振動監(jiān)測系統(tǒng)的可調(diào)增益技術與實現(xiàn)

奚 駿，孫洪軍，李佳桐，符棟梁

(中國船舶重工集團公司第704研究所，上海200031)

關鍵字：振動監(jiān)測；可調(diào)增益；數(shù)據(jù)采集；信噪比

0 引 言

振動測量系統(tǒng)是用于監(jiān)測設備運行振動情況的常用系統(tǒng)，是振動噪聲控制領域中必不可少的重要部分[1-2]。在振動噪聲控制工程應用領域，一旦出現(xiàn)振動故障，面臨維護難度和成本極高的問題，因此需使用振動狀態(tài)監(jiān)測裝置監(jiān)測其運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常振動問題，消除安全隱患，降低設備風險，以保障設備的安全可靠運行。

振動監(jiān)測裝置一般是對機器振動的基本參數(shù)進行測量，測量振動結構上某點的位移、速度、加速度等參數(shù)，用于識別該構件的運動狀態(tài)和噪聲程度[3]，一般利用傳感器獲取振動位移和加速度等信息，并將其轉換為易于處理的信號[4]，通過對信號的分析，判斷機械設備振動的程度，從而有效地施加減振措施或診斷故障[5]。由于測量設備處環(huán)境復雜，噪聲源種類較多，以及電器干擾等因素，振動信號會疊加許多干擾信號，傳統(tǒng)的振動監(jiān)測系統(tǒng)采用對采集信號進行倍數(shù)放大或縮小的方法，單純調(diào)整增益倍數(shù)，信號過大時會引起跳量程，而信號較小時信噪比又很差。因此，為確保振動監(jiān)測結果的有效性，本文設計了一種具備可調(diào)增益功能的振動監(jiān)測系統(tǒng)[6-8]，在傳感器輸出電壓采樣前施加合理增益，能夠做到在線、實時控制數(shù)據(jù)采集(Analog-to-Digital Converter Sampling, ADS)電路電壓的放大倍數(shù)，確保采集到的信號始終保持在數(shù)據(jù)采集器的最優(yōu)采樣量程內(nèi)，滿足ADS較高的信噪比。

1 系統(tǒng)設計

振動測量系統(tǒng)主要由前端傳感器和監(jiān)測終端等設備組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。整個系統(tǒng)主要分為兩個層次，第一層是通過模擬信號線與信號轉換箱相連接的各種類型的前端傳感器，即采集層；第二層是處于局域網(wǎng)內(nèi)，通過以太網(wǎng)相連用于采集前端傳感器信號并作一定處理的監(jiān)測終端，即監(jiān)測層。

圖1 軸系振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of monitoring system for shaft vibration condition

采集層采集信號包括軸系振動位移信號、機腳加速度信號、軸承速度信號、設備整機轉速信號。監(jiān)測層主要包含 32個通道的監(jiān)測終端，通常布置于被測設備旁，該監(jiān)測終端帶有顯示屏可方便現(xiàn)場查看設備振動及運行狀態(tài)，主要用于集中各個測點信號，為前端傳感器供電，實現(xiàn)測量層模擬信號的調(diào)理、變換、模數(shù)轉換，可在終端內(nèi)實現(xiàn)各路信號的處理、運算、設備全壽命周期內(nèi)的數(shù)據(jù)庫形式脫機離線存儲。

監(jiān)測終端為整個系統(tǒng)的核心，負責現(xiàn)場機組振動、轉速、溫度、壓力等信號的采集和處理中同時作為可調(diào)增益控制的核心，它負責計算傳感器初始測量值與數(shù)據(jù)采集量程的比例，按照設定好的放大倍數(shù)關系向可調(diào)增益放大器發(fā)送增益命令，控制增益的幅值。

數(shù)據(jù)采集通過現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)完成。FPGA的采樣頻率為轉速頻率的 64倍，對各個振動位移信號通道進行采集，以固定頻率對振動加速度信號進行采集，然后將采集到的振動信號打包后發(fā)送到 ARM(Advanced RISC Machines)進行詳細數(shù)據(jù)處理。ARM 對采集到的數(shù)據(jù)進行分析，處理特征數(shù)據(jù)，處理內(nèi)容包括單位轉化、快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform, FFT)、各頻段特征值求解、帶通濾波和角度旋轉等。

