风机叶轮振动测试系统设计 (2)

1、风机叶轮振动测试系统设计风机叶轮振动测试系统设计郭培锐郭培锐王力王力董淑静董淑静顾佳佳顾佳佳杨黎鹏杨黎鹏传感器的选传感器的选择、放大及择、放大及滤波电路的滤波电路的选择、选择、A/DA/D转转换器的选择换器的选择、数据的接、数据的接收处理、信收处理、信号的处理分号的处理分析析查阅文献、查阅文献、参考各种参考各种振动测试振动测试系统的设系统的设计原则及计原则及方法方法测试方便、测试方便、系统稳定、系统稳定、经济实用、经济实用、并具有良好并具有良好的特性，可的特性，可满足各种静满足各种静、动性能指、动性能指标的测定标的测定1方案目的方案目的方案依据方案依据考虑因素考虑因素方案原则方案原则工作思路工

2、作思路风机叶轮振动测试系统设计风机叶轮振动测试系统设计了解并掌了解并掌握振动信握振动信号的测试号的测试方法方法确定测试任务确定测试任务选择测量方法选择测量方法选择各种软、选择各种软、硬件硬件相应的程序相应的程序编制、编制、信号处理分信号处理分析、析、性能评定性能评定测试系统的基本框图测试系统的基本框图测试系统一般由传感器、中间调理电路、测试系统一般由传感器、中间调理电路、信号处理、显示存储和输出装置组成。信号处理、显示存储和输出装置组成。设计内容设计内容A/DA/D转换器的选用转换器的选用2振动信号的分析处理振动信号的分析处理4单片机对数据的处理单片机对数据的处理3 3传感器的选择及工作原理传

3、感器的选择及工作原理3 1传感器的选择传感器的选择n选用压电式加速度传感器选用压电式加速度传感器n压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是最为广泛使用的振动测量传感器。点，是最为广泛使用的振动测量传感器。 压电效应及工作原理压电效应及工作原理n压电效应：某些晶体在一定方向上受力变形时压电效应：某些晶体在一定方向上受力变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表，其内部会产生极化现象，同时在

4、它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去除后，又面上产生符号相反的电荷；当外力去除后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为重新恢复到不带电状态，这种现象称为“压电压电效应效应”。n工作原理：压电式加速度传感器是利用弹簧质工作原理：压电式加速度传感器是利用弹簧质量系统原理。敏感芯体质量受振动加速度作用量系统原理。敏感芯体质量受振动加速度作用后产生一个与加速度成正比的力，压电材料受后产生一个与加速度成正比的力，压电材料受此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电荷信号。荷信号。传感器的结构传感器的结构压电元件一般由两片压电片组成。在压电元件一般由两片压电片组

5、成。在压电片的两个表面上镀银层，并在银压电片的两个表面上镀银层，并在银层上焊接输出引线，或在两个压电片层上焊接输出引线，或在两个压电片之间夹一片金属，引线就焊接在金属之间夹一片金属，引线就焊接在金属片上，输出端的另一根引线直接与传片上，输出端的另一根引线直接与传感器基座相连。在压电片上放置一个感器基座相连。在压电片上放置一个比重较大的质量块，然后用一硬弹簧比重较大的质量块，然后用一硬弹簧或螺栓、螺帽对质量块预加载荷。整或螺栓、螺帽对质量块预加载荷。整个组件装在一个厚基座的金属壳体中个组件装在一个厚基座的金属壳体中，为了隔离试件的任何应变传递到压，为了隔离试件的任何应变传递到压电元件上去，避免产

6、生假信号输出，电元件上去，避免产生假信号输出，所以一般要加厚基座或选用刚度较大所以一般要加厚基座或选用刚度较大的材料来制造。的材料来制造。压缩式压电加速度传感器压缩式压电加速度传感器的结构原理图的结构原理图测量原理测量原理n将传感器基座与试件刚性固定在一起。当传感器受将传感器基座与试件刚性固定在一起。当传感器受到振动时，因弹簧的刚度相当大，而质量块的质量到振动时，因弹簧的刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小，因此质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小，因此质量块感受到与传感器基座相同的振动，并受到与加速块感受到与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力作用。

7、这样，质量块就有一正度方向相反的惯性力作用。这样，质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上。由于压电片比于加速度的交变力作用在压电片上。由于压电片具有压电效应，因此在它的两个表面上就产生了交具有压电效应，因此在它的两个表面上就产生了交变电荷（电压），当振动频率远低于传感器固有频变电荷（电压），当振动频率远低于传感器固有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比，即与试件的加速度成正比。输出电量由传感器输，即与试件的加速度成正比。输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后就可以用普通的测出端引出，输入到前置放大器后就可以用普通的测量器测出

