張 浩，陳 朋

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，杭州 310023；2.浙江工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，杭州 310023)

0 引言

旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備廣泛應(yīng)用于石油、化工和電力產(chǎn)生等領(lǐng)域，并發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)和功能日益復(fù)雜，發(fā)生故障的可能性也隨之增加[1]。一個較小的機(jī)械故障便可能造成設(shè)備損毀，甚至是整個生產(chǎn)線的停機(jī)，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。為了減少機(jī)械故障造成的影響，國內(nèi)外科研院所對旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的預(yù)測性維護(hù)展開研究[2]。其中，由于振動信號可以直觀反應(yīng)機(jī)械設(shè)備的各種狀態(tài)，振動分析已成為機(jī)械設(shè)備預(yù)測性維護(hù)的重要分析手段[3]。然而，較高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)設(shè)備的早期故障信號往往以微小信號的形式反映在4kHz以上的較高頻段[4]，這對振動傳感器的頻率響應(yīng)范圍提出了更高的要求。

PCB、CTC、EMERSON等公司在振動傳感器研究方面起步較早，生產(chǎn)種類豐富，覆蓋了工業(yè)設(shè)備常見的各個頻段，為工業(yè)界機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測提供了重要工具[8]，但上述公司的產(chǎn)品多為有線傳感器，均沒有生產(chǎn)高頻響范圍的振動傳感器。

無線振動傳感器作為一種新型的基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN,wireless sensor networks)的機(jī)械振動監(jiān)測設(shè)備，因體積小、成本低、便于安裝等優(yōu)勢受到了用戶的普遍青睞。然而，無線振動傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積難以控制，頻率響應(yīng)帶寬交窄(很難超過4 kHz)，只能用于簡單的閾值判斷等已經(jīng)發(fā)生的故障分析[5]。因此，無線振動傳感器頻率響應(yīng)帶寬范圍亟待提高，以便應(yīng)用于預(yù)測性維護(hù)場景。

目前，無線振動監(jiān)測領(lǐng)域主要集中于1～2 kHz等頻段的應(yīng)用。張琨等人開發(fā)了基于無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的振動傳感器，實(shí)現(xiàn)無線振動信號的采集和傳輸，但仍屬于傳統(tǒng)無線振動傳感器的典型架構(gòu)，其有效頻率響應(yīng)范圍為0～800 Hz，僅適用于低轉(zhuǎn)速設(shè)備的故障分析[6]。Khurram Shahzad等人針對無線振動傳感器計(jì)算速度問題提出了優(yōu)化方案，使用FPGA實(shí)現(xiàn)50 kHz的高頻采樣和實(shí)時處理，但沒有考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)的影響，僅能在2 kHz以內(nèi)的頻率范圍內(nèi)分析[7]。

綜上所述，本文針對傳統(tǒng)無線振動傳感器頻響范圍低的缺點(diǎn)，提出一種提高無線振動傳感器頻響范圍的方法，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、振動探頭設(shè)計(jì)、信號調(diào)理鏈路設(shè)計(jì)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)4個方面對傳統(tǒng)無線振動傳感器進(jìn)行了改進(jìn)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法的有效性和可行性。

1 高頻無線振動傳感器總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)流程

本文提出的高頻響無線振動傳感器設(shè)計(jì)流程如圖1所示，設(shè)計(jì)過程主要分為三個部分。

圖1 設(shè)計(jì)流程

第一部分：振動探頭設(shè)計(jì)。振動探頭是感知振動信號的敏感器件，其性能的優(yōu)劣對采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量具有直接影響。傳統(tǒng)振動傳感器振動探頭與傳感器本體結(jié)構(gòu)上是一個整體，導(dǎo)致體積難以控制，頻響帶寬難以提高。本設(shè)計(jì)采用振動探頭與振動傳感器本體分離的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)上傳感器探頭通過軟線與傳感器本體相連，避免了傳感器本體諧振噪聲對傳感器探頭的影響。由于傳感器探頭單獨(dú)封裝所以可以做的很小，進(jìn)一步提高了傳感器探頭的諧振頻率。電路上，傳感器探頭采用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS,micro-electro-mechanical system)芯片作為振動敏感元件，通過電源管理、運(yùn)算放大等電路使其對外呈現(xiàn)集成電路型壓電式傳感器(IEPE,Integrated Electronic Piezoelectric)通用振動探頭接口。

