【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 我們來(lái)對(duì)兩種方案進(jìn)行對(duì)比： （ 1）三軸加速度傳感器其內(nèi)置 IC 放大器，在檢測(cè)到振動(dòng)信號(hào)的同時(shí)直接將主信號(hào)放大，比將信號(hào)傳輸出來(lái)后將混入噪聲雜波的信號(hào)同時(shí)放大信號(hào)要好，當(dāng)今傳感器正由結(jié)構(gòu)性向物性型轉(zhuǎn)變，物性型加速度傳感器受結(jié)構(gòu)而改變影響較小，故選用壓電式加速度傳感器。 （ 2）電機(jī)的軸承是最能反映電機(jī)振動(dòng)的部位，對(duì)電機(jī)軸承的檢測(cè)至關(guān)重要。 （ 3）由于本系統(tǒng)較小，采用 三軸方向三路信號(hào)，我們采用 4 通道的 DAQ插卡式數(shù)據(jù)采集即可滿足要求。無(wú)需做成 Compact DAQ 結(jié)構(gòu)，造成資源浪費(fèi)。 （ 4）雖然無(wú)線信號(hào)傳輸更為方便，是線路更加優(yōu)化，在工廠條件下更加安全，但是考慮到工廠電磁設(shè)備眾多，信號(hào)雜亂，為了傳感器信號(hào)能夠更為準(zhǔn)確的得到采集，本系統(tǒng)的可靠性更強(qiáng)，我們采用有線傳輸方式。 綜上所述：我們確定方案為方案一。 11 如前面所述本系統(tǒng)有硬件部分與軟件部分兩大部分組成，由于本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)的一些約束，硬件方面我們采取模擬，我的任務(wù)主要在軟件部分。 基于 Lab VIEW 平臺(tái)開發(fā)一個(gè)振動(dòng)信號(hào)濾波、積分、存貯以及顯示的軟件，其三軸加速度信號(hào)有軟件模擬生成。希望系系統(tǒng)可以移植到其他的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中，再結(jié)合硬件實(shí)物后，能夠形成切實(shí)的功能，形成實(shí)時(shí)性好、功能完善、經(jīng)濟(jì)使用的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠在生產(chǎn)中切實(shí)的發(fā)揮作用。 眾所周知，任何一個(gè)實(shí)際的集數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、分析的檢測(cè)系統(tǒng)是不可能凌架于物理原件之上的，而這個(gè)物理存在，對(duì)本振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)而言，由振動(dòng)源的振動(dòng)采集，直到輸入個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析的這個(gè)過程實(shí)現(xiàn)的物理依托就是本系統(tǒng)的硬件部分。 其主要三軸加速度傳感 器、信號(hào)調(diào)理電路與數(shù)據(jù)采集卡組成（包括軟件運(yùn)行依托工作計(jì)算機(jī)）。該部分將振動(dòng)源的加速度信號(hào)轉(zhuǎn)化為我們計(jì)算機(jī)課識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，供我們做進(jìn)一步的計(jì)算與分析。 接線方式如下所示： 我們用恒流源為 AD1003X 加速度傳感器和 NI PCI4474 數(shù)據(jù)采集卡提供電源，分別將三軸加速度傳感器的三個(gè)軸向方向的加速度模擬信號(hào)分別接到數(shù)據(jù)采集卡的前三個(gè)通道上，數(shù)據(jù)采集卡通過 PCI 總線結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)采集卡的插卡直接插入計(jì)算機(jī)的 PCI 插槽中。 12 三軸加速度傳感器部分 三軸加速度傳感器是將電機(jī)振動(dòng)源的加速度振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為我們 可以分析、計(jì)算、處理的電信號(hào)的核心轉(zhuǎn)換原件，是我們本系統(tǒng)的核心部件，也是我們本系統(tǒng)的第一步，也是最為重要的一環(huán)、其性能的優(yōu)略，決定了本系統(tǒng)的靈敏度、回程誤差等重要性能指標(biāo)，其作用的重要性不言而喻。 