8、试件的加速度，如在放大器中加进适当的量器测出试件的加速度，如在放大器中加进适当的积分电路，就可以测出试件的振动加速度或位移。积分电路，就可以测出试件的振动加速度或位移。信号放大及滤波处理信号放大及滤波处理n压电元件在外力作用下输出压电元件在外力作用下输出的电荷很小，输出的阻抗也的电荷很小，输出的阻抗也相当高，只有后接电路的输相当高，只有后接电路的输入阻抗为无穷大、内部无漏入阻抗为无穷大、内部无漏电时，压电元件受力后产生电时，压电元件受力后产生的电荷才能长期保持下来。的电荷才能长期保持下来。故必须接一个高增益，高输故必须接一个高增益，高输入阻抗、低输出阻抗的电荷入阻抗、低输出阻抗的电荷放大器。放

9、大器。n电荷放大器作用：把压电元电荷放大器作用：把压电元件的高输出阻抗变换为放大件的高输出阻抗变换为放大器的低输出阻抗，并放大压器的低输出阻抗，并放大压电元件输出的微弱信号电元件输出的微弱信号0(1)xiacifxfKquKuCCCK CqC压电元件与电荷放大器等效电路图压电元件与电荷放大器等效电路图信号放大及滤波处理信号放大及滤波处理nRC无源滤波器电路简单，但性能不够完善，无源滤波器电路简单，但性能不够完善，应用不多。应用不多。RC有源滤波器调整方便，易于集有源滤波器调整方便，易于集成化，利用运算放大器作有源件几乎没有负载成化，利用运算放大器作有源件几乎没有负载效应，因此在实际测控系统中应

10、用广泛。效应，因此在实际测控系统中应用广泛。n本次设计采用本次设计采用RC有源一阶低通滤波器有源一阶低通滤波器A/D转换器的选择转换器的选择n在我们所测控的信号中均是连续变化的物理量，通常在我们所测控的信号中均是连续变化的物理量，通常需要用计算机对这些信号进行处理，将其转换成数字需要用计算机对这些信号进行处理，将其转换成数字量。量。 A/D转换器就是为了将连续变化的模拟量转换成转换器就是为了将连续变化的模拟量转换成计算机能接受的数字量。计算机能接受的数字量。A/D转换器转换器双积式双积式A/D转转换器换器逐次逼近逐次逼近式式A/D转转换器换器A/D转换器的选择转换器的选择本次设计采用本次设计采

11、用8位位的的ADC0809，8路模拟信号的分时路模拟信号的分时采集，片内有采集，片内有8路路模拟选通开关，以模拟选通开关，以及相应的通道抵制及相应的通道抵制锁存用译码电路，锁存用译码电路，其转换时间为其转换时间为100s左右。左右。双积分双积分A/D转换器能有效的转换器能有效的消除干扰和电源噪声，转换精消除干扰和电源噪声，转换精度高，但是转换速度慢度高，但是转换速度慢逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器在精转换器在精度、速度和价格上都适中，度、速度和价格上都适中，是最常用的是最常用的AD转换器件转换器件ADC0809结构图及引脚图结构图及引脚图ADC0809内部结构框图内部结构框图ADC0809外

12、部引脚图外部引脚图AD转换过程中的采样和量化转换过程中的采样和量化 n采样是将连续信号转换为一定时间间隔的一系列离散值，一般按等时间间采样是将连续信号转换为一定时间间隔的一系列离散值，一般按等时间间隔隔f采样，记采样，记f=ltfs为采样频率，即每秒采样点数。采样中的关键为采样频率，即每秒采样点数。采样中的关键是合理选择采样频率是合理选择采样频率fs及采样点数及采样点数N，用较少的数据量满足后续分析要求，用较少的数据量满足后续分析要求，这需要综合考虑频率混叠，频率分辨率和谱分析误差等问题。为防止频混，这需要综合考虑频率混叠，频率分辨率和谱分析误差等问题。为防止频混，时域采样前应估计连续时间信号

13、时域采样前应估计连续时间信号x(t)的最高频率，或先对的最高频率，或先对x(t)做低通滤波。做低通滤波。由于实际滤波器不可能有理想的截止特性，在其截止频率由于实际滤波器不可能有理想的截止特性，在其截止频率fc后总有一定的后总有一定的过渡带，故常选过渡带，故常选fs=(34)fc，将频混减少到工程允许的范围内。对瞬态，将频混减少到工程允许的范围内。对瞬态信号，一个子样本长就是信号本身；对随机信号，一个子样本长应包括它信号，一个子样本长就是信号本身；对随机信号，一个子样本长应包括它最低频率分量一个周期以上。为减少谱分析的随机误差，还需对多个子样最低频率分量一个周期以上。为减少谱分析的随机误差，还需

