《计量与溅试技术》２０１４羊第４１卷第６期 振动信号测试与分析 何佩玲 （遂宁市计量检定测试所，四川遂宁６２９（３００） 摘要：针对振动信号检测困难的问题，分析了目前振动信号检测的几种方法，阐述了压电传感器测试振动信号的基本原理与优势；设计了基于ＡＶＲ单片 机的振动信号检测系统，包含相应的压电传感器前置放大电路，电压放大器和通信电路等外围电路，实现了振动信号的精确检测。试验验证了该系统的有 效性并且具有成本低、体积小、可靠性高等优点。 关键词：振动信号；计量检测；ＡＶＲ；传感器 中圈分类号：ＴＭ９３５ 文献标识码：ｈ 国家标准学科分类代码：５１０ Ｔｅｓｔ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｓｉｇｎａｌ Ｈｅ Ｐｅｉｌｉｎｇ ０引言 振动测试技术作为动态测试技术领域的一个重要分 电容和干扰等因素，严重影响压电传感器的输出特性，所 以，在压电传感器的测量电路中需要加前置放大器。 １．２系统设计 支，是一门综合性很强的技术，涵盖了传感器技术、电子 电路技术、通信技术、信号分析处理技术、计算机软硬件 技术等许多领域。近几十年来，振动测试技术取得了长 足进展，振动测试技术涉及学科门类繁多，体系复杂，目 振动测试硬件系统的主要任务是获取振动信号，并 对振动信号数据进行分析处理。最原始的振动信号是非 电量，依靠压电加速度传感器将非电量的振动信号向电 前用于振动测试的典型方法主要有三种：机械测试法、光 学测试法和电测法，其中电测法是利用传感元件将被测 的振动量转换为电量，并通过电子仪器进行放大、测量、 记录和分析。与机械法和光测法相比较，电测法具有频 率范围宽、动态范围广、测量灵敏度高等优点。电测法能 广泛地使用各种不同的测振传感器，且电信号也易于被 记录、处理和传送。因此电测法是最为广泛使用的振动 测量方法，也是目前的主要测振手段。本文设计了基于 信号转换，即压电加速度传感器构成振动测试硬件系统 的最前端。压电加速度传感器直接输出的电信号是极微 弱的，不利于处理，使用了信号调理电路来调理因此需要 对其进行调理，该系统以ＡＴｍｅｇａ１２８单片机为核心采集 调理好的振动电信号，再经过ＣＰＵ内部建立的数学模型 计算出振动大小，实现了数据的存储和传输功能。实际 测量中，采用了四个压电加速度传感器，其中三个用来模 拟被测物体三个方向的直线振动，另一个用作参考传感 器。具体硬件框图如图１所示。 振动信号１ ｒ一＿＋ ｊＡＶＲ单片机的振动信号测试系统，有效的解决了振动信 号检测不精确的问题，该方案设计灵活，可很简单的移植 到各种振动信号检测系统中。 １系统总体设计 ‘ ——— ｌ ＥＥＰＲＯＭ 振动信号２ Ｉ ０ ・一ｌ 功能按键 ｊ １．１压电传感器振动测试 当压电传感器的压电元件受到外界的作用力时，在 压电元件的两个电极表面就会出现与外界作用力成正比 振动信号３卜＿＋ Ｉ 串口至Ｐｃ 振动信号４ 温度 ｌ 的电荷，且两个电极表面聚集的电荷量相等，极性相反。 因此，可以把压电传感器看作是一个电荷发生器，也就是 一一 ＡＴｍｅｇａ１２８ — ＬＣＤ显示 图１系统总体框图 个电荷源，而压电元件在这一过程中可以看成是一个 电容器，因此，压电传感器也存在着与电容传感器相同的 问题，即具有内阻很高和功率很小的问题，要解决这些问 ２系统核心硬件电路设计 ２．１主ＣＰＵ电路 主ＣＰＵ采用高性能、低功耗的ＡＴｍｅｇａ１２８芯片。该 芯片自带８路１Ｏ位ＡＤＣ、ＳＰＩ总线、 总线等，丰富的 题就必须使用特殊的转换电路。由于存在小功率的问 题，压电传感器输出的能量就很微弱，再加上电缆的分布 收稿日期：２０１３—１２—１２ 僻佩玲：振动馆号溺试与．－￣－／４： 内部资源减小了系统的体积，３．３Ｖ低功耗电压等，方便 了系统硬件设计。该ＣＰＵ采用了精简指令集结构，保证 了系统快速的运算计量振动信号并分析处理。 ２．