专利名称：高集成便携式振动信号处理装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及信号检测与分析系统，特别涉及一种高集成便携式振动信号处理装置。
背景技术：
机械故障诊断技术是对企业设备安全运行、生产正常开展最重要的保障。而基于振动特征分析的诊断技术是安全生产中应用最广泛、最行之有效的保障方法。早期的振动分析是采用专用的仪器，而这些仪器由于信号分析处理运算量大需要高性能的处理器，该专用仪器不但价格昂贵，而且功能固化、通用性差、升级改造困难。随着计算机技术的进步，基于微机的振动信号检测与分析系统的发展，它们由于造价低、功能多、升级改造快、通用性好等诸多特点，故在振动诊断技术的应用趋势也越来越明显。但目前这类系统的数据采集器、前处理器、电源等装置各自独立，整个系统组成部分多而大，应用很不方便。中国实用新型专利授权公告号CN2333046Y披露了由上位机、多功能卡、上位机电源板、上位机通信接口板、D/A数模转换板、传输电览、下位机电源板、数采器和分析微机组成的“转动机械振动信号远程采集滥测装置”，该装置仅是功能多，并不具备集成的特点，通用性也差。
发明内容
针对上述情况，本实用新型的目的是要提供一种既高度集成又便于携带且使用方便还适于现场操作的高集成便携式振动信号处理装置。
为了实现上述目的，一种高集成便携式振动信号处理装置，它包括前置处理器，中置处理器和后置处理器，所述前置处理器设有多个加速度计和多个位移传感器，所述中置处理器包括信号调理电路、数据采集电路、充电电源，以及与前置处理器连接的传感器接口，和后置处理器连接的USB接口；所述后置处理器包括计算机，设置于计算机的数据通信处理单元。
为了实现功能强大，便于携带，使用方便，通用性好和结构优化，其进一步的措施是所述加速度计的加速度计芯片上还集成有电荷放大器。
所述位移传感器的探头体内集成有位移传感器探头与信号处理器。
所述信号调理电路由多通道滤波电路、积分电路、解调电路、抗混频处理电路组成。
所述多通道滤波电路的滤波方式及其截止频率是可程控的，所述积分电路、解调电路和抗混频处理电路也是可程控的。
所述数据采集电路设A/D转换器、USB接口芯片和USB接口。
所述USB接口芯片扩展一I/O电路。
所述充电电源包括可充电锂离子电池充电电路、直流-直流稳压电路。
所述数据通信处理单元，包括检测USB设备的判断模块，参数设置模块和数据采集模块。
所述计算机是选用笔记本电脑。
本实用新型采用高度集成的便携式方案，克服了各器件之间相互独立造成使用不便的缺陷，解决了常用振动信号检测系统功能单一、多路信号拾取需要配置多台专用处理电路箱以及外接电源，造成使用操作极为不便的问题。本实用新型具有体积小、重量轻、携带方便、现场无需供电电源等特点，实现了多功能、高精度、操作使用方便快捷的检测目的。本实用新型可广泛适用于野外作业以及教学实验。
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步详细的说明。
图1是本实用新型的结构原理框图。
图2是本实用新型的加速度计原理框图。
图3是本实用新型的加速度计安装简图。
图4是本实用新型的位移传感器原理框图。
图5是本实用新型的位移传感器的结构示意图。
图6是本实用新型的信号调理电路流程图。
图7是本实用新型的高通滤波电路原理图。
图8是本实用新型的低通滤波电路原理图。
图9是本实用新型的积分电路原理图。
图10是本实用新型的解调电路原理图。
图11是本实用新型的抗混频电路原理图。
图12是本实用新型的总体电路原理图。
图13是本实用新型的电路的结构原理图。
图14是本实用新型的数据采集结构原理图。
图15是本实用新型的数据采集电路原理图。
