机床振动检测系统

1、绪论11系统硬件设计21.1 单片机的选择21.1.1 上要性能31.1.2 引脚功能说明51.1.3 单片机的时钟电路.61.1.4 复位电路和复位状态71.1.5 A/D转换器的选择81.1.6 MCS-51的最小应用系统及总线结构10专题设计部分2传感器111.1 压电式加速度传感器工作原理111.2 电荷（电压）放大器131.3 灵敏度131.4 动态信号分析仪14测振实例3对激振台振动的测试151 对激振台台面运动谐波失真的测量161 对激振台正弦推力的测量161 对激振台振动位移的测量174程序及运算17线路17程序框图17工作原理18步骤18程序185结束语20机床振动检测系统绪

2、论机械在运动时，由于旋转件的不平衡、负载的不均匀、结构刚度的各向异性、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，总是伴随着各种振动。机械振动在大多数情况下是有害的，振动往往会降低机器性能，破坏其正常工作，缩短使用寿命，甚至导致事故。机械振动还伴随着同频率的噪声，恶化环境，危害健康。另一方面，振动也被利用来完成有益的工作，如运输、夯实、清洗、粉碎、脱水等。这时必须正确选择振动参数，充分发挥振动机械的性能。在现代企业管理制度中，除了对各种机械设备提出低振动和低噪声要求外，还需随时对机器的运行状况进行监测、分析、诊断，对工作环境进行控制。为了提高机械结构的抗振性能，有必要进行机械结构的振动分析和振动设计。这些

3、都离不开振动测试。振动测试包括两种方式：一是测量机械或结构在工作状态下的振动，如振动位移、速度、加速度、频率和相位等，了解被测对象的振动状态，评定等级和寻找振源，对设备进行监测、分析、诊断和预测。二是对机械设备或结构施加某种激励，测量其受迫振动，以便求得被测对象的振动力学参量或动态性能，如固有频率、阻尼、刚度、频率响应和模态等。振动的幅值、频率和相位是振动的三个基本参数，称为振动三要素。幅值：幅值是振动强度的标志，它可以用峰值、有效值、平均值等方法来表示。频率：不同的频率成分反映系统内不同的振源。通过频谱分析可以确定主要频率成分及其幅值大小，从而寻找振源，采取相应的措施。相位：振动信号的相位信

4、息十分重要，如利用相位关系确定共振点、测量振型、旋转件动平衡、有源振动控制、降噪等。对于复杂振动的波形分析，各谐波的相位关系是不可缺少的。在振动测量时，应合理选择测量参数，如振动位移是研究强度和变形的重要依据；振动加速度与作用力或载荷成正比，是研究动力强度和疲劳的重要依据；振动速度决定了噪声的高低，人对机械振动的敏感程度在很大频率范围内是由速度决定的。速度又与能量和功率有关，并决定动量的大小。压电传感器的力学模型可简化为一个单自由度质量-弹簧系统。根据压电效应的原理，当晶体上受到振动作用力后，将产生电荷量，该电荷量与作用力成正比，这就是压电传感器完成机电转换的工作原理。压电式加速度传感器在振动

5、测试领域中应用广泛，可以测量各种环境中的振动量。关键词：压电式加速度传感器、电荷放大器、动态分析仪、振动测量物体围绕平衡位置作往复运动可产生震动，从频率范围来分，有高频振动、低频振动和超低频振动等。传感器与被测振动加速度的机件紧固在一起后，传感器受机械运动的振动加速度作用，压电晶片受到质量块惯性引起的压力，其方向与振动加速度方向相反，大小由F=ma决定。在工程振动测量中，压电式加速度计被广泛地应用。它包括三向加速度计、线加速度计、角加速度计等。它具有高动态范围、精度高、工作温度范围宽、安装方便（体积小、重量轻）、内部材料（如石英）不随时间和加速度计的工作状态变化而改变等特点。用加速度计进行振动

6、测量时，典型的测量系统由加速度计、电荷（电压）和动态信号分析仪组成.系统硬件设计、单片机的选择：iacc|国丽不LtmpHaluRST通或3望春安K17AL.L图2-1:MCS-51的结构框图由于Intel公司的单片机问世早、产品系列齐全、兼容性强，得到了广泛的应用，目前我国主要使用MCS-51系列的产品，尤以8031为多。这是因为8031无片内ROM、应用灵活、价格便宜。MCS-51是Intel公司的8位系列单片机，包括51和52两个子系列。51子系列有8031、8051、8751;52子系列有8032、8052。52子系列的不同在于它多具有定时/计数器2及具有256B的内部数据存储器。主要

