智能动平衡仪是检测机器由于转子不平衡而引起振动的仪器。在实施动平衡前,先对振动信号进行频谱分析,按照Sohre JS 旋转机械动原因及振动特征分析表[1],根据现场情况来指导转子系统进行动平衡。本文以开发成功的微速差双转子系统智能化整机动平衡仪为例,从频谱分析的意义和具体实现两个方面详细讨论用频率扫描抽取指定频率振动分量有效值的方法实现硬件频谱分析的原理。

频谱分析的方法主要有两种:软件频谱分析和硬件频谱分析，软件频谱分析是一种数字处理方法,它将A/ D 采集到的信号,经过FFT 变换来获取振动信号的频谱。而硬件滤波是一种硬件直接对振动信号进行扫频获得信号频谱的方法。软件频谱的优点是分析算法成熟、易于移植、实施十分方便。但它占用内存较大,对微处理器的相对要求太高。在我们开发的微速差双转子智能化整机动平衡仪中,由于不解拍整机动平衡分析过程复杂,数据处理量大,为了节省空间,仪器没有采用软件频谱分析,而是采用比较简单的硬件频谱分析方法,下面对它的原理和具体实现进行详细地介绍。

硬件频谱分析的实现：

智能动平衡仪是通过5G6515跟踪滤波器从复杂的振动信号中提取不平衡拍振信号的。5G6515 是由双二次型电路构成的二阶开关电容滤波器和中心频率输入的检波电路组成的带通滤波器。该电路具有较高的品质因数( Q= 74.5),5G6515的主要参数如表1 所示,其频相曲线如图1 所示。其中fo为带通滤波器的中心频率, fL和fH分别为低端和高端的截至频率,其通带带宽BW=fH-fL=fo/ Q ;过渡带宽TW=f2 -fU=fL-f1≈0.16fo。由此可见5G6515 的通带带宽和过渡带带宽都很窄,具有良好的选频特性。图2为利用5G6515 构成的简单硬件频谱分析工作原理图。测振传感器测得的振动信号,经过信号预处理电路放大或衰减后送入跟踪滤波器。8031利用内部的定时器通过P1.3脚输出频率为32fo的方波,用它去控制跟踪滤波器5G6515 的中心频率。经跟踪滤波后的振动信号,通过绝对值电路,获取振动信号中频率为fo振动分量的有效值,然后经A/ D 转换后,送入单片机进行进一步的处理和显示。

当通过软件改变定时器的定时长短(即改变fo) ,对振动信号进行频率扫描[3],这样就可以实现振动信号的简单频谱分析。图1中的开关K用于选频信号和通频信号之间的切换,提取通频信号的目的是为了更方便地确定各频率成分占总振动量的比值。下面对定时器的选择,频谱分析范围、谱线间隔、绝对值电路及硬件频谱分析的软件流程进行讨论。

定时器的选择和频谱分析范围的确定：

8031定时器是通过对微处理器的机器周期脉冲进行计数来实现的,硬件频谱分析能够跟踪的最小频率同8031 定时器能定时的最长时间有关。在智能动平衡仪中,单片机系统的晶振频率fosc= 12MHz,一个机器周期为: Tmin = 12/ fose= 1μs,8031定时器有3 种定时方式,每种方式对应的最大定时时间分别为:

方式0:13 位定时器最大定时间隔:

Tmax = 213 ×1μs = 8.192ms

方式1:16 位定时器最大定时间隔:

Tmax = 216 ×1μs = 65.536ms

方式2:13 位定时器最大定时间隔:

Tmax = 28 ×1μs = 256μs

显然用8031定时器方式1 来产生跟踪滤波器中心频率的控制信号最为合理。根据计算,用8031定时器方式1,仪器能跟踪的频率范围(频谱分析范围)为:0.24 Hz~15.6kHz 。

3.2 硬件滤波的谱线间隔确定

由前面的分析可知,硬件频谱分析是通过改变8031 定时器的间隔,控制5 G6515 的中心频率,实现对振动信号的频谱扫描的。那么扫频间隔Δf取多少比较合理呢?仪器采用了在关键频率

点进行离散频谱扫描的办法,实现振动信号的频谱分析,其主要理由如下:

(1) 由文献[1]旋转机械振动分析症候表可知,常见故障引起的振动主要分布在下列频率点:

4fo、2fo、fo、2fo、3fo及高倍工频等。

(2) 5G6515 存在一定的过渡带宽度,为了尽量减小因过渡带宽引起频谱分析误差,不能使扫描频率的间隔太窄。

(3) 减少频谱分析的时间。

(4) 便于频谱在液晶屏上的显示。

图3为在液晶屏上显示的,对1 8fo、1 4fo、1 2

fo、fo、2fo、3fo、4fo等关键频率点进行了扫描的频谱图,其中∑f表示通频振动信号。仪器除了设置上述特殊频率点的频谱扫描外,还加设可以对任意频率点进行有效值捕捉的功能,方便用户对所需频率点进行频谱分析。

3.3 绝对值电路的工作原理

衡量振动大小有多种指标,既可以用峰峰值或半峰值来表示,也可以用有效值来表示。从物理上讲有效值反映了振动能量的大小,而振动能量的大小表征了振动对机器的危害程度,因此频谱分析时,采用有效值来表征振动的大小就显得比较合理。要得到振动信号的有效值必须对信号进行整流,为了提高测量精度,系统中采用了可对微电压进行整流的绝对值电路。

其电路如图4 所示,OP放大器A1 起到负输出理想二极管电路的作用,A2为2:1 比率的加法器,当正半周输入时,A1输出为被倒相ei,与ei反相相加后的输出eo= -( ei- 2ei)= +ei。因为R3:R4 = 2 :1,所以- 2ei可看作等效的2 倍输入电压。负半周输入时,A1 被断开, eo= -(-ei- 0)= +ei,输入信号被原样通过。R1 、R3 决定输入电阻,由于要求扫描的信号频率是1 Hz~ 1 kHz,频率不是很高, R1、R3的取值可取为15 kΩ。其它电阻的取值分别为R2 = 10kΩ, R4 = 7.5 kΩ, R5 = 10kΩ,此时电路的增益为A=R5/ R3 = 1。电容器C1在进行全波整流时起到平滑电容的作用。该电路是理想二极管电路的应用实例之一,可以对微小电压进行准确的整流。

3.4 硬件频谱分析的软件流程

硬件频谱分析的软件流程如图5所示。微速差双转子系统智能化整机动平衡仪的频谱分析是按照本文介绍的方法实现的。实践证明这种频谱分析法具有内存开销小,硬件电路简单,实现方便的优点,能满足动平衡仪进行简单频谱分析的需要。

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