电子电路]基于labview和三轴加速度传感器的振动信号测量系统设计

电子电路]基于labview和三轴加速度传感器的振动信号测量系统设计内容摘要：

我们来对两种方案进行对比： （ 1）三轴加速度传感器其内置 IC 放大器，在检测到振动信号的同时直接将主信号放大，比将信号传输出来后将混入噪声杂波的信号同时放大信号要好，当今传感器正由结构性向物性型转变，物性型加速度传感器受结构而改变影响较小，故选用压电式加速度传感器。 （ 2）电机的轴承是最能反映电机振动的部位，对电机轴承的检测至关重要。 （ 3）由于本系统较小，采用 三轴方向三路信号，我们采用 4 通道的 DAQ插卡式数据采集即可满足要求。 无需做成 Compact DAQ 结构，造成资源浪费。 （ 4）虽然无线信号传输更为方便，是线路更加优化，在工厂条件下更加安全，但是考虑到工厂电磁设备众多，信号杂乱，为了传感器信号能够更为准确的得到采集，本系统的可靠性更强，我们采用有线传输方式。 综上所述：我们确定方案为方案一。 11 如前面所述本系统有硬件部分与软件部分两大部分组成，由于本科生毕业设计的一些约束，硬件方面我们采取模拟，我的任务主要在软件部分。 基于 Lab VIEW 平台开发一个振动信号滤波、积分、存贮以及显示的软件，其三轴加速度信号有软件模拟生成。 希望系系统可以移植到其他的振动测试系统中，再结合硬件实物后，能够形成切实的功能，形成实时性好、功能完善、经济使用的实时监测系统，能够在生产中切实的发挥作用。 众所周知，任何一个实际的集数据采集、转换、分析的检测系统是不可能凌架于物理原件之上的，而这个物理存在，对本振动检测系统而言，由振动源的振动采集，直到输入个人计算机进行分析的这个过程实现的物理依托就是本系统的硬件部分。 其主要三轴加速度传感 器、信号调理电路与数据采集卡组成（包括软件运行依托工作计算机）。 该部分将振动源的加速度信号转化为我们计算机课识别的数字信号，供我们做进一步的计算与分析。 接线方式如下所示： 我们用恒流源为 AD1003X 加速度传感器和 NI PCI4474 数据采集卡提供电源，分别将三轴加速度传感器的三个轴向方向的加速度模拟信号分别接到数据采集卡的前三个通道上，数据采集卡通过 PCI 总线结构，将数据采集卡的插卡直接插入计算机的 PCI 插槽中。 12 三轴加速度传感器部分 三轴加速度传感器是将电机振动源的加速度振动信号转化为我们 可以分析、计算、处理的电信号的核心转换原件，是我们本系统的核心部件，也是我们本系统的第一步，也是最为重要的一环、其性能的优略，决定了本系统的灵敏度、回程误差等重要性能指标，其作用的重要性不言而喻。 压电式 ICP 三轴加速度传感器原理 压电传感器是一种有源传感器。 它是基于压电材料的压电效应为转换原理 而工作的。 压电材料在发生机械形变时，内部产生极化现象，材料的表面会产生电荷聚集的现象。 反过来我们可以根据其电荷的多少来计算其发生应变的大小，继而计算其所受压力的大小。 而具体到我们加速度传感器上的话，由于其 质量是固定不变的，而如我们所熟知的牛顿经典定律 maF ，加速度大小自然可以得出。 加速度也是空间矢量，我们要在立体空间对三个轴向加速度都进行测量，我们可以通过压电元件不同的方向的电荷量的不同来得到相应轴向的加速度值。 ICP 型即将 IC 电荷放大器内置于三轴加速度传感器，直接与压电元件相连接，较少外界噪声对其的干扰。 三轴加速度传感器的选型 本振动检测系统之中的检测对象为高速电机，我们选用江苏靖江所生产的的JGA 型高速电机，其主 要参数如表 所示： 型号 转速（ r/min） 电机参数 功率 (Kw) 电压 (V) 频率 (Hz) 电流（ I） JGA110/ 210000 380 350 根据上述电机振动的检测需求，我们传感器的性能指标提出相应的要求，为了使该系统的适用范围更大，我们对加速度传感器的要求较高。 我们选择灵敏度100mV/g,频率响应 13000Hz，加速度测量量程 30g以上，传感器重量不超过 100g。 