基于本特利3500控制器的軸振動(dòng)信號淺析

朱未峰，鄭恬旼，陸雋奕

中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海，201108

0 引言

模擬量的輸入通道和輸出通道是微控制器和控制對象之間的主要接口，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程控制的主要組成部分，在儀表測量過程中，測量信號往往是連續(xù)變化的，如壓力、溫度、流量、軸振動(dòng)、軸位移等。為了利用微控制器實(shí)現(xiàn)對被控制信號的解析和模擬，首先必須要能夠?qū)嚎s機(jī)運(yùn)行時(shí)，被控制信號的連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒖刂破髂軌蜃R別和接受的數(shù)字量，還需要將微控制器發(fā)出的控制命令轉(zhuǎn)換為模擬信號，再驅(qū)動(dòng)后續(xù)的放大電路以及偏置電壓，兩方疊加后來完成一個(gè)帶偏置的模擬信號[1]。

1 概述

在項(xiàng)目執(zhí)行過程中，控制系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行儀表聯(lián)調(diào)。此時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)對于一般的壓力、溫度、液位、流量、閥門等儀表都能進(jìn)行詳細(xì)的聯(lián)合調(diào)試，但是對于軸系檢測系統(tǒng)，由于其特殊性（測量元件隱藏在壓縮機(jī)內(nèi)部），對于簡單的溫度儀表（PT100）我們可以采用信號發(fā)生器模擬電阻信號來校驗(yàn)測量回路；對于軸位移儀表（電渦流探頭），我們通過現(xiàn)場測量得知，其輸出信號為一個(gè)負(fù)的直流電壓信號，且可以在系統(tǒng)中定義當(dāng)探頭靠近軸承時(shí)，電壓減小或增大。然而在檢測軸振動(dòng)回路時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)機(jī)組在正常運(yùn)行時(shí)，軸振動(dòng)檢測回路是一個(gè)復(fù)雜的交變信號，且振動(dòng)幅值不一致，萬用表直流電壓檔和交流電壓檔皆無法捕捉其信號。

2 軸振動(dòng)信號分析

我們嘗試采用示波器來確認(rèn)軸振動(dòng)信號的具體波形，在實(shí)際測量后得知，其信號類似一個(gè)正弦波，但是其基準(zhǔn)電壓是偏移的，其偏移量就是在壓縮機(jī)出廠前，軸振動(dòng)探頭在靜態(tài)時(shí)的間隙電壓。了解了軸振動(dòng)檢測回路的輸出信號，要在項(xiàng)目前期的儀表聯(lián)調(diào)階段完成校驗(yàn)，只要找到合適的信號發(fā)生裝置模擬此信號，以完成對整個(gè)壓縮機(jī)機(jī)組的儀表校驗(yàn)，防止在正式開機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于儀表回路故障，導(dǎo)致壓縮機(jī)故障且未及時(shí)保護(hù)，造成壓縮機(jī)本體受損[2]。

3 軸振動(dòng)信號模擬

在測試了市面上很多信號發(fā)生器后發(fā)現(xiàn)，基本無法實(shí)現(xiàn)模擬一個(gè)帶直流偏置的正弦波信號，故嘗試通過模擬電路，自己制作一個(gè)信號發(fā)生裝置。

D/A轉(zhuǎn)換器（即digital to analog converter），輸入信號為數(shù)字信號，輸出為模擬信號，輸入類型：并行/串行/分段輸入；輸出類型：電流/電壓輸出。選擇合適的D/A轉(zhuǎn)換器并且應(yīng)用將關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能。第一，要考慮性價(jià)比，由于此模擬裝置是給壓縮機(jī)項(xiàng)目現(xiàn)場調(diào)試人員配置，且應(yīng)用面也不廣，所以成本考慮尤為重要。第二，要考慮D/A精度（即位數(shù)或分辨率）和速度（轉(zhuǎn)化速率/建立時(shí)間）。分辨率一般有4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24位；選擇低速D/A轉(zhuǎn)換器，則需要確定系統(tǒng)容許的建立時(shí)間；選擇高速D/A轉(zhuǎn)換器，需確定系統(tǒng)容許的工作頻率和模擬輸出信號頻率。

