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动平衡机振动信号测量电路设计 摘 要：随着动平衡和科学技术的飞速发展，各种旋转机械的转速越来越高，转子动平衡问题在生产实践中显得越来越重要，动平衡机是进行动平衡试验和校正的设备。测量系统是平衡机的重要环节，随着数字信号技术和计算机技术等的高速发展，平衡机测量系统得到了迅速发展。而国产动平衡机测量系统水平落后。本课题研究了新型高精度测量系统。本文首先分析了转子动平衡机振动信号产生的原理，主要研究了基于C8051F020的振动信号测量系统。采用压电传感器作为振动测量元件，设计了电荷放大器、由两个程控增益放大器AD603组成的可调增益放大电路、自动跟踪带通虑波器、C8051F020主控制器接口电路等硬件电路。用C8051F020的12位ADC0进行数据采集。该测量系统具有较高精度、较强的抗干扰能力、测量范围宽、通用性较好等优点。关键词：动平衡机；测量系统；单片机；带通滤波器目 录 摘要11 课题背景及意义41.1 动平衡机振动测量的意义与课题背景41.2 动平衡机振动信号产生的原理52 动平衡机振动信号测量系统方案62.1 测量系统总体结构62.2 振动信号处理电路方案72.3 系统的硬件构成82.3.1 传感器种类与选择82.3.2 压电式压力传感器的工作原理与选用82.3.3 微处理器的选取103 振动信号处理电路设计123.1振动信号的电荷放大电路设计123.2 程控增益放大电路133.2.1 程控增益放大器133.2.2 程控增益放大电路设计143.3 跟踪带通滤波电路设计153.4 传感器输出信号处理电路设计174 总结与展望19参考文献：211 课题背景及意义1.1 动平衡机振动测量的意义与课题背景 在造成旋转机械异常状态的各种原因中，失衡所占的比重是最多的，一般情况下约占30%,高速旋转机械所占的比重更大。所以，正确校正失衡是一项非常重要的实用技术。而转子的不平衡是旋转机械的主要激振源，也是多种自激振动的触发因素。不平衡会引起转子和内应力，使机器产生振动和噪声，加速轴承等零件的磨损，降低机器的工作效率，有时甚至会引起各种严重的事故。据统计，由于不平衡原因而引起的振动故障约占机器总故障24%。对于高速旋转的机械，由于不平衡原因引起的振动十分显著。消除或减小机器振动首先考虑是对转子进行平衡。消除或减小机器旋转零部件因失衡而引起的不平衡惯性力，使机器的振动限制在容许的范围内。动平衡机是教学实验、工程测试中的重要设备，它专用于对转子不平衡的测试，能够比较准确迅速地测出工件的不平衡量大小和该不平衡量在工件上的角度位置。旋转机械是电力、石油化工、交通、冶金、机械、航空以及一些军事部门的关键设备。随着现代工业和科学技术的发展以及自动化程度的进一步提高，旋转机械正朝着大型化、高速化、连续化、集中化、自动化方向发展，生产系统中各设备的联系越来越紧密，由于各种因素的影响，这些机械难免会出现一些故障现象，而且机组一旦出现故障就可能引起连锁反应，导致整个设备甚至整个生产过程无法正常工作，造成巨大的经济损失，甚至还会引起严重的灾难性人员伤亡事故，这主要是转子的不平衡引起的。根据动平衡机测出的数据对转子的不平衡量进行校正，可改善转子相对于轴线的质量分布，使转子旋转时产生的振动或作用于轴承上的振动力减少到允许的范围之内。动平衡机是减小振动、改善性能和提高质量的必不可少的设备。因此，展开振动及动平衡的研究具有重要的意义。动平衡机的出现已有1 0 0多年的历史，直到 2 0世纪 4 0年代，的平衡工序都在纯机械式的平衡设备上进行，而技术的发展促进了平衡技术的变革。到了5 0年代，在刚性转子平衡理论基础完善的同时，9 0 %以上的平衡设备都利用了电子测量技术。如今在电子技术的基础上，由于计算机的广泛应用，使动平衡的研究更加深入。因此开发计算机辅助测量系统，能以较低的成本取得较好的测量效果。