第二部分：信號鏈設(shè)計(jì)。振動信號為高頻的交流信號，對噪聲非常敏感，因此在信號調(diào)理鏈路設(shè)計(jì)過程中要重點(diǎn)考慮通頻帶的寬度、信噪比(SNR,signal to noise ratio)等參數(shù)。恒流源設(shè)計(jì)為振動探頭提供供電的穩(wěn)定恒流源信號，濾波器設(shè)計(jì)用于消除信號傳輸過程中引入的噪聲，并配合模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC,analog to digital converter)實(shí)現(xiàn)抗混疊(anti-aliasing filtering)。FAD設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)單端信號到差分信號的轉(zhuǎn)變。

第三部分：模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。使用ADC作為模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的器件，A/D轉(zhuǎn)換將時間、幅值均連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。為了確保A/D獲取到能夠正確反應(yīng)振動信號的狀態(tài)數(shù)據(jù)，要同時考慮ADC的轉(zhuǎn)換精度和與前級抗混疊濾波器的配合程度，通過過采樣、內(nèi)部數(shù)字濾波和抽樣獲取高信噪比數(shù)據(jù)。

1.2 硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

高頻無線振動傳感器的硬件架構(gòu)如圖2所示，傳感器主要分為傳感器探頭和傳感器主體兩部分。為了減小體積、提高頻率響應(yīng)帶寬，傳感器探頭單獨(dú)封裝，內(nèi)部只包含傳感器芯片和信號調(diào)理部分。傳感器本體則主要負(fù)責(zé)總體控制、信號的調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ鳌?/p>

2 振動探頭設(shè)計(jì)

2.1 振動探頭硬件設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)振動探頭多采用壓電晶體作為敏感元件[9]，使用“IEPE接口”作為對外接口[10]，IEPE加速度傳感器采用恒流源供電。電流源將電流引入加速度傳感器。加速度傳感器內(nèi)部的電路使它對外表現(xiàn)的像一個電阻。傳感器的加速度和它對外表現(xiàn)出的電阻成正比，傳感器的信號電壓和加速度成正比。

但是壓電晶體只對交變信號有響應(yīng)，壓電晶體對低頻信號的響應(yīng)質(zhì)量較差[11]，信噪比較低，且?guī)挿秶鷥?nèi)非線性誤差(NEL,non-linear error)較大。因此，本設(shè)計(jì)使用MEMS芯片作為敏感元件，很好的避免了低頻信號采集時的失真現(xiàn)象，保證帶寬范圍內(nèi)良好的線性度。為了能夠與常用振動采集器匹配，本設(shè)計(jì)仍然采用IEPE接口作為振動探頭電氣接口。振動探頭硬件架構(gòu)圖如圖3所示，IEPE接口采用恒流源供電，供電回路和信號回路公用同一個回路，方便采用同軸電纜連接，能夠減少線纜數(shù)量，提高信噪比。電源管理部分可以將外部恒流源提供的電源轉(zhuǎn)化成內(nèi)部器件可用的電壓范圍，振動敏感元件采用MEMS振動芯片，相對于壓電式振動傳感器具有更好的低頻響應(yīng)性能和更低的非線性誤差[12]，低通濾波器濾除高頻干擾，防止高頻噪聲被放大器放大，從而提高信噪比。放大器提高信號幅值，減少信號在傳輸過程中噪聲信號的影響，同時提高振動傳感器的驅(qū)動能力，減少傳感器輸出電阻，以便于更好與采集回路進(jìn)行阻抗匹配。

圖3 振動探頭硬件架構(gòu)圖

振動探頭的接頭如圖4所示，本文采用將振動探頭和傳感器主體分離設(shè)計(jì)的方案，將敏感元件和部分信號調(diào)理電路放在一個較小的電路板上，可以減少振動探頭的體積，從而提高振動探頭的諧振頻率。隨著諧振頻率的提高振動探頭的頻率響應(yīng)性能可以得到大幅提高。在電路板與外殼的固定方式設(shè)計(jì)中，本設(shè)計(jì)拋棄了傳統(tǒng)的螺栓固定的方式，采用環(huán)氧樹脂電子密封膠“灌封”的方式。

