振动检测器的与设计

摘 要：本文介绍了一种监测旋转设备振动强度的设备,详细介绍了有源积分电路、带通滤波器电路以及单片机控制电路的工作原理,阐述了磁电式传感器的工作机理,设计的带通滤波器电路有效地滤除了传感器输出信号的噪声.在实验环境下对系统进行了测试,实验表明,该振动监视系统具有较高的测量精度.

关 键 词：振动检测；积分电路；A/D采样

中图分类号：TN713+.5文献标识码：A文章编号：1006-4311（2013）17-0204-02

0引言

在冶金矿山系统、能源化工行业里大量使用着大型、超大型的旋转机械设备.这些设备的功率往往很大,在旋转运行时具有很大的能量.若机械转动部分产生磨擦或者轴承径向振动过大,机器出现故障,能量得不到控制,就会导致机械的损坏,甚至影响到该机器周围的人身、设备的安全.此时就需要有振动和位移监测仪来对旋转机械设备的运行状态进行长期、连续不断地监测,其测量的结果能直接反应出机组的运行状态.在设备运行中出现异常信号时,起到预警保护作用,避免事故的发生[1].

1系统结构设计

本文设计的振动监视系统包含3大模块,分别为：信号采集模块,信号处理模块、按键功能模块,如图1所示.首先,通过信号采集模块将振动信号转化为电压信号.其次,利用信号调理模块对不规则的电压信号进行整形,这些整形包括积分、放大、峰值检测等.最后,利用A/D转换电路将模拟信号转为数字信号[2],送入控制单元进行比较处理.

1.1信号采集模块图1所示的信号采集模块,利用固定在旋转机械外壳上的传感器实时采集振动信号.传感器使用的是基于磁电效应的ST190500型磁电式振动速度传感器,其具有20V/mm/S～50mV/mm/S的灵敏度,5Hz～1000Hz的频率响应.它是利用电磁感应原理（磁电作用）将导体在磁场中相对运动（如振动、位移、转速等）转换成电信号（感生电动势）的一种传感器.它不需要辅助电源就能把被测对象的振动量转换成电信号,是一种有源传感器.当传感器随被测物体一起振动时,由于弹簧较软,运动部件质量相对较大.当振动频率足够高（远大于传感器固有频率）时,运动部件惯性很大,来不及随振动体一起振动,近乎静止不动,振动能量几乎全被弹簧吸收,永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度,磁铁与线圈的相对运动切割磁感线,从而产生感应电势为：

E等于-BoLwv（1）

式中B0为工作气隙磁感应强度,L为每匝线圈平均长度,w为线圈在工作气隙磁场中的匝数,v为相对运动速度.

ST190500型磁电式振动速度传感器输出的信号如图2（a）所示.其中正脉冲是由向上方振动引起的,负脉冲是由向下振动引起的,而正负脉冲之间的一些高频信号是由于上下运动转变时产生的干扰信号,因此在后续电路中,首先需要对这些干扰信号进行处理.

1.2信号处理模块首先将传感器输出的电压信号通入积分电路；其次,对积分电路输出的信号进行比例放大；最后,对限幅后信号的峰值进行稳定,以便于后一模块的A/D采样.

1.2.1积分电路积分电路[3]为使用由放大器LM324构成的有源积分电路,磁电式传感器输出的电压信号Sa输入到放大器的V+端,如图4所示.该电路的传递函数为

有源积分电路主要起两个作用：一是作为低通滤波器,滤除传感器输出信号中的高频干扰分量；二是对信号的正负脉冲进行积分,这样可以使脉冲信号变得比较平稳,甚至接近三角波信号.由于磁电式传感器输出信号的频率约为10Hz～1000Hz,因此只需选取合理的电阻、电容器件,即可滤除传感器输出信号中的高频分量.而由于此电路又有积分的作用,因而可以对正负的脉冲信号进行积分,使输出的电压信号转换成正负尖脉冲信号.

1.2.2后续处理电路由于传感器积分后的信号幅值最大可到12V,需对其进行线性缩小,为了减小其它一些不稳定的因素,因而在此运用了比例放大器.达在峰值检测电路之前,先对从积分电路输出的电压信号进行预处理,即经过全波二极管整流电路进行整流,即可得到如图3（c）所示的波形Sc.为了便于后一级的A/D采样,需要对图3（c）中的信号进行幅值的稳定处理,在此用到了由LM324放大器构成的峰值检测电路[4].

Sc从LM324_A的3脚输入,根由运放的“虚短”法则可知,2脚具有与3脚有同样的波形；LM324_B是电压跟随器,7脚的电压幅值与电容C1上的电压相同.当3脚的电压大于电容C1电压时,电阻R2上产生压降,电流从左到右.根据运放的“虚断”法则可知2脚不能提供电流,并且D2反偏也不会导通.为了维持平衡只有提升R2右端的电压（既是电容C1的电压）,这个充电电流从LM324_A的1脚经过D1进行.当3脚的电压低于电容C1电压时,电阻R2上产生压降,电流从右到左.根据运放的“虚断”法则可知,2脚不能提供电流,则这个电流只有经过D2进入LM324_A.由于电压跟随器输出电压与电容C1上的电压相同,二极管D1截止,电容不能导过D1放电,电压得到保持.因此在输出端的信号如图3（d）所示.

1.3功能模块

1.3.1MCU电路设计MCU电路采用有TI公司生产的低功耗单片机MSP430F149,由于其内部带有12位高速模数转换器,因此可以节省外部的ADC.同时其具有功耗低、内部集成RC震荡电路、指令执行效率高等特点.

每次单片机上电复位或者按键复位时,先进行按键检测,用来设定报警阈值,当确认键按下时,立即启动ADC进行模数转换,随即单片机进入休眠模式以减少功耗,等到A/D转换完成中断请求后,单片机退出休眠模式,将转换完的当前振动值与预设值进行比较,若当前振动值超过预设值,即刻启动报警保护电路,若未超过预设值,单片机进入休眠模式,等待下一次A/D转换完成中断请求.

1.3.2报警保护电路设计由于对设备保护的实时性,因此保护方式以开关量的形式输出.保护电路由继电器组成,系统初始化时,继电器的常开端闭合,一旦当前振动值超过预设值,常闭端即断开.

2结果与分析

在ISO-2372设备振动国际标准[5]中将设备的振动分为以下几级,如表1所示.

在进行现场测试试验中,设定预设值为I级,按下开始按键,此时可在LCD屏幕上显示当前的振动状况,如图3（a）所示.在其轴向上加大位移的幅度,使其振动状况达到D等,此时在LCD上显示的状况如图3（b）所示.

在LCD屏幕上,第一行的“Class”代表设备类别,“Alm”代表报警输出,第二行的“Val”代表振动级别.

3结论

本文设计了1款监测设备振动的装置.该装置通过磁电式传感器用来完成振动信号的采集,通过信号整形电路来获得稳定的峰值信号,最后通过A/D采样送入单片机,以判断此时的振动值.可对ISO-2372设备振动国际标准规定的振动设备进行监测和报警,具有很强的实时性,因此可以作为一种用于工业现场监测设备的动的有效手段.