壓電式 ICP 三軸加速度傳感器原理 壓電傳感器是一種有源傳感器。它是基于壓電材料的壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換原理 而工作的。壓電材料在發(fā)生機(jī)械形變時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，材料的表面會(huì)產(chǎn)生電荷聚集的現(xiàn)象。反過來(lái)我們可以根據(jù)其電荷的多少來(lái)計(jì)算其發(fā)生應(yīng)變的大小，繼而計(jì)算其所受壓力的大小。而具體到我們加速度傳感器上的話，由于其 質(zhì)量是固定不變的，而如我們所熟知的牛頓經(jīng)典定律 maF? ，加速度大小自然可以得出。 加速度也是空間矢量，我們要在立體空間對(duì)三個(gè)軸向加速度都進(jìn)行測(cè)量，我們可以通過壓電元件不同的方向的電荷量的不同來(lái)得到相應(yīng)軸向的加速度值。ICP 型即將 IC 電荷放大器內(nèi)置于三軸加速度傳感器，直接與壓電元件相連接，較少外界噪聲對(duì)其的干擾。 三軸加速度傳感器的選型 本振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)之中的檢測(cè)對(duì)象為高速電機(jī)，我們選用江蘇靖江所生產(chǎn)的的JGA 型高速電機(jī)，其主 要參數(shù)如表 所示： 型號(hào) 轉(zhuǎn)速（ r/min） 電機(jī)參數(shù) 功率 (Kw) 電壓 (V) 頻率 (Hz) 電流（ I） JGA110/ 210000 380 350 根據(jù)上述電機(jī)振動(dòng)的檢測(cè)需求，我們傳感器的性能指標(biāo)提出相應(yīng)的要求，為了使該系統(tǒng)的適用范圍更大，我們對(duì)加速度傳感器的要求較高。我們選擇靈敏度100mV/g,頻率響應(yīng) 13000Hz，加速度測(cè)量量程 30g以上，傳感器重量不超過 100g。 傳感器的選用原則，我們基本上基于靈敏度與量程范圍、線性范圍、響應(yīng)特 13 性、穩(wěn)定性以及精確 度，在滿足此條件下選用經(jīng)濟(jì)型?；谏鲜鲈瓌t我們選用了秦皇島鑫華科技有限公司生產(chǎn)的生產(chǎn)的 ICP 封裝三軸壓電加速度傳感器AD1003X。 圖 傳感器實(shí)物圖 如上圖所示即為 AD1003X 傳感器，該傳感器壓電材料為壓電陶瓷，外殼為不銹鋼。性能參數(shù)如下：靈敏度： 100mV/g；非線性度 : ? 1%，頻率響應(yīng)： ；安裝諧振頻率： 20KHz。檢測(cè)加速度量程： 50g— +50g；輸出阻抗： ? 100? ；重量 :96g。工作溫度 40— 120 攝氏度。本傳感器采用直流 24V 電源，輸出方式采用M5 出線。 三軸加速度傳感器的安裝 根據(jù)大型高速電機(jī)自身相對(duì)傳感器足夠大，且可以在電機(jī)上打孔安裝的自身特點(diǎn)，結(jié)合《動(dòng)態(tài)測(cè)試中加速度傳感器安裝使用方法摸索及應(yīng)用》中實(shí)驗(yàn)得出的相關(guān)結(jié)論 ,我們決定采用 M5 螺釘連接安裝方式，安裝力矩 ，以 獲得最佳的頻響特性。 :表 ： 序號(hào) 安裝方式 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 1 螺釘連接的安裝方式 連接牢固，可獲得最佳頻響特性 需要在事件上打孔，安裝準(zhǔn)備工作較為繁瑣 2 直接粘結(jié)的安裝方式 不需要在事件上打孔，安裝簡(jiǎn)單、便捷 連接牢固性較差，頻響特性較差，不能用于外殼不絕緣 14 加速度傳感器的安裝 3 墊塊為膠木的安裝方式 不需在試件上打孔，安裝簡(jiǎn)單，便捷，且能很好的實(shí)現(xiàn)加速度傳感器與被測(cè)件的絕緣，適用于所用加速度傳感器的安裝，在三種不同材料墊塊中，頻響特性最佳 連接牢固性較差，頻響特性較差 4 墊塊為有 機(jī)塊的安裝方式 不需在試件上打孔，安裝簡(jiǎn)單，便捷，且能很好的實(shí)現(xiàn)加速度傳感器與被測(cè)件的絕緣 連接牢固性較差，頻響特性較差，三種墊塊中，頻響特性最差 5 墊塊為酚醛玻璃布板的安裝方式 不需在試件上打孔，安裝簡(jiǎn)單，便捷，且能很好的實(shí)現(xiàn)加速度傳感器與被測(cè)件的絕緣 連接牢固性較差，頻響特性較差，三種墊塊中，頻響特性居中 除了傳感器的安裝方式，安裝位置也是十分關(guān)鍵的。