一种旋转机械振动检测系统的硬件设计

评价，为企业的生产管理提供依据。

【关键词】在线监测；振动测试；数据采集；系统设计

旋转机械的振动信号反映了设备的运行状况。机械在运动时，由于转子的不平衡、负载的不均匀、轴裂纹、轴弯曲、支撑条件不良等因素，总是伴随着各种振动。机械振动在绝大多数情况下是有害的，振动往往会缩短机械的使用寿命，降低机器的性能并破坏其正常工作，甚至导致事故的发生给人类带来巨大的损失。机械振动同时伴随着噪声，危害健康，破坏环境。现代企业除了对各种机械设备有低振动和低噪音外，还需随时对机器的运行状况进行监测、分析和诊断，以便对工作环境的控制。为了提高机械结构的抗震性能，必须进行机械结构的振动分析和设计。这些都需要振动测试。本文以此为基础设计了一种专用的振动信号检测系统，具有体积小、精度高、功耗低等优点。

1.系统检测原理

如图1所示，当机器工作时所产生的振动信号通过传感器、积分放大电路、信号滤波、A/D采集后进入PC机，对采样信号作FFT变换，从而画出频谱图，通过观察振幅最大处的频率就可以观察振动物体运行情况。

此系统硬件包括数据采集模块、A/D转换模块、信号调理及通信模块、电源电路、复位电路。电涡流传感器输出的信号一般在4-20mA左右，经过信号调理放大电路后，输出到A/D转换电路，由A/D完成模拟信号到数字信号的转换，再由A/D将转换后的信号输入到C8051F000单片机，由此单片机和PC通信，实现数据的采集。

2.系统硬件设计

系统硬件主要包括前端信号高频滤波、低频积分放大电路和A/D数据采集。在本系统中，高频滤波和低频积分在一个电路板上实现，A/D转换器完成信号模拟量到数字量的转变。

2.1 振动信号的采集及调理

振动参数测量时，在可用频率范围内尽量选用灵敏度高的，同时考虑环境、安装及传感器的自重对振动的影响等因素。不接触的电涡流式位移传感器可以直接感受振动位移信号，它安装在轴承座上，测出的是它与主轴表面的距离变化。从而得出主轴与轴承座之间的相对振动，为了得到主轴的绝对振动值[1]，必须引入轴承座的绝对振动值进行矫正。

2.2 单电源交流信号放大电路

为了保证运放输入端电阻对称，使运放的内容单元电路具有合适的静态工作点，在运放输入端一定要加一个直流电位，可以利用稳压芯片LM385提供。这样运放的输入就是直流电位与输入信号的叠加。单电源交流信号放大电路可以用MAX492的两级放大来完成。图2、3所示为第一级放大电路与第二级放大电路。

2.3 滤波器的选用

滤波器主要作用是抗干扰，一般振动信号频率范围为10Hz-10kHz[2]，为减小通频带外的信号对测量结果的影响，防止出现频率干扰，采用美信公司的MAX7408椭圆滤波器芯片构成10kHz高通滤波器的硬件用RC滤波器，它能很好的防止频率干扰。

2.4 A/D转换

如图4所示，ADS7408转换器采用逐次逼近式工作原理，COMS工艺制造转换速度快，功耗低，其最大功耗为100mW，采用28引脚0.3英寸PDIP封装，两列管脚间距为0.3英寸，比一般DIP28封装窄一倍；ADS7408采用5V电源供电，单通道输入，模拟输入电压的范围为±10V采样速率为100kHz；芯片内部含有采样保持、电压基准和时钟等电路，可以极大的简化用户电路设计和硬件开销，并可提高系统的稳定性。小尺寸和高采样频率等特点非常适用于本文所设计的系统中。

信号转换是在51单片机中实现的。模拟信号的输入范围可以是0V—+5V输入分辨率为12Bit，A/D采样时间为350ns。时钟的最高频率为8MHz。时钟的高低电平都至少要维持50ns。时钟还必须大于200kHz的最低频率。

A/D转换时，必须注意输入信号的量程问题。因为一旦输入信号超出A/D的转换量程，A/D转换的数值就等于满量程值，造成测量误差。

2.5 数据通信

单片机与PC机之间的数据通信。单片机将处理后的数据传到PC机，完成单片机与PC机之间的数据通信。图5所示是单片机通过RS232与上位机通信示意图。

RS-232是美国电子工业协会正式公布的串行总线标准，也是目前最常用的串行接口标准，用来实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的数据通讯。RS-232串行接口总线适用于：设备之间的通讯距离不大于15m，传输速率最大为20kBps。RS-232协议以-5V--15V表示逻辑1；以+5V-+15V表示逻辑0。本文选用MAX232芯片将RS232电平转换为TTL电平的。一个完整的RS-232接口有22根线，采用标准的25芯插头座。我们在这里使用的是简化的9芯插头座。注意我们在这里使用的晶振是11.0592M的，而不是12M。因为波特率的设置需要11.0592M的。

3.结束语

本文针对部分企业对监测系统的需要介绍一种振动在线监测系统，它解决了以往人力监测繁琐的工作，而且能够很好的避免突发性故障。本系统在数据采集时进行了抗干扰设计能够保证数据的准确性，可以为提高机械设备的安全性可靠性提供数据基础和依据，通过对振动的客观测量及研究，将有助于在线监测系统的发展。

参考文献

[1]杨庆柏，张劲松.涡流传感器及其应用[J].技术与应用，1999（11）：28-30.

[2]童常根，郭晓宇，郑玉冰.基于DSP的振动信号检测系统的设计[J].中华测控网，2008，16（5）：627-628.