振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可調(diào)增益技術(shù)與實(shí)現(xiàn)

奚 駿，孫洪軍，李佳桐，符棟梁

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第704研究所，上海200031)

關(guān)鍵字：振動(dòng)監(jiān)測(cè)；可調(diào)增益；數(shù)據(jù)采集；信噪比

0 引 言

振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)是用于監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行振動(dòng)情況的常用系統(tǒng)，是振動(dòng)噪聲控制領(lǐng)域中必不可少的重要部分[1-2]。在振動(dòng)噪聲控制工程應(yīng)用領(lǐng)域，一旦出現(xiàn)振動(dòng)故障，面臨維護(hù)難度和成本極高的問題，因此需使用振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常振動(dòng)問題，消除安全隱患，降低設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)，以保障設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。

振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置一般是對(duì)機(jī)器振動(dòng)的基本參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量振動(dòng)結(jié)構(gòu)上某點(diǎn)的位移、速度、加速度等參數(shù)，用于識(shí)別該構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和噪聲程度[3]，一般利用傳感器獲取振動(dòng)位移和加速度等信息，并將其轉(zhuǎn)換為易于處理的信號(hào)[4]，通過對(duì)信號(hào)的分析，判斷機(jī)械設(shè)備振動(dòng)的程度，從而有效地施加減振措施或診斷故障[5]。由于測(cè)量設(shè)備處環(huán)境復(fù)雜，噪聲源種類較多，以及電器干擾等因素，振動(dòng)信號(hào)會(huì)疊加許多干擾信號(hào)，傳統(tǒng)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行倍數(shù)放大或縮小的方法，單純調(diào)整增益倍數(shù)，信號(hào)過大時(shí)會(huì)引起跳量程，而信號(hào)較小時(shí)信噪比又很差。因此，為確保振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的有效性，本文設(shè)計(jì)了一種具備可調(diào)增益功能的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[6-8]，在傳感器輸出電壓采樣前施加合理增益，能夠做到在線、實(shí)時(shí)控制數(shù)據(jù)采集(Analog-to-Digital Converter Sampling, ADS)電路電壓的放大倍數(shù)，確保采集到的信號(hào)始終保持在數(shù)據(jù)采集器的最優(yōu)采樣量程內(nèi)，滿足ADS較高的信噪比。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)主要由前端傳感器和監(jiān)測(cè)終端等設(shè)備組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)主要分為兩個(gè)層次，第一層是通過模擬信號(hào)線與信號(hào)轉(zhuǎn)換箱相連接的各種類型的前端傳感器，即采集層；第二層是處于局域網(wǎng)內(nèi)，通過以太網(wǎng)相連用于采集前端傳感器信號(hào)并作一定處理的監(jiān)測(cè)終端，即監(jiān)測(cè)層。

圖1 軸系振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of monitoring system for shaft vibration condition

采集層采集信號(hào)包括軸系振動(dòng)位移信號(hào)、機(jī)腳加速度信號(hào)、軸承速度信號(hào)、設(shè)備整機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)。監(jiān)測(cè)層主要包含 32個(gè)通道的監(jiān)測(cè)終端，通常布置于被測(cè)設(shè)備旁，該監(jiān)測(cè)終端帶有顯示屏可方便現(xiàn)場(chǎng)查看設(shè)備振動(dòng)及運(yùn)行狀態(tài)，主要用于集中各個(gè)測(cè)點(diǎn)信號(hào)，為前端傳感器供電，實(shí)現(xiàn)測(cè)量層模擬信號(hào)的調(diào)理、變換、模數(shù)轉(zhuǎn)換，可在終端內(nèi)實(shí)現(xiàn)各路信號(hào)的處理、運(yùn)算、設(shè)備全壽命周期內(nèi)的數(shù)據(jù)庫(kù)形式脫機(jī)離線存儲(chǔ)。

監(jiān)測(cè)終端為整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、溫度、壓力等信號(hào)的采集和處理中同時(shí)作為可調(diào)增益控制的核心，它負(fù)責(zé)計(jì)算傳感器初始測(cè)量值與數(shù)據(jù)采集量程的比例，按照設(shè)定好的放大倍數(shù)關(guān)系向可調(diào)增益放大器發(fā)送增益命令，控制增益的幅值。

數(shù)據(jù)采集通過現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)完成。FPGA的采樣頻率為轉(zhuǎn)速頻率的 64倍，對(duì)各個(gè)振動(dòng)位移信號(hào)通道進(jìn)行采集，以固定頻率對(duì)振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行采集，然后將采集到的振動(dòng)信號(hào)打包后發(fā)送到 ARM(Advanced RISC Machines)進(jìn)行詳細(xì)數(shù)據(jù)處理。ARM 對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，處理特征數(shù)據(jù)，處理內(nèi)容包括單位轉(zhuǎn)化、快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform, FFT)、各頻段特征值求解、帶通濾波和角度旋轉(zhuǎn)等。

2 可調(diào)增益功能設(shè)計(jì)