7、性能内部程序存储器：4KB内部数据存储器：128B外部程序存储器：可扩展到64KR外部数据存储器：可扩展到64KB输入/输出口线：32根（4个端口，每个端口8根）定时/计数器：2个16位可编程的定时计数器用行口：全双工，二根。寄存器区：在内部数据存储器的128B中划出一部分作为寄存器区，分为四个区，每个区8个通用寄存器。中断源：5个中断源，2个优先级别。堆栈：最深128B。布尔处理机：即位处理机，对某些单元的某位做单独处理。指令系统（系统时钟为12MHz时）：大部分指令执行时间为1us；少部分指令执行时间为2us;只有乘、除指令的执行时间为4us.引脚功能说明图2-1是89C51/LV51的引

8、脚结构图，有双列直插封装（DIP）方式和方形封装方式。下面分别叙述这些引脚的功能。（1）电源引脚Vcc和VssVcc（40脚）：电源端，为+5V。Vss（20脚）：接地端。（2）外接晶体引脚XTAL俐XTAL2XTAL1（19脚）：接外部晶体和微调电容的另一端。在片内，它是振荡电路反相放大器的输入端。在采用外部时钟时，该引脚输入外部时钟脉冲。XTAL2（18脚）：接外部晶体和微调电容一端。在89C51片内它是振荡电路反相放大器的输出端。振荡电路的频率就是晶体的固有频率。若须采用外部时钟电路，则该引脚悬空。（3）控制信号引脚RSTALERST（9脚）：RST是复位信号输入端，高电平有效。当此输入

9、端保持两个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平时。就可以完成复位操作。ALE/:地址锁存允许信号端。当89C51上电正常工作后，ALE引脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率Fosc的1/60CPLB问片外存储器时，ALE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。：程序存储允许输出信号端。当89C51/LV51由片外程序存储器取指令（或常数）时，每个机器周期两次有效（即输出2个脉冲）。但在此期间内，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。/Vpp:外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。当引脚接高电平时，CPU只访问片内FlashROM并执行内部程序存储器中的指令；但

10、当PC（程序计数器）的值超过0FFFH（对89C51为4KB）时，将自动转去执行片外程序存储器内的程序。当输入信号引脚低电平（接地）时，CPUR访问片外ROW执行片外程序存储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。然而需要注意的是，如果保密位LB1被编程，则复位时在内部会锁存端的状态。当端保持高电平（接Vcc端）时，CPIB行内部程序存储器的程序。在FlashROMS程期间，该引脚也用于施加12V的编程允许电源Vpp（如果选用12V编程）。（4）输入/输出端口P0P1P2和P3P0端口：P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O端口。作为漏极开路的输出端口，每位能驱动8个LS型TTL负载。当P0口

11、作为输入口使用时，应先向口锁存器写入全1,此时P0口的全部引脚浮空，可作为高阻抗输入。作输入口使用时要先写1,这就是准双向的含义。在CPU»问片外存储器时，P0口分时提供低8位地址和8位数据的复用总线。在此期间，P0口内部上拉电阻有效。在FlashROM编程时，P0端口接受指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。P1端口：P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P1的输出缓冲器可驱动4个TTL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P1作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（I

12、il）.在又tFlashROM编程和程序校验时，P1接受低8位地址。P2端口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可驱动4个TTL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P2作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（如执行“MOV】DPTR指令）时，P2送出高8位地址。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行"MOVXR1指令）时，P2口引脚上的内容，在整个访问期间不会改变。在又tFlashRO蝙程和程序校验期间，P2也接受高位地址和一些控制

13、信号。P3端口：P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P3的输出缓冲器可驱动4个TTL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P3作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在89C51中，P3端口还用于一些复用功能。其复用功能如表2-2所列。在又tFlashROM编程和程序校验时，P3还接受一些控制信号。表2-2P3各端口引脚与复用功能表端口引脚复用功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INTO（外部中断0）P3.3INT1（外部中断1）P3.4T0（定日器0的外部输入）P3.5T1（定

14、时器1的外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）单片机的时钟电路MCS-5俾片机内部的振荡电路是一个高增益反相放大器，引线XTALi和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端。单片机内部虽然有振荡电路，但要形成时钟，外部还需附加电路。MCS-51单片机的时钟产生方式有两种。（1）内部时钟方式利用其内部的振荡电路在XTALi和XTAL2引线上外接定时元件，内部振荡电路便产生自激振荡，用示波器可以观察到XTAL2输出的时钟信号。最常用的是在XTALi和XTAL2之间连接晶体振荡器与电容构成稳定的自激震荡器，如图3-1所示。晶体可在1.212MHz之间选择。M

