专利名称：一种振动信号采集器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及信号采集器，特别是振动信号采集器。
背景技术：
目前，振动信号采集器一般包括加速度传感器和AA)转换模块，加速度传感器检测到的 振动信号直接通过A/D转换模块输给计算机。
在工业现场，由于一些设备(如低速重载设备的轴承等)旋转频率很低(在0. 1Hz左右)， 频域却很宽，振动信号中还混杂了很多的噪声信号，而现有的加速度传感器却不能有效地对 这些噪声信号进行分离，因此，在工业现场，对于低速重载设备的振动信号的采集一直是一 个难题。 发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能有效分离噪声信号的振动信号采集器。
本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案是-
一种振动信号采集器，它包括
加速度传感器、
A/D转换模块、
用于对加速度传感器输出的信号进行处理并输出的谐振电路、 用于对谐振电路输出的信号进行截止频率和增益控制并输出的解调电路、 用于对解调电路输出的信号进行处理并输出的抗混叠滤波电路； 抗混叠滤波电路输出的信号通过A/D转换模块输出。 上述方案中，解调电路包括
用于对谐振电路输出的信号进行处理并输出的高通滤波电路、 用于对高通滤波电路输出的信号进行处理并输出的单极性电路。 上述方案中，振动信号采集器还包括控制模块；控制模块包括 微处理器、
用于微处理器与外部设备通讯的通讯模块； 抗混叠滤波电路输出的信号通过A/D转换模块输入微处理器。
上述方案中，控制模块还包括控制和显示部分，控制和显示部分与微处理器通讯连接。 上述方案中，加速度传感器与谐振电路之间设有光电耦合电路。 上述方案中，光电耦合电路与谐振电路之间设有差动放大电路。 本实用新型的优点在于
1、本实用新型采用共振解调技术，在加速度传感器和A/D转换模块之间设置一个"共振 器"，将故障信号(高频)分离出来，把噪声信号有效的隔离，能够很大程度上提升数据采集系统的性能。
本实用新型工作原理为
谐振电路可以剔除几乎所有低频的振动以及冲击的低频频谱成分，保留冲击的高频成分; 应用其谐振特征，对冲击进行共振响应，实现波形的时域变换，即能实现对脉冲冲击进行放 大、展宽的共振变换。
解调电路用于实现截止频率和增益控制。
抗混叠滤波电路用于防止信号混叠现象的出现。
2、 解调电路采用硬件来实现高通绝对值解调，由高通滤波器和单极性电路(绝对值电路， 即全波精密整流电路)构成，其结构简单，控制方便。
3、 振动信号采集器还包括控制模块，控制模块可为振动信号采集器实现人机交互、与外 部进行方便地通讯等创造条件。
4、 加速度传感器与谐振电路之间设有光电耦合电路，进行光电隔离，将系统的强弱电分 开，增强系统的抗干扰性能和安全系数。
5、 由于加速度传感器输出的冲击信号虽经内置放大器进行放大，但其幅值仍是非常小， 在传输过程中存在衰减，如果不进行放大而直接对其进行处理，则信号失真相当严重。因此， 本实用新型的光电耦合电路与谐振电路之间设有差动放大电路。
图1是本实用新型振动信号采集器实施例的结构框图 图2是光电耦合电路的电路原理图 图3是差动放大电路的电路原理图 图4是谐振电路的电路原理图 图5是高通滤波电路的电路原理图 图6是单极性电路的电路原理图 图7是抗混叠滤波电路的电路原理图 图8是A/D转换模块的电路原理图 图9是经过共振解调后的振动信号的时域波形 图IO是经过共振解调后的振动信号的幅值谱 图ll是未经处理的原始信号具体实施方式
