閆曉偉, 郭虎生

（1. 92060部隊，遼寧大連116041; 2. 海軍工程大學, 武漢 430033）

0 引言

分析電機組振動信號是對電機運行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的主要技術手段之一[1]，已被廣泛應用于機械振動故障診斷領域。發(fā)動機組、發(fā)電機組等大型電機作為船舶上的關鍵設備，其運行狀態(tài)直接決定船舶的工作狀況，任何故障都可能給對船舶運行帶來嚴重的危害。目前世界航運先進國家已逐步將電機的振動狀態(tài)分析應用于船舶主機的運行監(jiān)測上[2]。通過提取電機組上各個部件的表面振動信號，就可監(jiān)測電機內(nèi)部的運轉(zhuǎn)情況，達到故障前期預警的目的[3]。由于電機組設備空間狹小，不利于電動式振動傳感器的安裝，故本文提出利用具有小體積的三軸 MEMS作為測量核心器件并給出了多通道采集和無線傳輸方案，構(gòu)建了對機組振動狀況檢測的無線采集系統(tǒng)。

1 MEMS原理

由于硅微機械加工技術MEMS的迅猛發(fā)展，目前各種基于MEMS技術的器件也應運而生，與傳統(tǒng)傳感器相比具有體積小、質(zhì)量輕、成本小、功耗低、可靠性高等特點，因此基于MEMS的傳感器在各個方面得到了較為迅速的應用。本文采用硅微電容式加速度傳感器作為核心傳感原件，差動式加速度計結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，繞性臂支撐質(zhì)量塊，兩邊各有固定電極A和B，當有加速度輸入時，質(zhì)量塊與電極A和B組成的電容值發(fā)生變化，信號經(jīng)放大后提供正比與輸入加速度的電壓信號。

2 系統(tǒng)設計

目前振動信號采集系統(tǒng)大多利用電動式振動傳感器并加以后續(xù)的信號調(diào)理電路、存儲器等組成，其采集系統(tǒng)體積大、價格高、分辨率低，同時由于電動式傳感器多為單軸、雙軸，不利于提取振動信號的多維信息。針對這種問題，本文提出了一種以三軸 MEMS加速度計的無線振動信號采集系統(tǒng)，可完成對加速度傳感器輸出信號調(diào)理、采集、功耗控制和數(shù)據(jù)存儲等功能。

該系統(tǒng)將傳感器的加速度信號轉(zhuǎn)化為相應的電壓信號輸出，信號經(jīng)過模擬調(diào)理電路到三通道24位AD芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，獲取的數(shù)據(jù)可存儲至大容量SD卡中，同時通過無線模塊傳輸至上位機進行實時檢測。測量系統(tǒng)的組成框圖如圖2所示。

測量系統(tǒng)由MEMS加速度傳感器、信號放大濾波電路、多通道數(shù)據(jù)采集電路、無線通信電路、SD卡存儲模塊、單片機系統(tǒng)和電源轉(zhuǎn)換電路等組成。升壓電路實現(xiàn)7-18v電壓轉(zhuǎn)換，為置位重置電路提供正常工作電壓；INA118和后續(xù)的濾波電路完成對信號的放大、濾波；單片機三片AD7190實現(xiàn)三軸振動信號的同步采集； SD卡模塊用于存儲前端采集到的數(shù)據(jù)，無線模塊傳輸采集信號至計算機進行分析。

2.1 采集模塊

信號采集單元主要完成對三軸振動信號的采集的功能，包括信號調(diào)理、濾波放大、去直處理和A/D轉(zhuǎn)換等?？紤]到信號分辨率、功耗及采樣頻率等因素，采用低功耗24位AD芯片實現(xiàn)信號三軸信號的同步采集，芯片選用 ADI公司的 24位器件AD7190。AD7190具有低功耗、低噪聲和完全模擬輸入前端，可應用在低頻、微弱信號的測量場合[4]。其具有 3個模擬輸入通道、低噪聲可編程增益放大器，其電源電壓 2.7-5.25 V、工作時的電流僅為380 μA。通過三個SPI接口以三線連接模式，單片機分別與AD7190連接，是通過一系列的片上寄存器來實現(xiàn)對AD7190的控制和操作。同時為保證數(shù)據(jù)采集的精度必須保證基準源具有極高的精度，因此選用ADR445作為外部基準源為三片 AD7190提供 5V基準電壓。ADR445主要工作特性：

