無線三軸振動測試系統(tǒng)的設(shè)計

王連冰, 薛靜遠(yuǎn), 韓麗曼, 李壽濤

(吉林大學(xué) a. 通信工程學(xué)院； b. 生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院, 長春 130022)

0 引 言

由于機械設(shè)備在運行過程中不可避免地會產(chǎn)生振動, 不僅會造成設(shè)備零件的機械疲勞, 損壞機器的零部件等, 也會造成人體器官的平衡失調(diào), 損害人體健康。而異常振動往往是判斷設(shè)備是否發(fā)生故障的有效方法[1]。通過對機械設(shè)備工作過程中產(chǎn)生的振動信號進(jìn)行采樣和分析, 可以獲得振動的頻率、 加速度、 速度和位移等信息, 根據(jù)這些數(shù)據(jù), 可以提前預(yù)示和定位故障, 從而進(jìn)行減震及優(yōu)化設(shè)計, 及時避免故障的發(fā)生。此外, 振動檢測還可以應(yīng)用于無損探傷、 測厚、 零件計數(shù)以及路面平整度檢測等工程實際領(lǐng)域[2-4]。

機械設(shè)備的振動檢測有助于評價設(shè)備的運行狀態(tài)及定位潛在和隱形的故障。在工程領(lǐng)域, 基于振動的各種檢測技術(shù)已經(jīng)普及, 如發(fā)電機組的在線監(jiān)測、 纜車?yán)|繩的檢測和橋梁的監(jiān)測等, 通過測試被測設(shè)備的振動參數(shù)(加速度、 速度、 位移和頻譜等)[5-8], 分析和判斷設(shè)備的工作狀態(tài)。目前, 振動診斷技術(shù)常與設(shè)備工作狀態(tài)(如轉(zhuǎn)速、 固有頻率、 采樣率和量程)有關(guān)。因此, 大多數(shù)通用的振動傳感器, 并不適用于拖拉機、 振動篩等動力機械的震動烈度檢測和故障診斷, 同時, 其后期的振動信號處理分析單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 線路雜亂, 使用方法繁瑣, 不便于攜帶, 且此類檢測裝置往往成本較高。特別是在一些特殊條件下, 如行進(jìn)或工作等特殊場合, 要求多軸同時達(dá)到測試要求, 通用的振動傳感器既不方便進(jìn)行線路連接, 測量精度也較低, 具有很大的安全隱患。

筆者以拖拉機振動為切入點, 針對工程領(lǐng)域中的車輛和復(fù)雜環(huán)境下機械設(shè)備的振動監(jiān)測需求, 制作了基于微機電系統(tǒng)(MEMS: Micro-Electro-Mechanical System)三軸加速度檢測芯片的無線三軸振動測試系統(tǒng), 它由以STM32F103單片機為主的控制單元、 MEMS芯片為主的采集單元、 藍(lán)牙通信模塊為主的無線傳輸單元等組成, 并包含上位機接收端, 既可以實現(xiàn)振動數(shù)據(jù)采集, 也可以實現(xiàn)傳感器內(nèi)頻譜分析和振動數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能, 并將所有數(shù)據(jù)無線輸出, 簡化了振動測試系統(tǒng)的硬件構(gòu)成和操作難度, 降低了成本。

1 設(shè)計方案

該項目的主要研究內(nèi)容是根據(jù)拖拉機的環(huán)境及技術(shù)要求, 研制出一套可快速拆裝的系統(tǒng), 用于振動數(shù)據(jù)采集、 分析與發(fā)送, 系統(tǒng)包括無線三軸振動采集分析傳感器的硬件設(shè)計與無線接收端上位機的軟件設(shè)計兩個部分。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Systematicoverall structure block diagram

1.1 硬件設(shè)計

傳感器的硬件主要包括信號采集、 處理、 數(shù)據(jù)無線發(fā)送和供電單元4個部分。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Systematic structure block diagram

1) 信號采集。主要元件是加速度傳感器, 采集的信號為加速度信號, 加速度傳感器的選擇主要根據(jù)測試對象特點, 并參考傳感器最大量程、 靈敏度、 三軸采集頻率、 輸出數(shù)據(jù)類型及方式、 價格等參數(shù)。該設(shè)計方案選取了MEMS加速度傳感器作為振動采集元件, 因為其具有體積小、 重量輕、 功耗小等優(yōu)點, 滿足了對體積和空間的苛刻要求的應(yīng)用場景。由于測試對象為拖拉機的發(fā)動機, 其動力系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)特點決定其主要振動是低頻振動。由于低頻振動屬于弱信號檢測范疇, 因此對加速度傳感器的低頻特性、 靈敏度有較高的要求。

信號采集單元的電路設(shè)計如圖3所示。

2) 信號處理。主要包括STM32最小系統(tǒng)以及其他外圍電路, 既是三軸傳感器的信號處理單元, 也是主控單元。這一單元需要做到控制加速度傳感器, 并接收加速度數(shù)據(jù)； 處理加速度數(shù)據(jù), 并將原始數(shù)據(jù)與處理后數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙模塊無線發(fā)送。信號處理單元的電路設(shè)計如圖4所示。