14、对多个子样本的谱值作平滑处理。因此采样前应明确所需要分析的频率范围、频率分本的谱值作平滑处理。因此采样前应明确所需要分析的频率范围、频率分辨率和估计实测信号的频率范围，再根据辨率和估计实测信号的频率范围，再根据ADC的最高采样频率，确定是否的最高采样频率，确定是否作低通滤波预处理、选择采样频率作低通滤波预处理、选择采样频率fs和采样点数和采样点数N。条件允许的情况下可。条件允许的情况下可用较高的采样频率用较高的采样频率fs和较多的采样点数和较多的采样点数N。n若若ADC的最高采样频率达不到被测对象所含频率成分中最高频率的的最高采样频率达不到被测对象所含频率成分中最高频率的2倍以倍以上，即不满足

15、采样定理，将产生频率混叠。其次只有在对现场信号大小的上，即不满足采样定理，将产生频率混叠。其次只有在对现场信号大小的数量级有比较准确的估计下，才有可能进行增益的选择，从而保证选择适数量级有比较准确的估计下，才有可能进行增益的选择，从而保证选择适当的增益时能让当的增益时能让ADC在满量程的情况下工作，提高采样的精度。在满量程的情况下工作，提高采样的精度。采样保持电路采样保持电路 n在在AD转换期间，应保证转换期间，应保证ADC的输入信号值不变，这的输入信号值不变，这由采样保持电路来实现由采样保持电路来实现 。采样期间，控制开关。采样期间，控制开关S闭合，闭合，放大器放大器A1的输出通过开关的输出

16、通过开关S给电容器给电容器C快速充电，运算快速充电，运算放大器放大器A2的输出与被测信号成正比，保持开始，控制的输出与被测信号成正比，保持开始，控制开关迅速断开。由于运算放大器开关迅速断开。由于运算放大器A2有很高的输入阻抗，有很高的输入阻抗，电容将基本保持充电期的最终值，即开关电容将基本保持充电期的最终值，即开关S断开前的被断开前的被测信号幅值，直到测信号幅值，直到A/D转换完成，随后开关转换完成，随后开关S闭合，进闭合，进入下一次采样。入下一次采样。采样保持电路基本原理图采样保持电路基本原理图AD转换器的控制方式转换器的控制方式 nAD转换有转换有4种启动方式：软件命令、定时器种启动方式：

17、软件命令、定时器2溢出、溢出、定时器定时器3溢出和外部信号输入。溢出和外部信号输入。n信号采集时需要精确的定时，对速度不是很高的信号采集时需要精确的定时，对速度不是很高的ADC，可采取：可采取：1程序查询方式；程序查询方式；2中断方式；中断方式；3固定固定的延迟程序方式来进行的延迟程序方式来进行A/D转换。转换。n因为在对连续信号进行频谱分析时，频率分辨率与采因为在对连续信号进行频谱分析时，频率分辨率与采样频率密切相关，样频率密切相关，F=fs/N=1/NT式中：式中：F为频率分辨为频率分辨率率(频域采样的最小频率间隔频域采样的最小频率间隔)；fs为采样频率；为采样频率；N为采为采样点数；样点

18、数；T为采样时间，所以采样频率必须严格确定，为采样时间，所以采样频率必须严格确定，在本系统中采用定时器在本系统中采用定时器3溢出进行溢出进行AD启动。启动。硬件电路硬件电路n数据采集下位机有数模转化电路，时钟复位电数据采集下位机有数模转化电路，时钟复位电路，看门狗监控电路，显示电路以及串口通信路，看门狗监控电路，显示电路以及串口通信电路组成。电路组成。U1为为AT89C52单片机，负责数据单片机，负责数据的接收，处理，发送。的接收，处理，发送。U2为为ADC0809数模转数模转换芯片，负责数据的换芯片，负责数据的AD转换。转换。DS1-DS4为数为数码管，负责数据的显示。码管，负责数据的显示。