传统的测试系统主要是采用矢量瓦特表式平衡机和振动幅相测量仪加专用的计算机。不仅测试系统复杂，而且测量精度低，工作效率可想而知。之后，国内外研制出了一些微机控制的动平衡测试装置，如西德申克公司、劳特林格公司在90年代初生产的微机平衡装置，国内郑州机械研究所研制出的APPLE II 微机辅助平衡系统和清华大学研制的单板机控制的动平衡测试仪。目前，由于具有体积小、功能强、用途广、使用灵活、价格便宜、工作可靠等优点的单片机的应用，使得广大工程技术人员具有了现代化的技术革新的强有力的武器。尤其在测控系统中，物美价廉的单片机再加上高集成度的外围芯片使得振动测试与动平衡系统向小型化、智能化、精密化发展。国内外相继出现了这样的系统，如著名的美国恩泰克公司推出的便携式系统，功能齐全，但价格昂贵；国内的系统相对国外来说功能单一，人机交互性不够好，不利于人们操作。总的来说，工业生产的需要和电子技术的发展，系统的发展趋势是以计算机控制代替传统的模拟。1.2 动平衡机振动信号产生的原理动平衡机有硬支撑和软支撑之分。软支撑是指转子的支撑系统的固有频率远远低于平衡转速，这种平衡机的支承刚度小，传感器检测出的信号与支承的振动位移成正比。硬支撑则是支撑系统固有频率远远高于平衡转速，这种平衡机的支承刚度大，传感器检测出的信号与支承的振动力成正比。通常，转子的平衡包括不平衡量的测量和校正两个步骤，平衡机主要用于不平衡量的测量，而不平衡量的校正则往往借助于钻床、铣床和点焊机等其他辅助设备，或用手工方法完成。有些平衡机已经将校正装置做成为平衡机的一个部分。本系统基于硬支撑动平衡机研究振动信号产生的原理。FRUL URPR cPL b c图1 转子不平衡示意图FLa 振动信号是由于不平衡量产生的,曲轴做动平衡都选用专用的硬支承动平衡机来进行的。这种平衡机在计算不平衡离心力作用在支承上的力时,可不考虑支承刚度的影响,可由静力学平衡方程直接计算出支承上所受的力与曲轴转子校正平面上不平衡量间的关系。根据静力学原理由图得：PL = FL +1/b( aFL - cFR)PR = FR +1/b( aFL - cFR)校正平面上不平衡量 UL 和 UR 与支承上动载荷力之间的关系为: UL =1/2 FL +1/b( aFL - cFR) ao UR =1/2 FL +1/b( aFL - cFR)式中:为实际使用的最高角速度 rad/s。动平衡机上的曲轴转子旋转时,由于不平衡离心力的作用产生的动载荷,通过安装在动平衡机“摆架”上的传感器测出,并由模拟电路完成 UL 和 UR不平衡量的运算,即可测出校正平面上不平衡量的大小1。2 动平衡机振动信号测量系统方案2.1 测量系统总体结构测量系统主要由两部分构成：一部分由压电传感器、传感器输出信号处理电路、单片机组成。压电传感器把振动信号转换成电信号，经传感器输出信号处理电路处理，送于单片机获得不平衡量的大小和相位。另一由光电传感器、基准信号处理电。光电传感器测出转子的转速信号,经基准信号处理电路处理后,分别送入压电传感器输出信号处理电路和C8051F020单片机,用于控制跟踪滤波以及振动信号的转速和振动信号的幅值、相位测量。单片机再与外围设备连接用于显示结果。左压电传感器右压电传感器压电传感器输出信号处理电路C8051FMCULED显示打印报警键盘光电传感器基准信号处理电路图2 测量系统总体框图 由于工件（转子）旋转的不平衡所产生的离心力 ,迫使摇摆架振动。因摇摆架的刚度很大,所以振动幅度较小,首先通过压电传感器将两支撑处的振动号变换、滤波及调整后得到与转子同频方波信号,再送给C8051F020单片机，经计算获得不平衡量的大小和相位。光电传感器测出转子的转速信号,经基准信号处理电路进行整形、放大和锁相倍频等处理后,分别送入压电传感器输出信号处理电路和C8051F020单片机,用于控制跟踪滤波以及振动信号的转速和振动信号的幅值、相位测量。