閆曉偉, 郭虎生

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

0 引言

分析電機(jī)組振動(dòng)信號(hào)是對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的主要技術(shù)手段之一[1]，已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械振動(dòng)故障診斷領(lǐng)域。發(fā)動(dòng)機(jī)組、發(fā)電機(jī)組等大型電機(jī)作為船舶上的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)直接決定船舶的工作狀況，任何故障都可能給對(duì)船舶運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重的危害。目前世界航運(yùn)先進(jìn)國(guó)家已逐步將電機(jī)的振動(dòng)狀態(tài)分析應(yīng)用于船舶主機(jī)的運(yùn)行監(jiān)測(cè)上[2]。通過(guò)提取電機(jī)組上各個(gè)部件的表面振動(dòng)信號(hào)，就可監(jiān)測(cè)電機(jī)內(nèi)部的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，達(dá)到故障前期預(yù)警的目的[3]。由于電機(jī)組設(shè)備空間狹小，不利于電動(dòng)式振動(dòng)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(cè)量核心器件并給出了多通道采集和無(wú)線傳輸方案，構(gòu)建了對(duì)機(jī)組振動(dòng)狀況檢測(cè)的無(wú)線采集系統(tǒng)。

1 MEMS原理

由于硅微機(jī)械加工技術(shù)MEMS的迅猛發(fā)展，目前各種基于MEMS技術(shù)的器件也應(yīng)運(yùn)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(diǎn)，因此基于MEMS的傳感器在各個(gè)方面得到了較為迅速的應(yīng)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(dòng)式加速度計(jì)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(dāng)有加速度輸入時(shí)，質(zhì)量塊與電極A和B組成的電容值發(fā)生變化，信號(hào)經(jīng)放大后提供正比與輸入加速度的電壓信號(hào)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)大多利用電動(dòng)式振動(dòng)傳感器并加以后續(xù)的信號(hào)調(diào)理電路、存儲(chǔ)器等組成，其采集系統(tǒng)體積大、價(jià)格高、分辨率低，同時(shí)由于電動(dòng)式傳感器多為單軸、雙軸，不利于提取振動(dòng)信號(hào)的多維信息。針對(duì)這種問(wèn)題，本文提出了一種以三軸 MEMS加速度計(jì)的無(wú)線振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)，可完成對(duì)加速度傳感器輸出信號(hào)調(diào)理、采集、功耗控制和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。

該系統(tǒng)將傳感器的加速度信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓信號(hào)輸出，信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)，獲取的數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)至大容量SD卡中，同時(shí)通過(guò)無(wú)線模塊傳輸至上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。測(cè)量系統(tǒng)的組成框圖如圖2所示。

測(cè)量系統(tǒng)由MEMS加速度傳感器、信號(hào)放大濾波電路、多通道數(shù)據(jù)采集電路、無(wú)線通信電路、SD卡存儲(chǔ)模塊、單片機(jī)系統(tǒng)和電源轉(zhuǎn)換電路等組成。升壓電路實(shí)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(duì)信號(hào)的放大、濾波；單片機(jī)三片AD7190實(shí)現(xiàn)三軸振動(dòng)信號(hào)的同步采集； SD卡模塊用于存儲(chǔ)前端采集到的數(shù)據(jù)，無(wú)線模塊傳輸采集信號(hào)至計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。

2.1 采集模塊

信號(hào)采集單元主要完成對(duì)三軸振動(dòng)信號(hào)的采集的功能，包括信號(hào)調(diào)理、濾波放大、去直處理和A/D轉(zhuǎn)換等?？紤]到信號(hào)分辨率、功耗及采樣頻率等因素，采用低功耗24位AD芯片實(shí)現(xiàn)信號(hào)三軸信號(hào)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(yīng)用在低頻、微弱信號(hào)的測(cè)量場(chǎng)合[4]。其具有 3個(gè)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(shí)的電流僅為380 μA。通過(guò)三個(gè)SPI接口以三線連接模式，單片機(jī)分別與AD7190連接，是通過(guò)一系列的片上寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)AD7190的控制和操作。同時(shí)為保證數(shù)據(jù)采集的精度必須保證基準(zhǔn)源具有極高的精度，因此選用ADR445作為外部基準(zhǔn)源為三片 AD7190提供 5V基準(zhǔn)電壓。ADR445主要工作特性：

表1 ADR445主要工作特性

由表 1可見(jiàn)，ADR445可滿(mǎn)足高精度數(shù)據(jù)采集的要求。

2.2 存儲(chǔ)模塊

記錄振動(dòng)數(shù)據(jù)可用于后期的信號(hào)處理分析，便于對(duì)故障問(wèn)題進(jìn)行記錄分析。這就要求存儲(chǔ)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(shí)間內(nèi)，采集三軸振動(dòng)信號(hào)需要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)介質(zhì)，而該芯片容量小、價(jià)格高不滿(mǎn)足本系統(tǒng)提出的大容量高速存儲(chǔ)的要求。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，文中采用大容量SD卡作為存儲(chǔ)介質(zhì)，和FAT32文件系統(tǒng)作為存儲(chǔ)模塊。存儲(chǔ)模塊最大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(wèn)接口簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[5]。SD卡模塊通過(guò)串口與單片機(jī)連接獲取單片機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，模塊設(shè)計(jì)FAT32文件系統(tǒng)配合自動(dòng)創(chuàng)建文件的方式來(lái)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(jìn)行分析處理[6], 對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)是將 SD卡作為文件系統(tǒng)的存儲(chǔ)介質(zhì)，由實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)控制，測(cè)試表明，該方法程序簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，故本系統(tǒng)采用該方式進(jìn)行SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

圖3 SD存儲(chǔ)流程圖

2.3 無(wú)線傳輸模塊

基于低功耗和高性能的要求，無(wú)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(shí)際功耗選擇相應(yīng)的模式。芯片可應(yīng)用于無(wú)線 ZigBee模塊設(shè)計(jì)中，便于組成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為對(duì)電機(jī)振動(dòng)進(jìn)行多點(diǎn)分析，將所設(shè)計(jì)的三套無(wú)線采集設(shè)備分別剛性連接在電機(jī)外殼不同位置，對(duì)電機(jī)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。采樣頻率設(shè)置為500 Hz，無(wú)線采集得到三處電機(jī)振動(dòng)信號(hào)如圖 所示。

為了進(jìn)一步對(duì)振動(dòng)采集信號(hào)進(jìn)行分析處理，對(duì)所獲取的原始信號(hào)進(jìn)行FFT變換 。

對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析后，發(fā)現(xiàn)無(wú)線采集的三處電機(jī)振動(dòng)信號(hào)頻譜具有很強(qiáng)的一致性，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在MEMS加速度傳感器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)的具有無(wú)線傳輸功能的電機(jī)振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以用于機(jī)械故障預(yù)警檢測(cè)，并可對(duì)電機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，為電機(jī)組故障預(yù)警及診斷鋪墊了基礎(chǔ)。

[1] 張毅, 趙棟等. 基于分布式全光纖傳感器的電機(jī)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(jī)組振動(dòng)故障實(shí)時(shí)監(jiān)視技術(shù)研究[J]. 船電技術(shù), 2012, 32（3）: 41-45.

[3] 蓋強(qiáng), 瑪杰等. 艦船主機(jī)故障診斷系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報(bào), 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(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)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(dòng)數(shù)據(jù)采集器中的實(shí)現(xiàn)[J].電子器件，2005，（ 9）:608-611.