考慮到被測(cè)部位的振動(dòng)狀態(tài)和傳感器的工作環(huán)境，以及傳感器高的可靠性和靈敏度、寬的頻響范圍，需要遵循以下 2 個(gè)原則：（ 1）選擇結(jié)構(gòu)阻尼小、剛度高的位置 作為被測(cè)點(diǎn)。（ 2）由于振動(dòng)信號(hào)在傳遞過程中幅值要衰減，所以被測(cè)點(diǎn)應(yīng)盡量靠近振動(dòng)產(chǎn)生的位置。 根據(jù) GB — 1988（代替 GB 2807— 1981）旋轉(zhuǎn)電機(jī)振動(dòng)測(cè)定方法及限值中的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，測(cè)點(diǎn)數(shù)為 7 個(gè)。因此本系統(tǒng)進(jìn)行單通道測(cè)量時(shí)，傳感器選擇安裝在位置 7，雙通道測(cè)量時(shí)分別安裝在垂直和水平方向的位置 1 和 2，進(jìn)行雙通道采集時(shí)還要考慮到如果兩個(gè)傳感器同時(shí)工作，不能靠得太近，否則會(huì)產(chǎn)生交叉感應(yīng) [10]。 圖 12： 電機(jī)振動(dòng)測(cè)定點(diǎn)位圖 IEPE 恒流源部分 所謂 IEPE 是 壓電集成電 路的縮寫，我們 ICP 型三軸壓電傳感器的輸出電壓信號(hào)十分弱小，不能進(jìn)行較長(zhǎng)距離的信號(hào)傳輸，在傳輸路徑過程中，我們需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行再次的穩(wěn)定與放大，跟系統(tǒng)的實(shí)際需求 :ICP 型三軸加速度傳感器 15 AD100 3X 的三軸向信號(hào)的放大需求，及穩(wěn)定電流 4mA 的電流值，我們選擇恒流源。 我們選擇市場(chǎng)上的江蘇聯(lián)能公司生產(chǎn)的 IEPE 適配器 YE8321型恒流源，該恒流源有四個(gè)通道，可滿足我們對(duì)于三軸向方向信號(hào)的傳輸放大需求，電流值4mA/10mA 可選，可為我們的 4mA 傳感器信號(hào)進(jìn)行配備。更重要的是該型號(hào)為IEPE 型，專門用于傳感器 傳感器測(cè)試，也可作為電壓放大器使用，具有頻響范圍寬，穩(wěn)定性好，增益、激勵(lì)電流可調(diào)的特點(diǎn)。實(shí)物圖如下所示： 圖 ： YE8321型恒流源 該型號(hào)恒流源具體參數(shù)如下：激勵(lì)電壓： 24VDC； 激勵(lì)電流： 4mA/10mA 可選；響應(yīng)頻率： ；輸出信號(hào)： mAV 5/10? ,精度： %1?? ；噪聲：Vrms?50? ；輸入電壓： AC： 220V 50Hz；采用 BNC 接口輸入輸出，可在 085攝氏度工作，滿足我們的使用要求。 其連線部分參見圖 ：硬件電路電路接線圖所示。 隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展越來(lái)越普及，功能越來(lái)越強(qiáng)大?，F(xiàn)在我們已經(jīng)習(xí)慣于使用計(jì)算機(jī)來(lái)處理速度、壓力、流量、位移等物理量，而把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)據(jù)信號(hào)就需要數(shù)據(jù)采集。 數(shù)據(jù)采集卡的選型 目前市場(chǎng)上的數(shù)據(jù)采集卡也是多種多樣，我們選擇數(shù)據(jù)采集在滿足通道要求情況下的參數(shù)主要有兩個(gè)，一個(gè)是轉(zhuǎn)換精度 ，另一個(gè)是采集速度。依照我們基于 16 本系統(tǒng)三軸路信號(hào)轉(zhuǎn)換的實(shí)際需求，轉(zhuǎn)換原始信號(hào)為電壓信號(hào)，支持同步采集，主板具有緩存功能，分辨率 12 位，采樣率 50kS/s,支持 Lab VIEW RT。 基于上述參數(shù)需求，我們選擇了 NI 9234動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)物圖如下： 圖 NI 9234 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集卡 本采集卡為 C 型總線結(jié)構(gòu)，其驅(qū)動(dòng)可在 windows 系統(tǒng)運(yùn)行。