如图1所示，本实用新型振动信号采集器实施例包括加速度传感器、A/D转换模块、
用于对加速度传感器输出的信号进行处理并输出的谐振电路、用于对谐振电路输出的信号进 行截止频率和增益控制并输出的解调电路、用于对解调电路输出的信号进行处理并输出的抗 混叠滤波电路、控制模块。
解调电路包括用于对谐振电路输出的信号进行处理并输出的高通滤波电路、用于对高 通滤波电路输出的信号进行处理并输出的单极性电路。
控制模块包括微处理器、用于微处理器与外部设备通讯的通讯模块、控制和显示部分。控制和显示部分与微处理器通讯连接。控制和显示部分为触摸屏。
抗混叠滤波电路输出的信号通过A/D转换模块输入微处理器。
加速度传感器与谐振电路之间设有光电耦合电路，光电耦合电路与谐振电路之间设有差 动放大电路。
本实施例的加速度传感器，用来采集目标设备振动的加速度信号，并以电压的形式输出； 加速度传感器由传感器接口提供激励的电压和恒流源。加速度传感器采集到振动信号后首先 进行一个前端的信号调理，在本实用新型中信号调理是通过硬件电路实现的。
加速度传感器采入模拟信号，首先进行光电隔离以将系统的强弱电分开，增强系统的抗 干扰性能和安全系数。本实施例的光电耦合电路为线性光耦，采用线性光耦的隔离原理与普 通光耦没有差别，只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变，增加一个用于反馈的光接收电 路用于反馈。虽然两个光接收电路都是非线性的，但两个光接收电路的非线性特性都是一样 的，这样，就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性，从而达到实现线性隔离 的目的。
如图2所示，本实施例选用了 Agilent公司的HCNR200型高精密线性光耦来搭建光电耦 合电路，又采用了 TI公司的LMV321高精密运放来辅助实现信号的电压隔离。加速度传感器 的输出信号从Vin输入，光电耦合电路输出信号从Vout输出。
如图3所示，本实施例选用了美国Burr-Brown公司的PGA205搭建差动放大电路。该芯 片最大特点为可通过在线编程实现l、 2、 4、 8倍的增益控制。光电耦合电路输出信号从Ains 输入，放大后的信号从Aout或AoutG输出。
运放的输出是指相对于参考端，通常将参考端接地。为使器件达到最高的精度，运放的 输出端必须连接到反馈端。当电源阻抗较高或有噪声干扰时，应在正、负电源引脚各加1"F 的去耦电容。放大器的增益由15、 16引脚的逻辑电平决定。其中逻辑"1"定义为大于数字 地2V，数字地可以连接到V—或比V+低4V的电源上。数字输入电平TTL与COMS兼容。当 使用逻辑"0"时，大约有luA的电流从数字输入脚流出，使用逻辑电平"1"时电流为0。
PGA205对数字输入逻辑信号(A0、 Al)没有锁存功能，逻辑输入信号的变换将立即引起 新的增益选择，切换时间大约为1 u s。输入逻辑Al、 A0与增益的关系为(0、 0)放大1倍， (0、 1)放大2倍，(1、 0)放大4倍，(1、 1)放大8倍。
另外PGA205还可以消弱传感器电缆线上的干扰。传感器电缆外层为屏蔽层，由抗干扰理 论与实践证明，传输弱信号的电缆线的屏蔽层加上一定电位时，将大大减小由屏蔽层与芯线 之间分布电容耦合引入的千扰。
如图4所示，本实施例的谐振电路选用MAXIM公司的MAX268高精密带通滤波器来实现电 路。MAX268内部包含一个放大器和两个二阶滤波部分，可以实现精度很高的带通滤波中心频 率、品质因数和操作模式可以通过管脚输入而设定。