表1 ADR445主要工作特性

由表 1可見，ADR445可滿足高精度數(shù)據(jù)采集的要求。

2.2 存儲模塊

記錄振動數(shù)據(jù)可用于后期的信號處理分析，便于對故障問題進行記錄分析。這就要求存儲器記錄的容量要足夠大，若采樣頻率為10 kHz，24位量化采集，1 s采集時間內(nèi)，采集三軸振動信號需要的數(shù)據(jù)存儲容量約為90 kB。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多采用 Flash芯片作為存儲介質(zhì)，而該芯片容量小、價格高不滿足本系統(tǒng)提出的大容量高速存儲的要求。針對這個問題，文中采用大容量SD卡作為存儲介質(zhì)，和FAT32文件系統(tǒng)作為存儲模塊。存儲模塊最大的數(shù)據(jù)存儲速度是 14 kB/s，最大支持32G SD卡。

SD卡（Secure Digital Card），是一種大容量，高性能，具有體積小、訪問接口簡單等特點[5]。SD卡模塊通過串口與單片機連接獲取單片機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，模塊設計FAT32文件系統(tǒng)配合自動創(chuàng)建文件的方式來管理獲取的數(shù)據(jù)。在 SD卡中建立FAT文件系統(tǒng)后，所采集數(shù)據(jù)就以文件的形式存放在 SD卡上，用通用的SD卡讀卡器將數(shù)據(jù)讀出后就可以利用 Matlab等軟件進行分析處理[6], 對數(shù)據(jù)的存儲是將 SD卡作為文件系統(tǒng)的存儲介質(zhì)，由實時操作系統(tǒng)控制，測試表明，該方法程序簡單，易于實現(xiàn)，故本系統(tǒng)采用該方式進行SD卡數(shù)據(jù)存儲。

圖3 SD存儲流程圖

2.3 無線傳輸模塊

基于低功耗和高性能的要求，無線傳輸模塊的射頻芯片選擇了德州儀器公司的 CC2531芯片。其發(fā)射頻段為2.4 GHz，具有多種用電模式，可根據(jù)實際功耗選擇相應的模式。芯片可應用于無線 ZigBee模塊設計中，便于組成無線網(wǎng)絡節(jié)點。

3 實驗結(jié)果

為對電機振動進行多點分析，將所設計的三套無線采集設備分別剛性連接在電機外殼不同位置，對電機的振動信號進行實時采集。采樣頻率設置為500 Hz，無線采集得到三處電機振動信號如圖 所示。

為了進一步對振動采集信號進行分析處理，對所獲取的原始信號進行FFT變換 。

對信號進行頻譜分析后，發(fā)現(xiàn)無線采集的三處電機振動信號頻譜具有很強的一致性，驗證了本文設計系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)語

本文在MEMS加速度傳感器的基礎上，設計的具有無線傳輸功能的電機振動信號采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以用于機械故障預警檢測，并可對電機組進行實時檢測，為電機組故障預警及診斷鋪墊了基礎。

[1] 張毅, 趙棟等. 基于分布式全光纖傳感器的電機故障診斷系統(tǒng)研究[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2011, 30（4）:41-45.

[2] 楊建春, 景建方等. 電機組振動故障實時監(jiān)視技術研究[J]. 船電技術, 2012, 32（3）: 41-45.

[3] 蓋強, 瑪杰等. 艦船主機故障診斷系統(tǒng)[J].儀器儀表學報, 2004, 25（4）: 170-174.

[4] 3-Channel, Low Noise, Low Power, 24-/16-Bit ∑-Δ ADC AD7190 [Z]. Analog Devices.

[5] 鄧劍，楊曉非等. FAT文件系統(tǒng)原理及實現(xiàn)[J]. 計算機與數(shù)字工程，2005，（9）:105-108.

[6] 陳惠濱，陳僅星. 嵌入式文件系統(tǒng)在移動數(shù)據(jù)采集器中的實現(xiàn)[J].電子器件，2005，（ 9）:608-611.