其擁有四個(gè) BNC連接器，具有同時(shí)對(duì) 4 路電壓信號(hào)同時(shí)予以實(shí)時(shí)采集的功能，分辨率 24 位，采樣頻率 ，最大測(cè)量輸入電壓范圍 5V— 5V，最大電壓范圍敏感度? V，板上存儲(chǔ)量 1023 樣本，動(dòng)態(tài)范圍 110dB，激勵(lì)電流 4mA，功耗 900mW功率較小，我們可以由 USB 接口提供電源直接提供。滿足我們對(duì)于本系統(tǒng)的全部需求，我們的選型是合理的。 模擬信號(hào)的輸入，我們采用浮接方式。使用浮接的連接方式可以避免對(duì)地噪聲，避免 BNC 連接器與金屬外殼，及與其他模塊、機(jī)箱的接觸有效地降低噪聲干擾。如下圖所示，在浮接信號(hào)源連接之中，我們信號(hào)源的正端連接 BNC 接線端的內(nèi)部 ，負(fù)接線端連接外側(cè)金屬。 圖 ： NI 9234 采集器與浮接信號(hào)源的連接示意圖 17 NI 9234 每一個(gè)模擬輸入通道都通過一個(gè) 50? 的電阻連接機(jī)箱，我們通過將機(jī)箱接地處理，可使噪聲最小化；每個(gè)通道都具有過壓保護(hù)功能；每個(gè)通道的模擬輸入信號(hào)經(jīng)過緩沖、調(diào)理后， 由 24 位 DeltaSigma 模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣。通過模擬和數(shù)字濾波， NI 9234 可精確表示帶寬內(nèi)部信號(hào)并且抑制帶寬外信號(hào)。基于上述特點(diǎn)與功能， 9234 能夠很好地實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)換需求。 數(shù)據(jù)采集卡的安裝 NI PCI4474型 4通道 24位動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡 可以完美的實(shí)現(xiàn)我們對(duì)三軸加速度傳感器的三個(gè)軸向方向感應(yīng)電壓的采集，其 NI 硬件與 LABVIEW 為同一個(gè)公司的產(chǎn)品，互相支持沒有不兼容現(xiàn)象。而對(duì)于該數(shù)據(jù)采集卡的安裝我們也是非常輕松的。 安裝新的硬件之前，我們需要對(duì)電腦安裝 NIDAQ mx 驅(qū)動(dòng)程序軟件，以便讓windows 能夠檢測(cè)到硬件產(chǎn)品。這個(gè)驅(qū)動(dòng)安裝比較簡(jiǎn)單，我們按照默認(rèn)路徑進(jìn)行安裝即可，重新啟動(dòng)計(jì)算機(jī)后就可以了。 本數(shù)據(jù)采集卡屬于 NI 公司 C 系列產(chǎn)品，采用的是 USB 接口可以實(shí)現(xiàn)熱插拔，所以本硬件的安裝沒有難度。我們將其輸出的 USB 接頭直接插入計(jì)算機(jī)的 USB接口即可。 信號(hào)處理部分 我們對(duì)信號(hào)處理使用的是 LABVIEW 軟件，作為硬件的支撐，我們的 PC 機(jī)必須滿足運(yùn)行 LABVIEW 的最低要求。查閱相關(guān)資料得： 雙核 CPU 。 以上主頻 2G 及以上內(nèi)存空間 10G 以上硬盤空間 Window XP 以上操作程序 通過上述對(duì) ICP 型三軸壓電傳感器 AD100 3X、聯(lián)能 IEPE 恒流源 YE 382 18 及 NI 9234 型 數(shù)據(jù)采集的介紹，大家對(duì)硬件部分的組成、功能都有了認(rèn)識(shí)，那么在實(shí)際電路中的連接我們由下圖所示： 圖 ： 硬件電路連線圖 我們初始信號(hào)由 ICP 型三軸加速度傳感器信號(hào)輸出 ,其包括三個(gè)軸向方向 X軸、 Y 軸、 Z 軸分別三個(gè)輸出端輸出至 YE 3821 恒流源，該恒流源由四個(gè)通道，我們選擇三個(gè)接入即可，其電源接 220V 交流電源，三路恒流源輸出直接接到 NI 9234 數(shù)據(jù)采集卡的前三個(gè)通道，由于該采集卡為四通道，所以有一個(gè)通道作為備用選項(xiàng)，而 NI 9234 數(shù)據(jù)采集卡通過 USB 接口傳至上位機(jī)，共后續(xù)的處理、顯示、及存儲(chǔ)。 本章 小結(jié) 通過本章我們了解了我們所需要的主要硬件配置，其工作原理與主要作用。是我們對(duì)實(shí)際振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)有了全面的了解。對(duì)于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是一個(gè)基礎(chǔ)，一個(gè)平臺(tái)。為后續(xù)的軟件處理做好準(zhǔn)備。 1