在采用MAX268设计的带通滤波器中，需要确定中心频率fO和通带宽度。f0的选取要根 据具体机械设备的转速确定，因机械故障信号均包含与转速成正比的特征频率，因此根据特 征频率来确定f0，然后再选择通带宽 BW,通过公式得到品质因数。在所选带宽范围内，只允许含有高频成分的故障冲击信号通过，而滤除 低频噪声和干扰信号，从而实现故障冲击就没有解调波形输出的效果。
通过内部时钟fclk及五位可编程的输入引脚F4 F0的电平组合关系，控制时钟频率fclk 与带通滤波中心频率f0的比值，可以此调节带通滤波器的中心频率。F0 F4五个引脚可组 合出32种状态，F4 TO这五位二进制数表示的十进制整数大小用字母N表示，其值范围为0 31。计算公式如下
假设若设置中心频率f0为30KHz，晶振频率选择L 8432MHz，则根据上式有N= (fclk/7if0)-13= 6.557，因此N取6，由N可以确定F4 F0各位的值依次为00110，即F4、 F3、 FO连接电源负(-5V)， F2、 Fl连接电源正(+5V)。
设置带通滤波器的通带宽度为6KHz，则品质因数
Q的选择可以通过控制Q6 Q0这七个可编程输入引脚的电平组合关系来实现。七个引脚 可组合出128种状态，Q6 Q0这七位二进制数表示的十进制整数大小用字母N表示，其值范 围为0 127。计算公式如下
将Q-5代入公式得，N=128-(64 / 5)=115.2，因此N取115，则Q6 Q0分别为1110011， 即Q6、 Q5、 Q4、 Ql、 Q0连电源正(+5V)， Q3、 Q2连电源负(-5V)。
确定了滤波器的中心频率fO、带宽BW和品质因数Q后，可以根据MAX268数据手册中的 计算公式得出外围电路中电阻的数值。
当信号经过了一级、二级谐振器后，实际上是经过了一个两层的带通滤波环节，也就是 把低频的信号进行了高频调制，这种调制过程可以有效的保存故障信号环节，而在调制环节 之后，相应的要进行解调，也就是把载波的相关成分去除，还原出我们想要的信号，经过这 种调制-解调的操作，可以在完整保存故障信号的同时，有效的剔除各种干扰成分。
本实施例所采用的解调电路由用于对谐振电路输出的信号进行处理并输出的高通滤波电 路和用于对高通滤波电路输出的信号进行处理并输出的单极性电路(即全波精密整流电路) 构成。高通滤波电路电路如图5所示，谐振电路的输出信号从Vin输入，高通滤波电路输出 信号从Vout输出。
高通滤波器的设计采用压控电压源形式，它只需要一个运算放大器就可以很方便的构建 电路。电路中既引入了负反馈，又引入了正反馈。当信号频率趋于零时，Cl的电抗趋于无穷 大，因而正反馈很弱；当信号频率趋于无穷大时，C2的电抗趋于零，因而运算器同相输入端
6电压趋于输入电压Vin。可以想象，只要正反馈引入得当，就可能在中心频率fO处使电压放 大倍数数值增大，又不会因正反馈过强而产生自激振荡。 在图5中，同相输入端的闭环增益为
/ 3 ，
此处设增益为2，则
i 4 = & ，
选取电阻值为13K。高通滤波器的中心频率可以由公式求得。
单极性电路也叫绝对值电路，实现解调的同时控制系统增益，其电路如图6所示，高通 滤波电路的输出信号从Vin输入，单极性电路输出信号从Vout输出。
与高通滤波器共用可以实现信号的检波解调功能。采用可编程增益自缓冲绝对值电路。 该电路能对信号源提供非常高的输入阻抗，所以可以称为自缓冲电路，从电路的连接也可以 看出，不仅输入端是缓冲的，输出端也由放大器B缓冲。该电路有由格雷姆提出。电路只需 要三个精密电阻，电路的特点是阻值适当选择，可以很容易地进行增益编程。电路中，A完 成输入缓冲功能，A、 D1与D2进行增益控制。正信号输入时，Dl接通，跟随器增益环包含A 和B。负信号输入时，D2接通，A驱动反相组态工作的B。增益n可以是大于l的不同值，相 对自由度较大。在本设计中，n取值为2，电阻取值十分方便，而且可以用单个电阻阵列实现。 正输入时，A和B是以串联方式工作的，所以用电容CO控制寄生振荡。按照规定的增益和所 用放大器类型，电容应最优选择。电路中各参数具有如下关系