2 可調(diào)增益功能設計

為提高 ADS模數(shù)轉換數(shù)據(jù)采集時的信噪比，將采集信號的幅值控制在采集量程的合理范圍內(nèi)，本文在上述振動監(jiān)測系統(tǒng)中整合了輸入信號的可調(diào)增益功能。基本思路是在 ADS數(shù)據(jù)采集器前端增加一個可調(diào)增益控制器，以 ADS數(shù)據(jù)采集量程范圍為基準，通過第一批采集數(shù)據(jù)的最大值與ADS數(shù)據(jù)采集量程范圍作比較，將較弱的信號進行放大，將過高的信號控制在合理范圍內(nèi)。可調(diào)增益功能主要由信號轉換箱和監(jiān)測終端兩大部分實現(xiàn)，它以PGA281增益放大器為基礎，結合ARM控制器，將這兩部分組合成為一個可調(diào)增益程控 ADS數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 可調(diào)增益數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of adjustable gain data acquisition and processing system

采集加速度信號的傳感器輸出電壓范圍為-5～+5 V，使用 ADS1278高精度數(shù)據(jù)采集器進行數(shù)據(jù)采集，可采集電壓量程為-2.048～+2.048 V。設置采樣頻率為 128 kHz，為避免第 1包 131 072個點數(shù)據(jù)超過 ADS采集范圍，首先向各放大倍數(shù)寄存器寫入 0.5倍放大參數(shù)，然后從 FPGA采集131 072個點，同時將 FPGA的振動加速度FIFO(FIFO5)置于復位狀態(tài)，暫停信號采集。將采集到的數(shù)據(jù)打包發(fā)送至主板FPGA，主板FPGA對接收到的數(shù)據(jù)進行二次采樣和濾波處理，然后把二次采樣后的數(shù)據(jù)發(fā)給主控制板ARM，找出131 072個點中，0～7FFFFF數(shù)據(jù)的最大值，即正電壓最大值；找出FF800000～FFFFFFFF(高8位補FF)的最小值，即負電壓最大值，依據(jù)電壓計算公式(1)，可以得到正電壓最大值和負電壓最大值，取絕對值可得電壓最大絕對值。

由于ADS采集到的數(shù)據(jù)為16進制數(shù)據(jù)，因此需將16進制數(shù)據(jù)強制轉換為10進制，HEX2DEC(X)即為該過程，X為16進制原始數(shù)據(jù)，是有符號數(shù)。進行數(shù)字量化轉換，當X為0～7FFFFF時，即所采集的 24 bit數(shù)據(jù)最高位為0，則表示所采集的電壓為正電壓，對應的模擬電壓為0～2.048 V；當X為FF800001～FFFFFFFF時，即所采的24bit數(shù)據(jù)最高位為 1，則表示所采集的電壓為負電壓，對應的模擬電壓為-2.048～0 V。ADSS1278為24 bit數(shù)模轉換器，將該設備采集電壓的幅值換算為 10進制數(shù)字為224(-8 388 607～+8 388 607)，相對應的電壓采集范圍-2.048 V～+2.048 V，通過式(1)可以實時計算加速度計實測輸出值V。

ADS1278模數(shù)轉換器在采集加速度計輸出電壓前，需根據(jù)實測電壓大小對應調(diào)節(jié)至有效采集量程，因此需要在控制程序中規(guī)定不同范圍的實測電壓對應的增益幅值。對輸入信號進行放大/縮小則要求電壓放大部分按照給定的增益，由控制算法調(diào)節(jié)放大倍數(shù)來實現(xiàn)信號的放大/縮小，放大倍數(shù)與電壓絕對值范圍對應關系如表1所示。

表1 控制寄存器放大倍數(shù)查找表Table 1 Checklist of controlling register magnification

依據(jù)得到的電壓值V查詢表1，確定寫入放大倍數(shù)寄存器的增益放大值，依據(jù)集成電路總線(Inter-Integrated Circuit, I2C)地址與通道號對應關系，通過I2C寫入數(shù)據(jù)，延遲5 ms后將振動加速度FIFO (FIFO5)置于工作狀態(tài)，繼續(xù)采集一包131 072個點進行運算，以此循環(huán)完成整個增益控制環(huán)節(jié)。

振動監(jiān)測裝置共32個通道，其中22個通道用于采集振動加速度，10個通道用于采集振動位移，加速度計的輸出電壓范圍為-5～+5 V，根據(jù)需要，僅加速度信號需要進行增益控制，因此可調(diào)增益數(shù)據(jù)采集命令流程需要同時對 22個通道進行配置，以達到實時調(diào)節(jié)增益的目的。