传感器的选用原则，我们基本上基于灵敏度与量程范围、线性范围、响应特 13 性、稳定性以及精确 度，在满足此条件下选用经济型。 基于上述原则我们选用了秦皇岛鑫华科技有限公司生产的生产的 ICP 封装三轴压电加速度传感器AD1003X。 图 传感器实物图 如上图所示即为 AD1003X 传感器，该传感器压电材料为压电陶瓷，外壳为不锈钢。 性能参数如下：灵敏度： 100mV/g；非线性度 :  1%，频率响应： ；安装谐振频率： 20KHz。 检测加速度量程： 50g— +50g；输出阻抗：  100 ；重量 :96g。 工作温度 40— 120 摄氏度。 本传感器采用直流 24V 电源，输出方式采用M5 出线。 三轴加速度传感器的安装 根据大型高速电机自身相对传感器足够大，且可以在电机上打孔安装的自身特点，结合《动态测试中加速度传感器安装使用方法摸索及应用》中实验得出的相关结论 ,我们决定采用 M5 螺钉连接安装方式，安装力矩 ，以 获得最佳的频响特性。 :表 ： 序号 安装方式 优点 缺点 1 螺钉连接的安装方式 连接牢固，可获得最佳频响特性 需要在事件上打孔，安装准备工作较为繁琐 2 直接粘结的安装方式 不需要在事件上打孔，安装简单、便捷 连接牢固性较差，频响特性较差，不能用于外壳不绝缘 14 加速度传感器的安装 3 垫块为胶木的安装方式 不需在试件上打孔，安装简单，便捷，且能很好的实现加速度传感器与被测件的绝缘，适用于所用加速度传感器的安装，在三种不同材料垫块中，频响特性最佳 连接牢固性较差，频响特性较差 4 垫块为有 机块的安装方式 不需在试件上打孔，安装简单，便捷，且能很好的实现加速度传感器与被测件的绝缘 连接牢固性较差，频响特性较差，三种垫块中，频响特性最差 5 垫块为酚醛玻璃布板的安装方式 不需在试件上打孔，安装简单，便捷，且能很好的实现加速度传感器与被测件的绝缘 连接牢固性较差，频响特性较差，三种垫块中，频响特性居中 除了传感器的安装方式，安装位置也是十分关键的。 考虑到被测部位的振动状态和传感器的工作环境，以及传感器高的可靠性和灵敏度、宽的频响范围，需要遵循以下 2 个原则：（ 1）选择结构阻尼小、刚度高的位置 作为被测点。 （ 2）由于振动信号在传递过程中幅值要衰减，所以被测点应尽量靠近振动产生的位置。 根据 GB — 1988（代替 GB 2807— 1981）旋转电机振动测定方法及限值中的国家标准规定，测点数为 7 个。 因此本系统进行单通道测量时，传感器选择安装在位置 7，双通道测量时分别安装在垂直和水平方向的位置 1 和 2，进行双通道采集时还要考虑到如果两个传感器同时工作，不能靠得太近，否则会产生交叉感应 [10]。 图 12： 电机振动测定点位图 IEPE 恒流源部分 所谓 IEPE 是 压电集成电 路的缩写，我们 ICP 型三轴压电传感器的输出电压信号十分弱小，不能进行较长距离的信号传输，在传输路径过程中，我们需要对信号进行再次的稳定与放大，跟系统的实际需求 :ICP 型三轴加速度传感器 15 AD100 3X 的三轴向信号的放大需求，及稳定电流 4mA 的电流值，我们选择恒流源。 我们选择市场上的江苏联能公司生产的 IEPE 适配器 YE8321型恒流源，该恒流源有四个通道，可满足我们对于三轴向方向信号的传输放大需求，电流值4mA/10mA 可选，可为我们的 4mA 传感器信号进行配备。 更重要的是该型号为IEPE 型，专门用于传感器 传感器测试，也可作为电压放大器使用，具有频响范围宽，稳定性好，增益、激励电流可调的特点。 实物图如下所示： 图 ： YE8321型恒流源 该型号恒流源具体参数如下：激励电压： 24VDC； 激励电流： 4mA/10mA 可选；响应频率： ；输出信号： mAV 5/10 ,精度： %1 ；噪声：Vrms50 ；输入电压： AC： 220V 50Hz；采用 BNC 接口输入输出，可在 085摄氏度工作，满足我们的使用要求。 其连线部分参见图 ：硬件电路电路接线图所示。 随着计算机的发展越来越普及，功能越来越强大。 