n = 二 / ，
单极性电路后加一个抗混叠滤波电路来防止信号混叠现象的出现。本实施例采用4阶切 比雪夫低通滤波器实现抗混叠操作，其应用电路如图7所示，单极性电路的输出信号从Vin 输入，抗混叠滤波电路输出信号从Vout输出。
如图8所示，A/D转换模块采用ADS7805实现信号的A/D转换，并与控制模块的微处理 器主芯片S3C2410连接，即MD0-—MD15管脚与S3C2410的DATA0—-DATA15管脚相连。
控制模块为实现人机交互而采用了触摸屏技术，将S3C2410片上的触摸屏控制资源直接 引出，实现使用人员对仪器的控制；为实现数采器与上位机的通讯，引出主芯片的串口和USB 口资源，将采集仪器上临时保存的数据上传给上位机，方便在上位机上对数据进行分析得出 结论。以S3C2410为主芯片的系统控制模块，负责对整个采集系统进行资源调度和分配，实现 下位机与上位机进行通讯的接口。
本实用新型振动信号采集器实施例输出振动信号的时域波形如图9所示，输出的振动信 号幅值谱如图10所示，原始信号如图ll所示。图9-ll中可以看出，本实施例已将故障信号 (高频)分离出来，对噪声信号进行了有效的隔离。经过比对可以明显的看到，本实施例对 于低速重载设备故障信号的提取效果是比较好的，达到了设想的状态。
权利要求1、一种振动信号采集器，它包括加速度传感器、A/D转换模块；其特征在于它还包括用于对加速度传感器输出的信号进行处理并输出的谐振电路、用于对谐振电路输出的信号进行截止频率和增益控制并输出的解调电路、用于对解调电路输出的信号进行处理并输出的抗混叠滤波电路；抗混叠滤波电路输出的信号通过A/D转换模块输出。
2、 如权利要求1所述的振动信号采集器，其特征在于解调电路包括 用于对谐振电路输出的信号进行处理并输出的高通滤波电路、 用于对高通滤波电路输出的信号进行处理并输出的单极性电路。
3、 如权利要求1或2所述的振动信号采集器，其特征在于它还包括控制模块；控制模 块包括-微处理器、用于微处理器与外部设备通讯的通讯模块； 抗混叠滤波电路输出的信号通过A/D转换模块输入微处理器。
4、 如权利要求3所述的振动信号采集器，其特征在于控制模块还包括控制和显示部分， 控制和显示部分与微处理器通讯连接。
5、 如权利要求1所述的振动信号采集器，其特征在于加速度传感器与谐振电路之间设 有光电耦合电路。
6、 如权利要求5所述的振动信号采集器，其特征在于光电耦合电路与谐振电路之间设 有差动放大电路。
专利摘要本实用新型涉及一种振动信号采集器，它包括加速度传感器、A/D转换模块、用于对加速度传感器输出的信号进行处理并输出的谐振电路、用于对谐振电路输出的信号进行截止频率和增益控制并输出的解调电路、用于对解调电路输出的信号进行处理并输出的抗混叠滤波电路；抗混叠滤波电路输出的信号通过A/D转换模块输出。本实用新型采用共振解调技术，在加速度传感器和A/D转换模块之间设置一个“共振器”，将故障信号(高频)分离出来，把噪声信号有效的隔离，能够很大程度上提升数据采集系统的性能。
文档编号G01H17/00GK201429461SQ20092008691
公开日2010年3月24日 申请日期2009年6月26日 优先权日2009年6月26日
发明者昉 喻, 健 张, 旭 王, 胡邦喜, 邱志成, 倩 郝, 阳子婧, 陈建华, 宇 顾 申请人:武汉钢铁(集团)公司;北京工业大学