2.1 硬件系統(tǒng)設計

根據(jù)上述設計要求，可調(diào)增益電路如圖3所示。可調(diào)增益的程控放大功能由可編程增益放大器PGA281、AD轉換芯片ADS1278和主處理器來實現(xiàn)，PGA281的增益大小通過主處理器的IO直接控制。系統(tǒng)每次確定下一包數(shù)據(jù)的增益之前，需要先給PGA281一個固定的增益，并通過ADS1278采集一包樣本數(shù)據(jù)，然后根據(jù)樣本數(shù)據(jù)的最大值確定下一包數(shù)據(jù)的增益值。綜上所述，程控增益電路最終實現(xiàn)對信號增益的在線控制功能。

圖3 實現(xiàn)可調(diào)增益的電路圖Fig.3 Circuit diagram of implementing adjustable gain

2.2 軟件系統(tǒng)設計

軟件部分使用verilog編程語言。由表1可知，為實現(xiàn)電路的可調(diào)增益控制功能，需要編程數(shù)據(jù)依據(jù)電壓實測大小，寫入對應控制量程的增益幅值。主處理器會根據(jù)當前時刻小信號的幅度來設定PGA281的增益，即每次設定有效增益之前，先設定一個固定增益，并通過AD采集一包樣本數(shù)據(jù)，根據(jù)樣本數(shù)據(jù)的最大值來給出相應的增益。

首先判斷131 072點的絕對值最大值，并轉換為電壓值，其中放大倍數(shù)N共16級，為G0～G6二進制數(shù)對應的 10進制整數(shù)。然后在該電壓值對照表內(nèi)找到對應的放大倍數(shù)，并將每個通道的增益寫入FPGA，最終實現(xiàn)整個增益在線可控的效果。

3 模擬對比測試

使用函數(shù)發(fā)生器模擬頻率為 15 kHz的差分方波信號，同時使用函數(shù)發(fā)生器模擬頻率為 45 Hz、幅度為 20 mV(峰峰值)的正弦波信號輸入到機腳加速度通道 1，跟蹤轉速和固定采樣共用一個物理通道，且共用一次采樣的數(shù)據(jù)。利用 ADS數(shù)據(jù)采集裝置可獲取該通道的振動頻譜圖，如圖4所示。圖4(a)和圖 4(b)分別為引入可調(diào)增益前后的頻譜圖，兩者在45 Hz處的尖峰幅值均為129 dB，但噪聲均值分別為60 dB和55 dB，可見引入可調(diào)增益后對于ADS采集數(shù)據(jù)的信噪比有明顯的改善效果。

圖4 可調(diào)增益處理前后的振動信號頻譜對比圖Fig.4 Spectrum comparison of vibration signals before and after adjustable gain processing

4 實際工況測試

汽輪發(fā)電機組實際轉速工況為：轉速6 000 r·min-1，功率1.6 MW，利用振動監(jiān)測系統(tǒng)測量電機自由端軸承徑向水平振動位移與振動加速度。在相同工況條件下測量6次，測得位移振幅峰值處頻率變化在 0.2 Hz以內(nèi)，位移幅值變化在0.5 μm以內(nèi)。將平均測量結果得到的振動位移幅值的時域波形圖與頻譜圖分別如圖5和圖6所示。汽車機組自由端徑向振動波特圖如圖7所示。根據(jù)實際工況下的測試數(shù)據(jù)可以看到，其軸系振動位移幅值較小，自由端振動位移有效值為5 μm，振動加速度尖峰幅值為106.6 dB。

圖5 汽輪發(fā)電機組自由端的徑向振動位移圖Fig.5 Radial vibration displacement at free end of steam turbine generator set

圖6 汽輪發(fā)電機組自由端徑向振動位移頻譜圖Fig.6 Spectrum of radial vibration displacement at free end of steam turbine generator set

圖7 汽輪發(fā)電機組自由端徑向振動波特圖Fig.7 Bode diagram of radial vibration at free end of turbine generator set

根據(jù)測試結果，在汽輪發(fā)電機組位移振幅較小的情況下，振動監(jiān)測裝置測得的加速度信號可以達到優(yōu)于50 dB以上的信噪比，能夠滿足設備振動噪聲的監(jiān)測與分析要求。

5 結 語

本文設計了一種具備可調(diào)增益功能的振動監(jiān)測系統(tǒng)，將 ADS數(shù)據(jù)采集器與增益放大電路相結合，對加速度計的輸出電壓進行有效放大或縮小。通過仿真和實際測量實驗可以得出：引入可調(diào)增益環(huán)節(jié)后，采集信號始終保持在數(shù)據(jù)采集器最優(yōu)采樣量程內(nèi)，能夠實現(xiàn)較高信噪比的數(shù)據(jù)采集，在汽輪發(fā)電機組振動監(jiān)測領域具有工程應用價值。