现在我们已经习惯于使用计算机来处理速度、压力、流量、位移等物理量，而把模拟信号转换成计算机可以识别的数据信号就需要数据采集。 数据采集卡的选型 目前市场上的数据采集卡也是多种多样，我们选择数据采集在满足通道要求情况下的参数主要有两个，一个是转换精度 ，另一个是采集速度。 依照我们基于 16 本系统三轴路信号转换的实际需求，转换原始信号为电压信号，支持同步采集，主板具有缓存功能，分辨率 12 位，采样率 50kS/s,支持 Lab VIEW RT。 基于上述参数需求，我们选择了 NI 9234动态数据采集卡，实物图如下： 图 NI 9234 动态数据采集卡 本采集卡为 C 型总线结构，其驱动可在 windows 系统运行。 其拥有四个 BNC连接器，具有同时对 4 路电压信号同时予以实时采集的功能，分辨率 24 位，采样频率 ，最大测量输入电压范围 5V— 5V，最大电压范围敏感度 V，板上存储量 1023 样本，动态范围 110dB，激励电流 4mA，功耗 900mW功率较小，我们可以由 USB 接口提供电源直接提供。 满足我们对于本系统的全部需求，我们的选型是合理的。 模拟信号的输入，我们采用浮接方式。 使用浮接的连接方式可以避免对地噪声，避免 BNC 连接器与金属外壳，及与其他模块、机箱的接触有效地降低噪声干扰。 如下图所示，在浮接信号源连接之中，我们信号源的正端连接 BNC 接线端的内部 ，负接线端连接外侧金属。 图 ： NI 9234 采集器与浮接信号源的连接示意图 17 NI 9234 每一个模拟输入通道都通过一个 50 的电阻连接机箱，我们通过将机箱接地处理，可使噪声最小化；每个通道都具有过压保护功能；每个通道的模拟输入信号经过缓冲、调理后， 由 24 位 DeltaSigma 模数转换器对输入信号进行采样。 通过模拟和数字滤波， NI 9234 可精确表示带宽内部信号并且抑制带宽外信号。 基于上述特点与功能， 9234 能够很好地实现本系统数据的采集转换需求。 数据采集卡的安装 NI PCI4474型 4通道 24位动态信号采集卡 可以完美的实现我们对三轴加速度传感器的三个轴向方向感应电压的采集，其 NI 硬件与 LABVIEW 为同一个公司的产品，互相支持没有不兼容现象。 而对于该数据采集卡的安装我们也是非常轻松的。 安装新的硬件之前，我们需要对电脑安装 NIDAQ mx 驱动程序软件，以便让windows 能够检测到硬件产品。 这个驱动安装比较简单，我们按照默认路径进行安装即可，重新启动计算机后就可以了。 本数据采集卡属于 NI 公司 C 系列产品，采用的是 USB 接口可以实现热插拔，所以本硬件的安装没有难度。 我们将其输出的 USB 接头直接插入计算机的 USB接口即可。 信号处理部分 我们对信号处理使用的是 LABVIEW 软件，作为硬件的支撑，我们的 PC 机必须满足运行 LABVIEW 的最低要求。 查阅相关资料得： 双核 CPU。 以上主频 2G 及以上内存空间 10G 以上硬盘空间 Window XP 以上操作程序 通过上述对 ICP 型三轴压电传感器 AD100 3X、联能 IEPE 恒流源 YE 382 18 及 NI 9234 型 数据采集的介绍，大家对硬件部分的组成、功能都有了认识，那么在实际电路中的连接我们由下图所示： 图 ： 硬件电路连线图 我们初始信号由 ICP 型三轴加速度传感器信号输出 ,其包括三个轴向方向 X轴、 Y 轴、 Z 轴分别三个输出端输出至 YE 3821 恒流源，该恒流源由四个通道，我们选择三个接入即可，其电源接 220V 交流电源，三路恒流源输出直接接到 NI 9234 数据采集卡的前三个通道，由于该采集卡为四通道，所以有一个通道作为备用选项，而 NI 9234 数据采集卡通过 USB 接口传至上位机，共后续的处理、显示、及存储。 本章 小结 通过本章我们了解了我们所需要的主要硬件配置，其工作原理与主要作用。 是我们对实际振动检测系统有了全面的了解。 对于本系统的设计也是一个基础，一个平台。 为后续的软件处理做好准备。 1。