圖4 信號處理單元電路設(shè)計Fig.4 Circuit design of signal processing unit

圖5 數(shù)據(jù)無線發(fā)送單元電路設(shè)計Fig.5 Circuit design of data wirelesstransmission unit

3) 數(shù)據(jù)無線發(fā)送。主要元件為藍(lán)牙模塊, 其主要功能是發(fā)送加速度傳感器采集的原始數(shù)據(jù)與經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù), 并負(fù)責(zé)與上位機相連接。數(shù)據(jù)無線發(fā)送單元的電路設(shè)計如圖5所示。

4) 供電。傳感器采用內(nèi)置3.7 V鋰電池供電, 對外設(shè)有Micro USB接口進(jìn)行充電, 還應(yīng)包括穩(wěn)壓、 降壓、 升壓、 保護(hù)和電壓檢測等電路。供電單元的電路設(shè)計如圖6所示。

在完成上述電路設(shè)計后, 制作了集成化的印制電路板(PCB： Printed Circuit Board), 從而進(jìn)行整體體積以及相應(yīng)線路的簡化, 避免了大量的線路連接造成的不便, PCB板如圖7所示。

圖6 供電單元電路設(shè)計Fig.6 Circuit design of power supply unit

a 正面 b 反面圖7 PCB板設(shè)計實物圖Fig.7 PCB board design physical map

1.2 軟件設(shè)計

圖8 傳感器軟件設(shè)計流程Fig.8 Flow chart of sensor software design

圖9 傳感器結(jié)構(gòu)Fig.9 Sensor structure diagram

該振動測試系統(tǒng)的軟件部分主要為手機APP, 用其進(jìn)行振動信號的數(shù)據(jù)接收繪制, 并給出被測設(shè)備的工作狀態(tài)及故障檢測。功能傳感器的軟件主要包括加速度傳感器、 藍(lán)牙模塊初始化, 振動數(shù)據(jù)讀取、 處理以及發(fā)送5個部分, 傳感器軟件設(shè)計流程如圖8所示。

1) 加速度傳感器初始化。主要是通過設(shè)置其寄存器從而配置采樣頻率、 采樣量程、 靈敏度、 工作模式和通信波特率等參數(shù)。

2) 藍(lán)牙模塊初始化。主要是設(shè)置其波特率。

3) 振動數(shù)據(jù)讀取。主要是控制STM32接收加速度傳感器發(fā)送的原始數(shù)據(jù), 根據(jù)加速度傳感器通常使用的通信協(xié)議或方式, 進(jìn)行相應(yīng)接收數(shù)據(jù)程序的編寫。

4) 振動數(shù)據(jù)處理。對加速度數(shù)據(jù)的處理主要包括2方面： 時域分析與頻率分析。根據(jù)這兩種分析方法各自對應(yīng)的算法進(jìn)行程序的編寫, 如快速傅里葉變換(FFT： Fast Fourier Transform)等。

5) 振動數(shù)據(jù)發(fā)送。振動數(shù)據(jù)的發(fā)送主要通過藍(lán)牙模塊, 即將原始數(shù)據(jù)與處理后的數(shù)據(jù)一并發(fā)送到上位機。

1.3 外殼設(shè)計

傳感器的結(jié)構(gòu)如圖9所示。傳感器固定結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要做到快速拆卸, 并能與被測對象牢固結(jié)合, 而且其接觸結(jié)構(gòu)需要能同時適應(yīng)平整光滑或凹凸不平的表面。結(jié)合筆者設(shè)計背景, 針對傳感器的體積及快速粘結(jié)需求, 筆者擬設(shè)計傳感器的外部結(jié)構(gòu)為磁座連接結(jié)構(gòu)。首先, 利用CATIA軟件進(jìn)行3維建模； 然后, 通過3D打印制作外殼, 安裝磁吸頭； 最后, 集成安裝傳感器的硬件部分, 進(jìn)行整體的外形設(shè)計。

2 實現(xiàn)與測試

在無線三軸振動測試系統(tǒng)制作完成后, 對其進(jìn)行準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性的測試與標(biāo)定。首先, 將無線三軸振動采集分析傳感器安裝在發(fā)動機的不同位置, 如圖10所示。