图16是本实用新型的数据通信流程图。
图17是图16中的参数设置界面图。
图18是图16中的数据采集设置界面图。
图19是本实用新型的充电电源电路原理图。
具体实施方式
结合附图1-附图19，本发明的多功能高集成便携式信号检测装置包括前置处理器1，中置处理器2和后置处理器3，前置处理器1包括设有多个加速度计和多个位移传感器，各传感器由信号线连接到中置处理器2的传感器接口，通过该接口与设置在中置处理器内的信号调理电路相互电连接；中置处理器2除设有与前置处理器1连接的传感器接口外还设有与后置处理器连接的USB接口，其内主要由信号调理电路、数据采集电路、充电电源、I/O电路组成，其中数据采集电路由A/D转换器和USB接口芯片组成。前置处理器内传感器拾取的信号，经信号线通过传感器接口传入中置处理器内的信号调理电路，再输入数据采集电路，经USB接口传入后置处理器的计算机；其中附图2是前置处理器1的加速度计原理框图，该加速度计将集成加速度芯片(如ADXL05)与电荷放大器相连接组合于一体并封装在圆柱形筒体内通过信号输出线与中置处理器2的传感器接口相互电连接。使用时，通过加速度计上的连接螺栓41的适配将加速度计固定于被测体4上，其结构外形及安装简图见附图3所示。附图4是前置处理器1的位移传感器原理框图，该传感器采用先进的贴片工艺技术，将位移传感器探头11、电缆13、信号处理器相互连接并封装集成在带螺纹的圆柱形探头体12内，其结构示意图见附图5，并通过电缆13或信号线与中置处理器的传感器接口相互电连接。
参见附图1、附图16、附图17、附图18，后置处理器3包括计算机，设置于计算机的数据通信处理单元。该数据通信处理单元包括检测USB设备的判断模块，参数设置模块，数据采集模块以及相应的参数输入、输出界面，该单元首先打开USB设备，对USB设备工作状态进行判断，出错时，显示错误信息并退出；判断成功进入控制参数设置模块，弹出参数设置界面，便可进行高、低通滤波、积分、解调、抗混频参数的选择，高通设置直通、0.1，1，10HZ四项参数供选择，低通设置有加低通或者不加低通，择加低通选项后需在低通拐点选项选择需要拐点，积分选项可进行直通、一次积分、二次积分选择；解调选项可设置加解调或者不加解调；最后进行抗混频参数设置，参数设置完毕后点击界面按钮中的“确定”按钮，便将界面上所设置的参数通过USB接口传至中置处理器的USB接口芯片，再由中置处理器内的I/O电路传至到信号调理电路实现信号调理工作方式。控制参数设置完毕后便进行数据采集参数设置，弹出采集设置界面，该界面需进行数据保存文件，采样频率、采样时间、采集通道和增益的设置，采集参数设置完毕后点击界面按钮中的“确定”按钮，便将界面上所设置的参数通过USB接口传至中置处理器的数据采集电路，进行采样参数设置，同时将经过信号调理电路后的由前置处理器传来的信号，通过A/D转换器转换成数据，数据再由USB接口传输到计算机保存到文件中。
信号从传感器接口传入信号调理电路，通过信号调理电路内的高、低通滤波电路，积分电路，解调电路，抗混频电路，进入USB采集电路，再由USB接口传至后置处理器内的计算机，中置处理器内各电路之间的连接关系流程框图如附图6所示；I/O电路通过USB接口芯片与后置处理器内的计算机相连接实现中置处理器内信号调理电路与后置处理器内的计算机之间的数据通信；数据采集电路部分通过USB接口与后置处理器内的计算机相连接。充电电源包括连接可充电电池的充电电路、稳压电路，其中稳压电路与信号调理电路连接并提供前置处理器内传感器的工作电压。系统结构框图如图1所示。