２振动信号检测模块 目前广泛使用的压电加速度传感器测量电路是电荷 放大器，其输出电压正比于输入电荷量。电荷放大器相 比其他压电加速度传感器测量电路的最大特点是测量灵 敏度和电缆长度无关，这在实际钡４量应用时显得非常方 便。压电加速度传感器输出的高阻电荷信号，首先经电 荷转换电路转变为低阻抗电压信号，再经过信号调理放 大电路归一化后送人滤波器，最后经输出放大电路进行 放大后输出。 振动信号的信号调理对精确检测振动大小至关重 要。电荷转换电路对运算放大器的要求主要在于低漂 移、宽频带、高增益、高输入阻抗。振动信号周围或伴有 高温、强压及强震荡而带来的各种噪声，对传感器输出的 有用信号进行有效调理相当重要。仪表放大方式是差分 信号放大的理想选择，能在噪声以及含有大共模信号的 条件下保持极高的直流准确度和增益精度。系统选用了 ＡＤ公司的ＡＤ８５７４芯片，该芯片内部集成了四路放大 器，超低的失调、漂移和偏置电流特性，具有轨到轨输人 和输出摆幅能力，可以满足３．３Ｖ单电源工作。将内部三 个运放配成仪表放大器形式，既满足了仪表放大器形式 又保证了调理电路具有最小的漂移和足够的精确度。传 感器输入的是差分信号，为了避免负电压在单电源运放 中出现，电路设计中引人参考电压抬高输入值，从而保证 输入和输出都处在运放放大器理想的状态。具体电路如 图２所示： 图２信号调理电路 ２．３温度’狈０量模块 温度是系统评估振动信号大小的关键性参数，温度 影响着压电传感器输出精度，同时影响电子元件的运行 参数，同时如果测量系统的温度超过工作范围，有可能对 系统设备造成不可恢复性破坏。本系统选用的是目前得 到广泛运用美国Ｄａｌｌａｓ半导体公司研制的单总线温度传 感器ＤＳ１８Ｂ２０，它是单片结构，无需外加Ａ／Ｄ即可输出９ ～ｌ２位的数字量。通信采用单总线协议，对ＤＳ１８Ｂ２０的 各种操作通过一条数据线即可完成，同时该数据线还可 兼做电源线，即具有寄生电源模。温度ｉ贝０量范围为一 ５５ｃ【＝一＋１２５ｑＣ。 ２．４数据存储电路 数据存储电路选用了ＡＴＭＥＬ公司的ＡＴ４５ＤＢ３２１Ｄ 芯片。该芯片支持高速ＳＰＩ串行接口，具有８Ｍ字节的容 量。如果需要长时间工作可以将多块存储芯片并联使 用，保证了系统长时间工作并将振动信号保存用作后期 处理以及分析。 ３系统软件设计 由于本设计的主要任务是将四个振动电信号采集进 入处理器然后经过一定数学模型计算出振动大小，固件 程序是振动测试数据采集模块的核心。为了更好的理解 和编写程序，整个系统采用了模块化设计。基于这种编 程思想，软件编程的总体分：主程序、数据采集程序、振动 信号处理程序以及上位机通信程序。本设计是选用了定 时器来启动ＡＤ转换，然后再对设备振动信号进行计算， 系统具体软件主要流程如图３所示。 图３软件主流程图 ４振动信号检测系统实验 为了检验系统是否能准确估算振动信号的大小，系 统测试平台使用了苏试ＳＴＩ振动试验台ＤＣ一１００Ｏ一１５。 取一块直角三棱锥粘接在振动台面上接受激振，直角三 棱锥的三个侧面都是直角，其法向构成一个三维直角坐 标系。三个传感器分别安装在三个侧面上构成测量坐标 系，四号传感器是一个个三轴传感器，用于校对振动信号 的准确性。此时，振动台所产生的振动方向与三个传感 器的敏感轴向均成一定角度。以振幅为３．５ｇ频率为 一㈨ 闵 ●二…川附ｍ¨●＝ｌ…删圣兰川川 …川 ＝ｊ…ⅢⅢ Ｌ三¨‘Ｉ●ｌ川 ｍ兰６川脚ｍ” 删¨ ¨－●Ｉ… ＿■●Ｊ ■ ¨ ■ ＾Ⅲ 翥¨ ¨ ＿ 一 一～— ｌＯＯｎｚ的标准正弦信号作为激振信号，测得四个传感器 的振动信号如图４所示。 ●Ｊ■Ｉ６ ．●《计量与潮试技４：）２ｏ／４年第４１卷第６强’ ５结论 本文设计了电测法测量振动信号的测量系统，设计 川删 “ ｍⅢＨ¨¨¨ ¨ 肿Ⅲ 《 了相应的软硬件系统，阐述了设计过程中使用的技术基 础和要点，提出了将温度补偿引入到具体分析和计算中。 