奚 駿，孫洪軍，李佳桐，符棟梁

(中國船舶重工集團(tuán)公司第704研究所，上海200031)

關(guān)鍵字：振動監(jiān)測；可調(diào)增益；數(shù)據(jù)采集；信噪比

0 引 言

振動測量系統(tǒng)是用于監(jiān)測設(shè)備運行振動情況的常用系統(tǒng)，是振動噪聲控制領(lǐng)域中必不可少的重要部分[1-2]。在振動噪聲控制工程應(yīng)用領(lǐng)域，一旦出現(xiàn)振動故障，面臨維護(hù)難度和成本極高的問題，因此需使用振動狀態(tài)監(jiān)測裝置監(jiān)測其運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常振動問題，消除安全隱患，降低設(shè)備風(fēng)險，以保障設(shè)備的安全可靠運行。

振動監(jiān)測裝置一般是對機(jī)器振動的基本參數(shù)進(jìn)行測量，測量振動結(jié)構(gòu)上某點的位移、速度、加速度等參數(shù)，用于識別該構(gòu)件的運動狀態(tài)和噪聲程度[3]，一般利用傳感器獲取振動位移和加速度等信息，并將其轉(zhuǎn)換為易于處理的信號[4]，通過對信號的分析，判斷機(jī)械設(shè)備振動的程度，從而有效地施加減振措施或診斷故障[5]。由于測量設(shè)備處環(huán)境復(fù)雜，噪聲源種類較多，以及電器干擾等因素，振動信號會疊加許多干擾信號，傳統(tǒng)的振動監(jiān)測系統(tǒng)采用對采集信號進(jìn)行倍數(shù)放大或縮小的方法，單純調(diào)整增益倍數(shù)，信號過大時會引起跳量程，而信號較小時信噪比又很差。因此，為確保振動監(jiān)測結(jié)果的有效性，本文設(shè)計了一種具備可調(diào)增益功能的振動監(jiān)測系統(tǒng)[6-8]，在傳感器輸出電壓采樣前施加合理增益，能夠做到在線、實時控制數(shù)據(jù)采集(Analog-to-Digital Converter Sampling, ADS)電路電壓的放大倍數(shù)，確保采集到的信號始終保持在數(shù)據(jù)采集器的最優(yōu)采樣量程內(nèi)，滿足ADS較高的信噪比。

1 系統(tǒng)設(shè)計

振動測量系統(tǒng)主要由前端傳感器和監(jiān)測終端等設(shè)備組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。整個系統(tǒng)主要分為兩個層次，第一層是通過模擬信號線與信號轉(zhuǎn)換箱相連接的各種類型的前端傳感器，即采集層；第二層是處于局域網(wǎng)內(nèi)，通過以太網(wǎng)相連用于采集前端傳感器信號并作一定處理的監(jiān)測終端，即監(jiān)測層。

圖1 軸系振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of monitoring system for shaft vibration condition

采集層采集信號包括軸系振動位移信號、機(jī)腳加速度信號、軸承速度信號、設(shè)備整機(jī)轉(zhuǎn)速信號。監(jiān)測層主要包含 32個通道的監(jiān)測終端，通常布置于被測設(shè)備旁，該監(jiān)測終端帶有顯示屏可方便現(xiàn)場查看設(shè)備振動及運行狀態(tài)，主要用于集中各個測點信號，為前端傳感器供電，實現(xiàn)測量層模擬信號的調(diào)理、變換、模數(shù)轉(zhuǎn)換，可在終端內(nèi)實現(xiàn)各路信號的處理、運算、設(shè)備全壽命周期內(nèi)的數(shù)據(jù)庫形式脫機(jī)離線存儲。

監(jiān)測終端為整個系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)現(xiàn)場機(jī)組振動、轉(zhuǎn)速、溫度、壓力等信號的采集和處理中同時作為可調(diào)增益控制的核心，它負(fù)責(zé)計算傳感器初始測量值與數(shù)據(jù)采集量程的比例，按照設(shè)定好的放大倍數(shù)關(guān)系向可調(diào)增益放大器發(fā)送增益命令，控制增益的幅值。

數(shù)據(jù)采集通過現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)完成。FPGA的采樣頻率為轉(zhuǎn)速頻率的 64倍，對各個振動位移信號通道進(jìn)行采集，以固定頻率對振動加速度信號進(jìn)行采集，然后將采集到的振動信號打包后發(fā)送到 ARM(Advanced RISC Machines)進(jìn)行詳細(xì)數(shù)據(jù)處理。ARM 對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，處理特征數(shù)據(jù)，處理內(nèi)容包括單位轉(zhuǎn)化、快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform, FFT)、各頻段特征值求解、帶通濾波和角度旋轉(zhuǎn)等。

