小。4.频率范围一般加速度传感器的使用频率与自身体积、重量有关。几克或十几克的加速度计测试范围为0.5112至10出2以上它的低频特性略差。而几十克或百克以上的髙灵敏度计测试范围在0.2112

53、至1说2或500112左右内置式忙？加速度计除应考虑压电式传感器自身的特点外，内置电路的釆用对频率特性也有一定的影 响。低频特性主要取决于压电元件的电容和内装电路输入端的电阻所构成的高通滤波器，一般可在0.5112左右，而高频特性主要取决于传感器自身刚性及质量， 长电缆的使用0100米）也会影响传感器的高频特性，电缆越长，电容越大。 4.2.1.2.3 ICP传感器的特点及应用1 ICP传感器与普通压电传感器相比，具有的特点如下：(1)低价位。ICP传感器与恒流源适配器相配，其测试系统价位将大大降低(2)抗干扰性能好。由于高阻的传感器与放大器密闭在一个整体内，之间的连线几乎为零，减少了地回路引

54、起的干扰。传感器与放大器的屏蔽也十分完美，外界干扰将大为降低.(3) ICP加速度计由于受偏置电压限制，输出一般为±5乂？，使用动态范围 及灵活性不如加速度计与电荷放大器相配好，如桩基测量（小应变）和机械故障 监测一般均用丨她乂/咖2指标的忙？加速度计，如仰10101测量值在50011182时， 输出动态为5乂。如测量值大于50011132时，则要换用灵敏度低的传感器。 4.2.2恒流源的设计ICP加速度传感器是恒流源供电的，恒流源可以有很多种实现方法，在这里 釆用了性能价格比高的恒流二极管加一个24V直流电源的方法来实现，图4-9是 实现的原理图。4.3信号调理电路的设计本系统中，

55、信号调理主要是实现将传感器输出的信号进行一系列处理，去掉 无用信号，并将有用信号送给/！)转换器以进行釆样。在本系统中信号调理电路主要实现隔直、阻抗匹配、电平变换、自适应抗混 叠低通滤波的功能。在这里主要介绍自适应抗混叠低通滤波的实现方法。因为本系统中要采集的信号是一个频率变化的信号，因此滤波器就要求能够 随着输入信号的频率而变换截止频率以达到实时滤波的功能；而且输入信号的 频率最髙要求为11012最低为1002。基于以上考虑釆用了锁相环技术，制作了 一倍频电路，实时跟踪输入信号的变化然后这个倍频信号去控制开关电容的截 止频率，从而实现实时滤波的功能。滤波器釆用了从0从的开关电容式滤波器MAX

56、291。图4-10是自适应抗混叠滤波电路 MAX291的fclk：fs=100:1，因此锁相环（在下面一节中介绍其工作原理）倍频后的输出信号为输入转速频率的1000倍并接到似“291的clk端，因此291的截止频率为10clk，并且是实时跟踪输入转速信号变化的图知4-11为 在CPLD107128中1000分频的实现。44信号采集4.4.1采集模块介绍 4.1.1.1八0的选择(1)系统需要的精度为化0.05%，则理论上至少要选用12位的，在考虑到系统中其它的误差来源，本设计中选取了 14位的。 （）输入的模拟信号是介于十5乂和。乂之间的电压信号，因此要选择能够允许正负输入的双极性芯片（）转换

57、速度的选择，因为系统中输入信号的最髙频率是1，若在一个周期内最多釆四路输入两个用于测量振动，一个用于测量轴心轨迹，还有一个用于测量键相由于机械振动中包含了大量的谐波频率，为了分析准确，应该至少考虑8倍基频，为了能够方便进行运算，要求运算时的数据为2的整数次幂， 因此在一个周期内釆集64个数据因此八0转换器的最小的釆集频率为： 1000*4*64=256&。另外输入信号的最高频率通常都是小于1&的，因此设计中选 择了具有250采样速率的。综合以上考虑，设计中选用了公司的内部结构见图4-12)0 芯片。V八乂125是内部带同步采样保持器的髙速多通道14位数据采集芯片，芯片内 部包含一个14 611，转换时间为3 4 3的逐次逼近型模拟数字转换器，一个23乂的 内部电压基准，一个经过缓冲的