2.2 振动信号处理电路方案该电路由电荷放大电路、程控放大电路、跟踪带通滤波电路组成。压电传感器测量得到的正弦振动信号含有大量的高次谐波和噪音信号,无法直接利用此信号进行计算。为了从很强的干扰信号中得到有用的基频信号(不平衡信号),一种方法是利用硬件进行跟踪带通滤波,另一种方法是用快速傅立叶变换技术,将其时域采样到的振动信号,进行时域-频域变换,进行数字信号处理来测得其振动的幅值和相位。本测量系统采用硬件滤波和软件滤波相结合的方法,采用开关电容有源滤波集成电路组成的阶带通滤波器进行滤波,转速信号经倍频后作为滤波器的外部时钟,它具有稳定性高、结构简单等特点。信号通过电荷放大电路进行信号放大,然后通过带通跟踪滤波电路, ，程控放大电路等电路处理,再将信号送入单片机进行软件滤波。传感 器 输出 信号电荷放大电 路跟踪带通滤波电 路程控放大电 路C805F020 单片机图3 振动信号处理电路方框图 2.3 系统的硬件构成2.3.1 传感器种类与选择本系统测振动信号电式力传感器，它的优点是无需外界供电，自振频率很高而且频率带宽，体积小，重量轻，适于动态测量；经与电荷放大器配套，克服了低频响应差的缺点，使用要求较高。测基准信号时用光电传感器，它具有以下优点：2.3.2 压电式压力传感器的工作原理与选用基于压电效应的压力传感器。它的种类和型号繁多，按弹性敏感元件和受力机构的形式可分为膜片式和活塞式两类。膜片式主要由本体、膜片和压电元件组成（见图5）。压电元件支撑于本体上，由膜片将被测压力传递给压电元件，再由压电元件输出与被测压力成一定关系的电信号。这种传感器的特点是体积小、动态特性好、耐高温等。现代测量技术对传感器的性能出越来越高的要求。压电式力传感器晶体片两面所带的电荷大小相等、极性相反，由于晶体片的绝缘电阻很高，因而压电晶体片相当于一个电容，可表示为：C式中： 压电晶体的介电常数; 晶体片构成极板的面积; 晶体片的厚度。电容器上电荷、电压与电容之间的关系为Ua=q/CA 图5 压电传感器内部结构图 压电式压力传感器灵敏度较高，工作作频率范围较宽，并且体积小，重量相对较轻，主要用于动平衡时的不平衡量检测。在使用压电传感器时，它是与测量仪器配合一起使用的，此时必须考虑连接电缆电容、放大器的输入电容和输入电阻，在加上传感器本身的电容和泄露电阻绝缘电阻)，可得压电式力传感器的完整等效电路 (如图6)4。电荷源 电压源光电传感器选用 :光电传感器/对射型光电开关：型号:E18-5NA、E18-5NB，结构类型：放大器分离型，检测方式:对射式，电源电压：DC：6-36（V），输出方式：NPN，使用环境温度；-10-70（）用途:产品适用于机床限位、检测、计数、测速、液面信号、自动流水线定位发讯号等多种控制。2.3.3 微处理器的选取测试系统的核心部分是微处理器。微处理器的选取很关键，其性能的好坏直接影响到系统性能好坏，因此在选取动平衡测试系统的处理器时，主要考虑到以下两个要求：(l) 对微处理器速度的要求：在动平衡测试系统中，转子旋转的频率将达到60HZ，并且要求在转子一个旋转周期内，微处理器要完成对至少32个以上采集点的计算，并利用DFT算法计算出不平衡信号的振幅及其相位。同时为了保证采集数据的可靠性和精确性，减少噪声干扰，还要对数据进行相应的数字滤波运算。为了使这些操作能正常的进行，要求选取的微处理器必须有足够的运算能力。（2）对微处理器集成资源的要求：在系统设计过程中，希望选取的微处理器芯片可以集成尽可能多的资源。原因一是可以降低系统硬件复杂度:以往的动平衡测试系统往往要选用一块单独的模数转换芯片，这样做将会增加系统的复杂度，提高设计成本。如果选用集成度高的微处理器芯片，就可以减少外围元件数量，从而减小硬件设计板的尺寸，在设计过程中，PCB布线也会更加容易、方便一些。二是减少外界对系统的干扰：由于动平衡测试系统工作在各种干扰比较大的场所，将尽可能多的资源集成到一块微处理芯片中，可以有效的减小干扰的影响。