2 可調(diào)增益功能設(shè)計

為提高 ADS模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集時的信噪比，將采集信號的幅值控制在采集量程的合理范圍內(nèi)，本文在上述振動監(jiān)測系統(tǒng)中整合了輸入信號的可調(diào)增益功能。基本思路是在 ADS數(shù)據(jù)采集器前端增加一個可調(diào)增益控制器，以 ADS數(shù)據(jù)采集量程范圍為基準(zhǔn)，通過第一批采集數(shù)據(jù)的最大值與ADS數(shù)據(jù)采集量程范圍作比較，將較弱的信號進(jìn)行放大，將過高的信號控制在合理范圍內(nèi)。可調(diào)增益功能主要由信號轉(zhuǎn)換箱和監(jiān)測終端兩大部分實現(xiàn)，它以PGA281增益放大器為基礎(chǔ)，結(jié)合ARM控制器，將這兩部分組合成為一個可調(diào)增益程控 ADS數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 可調(diào)增益數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of adjustable gain data acquisition and processing system

采集加速度信號的傳感器輸出電壓范圍為-5～+5 V，使用 ADS1278高精度數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可采集電壓量程為-2.048～+2.048 V。設(shè)置采樣頻率為 128 kHz，為避免第 1包 131 072個點數(shù)據(jù)超過 ADS采集范圍，首先向各放大倍數(shù)寄存器寫入 0.5倍放大參數(shù)，然后從 FPGA采集131 072個點，同時將 FPGA的振動加速度FIFO(FIFO5)置于復(fù)位狀態(tài)，暫停信號采集。將采集到的數(shù)據(jù)打包發(fā)送至主板FPGA，主板FPGA對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次采樣和濾波處理，然后把二次采樣后的數(shù)據(jù)發(fā)給主控制板ARM，找出131 072個點中，0～7FFFFF數(shù)據(jù)的最大值，即正電壓最大值；找出FF800000～FFFFFFFF(高8位補(bǔ)FF)的最小值，即負(fù)電壓最大值，依據(jù)電壓計算公式(1)，可以得到正電壓最大值和負(fù)電壓最大值，取絕對值可得電壓最大絕對值。

由于ADS采集到的數(shù)據(jù)為16進(jìn)制數(shù)據(jù)，因此需將16進(jìn)制數(shù)據(jù)強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制，HEX2DEC(X)即為該過程，X為16進(jìn)制原始數(shù)據(jù)，是有符號數(shù)。進(jìn)行數(shù)字量化轉(zhuǎn)換，當(dāng)X為0～7FFFFF時，即所采集的 24 bit數(shù)據(jù)最高位為0，則表示所采集的電壓為正電壓，對應(yīng)的模擬電壓為0～2.048 V；當(dāng)X為FF800001～FFFFFFFF時，即所采的24bit數(shù)據(jù)最高位為 1，則表示所采集的電壓為負(fù)電壓，對應(yīng)的模擬電壓為-2.048～0 V。ADSS1278為24 bit數(shù)模轉(zhuǎn)換器，將該設(shè)備采集電壓的幅值換算為 10進(jìn)制數(shù)字為224(-8 388 607～+8 388 607)，相對應(yīng)的電壓采集范圍-2.048 V～+2.048 V，通過式(1)可以實時計算加速度計實測輸出值V。

ADS1278模數(shù)轉(zhuǎn)換器在采集加速度計輸出電壓前，需根據(jù)實測電壓大小對應(yīng)調(diào)節(jié)至有效采集量程，因此需要在控制程序中規(guī)定不同范圍的實測電壓對應(yīng)的增益幅值。對輸入信號進(jìn)行放大/縮小則要求電壓放大部分按照給定的增益，由控制算法調(diào)節(jié)放大倍數(shù)來實現(xiàn)信號的放大/縮小，放大倍數(shù)與電壓絕對值范圍對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 控制寄存器放大倍數(shù)查找表Table 1 Checklist of controlling register magnification

依據(jù)得到的電壓值V查詢表1，確定寫入放大倍數(shù)寄存器的增益放大值，依據(jù)集成電路總線(Inter-Integrated Circuit, I2C)地址與通道號對應(yīng)關(guān)系，通過I2C寫入數(shù)據(jù)，延遲5 ms后將振動加速度FIFO (FIFO5)置于工作狀態(tài)，繼續(xù)采集一包131 072個點進(jìn)行運算，以此循環(huán)完成整個增益控制環(huán)節(jié)。

振動監(jiān)測裝置共32個通道，其中22個通道用于采集振動加速度，10個通道用于采集振動位移，加速度計的輸出電壓范圍為-5～+5 V，根據(jù)需要，僅加速度信號需要進(jìn)行增益控制，因此可調(diào)增益數(shù)據(jù)采集命令流程需要同時對 22個通道進(jìn)行配置，以達(dá)到實時調(diào)節(jié)增益的目的。