15、CS-51单片机在通常应用情况下，使用振荡频率为6MHzB勺石英晶体，而12Hz频率的晶体主要是在高速串行通信情况下才使用。对电容值无严格要求，但它的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路起振速度有少许影响。C1和C2可在20100pF之间取值，一般取30pF(2)外部时钟方式在由我单片机组成的系统中，为了各单片机之间时钟信号的同步，应当引入惟一的合用外部振荡脉冲作为各单自片机的时钟。外部时钟方式中是把外部振荡信号源直接接入XTAL1或XTAL2。由于HMOS口CHMOS片机外部时钟进入的引线不同，其外部振荡信号源接入的方式也不同。HMO型单片机由XTAL2进入，外部振荡信号接至XTAL2

16、,而内部反相放大器的输入端XTAL1应接地，如图3-2所示。由于XTAL2端的逻辑电平不是TTL的，故还要接一上接电阻。CHMOS型单片机由XTAL1进入，外部振荡信号接至XTAL1,而XTAL2可不接地，如图3-3所小。健用片内柒曲电暂骑时静(I随erEHMCFa麟片孔的畀寓制”方£看校外部时辞图内部时钟电路钟电路图HMOS!外部时钟电路图外部时复位电路和复位状态MCS-5俾片机的复位是靠外部电路实现的。MCS-51单片机工作后,只要在它的RST引线上加载10ms以上的高电平，单片机就能够有效地复位。复位电路MCS-5俾片机通常采用上电自动复位和按键复位两种方式。最简单的复位电路如

17、图3-4所示。上电瞬间，RC电路充电，RST引线端出现正脉冲，只要RST端保持10ms以上的高电平，就能使单片机有效地复位。在应用系统中，有些外围芯片也需要复位。如果这些芯片复位端的复位电平的要求一致，则可以将复位信号与之相连。图2-6简单的复位电路在实际的应用系统中，为了保证单片机可靠地工作，常采用“看门狗”监视单片机的运行。采用MAX690的复位电路如图3-5所示，该电路具有上电复位和监视MCS-51单片机的P3.3的输出功能。一旦P3.3不输出高低电平交替变化的脉冲，MAX690就会自动产生一复位信号使单片机复位。图2-7MAX690组成的复位电路(2)复位状态复位电路的作用是使单片机执

18、行复位操作。复位操作主要是把PC初始化为0000H,使单片机从程序存储器的0000H单元开始执行程序。程序存储器的0003H单元即MCS-51单片机的外部中断0的中断处理程序的入口地址。留出的0000H-0002H3个单元地址，仅能够放置一条转移指令，因此，MCS-5俾片机的主程序的第一条指令通常情况下是一条转移指令。除PC之外，复位还对其他一些特殊功能的寄存器有影响，它们的复位状态如表3-6所示。利用它们的复位状态，可以减少应用程序中的初始化编程A/D转换器选择ADC08C9介绍ADC0809是一种比较典型的可实现8路模拟信号的分时采集，址锁存用译码电路，其转换时间为k%砌A型DB型ADDC

19、ale位姒关8r模开q£i£i址存与吗地能与译淞A/D转摭三态输出锁存蝶冲器21201913B151417610STAKTCLK8位8通道逐次逼近式A/D转换器CMOS：艺,片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道地100ps左右，采用双排28引脚封装。图：A/D转换结构图信号引脚ADC0809芯片为28引脚为双列直插式封装，具引脚排列见图9.8。对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下：IN7IN0模拟量输入通道ALE地址锁存允许信号。对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。START转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809;START下降沿时启

20、动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。本信号有时简写为ST.A、B、C地址线。通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA,ADDB和ADDC。其地址状态与通道对应关系见表9-1。CLK时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHz的时钟信号EOC转换结束信号。EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。D7D。一一数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。D0为最低位，D7为最高OE输出允许

21、信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据OE=0输出数据线呈高阻；OE=1,输出转换得到的数据。Vcc+5V电源。Vref参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V,Vref(一)=-5V).叫!r811M工叫一nh326现巩叫一ADDA取62IADDSSTART一台弊ADDCEOC一ADC0S09ALE一3-X一明CE一%CLOCK一或1一%吃11Qref(+)174GND要出1-1J巾一7图：A/D转换引脚图MCS-51的最小应用系统及总线结构构成最小应用系统时只要将单片机接上外部的晶体或时钟电路和复位电路即可，