其中，對于高速D/A轉(zhuǎn)換器，需要注意其版圖布線需要一定的設(shè)計(jì)技巧。

（1）所有的旁路電容要盡可能接近器件安裝，或者與DAC在同一層面，采用表面貼器裝配，使引線盡可能短，減少寄生電感及電容。

（2）采用具有獨(dú)立的地平面和電源平面的多層電路板，保證信號的完整性。

（3）采用獨(dú)立的接地平面時(shí)應(yīng)考慮DAC模擬地和數(shù)字地的物理位置，兩個(gè)地平面之間的阻抗要盡可能低，二者間的交流和直流電壓低于0.3VDC以避免期間的損壞和鎖死；模擬地與數(shù)字地應(yīng)單點(diǎn)連接，避免充滿噪聲的數(shù)字地電流對模擬地的干擾，理想的接地點(diǎn)位置可以沿著兩個(gè)地平面通過實(shí)驗(yàn)得到最優(yōu)效果，模擬地與數(shù)字地間的連接可以用低阻值表貼電阻（1～50Ω）、鐵氧體磁珠或直接接地。

（4）模擬地與數(shù)字地分隔離時(shí)，也可以選擇將所有的接地引腳置于同一平面。

（5）高速數(shù)字信號線應(yīng)遠(yuǎn)離敏感的模擬信號線。

（6）所有信號線應(yīng)避免采用90°拐角[3]。

集成運(yùn)算放大器在電子電路中的應(yīng)用非常廣泛，它工作在線性區(qū)時(shí)可以構(gòu)成各種電路、實(shí)現(xiàn)各種功能，例如信號放大、信號運(yùn)算、濾波等；工作在非線性區(qū)時(shí)可以溝通非正玄信號發(fā)生器以及電壓比較器等，在此我們只是運(yùn)用了加法運(yùn)放電路。

由模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)可知，由集成運(yùn)放電路構(gòu)成的基本運(yùn)算放大器，當(dāng)同相端對地的直流電阻與反相端對地的直流電阻相等時(shí)，輸出信號與輸入信號之間可獲得較準(zhǔn)確的運(yùn)算關(guān)系。

如圖1所示，電路滿足平衡條件時(shí)R1//R2//Rf=R3//R4。此時(shí)根據(jù)疊加原理，輸出的表達(dá)式可以看成是由反相端加入的兩路輸入U(xiǎn)i1和Ui2所產(chǎn)生的輸出量Uo12，與同相端輸入的Ui3和Ui4所產(chǎn)生的輸出量Uo34共同作用的結(jié)果，即Uo=Uo12+Uo34。

圖1 模擬電路圖

如僅考慮反相端輸入信號的作用時(shí)，電路變成了反相求和電路，即可以得到：

Uo12=-（Rf/R1）×Ui1-（Rf/R2）×Ui2

反之如僅考慮同相端輸入信號的作用時(shí)，電路變成了同相求和電路，即可以得到：

Uo34=（1+Rf/（R1//R2））Up=（1+Rf/（R1//R2））×（R4/(R3+R4)Ui3+R3/(R3+R4)Ui4）

根據(jù)疊加原理，將上式轉(zhuǎn)換后，即可得到：

Uo=-（Rf/R1）×Ui1-（Rf/R2）×Ui2+（1+Rf/（R1//R2））×（R4/(R3+R4)Ui3+R3/(R3+R4)Ui4）

將平衡條件寫成R3×R4/R3+R4=(R1//R2)Rf/((R1//R2)+Rf)，代入上式中可得：

Uo=(-Rf/R1)×Ui1-(Rf×Ui2/R2)+((R1//R2)+Rf)/(R1//R2)((R1//R2)Rf×Ui3/((R1//R2+Rf)×R3)+(R1//R2)×Rf×Ui4/(((R1//R2)+Rf)×R4))

簡化后可得：

Uo=-Rf×Ui1/R1-Rf×Ui2/R2+Rf×Ui3/R3+Rf×Ui4/R4

最后代入實(shí)際電阻和電壓值可得：

Uo=-5Ui1-5Ui2+Ui3+10Ui4=1V

將此理論計(jì)算值與仿真軟件測試結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)存在1.2%的相對誤差。

由以上公式可得，每一路輸入信號獨(dú)立作用時(shí)產(chǎn)生的響應(yīng)，在數(shù)值上等于反饋電阻與該路信號的輸入端電阻之比再乘以該路的信號。如果輸入信號從運(yùn)放的反相輸入端加入，則結(jié)果為負(fù)；反之，結(jié)果為正。

