孫 倩,丁 超,尹 菲

(中國船舶重工集團(tuán)公司第703研究所無錫分部,江蘇 無錫 214151)

燃?xì)廨啓C(jī)作為一種重要的動(dòng)力裝置,其關(guān)鍵部位的機(jī)械振動(dòng)包含的信息豐富[1]。燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,劇烈的振動(dòng)會導(dǎo)致軸承等的摩擦磨損、機(jī)構(gòu)傳動(dòng)失靈,也會造成構(gòu)件裂紋的萌生與疲勞破壞。有效地監(jiān)測振動(dòng)信號可以表征燃?xì)廨啓C(jī)軸承在不同工況下重要信息,通過頻譜分析可以確定主要頻率成分及其幅值大小,可以為測量人員提供清晰明確的分析數(shù)據(jù)和圖形,從而進(jìn)行危險(xiǎn)預(yù)報(bào)、故障診斷,并采取相應(yīng)的措施。因此,進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測具有十分重要的意義,振動(dòng)測量工作也受到了廣泛的關(guān)注。

大部分的燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)監(jiān)測儀是多通道集成,提供固定通道的信號前置放大器和數(shù)采卡,體積大,安裝不便,在環(huán)境適應(yīng)性方面存在著局限。其內(nèi)部信號調(diào)理電路則通常采用純模擬電路實(shí)現(xiàn),提取頻段的濾波電路也采用模擬濾波的方式實(shí)現(xiàn),消耗大量的硬件資源,噪聲和干擾對測量的影響較大,電路復(fù)雜[2],電路特性易受環(huán)境影響,且修改濾波頻段必須修改硬件電路,因此在工程適應(yīng)性方面也存在著局限。本文根據(jù)FIR數(shù)字濾波器的原理設(shè)計(jì)了一種以微控制器STM32為核心,輔助FIR數(shù)字濾波器的燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng),擺脫了硬件電路的限制,可以根據(jù)實(shí)際情況修改濾波頻段,頻段提取準(zhǔn)確,靈活小巧,適合燃?xì)廨啓C(jī)分布式測控發(fā)展方向的需求,具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)主要包括振動(dòng)傳感器、積分電路、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、控制系統(tǒng)、D/A轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)存儲電路等組成,如圖1所示。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)工作原理圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控單元

數(shù)字電路部分主要為低功耗、小型化的設(shè)計(jì)核心[3],因此主控單元選用意法半導(dǎo)體公司(ST)推出的32位高性能微控制器STM32F405RGT6作為燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的主控單元。主控單元是系統(tǒng)的核心單元,其性能很大程度上決定系統(tǒng)整體性能[4]。STM32F405RGT6是基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的高性能微控制器,搭載1MB的Flash,192KB的RAM[5],且配有豐富的外設(shè)接口[6],同時(shí)集成了FPU和單周期DSP指令,具備高性能數(shù)字信號處理能力。主控制電路包括主控MCU及復(fù)位電路、JTAG電路、晶振電路,如圖2所示。

圖2 燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)主控單元電路圖

晶振電路采用雙晶振電路,左側(cè)PC14、PC15為外部低頻晶振,用于RTC時(shí)鐘,為32.768 kHz,右側(cè)PH0為HSE,常用外部高頻,PLL倍頻用,為8 MHz。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

由于加速度傳感器耐沖擊、抗過載能力強(qiáng)、響應(yīng)快、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)[7],在振動(dòng)測量領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。這些振動(dòng)傳感器輸出的信號為電荷信號,電荷量通常通過電容轉(zhuǎn)為交流電壓來進(jìn)行測量,本系統(tǒng)的控制器STM32F405RGT6自帶的A/D采集端口不能直接采集交流電壓,因此選擇外置的高精度交流A/D轉(zhuǎn)換芯片,縮減硬件電路體積,提高系統(tǒng)可靠性。本系統(tǒng)中需要測試的振動(dòng)信號的精度頻率f為1 Hz,速度有效值為0.1 mm/s,其對應(yīng)的振動(dòng)加速度值為

a=2πfv=0.000 628 m/s2

電荷型加速度傳感器將振動(dòng)加速度信號轉(zhuǎn)換為電荷信號輸出,輸出的電荷量q正比于加速度a和傳感器的靈敏度Sq,選用的電荷型加速度傳感器的靈敏度為10 pc/m-2,

q=Sqa=0.006 28 pc

圖3 燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)電荷轉(zhuǎn)換電路

電荷傳感器將采集的振動(dòng)信號轉(zhuǎn)換為電荷信號輸出,電荷型號需通過電容轉(zhuǎn)換成電壓信號,并輸出到信號采集電路中以進(jìn)行后續(xù)處理進(jìn)行處理[8],電荷轉(zhuǎn)換電路如圖3所示,其中用來進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換的電容C1選擇100p的精密電容,即

u=q/c=0.006 28 mV

AD977AARZ是16位高速、低功耗的A/D轉(zhuǎn)換芯片,它可以直接采集交流電壓信號,且輸入電壓范圍為±10 V,該A/D轉(zhuǎn)換芯片的分辨率為

