機組故障振動信號無線采集實現

閆曉偉, 郭虎生

（1. 92060部隊，遼寧大連116041; 2. 海軍工程大學, 武漢 430033）

0 引言

分析電機組振動信號是對電機運行狀態監測和故障診斷的主要技術手段之一[1]，已被廣泛應用于機械振動故障診斷領域。發動機組、發電機組等大型電機作為船舶上的關鍵設備，其運行狀態直接決定船舶的工作狀況，任何故障都可能給對船舶運行帶來嚴重的危害。目前世界航運先進國家已逐步將電機的振動狀態分析應用于船舶主機的運行監測上[2]。通過提取電機組上各個部件的表面振動信號，就可監測電機內部的運轉情況，達到故障前期預警的目的[3]。由于電機組設備空間狹小，不利于電動式振動傳感器的安裝，故本文提出利用具有小體積的三軸 MEMS作為測量核心器件并給出了多通道采集和無線傳輸方案，構建了對機組振動狀況檢測的無線采集系統。

1 MEMS原理

由于硅微機械加工技術MEMS的迅猛發展，目前各種基于MEMS技術的器件也應運而生，與傳統傳感器相比具有體積小、質量輕、成本小、功耗低、可靠性高等特點，因此基于MEMS的傳感器在各個方面得到了較為迅速的應用。本文采用硅微電容式加速度傳感器作為核心傳感原件，差動式加速度計結構原理如圖1所示，繞性臂支撐質量塊，兩邊各有固定電極A和B，當有加速度輸入時，質量塊與電極A和B組成的電容值發生變化，信號經放大后提供正比與輸入加速度的電壓信號。

2 系統設計

目前振動信號采集系統大多利用電動式振動傳感器并加以后續的信號調理電路、存儲器等組成，其采集系統體積大、價格高、分辨率低，同時由于電動式傳感器多為單軸、雙軸，不利于提取振動信號的多維信息。針對這種問題，本文提出了一種以三軸 MEMS加速度計的無線振動信號采集系統，可完成對加速度傳感器輸出信號調理、采集、功耗控制和數據存儲等功能。

該系統將傳感器的加速度信號轉化為相應的電壓信號輸出，信號經過模擬調理電路到三通道24位AD芯片轉換成數字信號，獲取的數據可存儲至大容量SD卡中，同時通過無線模塊傳輸至上位機進行實時檢測。測量系統的組成框圖如圖2所示。

測量系統由MEMS加速度傳感器、信號放大濾波電路、多通道數據采集電路、無線通信電路、SD卡存儲模塊、單片機系統和電源轉換電路等組成。升壓電路實現7-18v電壓轉換，為置位重置電路提供正常工作電壓；INA118和后續的濾波電路完成對信號的放大、濾波；單片機三片AD7190實現三軸振動信號的同步采集； SD卡模塊用于存儲前端采集到的數據，無線模塊傳輸采集信號至計算機進行分析。

2.1 采集模塊

信號采集單元主要完成對三軸振動信號的采集的功能，包括信號調理、濾波放大、去直處理和A/D轉換等。考慮到信號分辨率、功耗及采樣頻率等因素，采用低功耗24位AD芯片實現信號三軸信號的同步采集，芯片選用 ADI公司的 24位器件AD7190。AD7190具有低功耗、低噪聲和完全模擬輸入前端，可應用在低頻、微弱信號的測量場合[4]。其具有 3個模擬輸入通道、低噪聲可編程增益放大器，其電源電壓 2.7-5.25 V、工作時的電流僅為380 μA。通過三個SPI接口以三線連接模式，單片機分別與AD7190連接，是通過一系列的片上寄存器來實現對AD7190的控制和操作。同時為保證數據采集的精度必須保證基準源具有極高的精度，因此選用ADR445作為外部基準源為三片 AD7190提供 5V基準電壓。ADR445主要工作特性：

表1 ADR445主要工作特性

由表 1可見，ADR445可滿足高精度數據采集的要求。

2.2 存儲模塊

記錄振動數據可用于后期的信號處理分析，便于對故障問題進行記錄分析。這就要求存儲器記錄的容量要足夠大，若采樣頻率為10 kHz，24位量化采集，1 s采集時間內，采集三軸振動信號需要的數據存儲容量約為90 kB。傳統的數據采集系統多采用 Flash芯片作為存儲介質，而該芯片容量小、價格高不滿足本系統提出的大容量高速存儲的要求。針對這個問題，文中采用大容量SD卡作為存儲介質，和FAT32文件系統作為存儲模塊。存儲模塊最大的數據存儲速度是 14 kB/s，最大支持32G SD卡。

SD卡（Secure Digital Card），是一種大容量，高性能，具有體積小、訪問接口簡單等特點[5]。SD卡模塊通過串口與單片機連接獲取單片機發送過來的數據，模塊設計FAT32文件系統配合自動創建文件的方式來管理獲取的數據。在 SD卡中建立FAT文件系統后，所采集數據就以文件的形式存放在 SD卡上，用通用的SD卡讀卡器將數據讀出后就可以利用 Matlab等軟件進行分析處理[6], 對數據的存儲是將 SD卡作為文件系統的存儲介質，由實時操作系統控制，測試表明，該方法程序簡單，易于實現，故本系統采用該方式進行SD卡數據存儲。

圖3 SD存儲流程圖

2.3 無線傳輸模塊

基于低功耗和高性能的要求，無線傳輸模塊的射頻芯片選擇了德州儀器公司的 CC2531芯片。其發射頻段為2.4 GHz，具有多種用電模式，可根據實際功耗選擇相應的模式。芯片可應用于無線 ZigBee模塊設計中，便于組成無線網絡節點。

3 實驗結果

為對電機振動進行多點分析，將所設計的三套無線采集設備分別剛性連接在電機外殼不同位置，對電機的振動信號進行實時采集。采樣頻率設置為500 Hz，無線采集得到三處電機振動信號如圖 所示。

為了進一步對振動采集信號進行分析處理，對所獲取的原始信號進行FFT變換 。

對信號進行頻譜分析后，發現無線采集的三處電機振動信號頻譜具有很強的一致性，驗證了本文設計系統的可靠性。

4 結語

本文在MEMS加速度傳感器的基礎上，設計的具有無線傳輸功能的電機振動信號采集系統，該系統可以用于機械故障預警檢測，并可對電機組進行實時檢測，為電機組故障預警及診斷鋪墊了基礎。

[1] 張毅, 趙棟等. 基于分布式全光纖傳感器的電機故障診斷系統研究[J]. 傳感器與微系統, 2011, 30（4）:41-45.

[2] 楊建春, 景建方等. 電機組振動故障實時監視技術研究[J]. 船電技術, 2012, 32（3）: 41-45.

[3] 蓋強, 瑪杰等. 艦船主機故障診斷系統[J].儀器儀表學報, 2004, 25（4）: 170-174.

[4] 3-Channel, Low Noise, Low Power, 24-/16-Bit ∑-Δ ADC AD7190 [Z]. Analog Devices.

[5] 鄧劍，楊曉非等. FAT文件系統原理及實現[J]. 計算機與數字工程，2005，（9）:105-108.

[6] 陳惠濱，陳僅星. 嵌入式文件系統在移動數據采集器中的實現[J].電子器件，2005，（ 9）:608-611.