由附图6、附图7所示，信号高通滤波处理的技术及相应的实现电路如下如附图7所示，在高通滤波电路前加了电压跟随电路，电路采用高性能集成运放器TL064与精密R、C组合构成的功能运算电路。附图7中电压跟随部分主要实现了信号自动稳幅，电压跟随电路利用二极管的非线性特性，可以完成自动稳幅。其具体实施过程如下将两个匹配的二极管D1、D2交替接在运放负反馈上构成稳压电路。高通滤波器采用贝塞尔型有源滤波器，高通滤波的截止频率分别为0、0.1、1、10Hz，截止频点处衰减率为5％，衰减速率为24dB/oct。四路高通滤波电路由两片TL064和RC元件组成。TL064是四运算低功耗运放器，它的典型转换速率SR＝3.5V/μs，最小为1.5V/μs；典型输入失调电压为3mV，最大为15mV；典型输入偏置电流为30pA，最大为400pA。
如附图6、附图8所示，低通滤波器由美信公司(Maxim)生产的可编程滤波器芯片MAX270(U2)，可以通过编程对频率范围是1kHz～25kHz信号进行滤波。该滤波芯片是数字可编程，双路，二阶，连续时间方式的低通滤波器，动态范围是96DB，无需外接时钟信号，有选择地接受外界输入信号的频率，当频率在1KHz～25KHz时可以通过滤波器，而超出该范围则不能通过，从而达到低通滤波的功能。MAX270芯片有2个编程参数；截止频率fc、工作模式。截止频率由计算机编程数据控制，共128个不同的二进数据，每个数据在范围1KHz～25KHz中对应一个截止频率fc值。截止频率fc与编程数据D0～D6对应的关系fc=87.587.5-code×1KHZ···(1)]]>fc=262.5137.5-code×1KHZ···(2)]]>式(1)中，code为二进制数据D0～D6对应的十进制整数，范围为0～63，fc＝1KHZ～3.57KHZ。式(2)中，code为二进制数据D0～D6对应的十进制整数，范围为63～127，fc＝3.57KHZ～25KHZ。工作模式由上位机编程控制引脚A0的高低电平来选择通道A，B；也可以将该引脚接负电平，此时通道A、B同时工作。
附图6、附图7、附图8所示，在高通滤波电路与低通滤波电路之间接一电子开关AD7502(U1)，该AD7502(U1)是双通道、四选一的电子开关，通过I/O电路由计算机编程输出的控制信号传至AD7502(U1)的控制引脚A0、A1和MAX270(U2)的引脚D0-D6选择高通滤波电路和低通滤波电路的截止频率实现对信号高通、低通、带通滤波处理。本实施例的实现电路为通道A信号由传感器接口输入至截止频率分别为0、0.1、1、10Hz的四路高通滤波电路，其输出端分别表示为INA0、INA0.1、INA1、INA10分别接入电子开关AD7502(U1)的输入引脚SA1-SA4；同样，通道B分别接入电子开关AD7502(U1)输入引脚SB1-SB4表示为INB0、INIB0.1、INB1、INB10。信号经过四路高通滤波电路后的信号由电子开关AD7502(U1)选择其中一路输出，这样，信号便可任意选择四个截止频率进行高通滤波输出，其选择方式由控制信号引脚A0、A1实现。通道A和通道B的四路信号通过四选一的方式经电子开关AD7502(U1)由输出引脚4或输出引脚12输出，进入芯片MAX270(U2)进行低通滤波处理。经过滤波处理后的信号标识为DLIN1。
附图6、附图9所示，积分电路采用的是交流积分电路，在一次积分电路和二次积分电路中设有由电阻R113、R114和电容C111，电阻R117、R118和电容C114构成T型网络，用以消除交流积分运算放大器输入端失调和低频干扰的影响；信号经过该电路时，积分形式的选择有直通、一次积分和二次积分，具体是通过电子开关AD7502(U3)实现，其实现电路如附图9所示，通道A、通道B分别在标识DL1、JF1A、JF1B，DL2、JF2A、JF2B处连接到电子开关AD7502(U3)输入引脚SA2-SA4，SB2-SB4，通过电子开关AD7502(U3)选择信号经过一次积分电路或二次积分电路，此外在附图9中的电子开关AD7502(U3)的输入引脚SA1接DLIN1(通道A)如附图8所示，这样，利用该电子开关AD7502(U3)可以实现通道A和通道B信号直通而不进行积分处理。该电子开关AD7502(U3)输出引脚4和输出引脚12输出信号标识为JTIN1和JTIN2与解调电路输入端口相连接，通道A解调电路输入端口JTIN1如附图10所示。