為提高 ADS模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集時(shí)的信噪比，將采集信號(hào)的幅值控制在采集量程的合理范圍內(nèi)，本文在上述振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中整合了輸入信號(hào)的可調(diào)增益功能。基本思路是在 ADS數(shù)據(jù)采集器前端增加一個(gè)可調(diào)增益控制器，以 ADS數(shù)據(jù)采集量程范圍為基準(zhǔn)，通過第一批采集數(shù)據(jù)的最大值與ADS數(shù)據(jù)采集量程范圍作比較，將較弱的信號(hào)進(jìn)行放大，將過高的信號(hào)控制在合理范圍內(nèi)。可調(diào)增益功能主要由信號(hào)轉(zhuǎn)換箱和監(jiān)測(cè)終端兩大部分實(shí)現(xiàn)，它以PGA281增益放大器為基礎(chǔ)，結(jié)合ARM控制器，將這兩部分組合成為一個(gè)可調(diào)增益程控 ADS數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 可調(diào)增益數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of adjustable gain data acquisition and processing system

采集加速度信號(hào)的傳感器輸出電壓范圍為-5～+5 V，使用 ADS1278高精度數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可采集電壓量程為-2.048～+2.048 V。設(shè)置采樣頻率為 128 kHz，為避免第 1包 131 072個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)超過 ADS采集范圍，首先向各放大倍數(shù)寄存器寫入 0.5倍放大參數(shù)，然后從 FPGA采集131 072個(gè)點(diǎn)，同時(shí)將 FPGA的振動(dòng)加速度FIFO(FIFO5)置于復(fù)位狀態(tài)，暫停信號(hào)采集。將采集到的數(shù)據(jù)打包發(fā)送至主板FPGA，主板FPGA對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次采樣和濾波處理，然后把二次采樣后的數(shù)據(jù)發(fā)給主控制板ARM，找出131 072個(gè)點(diǎn)中，0～7FFFFF數(shù)據(jù)的最大值，即正電壓最大值；找出FF800000～FFFFFFFF(高8位補(bǔ)FF)的最小值，即負(fù)電壓最大值，依據(jù)電壓計(jì)算公式(1)，可以得到正電壓最大值和負(fù)電壓最大值，取絕對(duì)值可得電壓最大絕對(duì)值。

由于ADS采集到的數(shù)據(jù)為16進(jìn)制數(shù)據(jù)，因此需將16進(jìn)制數(shù)據(jù)強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制，HEX2DEC(X)即為該過程，X為16進(jìn)制原始數(shù)據(jù)，是有符號(hào)數(shù)。進(jìn)行數(shù)字量化轉(zhuǎn)換，當(dāng)X為0～7FFFFF時(shí)，即所采集的 24 bit數(shù)據(jù)最高位為0，則表示所采集的電壓為正電壓，對(duì)應(yīng)的模擬電壓為0～2.048 V；當(dāng)X為FF800001～FFFFFFFF時(shí)，即所采的24bit數(shù)據(jù)最高位為 1，則表示所采集的電壓為負(fù)電壓，對(duì)應(yīng)的模擬電壓為-2.048～0 V。ADSS1278為24 bit數(shù)模轉(zhuǎn)換器，將該設(shè)備采集電壓的幅值換算為 10進(jìn)制數(shù)字為224(-8 388 607～+8 388 607)，相對(duì)應(yīng)的電壓采集范圍-2.048 V～+2.048 V，通過式(1)可以實(shí)時(shí)計(jì)算加速度計(jì)實(shí)測(cè)輸出值V。

ADS1278模數(shù)轉(zhuǎn)換器在采集加速度計(jì)輸出電壓前，需根據(jù)實(shí)測(cè)電壓大小對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)至有效采集量程，因此需要在控制程序中規(guī)定不同范圍的實(shí)測(cè)電壓對(duì)應(yīng)的增益幅值。對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大/縮小則要求電壓放大部分按照給定的增益，由控制算法調(diào)節(jié)放大倍數(shù)來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大/縮小，放大倍數(shù)與電壓絕對(duì)值范圍對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 控制寄存器放大倍數(shù)查找表Table 1 Checklist of controlling register magnification

依據(jù)得到的電壓值V查詢表1，確定寫入放大倍數(shù)寄存器的增益放大值，依據(jù)集成電路總線(Inter-Integrated Circuit, I2C)地址與通道號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過I2C寫入數(shù)據(jù)，延遲5 ms后將振動(dòng)加速度FIFO (FIFO5)置于工作狀態(tài)，繼續(xù)采集一包131 072個(gè)點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)算，以此循環(huán)完成整個(gè)增益控制環(huán)節(jié)。

振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置共32個(gè)通道，其中22個(gè)通道用于采集振動(dòng)加速度，10個(gè)通道用于采集振動(dòng)位移，加速度計(jì)的輸出電壓范圍為-5～+5 V，根據(jù)需要，僅加速度信號(hào)需要進(jìn)行增益控制，因此可調(diào)增益數(shù)據(jù)采集命令流程需要同時(shí)對(duì) 22個(gè)通道進(jìn)行配置，以達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)增益的目的。