圖10 振動測試系統(tǒng)實際測試Fig.10 Practical test of vibration test system

在基于振動信號的發(fā)動機故障的診斷中, 測試了拖拉機發(fā)動機固有頻率主要集中在3～5 Hz, 其機械振動為低頻振動, 約為10～1 000 Hz, 發(fā)動機轉(zhuǎn)速在700～3 000 r/min, 振動頻率約為30～60 Hz, 最高不超過100 Hz。根據(jù)采樣定理, 為了確保信號在采集后能不失真還原, 筆者擬使用4倍于被采信號的頻率進(jìn)行采樣, 所以振動系統(tǒng)中對振動信號采集時的采樣頻率為1 000 f/s, 在實驗所測轉(zhuǎn)速為750 r/min時進(jìn)行多次振動數(shù)據(jù)采集。為了衡量發(fā)動機振動標(biāo)準(zhǔn), 筆者采用了目前國際上比較流行的振動烈度反映振動信號的大小, 此特征參數(shù)的物理意義明確, 監(jiān)測方便, 計算簡單, 同時又具有代表性、 敏感性和穩(wěn)定性； 當(dāng)機械狀態(tài)發(fā)生變化時, 振動烈度能反映出機械運行狀況的真實狀態(tài), 并且它受外界干擾的影響小。

在做數(shù)據(jù)分析時, 所采集的信號原始數(shù)據(jù)存在一定范圍的震蕩和低頻分量, 傳感器自身放大器隨溫度變化產(chǎn)生的零點漂移、 傳感器頻率范圍外低頻性能的不穩(wěn)定以及傳感器周圍環(huán)境的干擾等因素, 往往會偏移基線, 偏離基線的大小還會隨時間變化, 這些影響會產(chǎn)生趨勢項。由于趨勢項會使測量數(shù)據(jù)失真, 使反映出的被測環(huán)境真實狀況產(chǎn)生偏差, 影響對數(shù)據(jù)時域分析的結(jié)果, 所以在實驗中應(yīng)用了最小二乘法去除趨勢項。

衡量物體的振動強度通常有3個標(biāo)準(zhǔn)： 位移、 速度和加速度, 通常情況下采用振動烈度衡量振動強度的大小。振動烈度(Vibration Severity)定義為頻率10～1 000 Hz范圍內(nèi)振動速度的均方根值[9-10], 是反映一臺機器振動狀態(tài)簡明綜合、 實用有效的特征量, 計算方法如下

(1)

其中VX、VY、VZ分別為X、Y、Z3軸的速度值。

振動烈度的單位一般用mm/s, 若振動烈度用分貝(dB)表示時, 選定Vref=10-5mm/s為參考值, 則振動烈度的分貝值為20lg(Vrms/Vref) dB。當(dāng)振動烈度Vrms=10-5mm/s時為0, 當(dāng)Vrms=0.45 mm/s時為93 dB。

在不同的轉(zhuǎn)速下, 無線三軸振動采集分析傳感器可測得測試點發(fā)動機溫度、 振動烈度和X、Y、Z3軸的加速度值以及所占振動烈度百分比。表1為某一測試點的振動數(shù)據(jù), 該點溫度為T=71.7 ℃。

表1 振動數(shù)據(jù)

該組振動數(shù)據(jù)所得的加速度曲線及經(jīng)FFT處理后的曲線如圖11～圖16所示。

圖11 第1次測試加速度曲線 圖12 第1次FFT處理后隨頻率變化的振幅 Fig.11 First test acceleration curve Fig.12 First Frequency-dependent amplitude after FFT processing

圖13 第2次測試加速度曲線 圖14 第2次FFT處理后隨頻率變化的振幅 Fig.13 Second test acceleration curve Fig.14 Second Frequency-dependent amplitude after FFT processing

圖15 第3次測試加速度曲線 圖16 第3次FFT處理后隨頻率變化的振幅 Fig.15 Speed curve of the third test Fig.16 Third Frequency-dependent amplitude after FFT processing

通過對所測得和繪制數(shù)據(jù)圖像的分析, 獲得了拖拉機振動的頻譜特征, 對照典型機械故障振動頻譜特征圖庫, 進(jìn)而可以快速判斷拖拉機的工作狀態(tài)以及是否有零件失效、 裝置質(zhì)量缺陷等故障發(fā)生。筆者通過無線三軸振動測試系統(tǒng)測得的速度曲線和計算的振動烈度與利用分體式測振儀測得的振動烈度比較, 從而對該系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定, 并驗證了該系統(tǒng)的可靠性。

3 結(jié) 語

筆者針對特殊環(huán)境下機械振動測試需求, 提供一種低成本、 高集成無線三軸振動測試系統(tǒng), 有助于簡化實際工程中機械設(shè)備測試工藝, 也可提高對機械設(shè)備快速開發(fā)適應(yīng)測試條件要求的測試系統(tǒng)的監(jiān)測效率和準(zhǔn)確性[11]。與傳統(tǒng)振動測試系統(tǒng)相比[12], 該振動測試系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、 體積小、 易攜帶、 無線傳輸數(shù)據(jù)、 內(nèi)置數(shù)據(jù)分析功能簡化后期數(shù)據(jù)處理復(fù)雜度等特點, 在一些動力機械的振動烈度檢測和故障監(jiān)測方面具有很大的應(yīng)用前景, 對開展多軸振動試驗系統(tǒng)的相關(guān)研究具有理論和工程應(yīng)用價值。