附图6，附图10所示，解调电路包括两部分第一部分是把双向交变电压变为单向脉动电压的整流电路。第二部分是低通滤波电路，其任务是滤除载波交流信号，保留被测信号中的直流和交流分量，而交流——直流变换器中的滤波器则是只保留代表整流所得脉动电压的平均值的直流电压。由于包络检波器中的低通滤波器，要滤除载波交流信号而保留被测信号中的交流分量，因此其高截止频率fh应满足fs＜fh＜fc式中，fc、fs分别为载波频率和被测信号最高频率。
附图10所示，标识JTIN1处与第二部分低通滤波电路输出KHIN1处连接到电子开关AD7512(U4)两输入引脚SA1、SA2，AD7512(U4)是双通道二选一的电子开关，通过I/O电路由计算机编程输出的控制信号传至其控制引脚A1、A2选择通道A、B信号通过解调电路进行解调处理或直通不进行解调处理。信号从KHIN1处进入抗混频处理电路如附图11所示。
附图6、附图11，附图12所示，抗混频滤波器由芯片MAX293(U105)和MAX270(U5)组成，其中MAX293(U105)是八阶低通椭圆型开关电容滤波器，该滤波器转折频率范围是0.1Hz到25kHz。在本实施例电路中，采用外部时钟频率控制该芯片的截止频率，外部时钟频率由单片机89C1051(U501)产生，由引脚P3.7输出交变脉冲，其频率范围为5K-1MHZ，其截止频率选择方式通过USB接口芯片接收计算机传至的控制信号FCONT和FCON0--FCON3输至单片机89C1051(U501)引脚p3.2和p1.0--p1.3，其中控制信号FCONT是用来触发单片机中断程序，FCONO--FCON3是控制引脚p3.7输出的时钟频率。附图9中所示，在MAX293(U105)电路后接上模拟低通滤波器MAX270(U5)是为了消除MAX293(U105)本身自有的“共振”高频信号。
本实施例中信号调理处理电路如附图12所示，信号经过信号调理电路具体过程中首先信号进入四路高通滤波电路，由电子开关AD7502(U1)以四选一的方式选择输出，进入低通滤波芯片MAX270(U2)，其中电子开关AD7502(U1)和滤波芯片MAX270(U2)的工作模式选择分别由两位控制信号A0、A1和六位控制信号实现；信号依次进入一次积分电路和二次积分电路，分别在积分电路前(DL1)、一次积分(JF1A)、二次积分(JF1B)电路处接电子开关AD7502(U3)，由AD7502(U3)通过I/O电路接收由计算机编程输出的控制信号A2、A3选择性实现信号直通、一次积分、二次积分处理；通过AD7502(U3)输出的信号传至解调电路输入端JTIN1，在解调电路输入端JTIN1与输出端JTOUT1分别接入电子开关AD7512(U4)；信号经AD7512(U4)输出引脚进入抗混频处理电路；最后信号传至数据采集电路原理如附图15所示。
附图13是USB接口芯片扩展I/O电路的结构原理图，该部分传送后置处理器3内计算机输出的控制信号至信号调理电路中用到的可编程控制芯片AD7502(U1)，AD7512(U3)，滤波芯片MAX270(U2)和单片机89C1051(U501)。