R=20/216=0.305 mV

因此需引入放大電路才能滿足系統(tǒng)精度要求,放大電路圖如圖4所示。

AD780是一種帶超低漂移、低初始誤差和低輸出噪聲的帶隙基準(zhǔn)芯片。采用AD780作為AD977雙極A/D轉(zhuǎn)換模式的外部參考電壓芯片,可以保證輸入信號在A/D轉(zhuǎn)換時(shí)達(dá)到高精度、低溫漂的需求,A/D轉(zhuǎn)換電路圖如5所示。

圖4 燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)放大電路

圖5 燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換電路圖

2.3 D/A轉(zhuǎn)換電路

由于電流信號與生俱來的抗干擾能力,在噪聲環(huán)境復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場具有很高的可靠性,同時(shí)4 mA～20 mA電流環(huán)通信還具有可靠的斷線故障診斷功能,因此本系統(tǒng)信號輸出采用D/A轉(zhuǎn)換芯片AD5421CREZ實(shí)現(xiàn)4 mA～20 mA電流輸出,使系統(tǒng)更加可靠、抗干擾能力更強(qiáng)[9],D/A轉(zhuǎn)換電路圖如6所示。

圖6 燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)D/A轉(zhuǎn)換電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 Hamming窗FIR濾波器的設(shè)計(jì)

在振動(dòng)信號的測量通常都難以避免的摻雜著噪聲[10],而燃?xì)廨啓C(jī)根據(jù)自身實(shí)際工況運(yùn)行的圖譜,關(guān)注的振動(dòng)信號通常集中在某個(gè)頻段內(nèi),因此振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的濾波能力尤為重要。

由于模擬濾波器的局限性,本文設(shè)計(jì)的燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)采用的是數(shù)字濾波器。所謂數(shù)字濾波,就是通過一定的計(jì)算機(jī)程序,對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,從而消除或減小干擾和噪聲的影響,提高測量的可靠性和精確度[11]。數(shù)字濾波器具有設(shè)計(jì)靈活、精度高、穩(wěn)定性高、實(shí)現(xiàn)方便等許多突出優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字濾波根據(jù)其沖激響應(yīng)函數(shù)的時(shí)域特性,可分為無限長沖激響應(yīng)(IIR)數(shù)字濾波器和有限長沖激響應(yīng)(FIR)數(shù)字濾波器。FIR數(shù)字濾波器相比于IIR數(shù)字濾波器不僅系統(tǒng)穩(wěn)定、能夠滿足幅度特性,而且能夠保持嚴(yán)格的線性相位特性,更適用于燃?xì)廨啓C(jī)的振動(dòng)監(jiān)測,因此本系統(tǒng)選用了FIR數(shù)字濾波器來實(shí)現(xiàn)濾波。

FIR數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)可以表示為:

在FIR濾波器的窗函數(shù)設(shè)計(jì)方法中,窗的選擇將直接影響濾波器的性能優(yōu)劣[12],本系統(tǒng)采用了Hamming窗,濾波頻率為100 Hz～400 Hz(根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定與修改)。Hamming窗函數(shù)為:

其頻譜函數(shù)WHm(ejw)為

其幅度函數(shù)WHmg(w)為

Hamming窗能量集中在主瓣中,是一種高效窗函數(shù)。濾波頻段100 Hz～400 Hz在MATLAB中利用Hamming窗進(jìn)行數(shù)字濾波的波形如圖7所示。

圖7 Hamming窗數(shù)字濾波器

3.2 濾波試驗(yàn)數(shù)據(jù)

燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的量程為速度0～70 mm/s,濾波頻段為頻率100 Hz～400 Hz,對應(yīng)直流電流輸出為4 mA～20 mA。本文采用B&K4808振動(dòng)臺作為信號發(fā)生器,提供標(biāo)準(zhǔn)的振動(dòng)信號,對燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行頻響檢驗(yàn)。

給定振動(dòng)信號輸出速度為20 mm/s,調(diào)整輸入頻率從10 Hz～1 000 Hz進(jìn)行掃頻,要求的濾波頻段內(nèi)對應(yīng)的振動(dòng)測量系統(tǒng)的理論直流電流輸出應(yīng)為8.53 mA,濾波頻段外信號輸出值按濾波特性衰減,頻響特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)頻響特性數(shù)據(jù)表

振動(dòng)測量儀的測試結(jié)果誤差都在±2%以內(nèi),規(guī)定頻率段內(nèi)數(shù)據(jù)提取干凈,滿足監(jiān)測要求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)是一款基于微控制器STM32,輔助FIR數(shù)字濾波器(Hamming窗)的智能測量系統(tǒng),減少了硬件電路的使用,擺脫了模擬濾波硬件電路的限制,可以方便、準(zhǔn)確提取濾波頻段內(nèi)振動(dòng)信號,頻段提取準(zhǔn)確,具有廣泛的應(yīng)用前景。

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