19、U3为分频芯片，负为分频芯片，负责为数模转换芯片提供合适的频率。责为数模转换芯片提供合适的频率。U4为为MAX232芯片，负责串行口通讯。芯片，负责串行口通讯。U5为电子为电子狗电路，负责数据的复位。狗电路，负责数据的复位。单片机和单片机和ADC0809显示复位及串口通讯电路显示复位及串口通讯电路数据采集下位机程序设计数据采集下位机程序设计n下位机程序由数模转换程序，下位机程序由数模转换程序，外部中断测频率子程序，外部中断测频率子程序，显示显示子程序，定时子程序，延时子子程序，定时子程序，延时子程序，看门狗调用子程序，串程序，看门狗调用子程序，串口调用口调用子子程序组成。其中模数程序组成。其中

20、模数转换测量子程序，用来控制转换测量子程序，用来控制ADC0809，将，将8路模拟电压转路模拟电压转换为数字量并移入换为数字量并移入72H-77H内内存单元，其程序流程图如存单元，其程序流程图如右右图图所示：所示：数模转换程序数模转换程序#defineadc0809_H#includevoidinit();sbitST=P23;sbitEOC=P24;sbitOE=P25;sbitCLK=P26;ucharDataResult;voiddelay(uchari)ucharj;while（i+)for(j=125;j0;j);Voidinit()EA=1;TMOD=0 x02; TH0=216;

21、TL0=216;TR0=1;ET0=1;ST=0;OE=0;voidt0(void)interrupt1using0CLK=CLK;voidAD()ST=0;delay(10);ST=1;/启动ADdelay(10);ST=0;while(EOC=0);OE=1;DataResult=P0;OE=0;51单片机的外部中断测出频率单片机的外部中断测出频率晶 振: 12MHZ实验方法: 首先要把52单片机，方波输出信号J7引入P3.2口,数码管即可显示震荡电路当前的频率原 理： 1秒钟内计数外部脉冲个数，如计数1000次，则表示频率为1000Hz，1秒钟定时采用52单片机定时器0实现，外部脉冲由外

22、部中断0引脚接入。#include#include51hei.h“sbitduan=P26;wei=P27；init();delay(uchar);display();jishu();Voidmain()guandz();init();while(1)jishu();init()EA=1;EX0=1;ET0=1;IT0=1;TMOD=0 x01;TH0=0 x3c;TL0=0 xaf;TR0=1;voidexternal0()interrupt0tmp+;/定时器0中断程序voidtimer0()interrupt1TH0=0 x3c;TL0=0 xaf;counter1+;/显示程序单片机数

23、据采集程序单片机数据采集程序计数子程序计数子程序njishu()n if(counter1=20) n /定时器定时50ms，故20次中断就表示1秒钟到达 n counter2=tmp;n display();n tmp=0;n counter1=0; nn else n display();n显示子程序display()uchari;dis0=counter2/10000;/获取计数值的万位dis5=counter2%10000;dis1=dis5/1000;/获取计数值的千位dis5=dis5%1000;dis2=dis5/100;/获取计数值的百位dis5=dis5%100;dis3=d

24、is5/10;/获取计数值的十位dis4=dis5%10;/获取计数值的个位for(i=0;i5;i+)/依次显示万、千、百、十、个位，动态显示P0=0 xff;P0=coni;wei=1;wei=0;P0=tabledisi;duan=1;duan=0;delay(1);P0=0;duan=1;duan=0;串口通讯串口通讯n串口通讯是单片机和串口通讯是单片机和PC间的间的通讯，涉及两部分的内容：通讯，涉及两部分的内容：一是一是PC机的串口通讯接收程机的串口通讯接收程序，序，LabVIEW接收试验数据接收试验数据后，通过调用底层代码来控后，通过调用底层代码来控制硬件高层应用的编程接口制硬件高

25、层应用的编程接口API，实现与单片机的通讯。，实现与单片机的通讯。上位机接收程序流程图如上位机接收程序流程图如右右图所示图所示：信号预处理模块信号预处理模块n采用数字滤波器对采样后的信号波形进行加工采用数字滤波器对采样后的信号波形进行加工处理，利用数字方法按预定要求对信号进行变处理，利用数字方法按预定要求对信号进行变换，从而改变信号频谱，改变或消除不需要的换，从而改变信号频谱，改变或消除不需要的波形，数字滤波软件由计算机编程实现。波形，数字滤波软件由计算机编程实现。n数字滤波器包括：低通，高通，带通，带阻及数字滤波器包括：低通，高通，带通，带阻及抗干扰滤波器。抗干扰滤波器。加窗加窗n为尽量减小能量泄露，采用具有平滑起始和截止特性为尽量减小能量泄露，采用具有平滑起始和截止特性的窗函数，称为时域加窗。的窗函数，称为时域加窗。n从保持最大信息和消除旁瓣的原则出发，考虑波形中从保持最大信息和消除旁瓣的原则出发，考虑波形中信息量的分布