采用電子密封膠“灌封”有如下三個優(yōu)點(diǎn)：

1)可以減小螺絲占用，從而減小體積。

2)環(huán)氧樹脂硬度大，能夠輔助振動傳遞，提高傳感器設(shè)計(jì)一致性。

3)環(huán)氧樹脂灌封后對電路板形成保護(hù)膜，可以提高傳感器IP等級，增強(qiáng)傳感器在惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定性。

2.2 振動探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳動振動傳感器設(shè)計(jì)中振動探頭與傳感器本體是一個整體，使用Solidworks建立傳統(tǒng)傳感器仿真模型，如圖4所示。由于所有模塊集中在一個殼體內(nèi)，所以傳感器無線振動傳感器尺寸普遍較大，進(jìn)而導(dǎo)致其共振頻率較低(大約2 kHz)，因?yàn)? kHz落在了振動監(jiān)測有效帶寬范圍內(nèi)，所以傳統(tǒng)無線振動傳感器的頻率響應(yīng)范圍收到了極大的限制。其仿真結(jié)果如圖6所示，其2.5 kHz在兩個振動方向上存在諧振。

圖4 傳統(tǒng)傳感器模型

圖5 改進(jìn)探頭模型

圖6 傳統(tǒng)傳感器結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

為了提高無線振動傳感器頻率響應(yīng)范圍，本文采用振動探頭與傳感器主體分開封裝的傳感器優(yōu)化模型(如圖7所示)，將敏感的振動探頭單獨(dú)封裝，減小了傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和體積。振動探頭與傳感器主體采用柔性電纜連接，從而減少了從傳感器主體傳遞到振動探頭的干擾信號。

圖7 無線振動傳感器優(yōu)化模型

使用Solideworks對改進(jìn)結(jié)構(gòu)的傳感器探頭建立仿真模型如圖5所示，使用ANSYS進(jìn)行有限元分析，結(jié)果如圖8所示，優(yōu)化模型的諧振頻率得到了明顯提高，最低的一個方向的諧振頻率也達(dá)到5 kHz以上。

圖8 改進(jìn)探頭模型仿真結(jié)果

3 信號鏈設(shè)計(jì)

信號調(diào)理模塊的主要功能是接收振動探頭傳入的模擬信號，進(jìn)行預(yù)處理，使其能滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入要求。如圖9所示，信號調(diào)理鏈路主要有恒流源、偏置校準(zhǔn)、抗混疊濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換部分組成。

圖9 信號采集模塊

3.1 恒流源模塊設(shè)計(jì)

傳感器的最大帶寬與激勵電流成正比，與電纜電容成反比。為了能夠滿足IEPE傳感器輸出范圍，恒流源必須能夠提供足夠高的電壓范圍[13]，標(biāo)稱的供電電壓通常要大于24 V。選擇恒定電流水平時，必須考慮傳感器的最大期望輸出帶寬和電纜類型。需要設(shè)置的輸出電流可以由公式(1)計(jì)算得出:

(1)

式中,fmax是振動探頭輸出信號的最大頻率(Hz);1 mA是振動探頭維持正常工作所需要的電流；C是線纜上的寄生電容；V是從振動探頭上輸出的最大峰值電壓(V)。

例如，振動探頭最大峰值電壓是10 V，一段3 m的線纜，線纜的寄生電容為96.67 pF/m，恒流源的輸出設(shè)置為2.5 mA，此時的傳感器帶寬可以接收82.3 kHz，可以滿足應(yīng)用要求。

3.2 偏置校準(zhǔn)模塊設(shè)計(jì)

由于IEPE傳感器輸出的信號為帶有直流偏置的信號，直流偏置電壓可以達(dá)到13 V。因此需要通過偏移校正電路消除直流偏移。圖10為使用一個集成運(yùn)算放大器制作的偏置校準(zhǔn)電路拓?fù)鋱D。

圖10 偏置校準(zhǔn)電路拓?fù)鋱D

偏置校準(zhǔn)電路可以通過公式(2)計(jì)算.

