基于壓電式加速度傳感器的微型振動測試儀設(shè)計*

朱方園，趙海峰

（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電學(xué)院，江蘇南京 210023）

0 前言

自動化、智能化的數(shù)控加工設(shè)備可以節(jié)約人力，提升現(xiàn)代工業(yè)的生產(chǎn)效率。隨著科技的不斷發(fā)展，企業(yè)設(shè)備的自動化率越來越高。在這些高度自動化的企業(yè)，日常生產(chǎn)環(huán)節(jié)中設(shè)備的平穩(wěn)運行可以保證產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量。因此，設(shè)備的正常運行成為企業(yè)正常運轉(zhuǎn)、生產(chǎn)目標順利實現(xiàn)的前提。

目前，自動化設(shè)備運行的保障方法，主要基于正常運轉(zhuǎn)的機械設(shè)備存在穩(wěn)定振動規(guī)律這一現(xiàn)象。通過加速度傳感器、外接信號采集器、上位機進行設(shè)備振動信號的監(jiān)測、分析，從而判斷設(shè)備當(dāng)前的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，保證日常生產(chǎn)正常進行。當(dāng)前，基于設(shè)備振動信號分析的這一監(jiān)測方法已經(jīng)成為企業(yè)診斷機械設(shè)備是否存在故障的一種有效手段。在數(shù)控機床主軸的振動測試[1]、大型輪機軸承監(jiān)測[2]、齒輪箱的振動分析[3]、車削加工過程中工件和刀具之間的振動測試[4]等領(lǐng)域，不少學(xué)者已經(jīng)開展了大量研究，也取得了豐富成果[5-8]。但是，在諸多測試現(xiàn)場，往往采用信號感知、信號采集設(shè)備相互分離的模式來完成振動數(shù)據(jù)的提取。這種測試方式應(yīng)用廣泛、數(shù)據(jù)采集齊全，但信號采集系統(tǒng)價格昂貴，對于一些測試環(huán)境較為苛刻的場合使用不便，也無法滿足一些中小型企業(yè)設(shè)備的日常監(jiān)測。因此，有必要開發(fā)一套便攜的、性價比高的振動信號微型測試儀。

本文作者在現(xiàn)有設(shè)備故障監(jiān)測方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套以AT89C51單片機芯片為核心的微型信號測試儀，將其用于企業(yè)工作現(xiàn)場的數(shù)控設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測，實現(xiàn)了設(shè)備振動信號的實時、便攜采集和記錄，也可以通過外置數(shù)據(jù)接口將測得數(shù)據(jù)連接微機，實時完成數(shù)據(jù)處理，進而判斷設(shè)備的當(dāng)前運行狀態(tài)，最終為企業(yè)設(shè)備的故障監(jiān)測和運行成本的降低提供有效手段。

1 測試方案設(shè)計

為減小測試儀器體積，降低監(jiān)測成本，系統(tǒng)采用集成模塊來完成儀器的整體方案設(shè)計，其測試原理框圖如圖1所示。

圖1 測試儀工作原理框圖

由圖可知，測試系統(tǒng)主要包括信號傳感器、信號適配電路、信號記錄電路、系統(tǒng)供電電路以及外部數(shù)據(jù)接口構(gòu)成。

測試時，測試儀上電，將其固定在設(shè)備待測位置，信號傳感器外部觸頭與設(shè)備接觸，啟動被測設(shè)備，測試儀開始采集信號，將加速度信傳感器實時測得的設(shè)備振動信號，經(jīng)適配電路放大、濾波，記錄模塊A/D轉(zhuǎn)換、存儲。測試過程中，可以通過外部數(shù)據(jù)接口連接微機，實現(xiàn)信號的實時監(jiān)測、分析、處理，也可以按計劃存儲數(shù)據(jù)，進行后續(xù)處理。

2 測試硬件設(shè)計

2.1 信號傳感器

振動傳感器是把被測對象的一些機械參量轉(zhuǎn)換為電量的一種傳感器，常用的振動傳感器有壓阻和壓電式兩種。壓電式傳感器是基于壓電效應(yīng)的傳感器，相較壓阻式傳感器，其結(jié)構(gòu)簡單，受溫度影響小，具有高靈敏度和信噪比等優(yōu)點。針對普通數(shù)控設(shè)備工作頻率不超過4 kHz的特點，選用CA-YD-107壓電式加速度傳感器。CA-YD-107壓電式加速度傳感器頻率范圍1～5 000 Hz，測量峰值800 g，可以滿足一般數(shù)控加工設(shè)備工作環(huán)境的振動測試。

圖2 壓電傳感器等效電路

2.2 信號放大電路

壓電加速度傳感器自身產(chǎn)生的信號非常微弱，阻抗較高，直接測量會影響系統(tǒng)的準確性。測量時須根據(jù)壓電傳感器的輸出要求，將微弱的信號放大。

當(dāng)壓電傳感器測頭受外力沖擊時，其內(nèi)在兩個電極表面會積聚的電荷量相同，其極性相反，相當(dāng)于一個壓電材料為介質(zhì)的電容器。此時，可以等效于一個與電容相并聯(lián)的電荷源，或者等效于一個與電容串聯(lián)的電壓源，其等效電路如圖2所示。