根據(jù)以上所述，我們搭建了一個(gè)信號模擬發(fā)生裝置的框架圖，具體模擬電路思路如圖2所示。

圖2 模擬裝置框架圖

我們采用微控制器、基準(zhǔn)直流電壓源、D/A轉(zhuǎn)換器、運(yùn)放加法電路、信號輸出接口、存儲器以及人機(jī)交互部件；微控制器分別與D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸入端、存儲器以及人機(jī)交互部件連接；運(yùn)放加法電路的信號輸入端分別與D/A轉(zhuǎn)換器的模擬電壓輸出端和基準(zhǔn)直流電壓源的輸出端連接，運(yùn)放加法電路的輸出端與信號輸出接口連接。綜上所述，我們預(yù)先將程序下載至微控制器中，在人機(jī)交互界面上，我們輸入需要的波形數(shù)據(jù)，如幅值、頻率、偏置電壓，接下來D/A轉(zhuǎn)換器接收到波形數(shù)據(jù)后輸出相應(yīng)波形，通過運(yùn)放加法電路后，信號被按比例放大，最后通過一個(gè)功率放大器后，輸出到模擬裝置的輸出端。圖1是該裝置的最終模擬電路圖。

由圖1模擬電路可知：D/A轉(zhuǎn)換器為TLV5618芯片，微控制器為AT89C55WD芯片，功率放大器為OPA453TA芯片[4]。

運(yùn)放加法電路包括運(yùn)算放大器TL082、電阻R7和電阻R8；電阻R7的一端與運(yùn)算放大器TL082的輸出端連接，電阻R7的另一端與電阻R8的一端連接，電阻R8的另一端接地；運(yùn)算放大器TL082的同相輸入端分別與D/A轉(zhuǎn)換器的模擬電壓輸出端和基準(zhǔn)直流電壓源的輸出端連接，運(yùn)算放大器TL082的反相輸入端連接于電阻R7的另一端與電阻R8的一端的共接點(diǎn)。電阻R5的一端與基準(zhǔn)直流電壓源的輸出端連接，電阻R6的一端與所述D/A轉(zhuǎn)換器的模擬電壓輸出端連接，電阻R5的另一端與電阻R6的另一端的共接點(diǎn)連接于運(yùn)算放大器TL082的同相輸入端[5]。

我們可以通過頻率、幅度、偏移按鈕來設(shè)定我們需要的模擬波形，在查閱軸振動(dòng)探頭廠家“本特利”的用戶手冊后得知，其靈敏度為7.87V/mm，即我們可以通過以下公式計(jì)算：

VT=v/7.87×1000

其中“VT”為實(shí)際軸振動(dòng)值，單位微米。

“v”為模擬裝置輸出波形的幅值，單位伏特。

按照廠家提供的用戶手冊，建議電渦流探頭靜態(tài)的間隙電壓為-9.75VDC。但在實(shí)際模擬過程中發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)的間隙電壓值與最后的軸振動(dòng)值沒有直接的關(guān)系，小幅度的偏移或者大幅度的偏移并不會(huì)影響探頭本身的測量精度和準(zhǔn)確性。所以我們認(rèn)為，探頭的靜態(tài)間隙電壓只需要保證壓縮機(jī)的軸承本體在實(shí)際運(yùn)行過程中，不會(huì)與探頭發(fā)生剛性摩擦，從而導(dǎo)致探頭損壞[6-7]。

4 結(jié)語

根據(jù)對反相、同相比例和加法運(yùn)算放大電路的輸出與輸入電壓之間函數(shù)關(guān)系的研究，可以得到一個(gè)推論：利用單運(yùn)放構(gòu)成任意加法運(yùn)算電路時(shí)，在滿足平衡條件的情況下，假設(shè)每一路輸入信號獨(dú)立作用，在數(shù)值上就等于反饋電阻與該路信號的入端電阻之比再乘上該路信號；當(dāng)輸入信號從運(yùn)放的反相端輸入時(shí)其極性為負(fù)，從同相端輸入時(shí)其極性為正，我們在構(gòu)成任意一個(gè)加法或減法運(yùn)算電路時(shí)，都可以使用單運(yùn)放來實(shí)現(xiàn)，但是由一個(gè)集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的加法運(yùn)算電路存在共模輸入，需要用共模抑制比更高的運(yùn)放，才能保證其精度。

將軸振動(dòng)模擬裝置應(yīng)用于壓縮機(jī)項(xiàng)目現(xiàn)場，現(xiàn)場調(diào)試人員可以使用此裝置來測試軸振動(dòng)檢測系統(tǒng)的測量回路，保證其正確性。在此之前，調(diào)試人員必須等待壓縮機(jī)正式運(yùn)行才能判斷測量回路是否正常，由此可見軸振動(dòng)模擬裝置大大提高了振動(dòng)監(jiān)測工作的效率以及現(xiàn)場項(xiàng)目進(jìn)度。