附图14、附图15所示，数据采集部分包括16路模拟电子开关ADG506、A/D转换器AD976、单片机89C51、USB接口芯片PDIUSBD12。多路振动信号经过信号调理电路后见附图12，由多路模拟开关ADG506传至A/D转换器AD976转换为数字信号，采集到的数据经单片机P89C51、USB接口芯片PDIUSBD12由USB接口传输至计算机。模拟开关ADG506和A/D转换器AD976工作方式由单片机P89C51控制，具体是通过USB接口芯片PDIUSBD12接收后置处理器3内的计算机传至的控制信号触发单片机P89C51内固化的中断程序实现的。
附图16是计算机与附图12，附图15数据通信流程图，其中后置处理器3内计算机与中置处理器2内信号调理电路控制信号传输是通过USB接口芯片扩展I/O电路实现。数据采集电路是由后置处理器3内计算机输出的控制信号经USB接口芯片触发单片机中断程序实现控制，控制参数设置完毕后便进行数据采集。由于功能和的输入参数较多，因此采用人机对话方式和模块化设计，将信号调理部分工作模式和数据采集部分工作模式分别设计成独立模块，由程序统一控制、执行。系统应用程序采用可视化高级语言编写，主要功能包括检测USB设备、开启/关闭USB设备、参数设置模块见附图17、数据采集设置见附图18。
电源总体电路图如附图19示，包括可充电锂离子电池充电电路、DC/DC稳压电路。其中可充电锂离子充电电路是MAXIM公司生产的，可最多充三节锂离子电池的专用芯片MAX1757，电路中利用MAX1757的CSSN引脚之间的外接电阻R8来检测输入电流，ISETIN引脚设置检测门限，电池最大充电电流由ISETOUT引脚的电压值确定，该电压由连接在REF和GND之间的分压电阻调节。当ISETOUT引脚接REF时，电流为最大值(1.5A)，在本实施例中我们将ISETOUT引脚接至REF引脚，最大充电电流为1.5A。通过VADJ引脚的外接分压电阻R6和R7用来调整电池充电终止电压，R6和R7电阻精度应在1％以上，阻值应不超过100KΩ。电池节数由CELL引脚设置，CELL引脚接GND、浮空或接REF分别表示电池节数为1节、2节、3节，在这里CELL引脚浮空。电路设有定时器和温度检测器为电池充电提供附加保护，由于充电效率达不到100％，充电时间限定值应留有余量。温度检测器应接在THM和GND之间，应靠近电池安装，温度检测器可选择具有负温度系数的热敏电阻，+25℃时阻值为10KΩ，Philips、Cornerstone传感器公司、Fenwall电子公司均可提供适当的产品，MAX1757以1.2Hz的频率检测电池温度，本实施例用一个10KΩ电阻接地。D12、C14和L3组成芯片内部MOSFET管开关作用后的虑波电路。在TIIMER1外接电容C17可设置预充、满充和顶端截止充电过程的时间控制，在TIMER2上外接电容C18可设置快充时间控制。电源要求可以在对电池充电的同时向传感器供电在断开充电时，自动转为充电电池向传感器和信号处理电路供电，该功能由充电电路中的两个1N5817肖特基二极管D13、D14来实现当充电输入时D14断开，当充电断开时D14导通，实现了不间断的功能，D13用来防止电池供电时电流回流。此外MAX1757带有三个电池充电状态指示输出端FASTCHG、FULLCHG和FAULT，这些端口均为漏级开路输出，可用于驱动LED。FASTCHG用于指示充电器处于快充状态，为恒流充电模式；FULLCHG表示充电器已完成快充状态(电池容量接近85％)而处于恒压充电模式；FAULT则表示充电器检测到充电故障，充电已经终止，分别用三个指示灯选用φ3mmLED发光管显示，有故障的用红色，其它用绿色，R9、R10、R11是限流电阻分别串接发光管。