測試時，系統(tǒng)若采用電壓放大電路，其輸入電壓Ui=Q/(Ca+Cc+Ci)會隨放大器輸入電容Ci和導(dǎo)線電容Cc變化，從而會影響系統(tǒng)的準確性和穩(wěn)定性。因此，系統(tǒng)采用電荷交流反向兩級放大電路，如圖3所示。

傳感器微弱信號經(jīng)電荷放大器放大后，其一級輸出電壓U01為

式中：Q、Ca分別為傳感器自身電荷和電容；Cc為連接導(dǎo)線電容；Ci、Cf1為電荷放大器一級等效電容和電荷轉(zhuǎn)換反饋電容，A1為一級放大倍數(shù)，一般為104～106。

上式可以等效為

由上式可以看出，采用電荷放大器，Ca、Cc、Ci對傳感器輸出U01影響很小，其輸出主要取決于反饋電容Cf1的大小。設(shè)計時，只要選擇合適的電容即可。

圖3 電荷交流反向兩級放大電路

為提高信號質(zhì)量，系統(tǒng)采用可調(diào)增益的二級交流反向放大電路來抑制系統(tǒng)中的直流噪聲分量。經(jīng)二級交流反向放大電路后，傳感器輸出的信號質(zhì)量得以增強。此時，輸出信號轉(zhuǎn)換成為穩(wěn)定的易測的電壓信號U02。

2.3 信號濾波電路

經(jīng)放大電路處理后，傳感器的輸出信號仍包含了一些外部環(huán)境產(chǎn)生的低頻信號和高頻噪聲信號，為此還需進一步的濾波處理，保留設(shè)備振動特征的本體信號。因巴特沃斯濾波器頻域相對光滑，系統(tǒng)選擇由二階低通濾波器和二階高通濾波器組成的四階巴特沃斯帶通濾波器進行模擬信號的濾波，其濾波電路如圖4所示。

2.4 信號控制與A/D轉(zhuǎn)換

系統(tǒng)采用AT89C51低壓高性能單片機和12位單通道ADS7822 A/D轉(zhuǎn)換器來完成數(shù)據(jù)采集的A/D轉(zhuǎn)換和控制。ADS7822采樣頻率最高可達200 ksps，遠大于一般數(shù)控設(shè)備的工作頻率，滿足數(shù)控設(shè)備振動數(shù)據(jù)采集要求。系統(tǒng)設(shè)計的A/D轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

圖4 巴特沃斯四階帶通濾波電路

圖中，ADS7822使用3.3 V供電，芯片的IN-與GND引腳直接相連，濾波信號作為A/D輸入信號與IN+相連，C1與C2為電源電路濾波電容。當(dāng)CS為低電平時，開始一次A/D轉(zhuǎn)換，此時時鐘引腳DCLOCK輸出方波，在DCLOCK的高電平，檢測DOUT引腳電平，系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)。

圖5 A/D轉(zhuǎn)換電路

2.5 信號存儲與外部數(shù)據(jù)接口

信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，針對數(shù)控設(shè)備的振動特性，系統(tǒng)選用ms級的鐵電存儲器FRAM。FRAM具有非易失性數(shù)據(jù)存儲特性和RAM的無限次讀寫、高速讀寫以及低功耗等優(yōu)點，滿足一般數(shù)控加工設(shè)備工作振動信號的采集存儲。

為提高信號的實時監(jiān)測，系統(tǒng)也可將轉(zhuǎn)換后的振動數(shù)據(jù)通過RS-232接口電路直接以數(shù)字信號形式上傳微機，完成設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測。

3 振動信號采集

針對普通數(shù)控設(shè)備加工時廣泛存在的振動現(xiàn)象，將設(shè)計的信號微型測試儀安裝于數(shù)控加工中心工作臺X/Y方向，在不同轉(zhuǎn)速下采集的振動數(shù)據(jù)如表1所示，其對應(yīng)的振動加速度曲線如圖6所示。由圖6可知，隨機床主軸速度的增大，加工中心X和Y向的振動加速度逐步變大。在9 000 r/min時，機床工作臺Y向振動突變，之后保持平穩(wěn)。測試結(jié)果表明，當(dāng)機床主軸達到9 000 r/min時，會引起較大加工誤差。因此，當(dāng)前機床應(yīng)避免轉(zhuǎn)速設(shè)定為9 000 r/min。

表1 不同轉(zhuǎn)速下工作臺振動數(shù)據(jù)

圖6 工作臺振動加速度曲線

4 結(jié)論

為解決中小型企業(yè)數(shù)控設(shè)備的振動監(jiān)測問題，設(shè)計了一套便攜的、性價比高的振動信號微型測試儀。整個設(shè)計基于AT89C51單片機芯片，完成了信號適配電路、信號記錄電路、系統(tǒng)供電電路以及外部數(shù)據(jù)接口電路的設(shè)計，提高了系統(tǒng)的集成度。分析發(fā)現(xiàn)了機床轉(zhuǎn)速引起的振動異?，F(xiàn)象，避免機床加工可能引發(fā)的問題，降低了機床故障監(jiān)測成本。最后通過數(shù)控加工中心工作臺振動測試實驗驗證了系統(tǒng)方案的可行性。