(2)

式中，Vshift為通過D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的電壓，由MCU通過IIC總線控制；Vin為振動探頭輸出電壓。Rin、Rf為精密電阻。Vout為校準(zhǔn)電路的輸出電壓。

3.3 濾波及全差分放大器設(shè)計(jì)

為了達(dá)到較高的頻率響應(yīng)帶寬，需要將抗混疊濾波器和截止頻率設(shè)置的比振動探頭的頻響帶寬高，但考慮到抗混疊的效果[14]，需要配合ADC采樣率，以滿足奈奎斯特采樣定理[15]的要求，在1/2采樣率處有足夠的阻帶抑制。由于本設(shè)計(jì)采用∑-Δ型ADC，有效采樣率可以設(shè)置在4.096 MHz，使用如圖11所示的二階巴特沃斯低通濾波器[16]，將抗混疊濾波器-3 dB截止頻率設(shè)置為24 kHz，此時在4.096 MHz處具有-151 dB的衰減系數(shù)，可以滿足所需要的信噪比，如圖12所示。

圖11 二階有源低通濾波器

圖12 濾波器波特圖

IEPE信號是單端信號，如果使用差分ADC采集則需要實(shí)現(xiàn)單端信號到差分信號的轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)方式都是采用平衡-不平衡器(balun)作為轉(zhuǎn)換的器件[17]。但是使用balun器件設(shè)計(jì)的電路具有占板面積大、不能DC去耦、損耗較大等缺點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用全差分放大器(FDA,fully differential amplifier)作為單端信號轉(zhuǎn)差分信號的方案，除了具有單端信號轉(zhuǎn)差分信號的作用，F(xiàn)DA還有如下優(yōu)點(diǎn)： 1)去除信號線上的共模干擾;2)為電路提供電壓增益;3)提供ADC輸入緩沖，吸收ADC采樣保持電路的“回踢”干擾能量。4)使用FDA占板面積小，適合緊湊型設(shè)計(jì)[18]。

4 模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

在振動信號分析工作中，需要觀察振動信號的頻譜圖，振動信號的混疊現(xiàn)象會對分析結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重影響。傳統(tǒng)振動采集使用LPCM型ADC作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，為了防止信號混疊需要設(shè)置衰減曲線非常陡峭的高階濾波器，這無疑提高了系統(tǒng)復(fù)雜度和制造成本。本設(shè)計(jì)采用∑-Δ型ADC作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，可以方便的做到抗混疊，減輕了前級濾波器的壓力。

∑-Δ型ADC與傳統(tǒng)的LPCM型ADC不同，它不是直接根據(jù)信號的幅度進(jìn)行量化編碼，而是根據(jù)前一采樣值與后一采樣值之差(即所謂增量)進(jìn)量化編碼，從某種意義上來說它是根據(jù)信號的包絡(luò)形狀進(jìn)行量化編碼的[19]。過采樣技術(shù)是改善模數(shù)轉(zhuǎn)換器總體性能諸多技術(shù)中的一種[20]?！?Δ結(jié)構(gòu)的ADC是一種內(nèi)在的過采樣轉(zhuǎn)換器。∑-Δ型ADC以很低的采樣分辨率(1位)和很高的采樣速率將模擬信號數(shù)字化，通過使用過采樣技術(shù)，噪聲整形和數(shù)字濾波技術(shù)增加有效分辨率，然后對ADC輸出進(jìn)行抽取處理，以降低ADC的有效采樣速率，去除多余信息，減輕數(shù)據(jù)處理的負(fù)擔(dān)。由于∑-Δ型ADC所使用的1位量化器(即1位比較器)和1位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(為一開關(guān))具有良好的線性，所以∑-Δ型ADC表現(xiàn)出的微分線性和積分線性性能非常優(yōu)秀，并且不像其它類型的ADC那樣，它無需任何的修調(diào)。

本設(shè)計(jì)采用亞德諾半導(dǎo)體生產(chǎn)的AD7768-1作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該ADC為單通道高精密的∑-Δ型ADC，具有24 bit的分辨率，204 kHz的響應(yīng)帶寬，標(biāo)稱108.5 dB動態(tài)范圍，-120 dB總諧波失真(THD,total harmonic distortion)。

∑-Δ型ADC的數(shù)據(jù)輸出速率可以通過公式(3)，進(jìn)行計(jì)算：

(3)

式中，MCLK是ADC的主時鐘；MCLKDIV是主時鐘分頻系數(shù)；FILTEROSR是內(nèi)部數(shù)字濾波器的過采樣率(OSR,over sampling rate)。