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)上述設(shè)計要求，可調(diào)增益電路如圖3所示。可調(diào)增益的程控放大功能由可編程增益放大器PGA281、AD轉(zhuǎn)換芯片ADS1278和主處理器來實現(xiàn)，PGA281的增益大小通過主處理器的IO直接控制。系統(tǒng)每次確定下一包數(shù)據(jù)的增益之前，需要先給PGA281一個固定的增益，并通過ADS1278采集一包樣本數(shù)據(jù)，然后根據(jù)樣本數(shù)據(jù)的最大值確定下一包數(shù)據(jù)的增益值。綜上所述，程控增益電路最終實現(xiàn)對信號增益的在線控制功能。

圖3 實現(xiàn)可調(diào)增益的電路圖Fig.3 Circuit diagram of implementing adjustable gain

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件部分使用verilog編程語言。由表1可知，為實現(xiàn)電路的可調(diào)增益控制功能，需要編程數(shù)據(jù)依據(jù)電壓實測大小，寫入對應(yīng)控制量程的增益幅值。主處理器會根據(jù)當(dāng)前時刻小信號的幅度來設(shè)定PGA281的增益，即每次設(shè)定有效增益之前，先設(shè)定一個固定增益，并通過AD采集一包樣本數(shù)據(jù)，根據(jù)樣本數(shù)據(jù)的最大值來給出相應(yīng)的增益。

首先判斷131 072點的絕對值最大值，并轉(zhuǎn)換為電壓值，其中放大倍數(shù)N共16級，為G0～G6二進(jìn)制數(shù)對應(yīng)的 10進(jìn)制整數(shù)。然后在該電壓值對照表內(nèi)找到對應(yīng)的放大倍數(shù)，并將每個通道的增益寫入FPGA，最終實現(xiàn)整個增益在線可控的效果。

3 模擬對比測試

使用函數(shù)發(fā)生器模擬頻率為 15 kHz的差分方波信號，同時使用函數(shù)發(fā)生器模擬頻率為 45 Hz、幅度為 20 mV(峰峰值)的正弦波信號輸入到機(jī)腳加速度通道 1，跟蹤轉(zhuǎn)速和固定采樣共用一個物理通道，且共用一次采樣的數(shù)據(jù)。利用 ADS數(shù)據(jù)采集裝置可獲取該通道的振動頻譜圖，如圖4所示。圖4(a)和圖 4(b)分別為引入可調(diào)增益前后的頻譜圖，兩者在45 Hz處的尖峰幅值均為129 dB，但噪聲均值分別為60 dB和55 dB，可見引入可調(diào)增益后對于ADS采集數(shù)據(jù)的信噪比有明顯的改善效果。

圖4 可調(diào)增益處理前后的振動信號頻譜對比圖Fig.4 Spectrum comparison of vibration signals before and after adjustable gain processing

4 實際工況測試

汽輪發(fā)電機(jī)組實際轉(zhuǎn)速工況為：轉(zhuǎn)速6 000 r·min-1，功率1.6 MW，利用振動監(jiān)測系統(tǒng)測量電機(jī)自由端軸承徑向水平振動位移與振動加速度。在相同工況條件下測量6次，測得位移振幅峰值處頻率變化在 0.2 Hz以內(nèi)，位移幅值變化在0.5 μm以內(nèi)。將平均測量結(jié)果得到的振動位移幅值的時域波形圖與頻譜圖分別如圖5和圖6所示。汽車機(jī)組自由端徑向振動波特圖如圖7所示。根據(jù)實際工況下的測試數(shù)據(jù)可以看到，其軸系振動位移幅值較小，自由端振動位移有效值為5 μm，振動加速度尖峰幅值為106.6 dB。

圖5 汽輪發(fā)電機(jī)組自由端的徑向振動位移圖Fig.5 Radial vibration displacement at free end of steam turbine generator set

圖6 汽輪發(fā)電機(jī)組自由端徑向振動位移頻譜圖Fig.6 Spectrum of radial vibration displacement at free end of steam turbine generator set

圖7 汽輪發(fā)電機(jī)組自由端徑向振動波特圖Fig.7 Bode diagram of radial vibration at free end of turbine generator set

根據(jù)測試結(jié)果，在汽輪發(fā)電機(jī)組位移振幅較小的情況下，振動監(jiān)測裝置測得的加速度信號可以達(dá)到優(yōu)于50 dB以上的信噪比，能夠滿足設(shè)備振動噪聲的監(jiān)測與分析要求。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種具備可調(diào)增益功能的振動監(jiān)測系統(tǒng)，將 ADS數(shù)據(jù)采集器與增益放大電路相結(jié)合，對加速度計的輸出電壓進(jìn)行有效放大或縮小。通過仿真和實際測量實驗可以得出：引入可調(diào)增益環(huán)節(jié)后，采集信號始終保持在數(shù)據(jù)采集器最優(yōu)采樣量程內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)較高信噪比的數(shù)據(jù)采集，在汽輪發(fā)電機(jī)組振動監(jiān)測領(lǐng)域具有工程應(yīng)用價值。