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)要求，可調(diào)增益電路如圖3所示?？烧{(diào)增益的程控放大功能由可編程增益放大器PGA281、AD轉(zhuǎn)換芯片ADS1278和主處理器來實(shí)現(xiàn)，PGA281的增益大小通過主處理器的IO直接控制。系統(tǒng)每次確定下一包數(shù)據(jù)的增益之前，需要先給PGA281一個(gè)固定的增益，并通過ADS1278采集一包樣本數(shù)據(jù)，然后根據(jù)樣本數(shù)據(jù)的最大值確定下一包數(shù)據(jù)的增益值。綜上所述，程控增益電路最終實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)增益的在線控制功能。

圖3 實(shí)現(xiàn)可調(diào)增益的電路圖Fig.3 Circuit diagram of implementing adjustable gain

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件部分使用verilog編程語言。由表1可知，為實(shí)現(xiàn)電路的可調(diào)增益控制功能，需要編程數(shù)據(jù)依據(jù)電壓實(shí)測(cè)大小，寫入對(duì)應(yīng)控制量程的增益幅值。主處理器會(huì)根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻小信號(hào)的幅度來設(shè)定PGA281的增益，即每次設(shè)定有效增益之前，先設(shè)定一個(gè)固定增益，并通過AD采集一包樣本數(shù)據(jù)，根據(jù)樣本數(shù)據(jù)的最大值來給出相應(yīng)的增益。

首先判斷131 072點(diǎn)的絕對(duì)值最大值，并轉(zhuǎn)換為電壓值，其中放大倍數(shù)N共16級(jí)，為G0～G6二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)的 10進(jìn)制整數(shù)。然后在該電壓值對(duì)照表內(nèi)找到對(duì)應(yīng)的放大倍數(shù)，并將每個(gè)通道的增益寫入FPGA，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)增益在線可控的效果。

3 模擬對(duì)比測(cè)試

使用函數(shù)發(fā)生器模擬頻率為 15 kHz的差分方波信號(hào)，同時(shí)使用函數(shù)發(fā)生器模擬頻率為 45 Hz、幅度為 20 mV(峰峰值)的正弦波信號(hào)輸入到機(jī)腳加速度通道 1，跟蹤轉(zhuǎn)速和固定采樣共用一個(gè)物理通道，且共用一次采樣的數(shù)據(jù)。利用 ADS數(shù)據(jù)采集裝置可獲取該通道的振動(dòng)頻譜圖，如圖4所示。圖4(a)和圖 4(b)分別為引入可調(diào)增益前后的頻譜圖，兩者在45 Hz處的尖峰幅值均為129 dB，但噪聲均值分別為60 dB和55 dB，可見引入可調(diào)增益后對(duì)于ADS采集數(shù)據(jù)的信噪比有明顯的改善效果。

圖4 可調(diào)增益處理前后的振動(dòng)信號(hào)頻譜對(duì)比圖Fig.4 Spectrum comparison of vibration signals before and after adjustable gain processing

4 實(shí)際工況測(cè)試

汽輪發(fā)電機(jī)組實(shí)際轉(zhuǎn)速工況為：轉(zhuǎn)速6 000 r·min-1，功率1.6 MW，利用振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量電機(jī)自由端軸承徑向水平振動(dòng)位移與振動(dòng)加速度。在相同工況條件下測(cè)量6次，測(cè)得位移振幅峰值處頻率變化在 0.2 Hz以內(nèi)，位移幅值變化在0.5 μm以內(nèi)。將平均測(cè)量結(jié)果得到的振動(dòng)位移幅值的時(shí)域波形圖與頻譜圖分別如圖5和圖6所示。汽車機(jī)組自由端徑向振動(dòng)波特圖如圖7所示。根據(jù)實(shí)際工況下的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看到，其軸系振動(dòng)位移幅值較小，自由端振動(dòng)位移有效值為5 μm，振動(dòng)加速度尖峰幅值為106.6 dB。

圖5 汽輪發(fā)電機(jī)組自由端的徑向振動(dòng)位移圖Fig.5 Radial vibration displacement at free end of steam turbine generator set

圖6 汽輪發(fā)電機(jī)組自由端徑向振動(dòng)位移頻譜圖Fig.6 Spectrum of radial vibration displacement at free end of steam turbine generator set

圖7 汽輪發(fā)電機(jī)組自由端徑向振動(dòng)波特圖Fig.7 Bode diagram of radial vibration at free end of turbine generator set

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，在汽輪發(fā)電機(jī)組位移振幅較小的情況下，振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置測(cè)得的加速度信號(hào)可以達(dá)到優(yōu)于50 dB以上的信噪比，能夠滿足設(shè)備振動(dòng)噪聲的監(jiān)測(cè)與分析要求。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種具備可調(diào)增益功能的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將 ADS數(shù)據(jù)采集器與增益放大電路相結(jié)合，對(duì)加速度計(jì)的輸出電壓進(jìn)行有效放大或縮小。通過仿真和實(shí)際測(cè)量實(shí)驗(yàn)可以得出：引入可調(diào)增益環(huán)節(jié)后，采集信號(hào)始終保持在數(shù)據(jù)采集器最優(yōu)采樣量程內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)較高信噪比的數(shù)據(jù)采集，在汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有工程應(yīng)用價(jià)值。