本設(shè)計(jì)使用32.768 MHz的晶振作為主時鐘，設(shè)置主時鐘分頻系數(shù)MCLKDIV為8，此時ADC調(diào)制器的實(shí)際采樣率為4.096 Msps，配合外部抗混疊濾波器，如圖11所示，對外部混疊進(jìn)入系統(tǒng)的干擾信號具有-151 dB的衰減作用。設(shè)置內(nèi)部數(shù)字濾波器的過采樣率FILTEROSR為64，經(jīng)計(jì)算得數(shù)據(jù)輸出速率ODR(Hz)=64 kSPS。設(shè)置ADC不同配置對帶寬和噪聲的影響如表1所示，此時-3 dB帶寬為27.7 kHz。噪聲只有 7.37 μV，能夠滿足設(shè)計(jì)需要。

表1 不同ADC設(shè)置的帶寬及噪聲

表2 感器參數(shù)對比

5 比對實(shí)驗(yàn)

5.1 傳統(tǒng)無線傳感器與參考傳感器對比實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用美國PCB公司生產(chǎn)的振動傳感器“352C33”作為參考傳感器，在對拖電機(jī)試驗(yàn)臺上進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)條件為：

1)對拖電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 400 rpm。

2)同一測點(diǎn)采集振動信號。

3)傳感器與測試平臺采用強(qiáng)力膠水連接方式。

將兩傳感器采集到的數(shù)據(jù)分別計(jì)算頻譜圖，如圖13所示?？梢钥闯?，無線振動傳感器在2 500 Hz左右有明顯的其他頻點(diǎn)信號存在，由于是在同一工況下測量，所以可以判定干擾信號為無線振動傳感器內(nèi)部問題導(dǎo)致。

圖13 傳感器頻譜圖

5.2 改進(jìn)無線傳感器與參考傳感器對比實(shí)驗(yàn)

根據(jù)仿真過的傳感器優(yōu)化模型，制作新型結(jié)構(gòu)傳感器，并在對拖電機(jī)試驗(yàn)臺上進(jìn)行對比測試，如圖15所示。

如圖14所示，優(yōu)化后的無線振動傳感器頻率響應(yīng)范圍得到了明顯改善，同一工況下測試改進(jìn)無線傳感器與參考傳感器采集到的數(shù)據(jù)對比可知，振動頻率成分在6.25 kHz之前都能保證較好的一致性，相對于傳統(tǒng)無線振動傳感器頻響范圍提高了7.96 dB。

圖14 新型結(jié)構(gòu)傳感器測量結(jié)果

6 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)無線振動傳感器頻率響應(yīng)帶寬窄的問題，本文提出一種提高無線振動傳感器頻響帶寬的方法，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、振動探頭設(shè)計(jì)、信號鏈設(shè)計(jì)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)4個方面對傳統(tǒng)無線振動傳感器進(jìn)行了改進(jìn)。結(jié)構(gòu)改進(jìn)使用Solidworks建立3D模型，并使用ANSYS仿真軟件進(jìn)行軟件仿真分析。探頭電路設(shè)計(jì)使用先進(jìn)的MEMS芯片作為敏感元件，并且兼容常用壓電式振動傳感器常用的IEPE接口。信號調(diào)理鏈路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)滿足高頻響要求的同時充分考慮抗混疊和高信噪比的設(shè)計(jì)經(jīng)測試和認(rèn)證，采用優(yōu)化模型所開發(fā)的無線振動傳感器具有較高的頻率響應(yīng)范圍。

改進(jìn)型優(yōu)化模型傳感器的改進(jìn)方法為：

1)簡化振動探頭調(diào)理電路，使用兼容傳統(tǒng)壓電式振動傳感器的IEPE接口。

2)將傳統(tǒng)無線振動傳感器內(nèi)部振動探頭單獨(dú)封裝，嚴(yán)格控制探頭外形尺寸。

3)防止干擾信號傳遞，振動探頭與傳感器本體之間采用柔性線纜連接。

4)根據(jù)考慮傳感器驅(qū)動電流、傳感器線纜寄生電容、關(guān)注信號的最高頻率和輸出信號最大幅值確定恒流源輸出電流的大小。

5)根據(jù)關(guān)注信號頻率確定抗混疊濾波器的截止頻率。

6)選擇∑-Δ型ADC作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，并且與抗混疊濾波器配合設(shè)置合適的采樣率、過采樣倍數(shù)、數(shù)字濾波器截止頻率等參數(shù)。

經(jīng)測試，優(yōu)化后的振動傳感器相對于傳統(tǒng)無線振動傳感器頻響范圍提高了7.96 dB。