三是微处理器为集成的资源提供了便利的操作，在软件设计中，编程也更加方便简单了。根据上述两点要求，设计选取了C805IF020微处理器作为系统的核心。与传统的C51系列单片机相比，C805lF系列单片机具了很多优势之处，下面将介绍该芯片的主要优点及特点:该芯片是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，有一个真正的12位多通道ADC，器件内部有一个可编程增益放大器，两个12位DAC、两个电压比较器、一个电压基准、一个具有32KB的FLASH存储器并且与8051兼容的微控制器内核。还有硬件实现的12C/SMBUS、UART、SPI串行接口及一个具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列(PCA)。还有4个通用的16位定时器和4字节宽的通用数字I/O端口。内部有2304字节的RAM，执行速度可达到25MPIS。它是一个真正能独立工作的片上系统，还具有片内VDD监视器，WDT和时钟振荡器。C8051FO20能有效的管理模拟和数字外设。片内32KB的FLASH存储器具有在系统重新编程能力，可以用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。片内JIAG调试功能允许安装在最终应用系统上的产品微处理器进行非侵入式(不占用片内资源)、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令5。 图7 C8051F内部结构图 3 振动信号处理电路设计3.1振动信号的电荷放大电路设计电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器。若放大器的开环增益足够大，并且放大器的输入阻抗很高，则放大器输入端几乎没有分流，运算电流仅流入反馈回路。选用LMC集成运放构成电荷放大器。选用宽带宽、高频响的 LMC660集成运放构成电荷放大器。LMC660为四路运算放大器，单电源供电。其引脚图如图8所示: 图8 LMC660引脚图图9 电荷放大电路图 为保证调理电路具有较好的放大、选频滤波特性。选用宽带宽、 高频响的 LMC660集成运放。它具有如下特点:单电源供电降低了电源成本而且具有较高的带宽和较大的输入阻抗。另外, LMC660为轨对轨输出,其输入偏置电压、温漂、宽带噪声抑制等均优于同类双电源供电的集成运放可以抑制电路的零漂及其受环境因素的影响, 有利于保证动平衡测量系统的长期稳定性。3.2 程控增益放大电路3.2.1 程控增益放大器 程控增益放大电路设计3.3 跟踪带通滤波电路设计无源滤波器通常是用电阻、电容、电感这些无源器件构成的，而有源滤波器常包含运放等要接外部电源才能工作的器件。通常有源滤波的效果较好。本系统采用有源滤波电路，由于含有高频分量, 要得到有用信号,必须把它们滤除。另外, 由于有用信号的频率较低( 10Hz) ,为避免直流信号的影响,本系统设计了如图14所示带通滤波电路。 表2 MF10CCN引脚功能说明 引脚号符号引脚介绍引脚号符号引脚介绍1LPA低通输出A11CLKB时钟输入B2BPA带通输出A1250/100/CL50/100倍频控制逻辑3N/AP/HPA带阻/全通/高通输出A13VD-数字负电源4INVA信号输入A14VA-模拟负电源5S1A求和输入A15AGND模拟地6SA/B作用开关16S1B求和输入B7VA+模拟正电源17INVB信号输入B8VD+数字电源18N/AP/HPB带阻/全通/高通输入B9LSH电平移位调整19BPB带通输出B10CLKA时钟输入A20LPB低通B 图13 MF10CCN引脚图 MF10CCN为MOS开关电容有源滤波器，它由2个独立的滤波器模块组成。这2个滤波器模块可以单独使用，构成一个一阶或二阶的滤波器电路；这2个模块也可级联构成四阶滤波器电路。