22、如图3-8所示，这样构成的最小系统简单可靠，其特点是没有外部扩展，有可供用户选用的大量I/O线。图2-10MCS-51单片机的最小应用系统单片机的引线除了电源、复位、时钟输入、用户I/O口外，其余引线都是为实现系统扩展则设置的，这些引线构成了单片机外部的3总线形式，如图3-7所示，下面分别予以介绍。地址总线地址总线宽度为16位，由Po口经地址锁存器提供低8位地址(A7A0),P2口直接提供高8位地址(A15A8)。由口的位结构可知，MCS-51单片机在进行外部寻址时，Po口的8根引弱低8位地址和8位数据的复用线。P0口首先将低8位的地址发送出去，然后再传送数据，因此要用锁存器将先送出的低8位地

23、址锁存。MCS-51常用74LS373或8282做地址锁存器。数据总线数据总线宽度为8位，由P0口提供。控制总线MCS-51用于外部扩展的控制总线除了它自身引出的控制线RESEA、ALEPSEN外，还有由P3口的第二功能引线：外部中断0和外部中断1输入线INT0和而，以及外部RAM®I/O端口的读选通和写选通信号RD和WR。2.传感器选择压电式加速度传感器作为检测系统的传感器。压电式加速度传感器是以压电材料为转换元件，输出与加速度成正比的电荷或电压量的传感装谿压电式加速度传感器工作原理压电材料（如石英晶片或压电陶瓷片）受到机械载荷时，会在某些特定的表面上产生电荷，其电荷量与所受到的载

24、荷成正比。晶体片两面所带的电荷量大小相等、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器，其电容量可表示为：Ca=eS/6；因此晶体片上产生的电压量与作用力的关系为：ea=q/Ca=（dii6/eS）F=（dii6/eS）Fm2sint式中：6压电晶体的介电常数；晶体片（构成极板）的面积；晶体片的厚度；dii压电系数；.F沿晶轴施加的力。压电式加速度计的晶体片确定后，式中dii、S、占、e都是常数，则晶体片上产生的电压量与作用力成正比。测量时，将压电式加速度计基座与试件刚性固定在一起（安装基面粗糙度燔）。当加速度计受振动时，由于压电片具有的压电效应，因此在它的两个表面上就产

25、生交电荷（电压）。而此交变电荷（电压）与作用力成正比，亦即与试件的加速度成正比。这就是压电式加速度计能够将振动加速度转变成为电量进行测振的原理。压电式加速度计白等效电路见图i图1压电式加速度计的等效电路电荷（电压）放大器电荷放大器是针对压电式加速度计的测量电路，是一种前置放大器，它的输出电压正比于输入电荷。电荷放大器的核心是一电荷转换级是一种特殊形式的运算放大器，如图2所示。其中电容是Ca传感器的等效电容，。是电荷转换级的反馈电容。(_Ir图2电荷转换级的电原理图根据运算放大器的理论，开环增益和输入阻抗很高的放大器A的输出电压eT输入电动势ea的关系为图2中2点的电位几乎为零，是所谓虚地点，因

26、此电容器Ca极板上的q为:由上式表明：电荷转换级的输出电压正比于输入电荷。电荷放大器主要技术指标（如：二级B类电荷放大器）：准确度（20±5）C:2%下限频率（3dB）:0.3Hz;上限频率（0.5dB）:30kHz;失真率&1%;输入等效噪声电荷00.1pCo灵敏度压电式加速度计的灵敏度是指其输出电量（电荷或电压）与输入量（加速度）的比值0传感器的灵敏度有两种表示法：当它与电荷放大器配合使用时，用电荷灵敏度Sq表示；与电压放大器配合使用时，用电压灵敏度8表示。其一般表达式如下：式中W压电式加速度计的输出电荷昂:；心一加速度计的开路电压；"被测加速度。1<则电

27、荷放大器输出为/q二萍"a值由I*/1.jjT电荷放大器归一化旋钮与衰减档来决定。H,一2.4动态信号分析仪动态信号分析仪是由硬件和分析软件构成的，能从表示物理量的电信号分析其特性参数的仪器。分为数字式FFT分析仪和模拟式分析仪。数字式FFT分析仪是应用有限离散时间序列的傅里叶变换原理，利用快速傅里叶变换(FFT)算法程序进行频谱分析，它可从时域、频域分析被测信号，具有功能全、分析速度快、测量参数多、频率分辨力幅值精度高等特点。图4所示为动态信号分析仪测得的时域波形和频域频谱图。(a)方波信号和锯齿波信号的频谱图(b)周期信号的时域波形和频域频谱图4动态信号分析仪显示的时域波形和频域