在此基础之上，综合考虑系统实际应用需求，提出了振动 信号测试系统的总体设计方案。试验结果表明该系统能 ㈣ Ｉ¨“¨ ． 准确检测振动信号大小，具有较高的可靠性与很好的实 ０ ０ ００８０ ｎｌ∞０‘ ０２００ ｎ２４０ ０瑚时 圆 ｔ１） ０ ３４１ ａ ０ ｎ洒０．１ｉｏ ｏ．１６ｏ ０．２ ｎ ｋ２ｉｏ ｂ．３４， Ｈ （２１ １ 用性。 参考文献 ［１］周浩敏，王睿．测试信号处理技术（第二版）［Ｍ］．北京航空航天大 学出版社，２００９． ［２］樊尚春，周浩敏．信号与测试技术［Ｍ］．北京航空航天大学出版 社，猢１． ［３］张洪润，张亚飞．传感器技术与应用［Ｍ］．北京：清华大学出版社， ０ ０Ｄ４０￣．０ｇ０ ｎｌ∞Ｑｌ６０ Ｏ ０．２４０ Ｏ胤 Ｏ３ Ｏ Ｏ．Ｏ帅ｎＯ∞ＯＩ∞Ｏ Ｏ Ｏ２蚰Ｏ．２∞（３．３４ ２００５． 时问 （３） 时问 ） １４） ［４］杨正忠，耿德根．ＡＶＲ单片机应用开发指南及实例精解．北京：中 国电力出版社，２００８． 图４试验曲线 四个传感器的振动信号幅值分别为：Ａ１＝１．２ｇ、Ａ２＝ ２．１ｇ、Ａ３＝２．２ｇ、Ａ４＝３．３ｇ。 ［５］陶玉贵．压电加速度传感器测量电路的研究与开发［Ｄ］．安徽大 学。２１３０７． ［６］邓正才，黄松筠．工控单片机系统的电磁兼容性设计［Ｊ］．国防科 Ａ ２３＝ ＝、俪：３．２７ｇ 技大学学报，２００１，２３（４）：６３—６６． 鱼 Ａ４ ×１００％：０９１％ ．［７］裘坤，李华军，何应坚．控制系统冗余设计和分析【Ｊ］．自动化仪 表，２００８，２９（１２）：５２～５３． 传感器ｌ、２、３的在振动台轴向上的振动合成与传感 器４所测得的值基本吻合，表明该系统测量振动信号准 确有效。 作者简介：何佩玲，女，助理工程师。工作单位：遂宁市计量检定测试所。 通讯地址：６２９０００四川省遂宁市开发区明月路５５５号。 （上接第４９页） 好。由于生物组织界面并不是完全相同的靶点，所以实 际中不可能达到理论分辨力的数值，而是相当于２—３个 波长数值。在超声脉冲回波系统，轴向分辨力与超声脉 冲的有效脉宽有关。脉冲越窄，轴向分辨力越好。 ４侧向分辨力 侧向分辨力是指在超声束的扫查平面中，垂直于声束 轴线的方向上能够区分两上回波目标的最小距离。该值越 力，所以在测量侧向分辨力时，一定要将设备的增益和亮 度调到最佳状况。 ５几何位置示值误差 指Ｂ超设备显示和测量实际目标尺寸和距离的准 确度。在规程中主要测量纵向几何位置示值误差和横向 几何位置示值误差。这个技术参数指测量生物体内病灶 尺寸的准确度，涉及诊断与治疗的一致性。影响这一准 确度的因素与声速设定和扫描规律形式有关，扇形图像 的均匀度比平面线阵扫描几何位置准确度差些。 ６声束切片厚度 声束切片厚度是指线阵、凸阵和相控阵换能器在垂 直于扫描平面方向上的厚度。切片越薄，图像越清晰，反 之会导致图像压缩，产生伪像。切片厚度取决于晶片短 轴方向的尺寸和固有频率。 ７对比度分辨力 小，声像图横向界面的层理越清晰。其影响因素包括： （１）声束宽度 声束越窄，侧向分辨力越好。二声束宽度与晶片直 径和工作频率有关。但是换能器尺寸不可能做得很大， 频率不能无限高。因此设计者采取了透镜、可变孔径技 术，在设计中应用了分段动态聚焦和连续动态聚焦，从而 提高了侧向分辨力。 （２）系统动态范围 在换能器产生的有方向性磁场内，声压并不是均匀分 布的。一般隋况下，声束宽度随着增益的升降相应的变宽 或变窄，二目标回波声像的横向尺寸也相应的拉长和缩短。 （３）显示器亮度和媒质衰减系数 显示器亮度和媒质衰减系数等都会影响侧向分辨 对比度分辨力是指在图像上能够检测出的回波幅度 的最小差别。对比度分辨力越好，图像的层次感越强，细 节信息越丰富，图像越细腻柔和。影响这一因素的原因 主要取决于声信号的频宽和显示电路的灰阶。 作者简介：杨馥源，女，助理工程师。工作单位：昌吉州计量检定所。 通讯地址：８３１１００昌吉市北京北路１０２号计量所医学室。