MF10CCN集带通，全通，高通，低通，带阻5种滤波器于一体，它对外部的唯一要求是滤波器所需的电阻。 图14 跟踪带通滤波电路图 转子动平衡测量系统工作在复杂的工况环境中，现场可能存在多种成份的信号源（包括周期性的和非周期性的信号）。而不平衡振动特征频率成份为转子转频，为滤除环境干扰，精确地获得不平衡振动信号的幅值与相位，必须滤除非周期或周期性的干扰信号。因此，转子不平衡振动信号在经过放大处理后，还需要进行以转频为中心频率的带通滤波处理。本动平衡测量系统能够对较宽转速范围内的转子系统进行动平衡测试。在不同的转速条件下，滤波电路的中心频率是变化的，因此，必须让滤波电路的中心频率跟随转频的变化而变化，滤除干扰信号，保留不平衡振动信号。本系统采用MF10CCN 设计了一个中心频率自适应跟踪滤波电路如图14。4 总结与展望本课题介绍了动平衡机测量的意义与课题背景，振动信号产生的原理。主要研究动平衡机振动信号测量系统，它主要由压电传感器、传感器输出信号处理电路、基准信号处理电路、单片机以及单片机外围的各种硬件连接设备组成。重点研究了压电传感器输出信号处理电路设计，由电荷放大电路、跟踪带通滤波电路、程控放大电路组成。单片机是整个动平衡测试系统的核心部分，用来实现信号的A/D转换，振动信号信息和不平衡量信息的快速、精确计算，不平衡数据的发送等功能。因此除了要选择合适的单片机芯片外，还要根据实际情况进行单片机外围电路的设计。设计电路主要包括系统电源供电电路、数据串口发送电路、JTAG接口调试电路等一些必须电路。LED显示器硬件选择与电路连接设计，键盘硬件选择和电路连接设计，报警电路装置设计。动平衡测试系统硬件可靠性设计一是系统设计的重要内容之一。大部分的动平衡测试系统都工作在环境复杂的场所，周围到处都有各种强烈的干扰源直接或间接地影响测试系统的工作。但是不管什么干扰源，对整个系统来说都是通过传导和直接辐射这两种方式进入测试系统的，其窜入系统的渠道主要有三个9:1 空间干扰:即通过电磁波辐射方式窜入系统。其中通过电场途径干扰的实体是电容藕合干扰，干扰信号通过导线或电路的分布电容进入系统;通过电磁场途径干扰的实体是互感性耦合干扰，干扰信号通过导线或电路的互感耦合进入系统。2 过程通道干扰:即通过与主机相连的前向通道、后向通道以及与其它主机的数据传输通道进入。3 供电系统干扰:由于动平衡测试系统的工作现场运行着较多的大功率设，特别是感性负载设备的启、停都会造成供电系统严重污染，产生电源噪声。例如:电压的浪涌、出现尖峰电压、过压或欠压等等。因此，在系统的硬件电路设计过程中，就需要考虑这些干扰因素。为了尽量减少外部干扰带来的影响，硬件设计采取了一些可靠性措施10:1 电源干扰的抑制:在线路板上电源回路内并接电解电容进行滤波。由于C8051F020的典型电源是+3.3V，而外围接口器件需要+5V的电源供电，因此设计使用稳压芯片，从而减少公共阻抗的互相耦合以及公共电源的互相耦合，大大提高供电的可靠性。2 电路板的抗干扰设计:数字地和模拟地分开走线，且地线尽量加粗及采用单点接地原则，以防通过共地阻抗耦合形成干扰;电源线尽量加粗;每个集成电路芯片旁边都放置一个0.luF的陶瓷电容，且电容的引线尽量短。3 通道干扰的隔离措施:为了防止干扰通过系统的I/O信号通道回路进入单片机，设计在I/O通道口采用了光电转接器作为隔离器件，它能有效地抑制尖峰脉冲以及各种噪声干扰，从而使过程通道的信噪比大大提高。4 用金属外壳将电路与外界隔开，屏蔽来自空间的辐射干扰。待理论方案设计完成，要做实物装置设计。接着做实验结果验证，检测不平衡量的相位和大小，用于校正不平衡量，减小动平衡机的振动，改善其性能和提高质量。4 徐恕宏. 传感器原理及其设计基础M. 北京: 机械工业出版社, 1989: 45-50.5 C8051F040/1/2/3/4/5/6/7数据手册R/OL. www. xhl. com. cn, 2004: 1-26.