28、频谱图动态信号分析仪的主要技术要求有：分析仪工作频率范围、频率示值及频率分辨力误差，高级分析仪00.01%;频谱幅值示值误差，高级分析仪02%分析仪动态范围，高级分析仪72dB;分析仪两通道之间的一致性，幅值ZdB:±0.1,相位/(°):±1;功率谱密度PSD示值误差，高级分析仪04%;自相关函数幅值示值误差，高级分析仪04%;幅值线性度误差，高级分析仪00.025%;窗函数的谱窗3dB带宽B01%;最大旁瓣峰值A:±0.5dB;旁瓣谱峰渐近衰减率D:±1dB/oct;分析仪测量的概率密度曲线或概率分布曲线，应与理论概率密度或概率分布曲线相一

29、致，所选测量点的概率密度或概率分布值与理论值比较，其误差010%。3、对激振台振动的测试激振台是由正弦波信号发生器产生正弦信号给功率放大器放大，被放大的信号作为激励信号给激振台，使激振台进行正弦振动。测量要求：确定激振台实际的振动加速度、位移、最大推力及振动台面运动谐波失真度。测试方法：将负载质量刚性安装在激振台台面的中心。由压电式加速度计、电荷放大器、动态信号分析仪组成的测量系统对振动进行测量。压电式加速度计采用B&K公司的4321,电荷放大器采用B&K公司的2626或2635,动态信号分析仪采用日本小野公司的CF5220。测量系统组成如图5的所示：图5激振台测量系统对激振台

30、台面运动谐波失真度的测量CF522改为平顶窗函数，线形幅值。依据失真度定义测出基波及各次谐波后进行计算得出。失真度产斗垣甲垣5三式中:4正弦波的基波幅值；A2M3-44-45,为人的二次、三次、四次、五次等谐波幅值。日本小野公司的CF5223态信号分析仪能直接给出基波及各次谐波的幅值及总谐波失真度。对激振台正弦推力的测量先计算激振台振动时加速度峰值：八二-7现+恤再给激振台输入正弦信号，调整输入电压，使激振台按计算的加速度峰值振动5min,在波形的谐波失真度010%,不撞缸的情况下，用动态信号分析仪测得实际的加速度峰值工则可计算出激振台实际最大推力。实际最大推力：f=（ma+mi）2a,其中m

31、a为激振台动圈质量；mi为负载及加速度计质量对激振台振动位移的测量位移值可由CF5223态信号分析仪测得。日本小野公司的CF5223态信号分析仪可直接给出不同频率下振动的加速度、速度、位移参数值。4.程序及运算线路1、当在应变片上施加一力时，引起电桥不平衡，压力信号转换为微弱的电压信号，经LM324运算放大器，把信号放大至0-5V,作为ADC0809俞入信号。2、ADC080端与CPUft接借口，其输入电压为0-5V,以A2、A1、A0作为通道地址线，CPUtt与0809执行写操作时所村通道地址。3、从实验原理图可以看出“译码器”的YC2作为0809片选信号，所以0809地址为：0A000H程

32、序框图工作原理将金属丝电阻应变片粘附在弹簧片的表面，弹簧片在力的作用下发生形变，而电阻应变片也随着弹簧片一起变形，这将导致电阻应变片电阻的变化。弹簧片受的力越大，形变越大，电阻应变片电阻的变化也越大，测量出电阻应变片的电阻的变化，就可以计算出弹簧片受力的大小。图为应变片电桥测量电路，由应变片的电阻R1和另外三个电阻R2、R3R4构成桥路，当电桥平衡时（即电阻应变片未受力作用时）,R1=R2=R3=R4=R匕时电桥的输出U。勺士（1/4）（/XR/R）U弋士（K。己/4）U步骤1、社顶仿真模式为程序空间的仿真器上，数据空间在用户板上。2、“译码器”的YC2孔连数模转换AD0809勺CS097L,

33、“脉冲源”的0.5MHZ孔连AD0809的CLOCKl,09IN0孔（AD0809的0通道）连AN0?L（压电式加速度传感器的输出孔）。3、硬件调试：在压电元件表面施加一力。4、输入程序，编译。在读取AD转换指令后设谿断点，在压电元件施加一力，全速运行，如果碰到断点，再检查读出A/D转换结果，数据是否与09VIN0相对应，否则应查程序或硬件。再全速运行程序，修改程序错误使超想-3000KL综合实验仪显示值随力的大小而变化，直至达到要求。程序OUTBITequ0e101h;位控制口显示缓冲器初始化;0809AC的通道开始转换吗?CLK164equ0e102h;DAT164equ0e102h;INequ0e103h;LEDBufequ40h;Movsp,#60hMovdptr,#0e100h;8155Mova,#03hMovxdptr,