前置处理器1的传感器部分和中置处理器2的信号调理电路部分具体工作电压情况是位移传感器工作电压是±12V，加速度传感器的工作电压为±5V，信号处理电路各芯片工作电压为±5V。三节锂离子电池组提供的电压(即稳压电路的输入电压)在12.6～8.75V之间变化，经稳压电路后输出为±12V，±5V的直流电压。附图19中的直流-直流(DC/DC)稳压电路是采用直流-直流(DC/DC)稳压模块，故电路相对简单电路中LED8是电源指示灯，电容C20、EC6是虑波电容用于减缓电流脉动。
以上仅仅是本实用新型的较佳实施例，根据本实用新型的上述构思，本领域的熟练人员还可对此作出各种修改和变换。例如，不同类型、不同性能的位移传感器和加速度传感器的选用，信号调理电路不同匹配方式和实现方式的选择；信号调理电路，采集电路和计算机间的数据通信实现方式等等。然而，类似的这种变换和修改均属于本实用新型保护的范围。
权利要求1.一种高集成便携式振动信号处理装置，其特征是它包括前置处理器(1)，中置处理器(2)和后置处理器(3)，所述前置处理器(1)包括设有多个加速度计和多个位移传感器，所述中置处理器(2)包括信号调理电路、数据采集电路、充电电源，以及与前置处理器(1)连接的传感器接口，和后置处理器(3)连接的USB接口；所述后置处理器(3)包括计算机，设置于计算机的数据通信处理单元。
2.根据权利要求1所述的一种高集成便携式振动信号处理装置，其特征在于所述加速度计的加速度计芯片上还集成有电荷放大器。
3.根据权利要求1所述的一种高集成便携式振动信号处理装置，其特征在于所述位移传感器的探头体内集成有位移传感器探头与信号处理器。
4.根据权利要求1所述的一种高集成便携式振动信号处理装置，其特征在于所述信号调理电路由多通道滤波电路、积分电路、解调电路、抗混频处理电路组成。
5.根据权利要求4所述的一种高集成便携式振动信号处理装置，其特征在于所述多通道滤波电路的滤波方式及其截止频率是可程控的，所述积分电路、解调电路和抗混频处理电路也是可程控的。
6.根据权利要求1所述的一种高集成便携式振动信号处理装置，其特征在于所述数据采集电路设A/D转换器、USB接口芯片和USB接口。
7.根据权利要求6所述的一种高集成便携式振动信号处理装置，其特征在于所述USB接口芯片扩展一I/O电路。
8.根据权利要求1所述的一种高集成便携式振动信号处理装置，其特征在于所述充电电源包括可充锂离子电池充电电路、直流-直流稳压电路。
9.根据权利要求1所述的一种高集成便携式振动信号处理装置，其特征在于所述数据通信处理单元，包括检测USB设备的判断模块，参数设置模块和数据采集模块，以及相应的参数输入、输出界面。
10.根据权利要求1所述的一种高集成便携式振动信号处理装置，其特征在于所述计算机是选用笔记本电脑。
专利摘要一种高集成便携式振动信号处理装置，它包括前置处理器，中置处理器和后置处理器；前置处理器包括多个加速度计和位移传感器，中置处理器包括信号调理电路、数据采集电路、充电电源，以及与前置处理器连接的传感器接口，和后置处理器连接的USB接口；后置处理器包括计算机，数据通信处理单元。本实用新型采用高度集成的便携式方案，克服了各器件之间相互独立造成使用不便的缺陷，解决了常用振动信号检测系统功能单一、多路信号拾取需要配置多台专用处理设备，造成使用操作极为不便的问题。使得本实用新型具有体积小、重量轻、携带方便、现场无需供电电源等特点，实现了操作使用方便快捷的检测目的。可广泛适用于野外作业以及教学实验。
文档编号G08C19/00GK2824176SQ20052005084
公开日2006年10月4日 申请日期2005年5月23日 优先权日2005年5月23日
发明者李学军, 张美阳, 蒋玲莉, 何宽芳, 沈意平, 宾光富 申请人:湖南科技大学