基于DSP的泵站動力機組振動測量系統

摘 要：在大型泵站日常運維工作中，泵站機組的振動現象是巡查工作的要點之一。機組運行過程中受外界或自身因素引發的異常振動可以通過測量動力機組外殼的振動情況進行有效觀測。鑒于此，對動力機組實際運行過程中產生的振動信號進行收集和測量，提出一種基于加速度傳感器及微控制器的振動測量方案。該方案能夠進行動力機組的振動信號采集，并通過微處理器進行數據可視化，對大型泵站的日常運維工作起到正向作用。

關鍵詞：傳感器；加速度；振動；數據可視化；微控制器；測量系統

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）05-00-03

0 引 言

在日常工作中，機組設備在面對各種任務時難以避免地會出現故障損壞，所以日常的運維工作十分重要[1-2]。在工程應用過程中，當機組出現異常噪聲或振動聲音，或者機組的旋轉部件存在不平衡或偏心現象，可能會導致機組產生明顯的振動，影響設備的安全和穩定運行。因此，在大型泵站日常運維工作中，泵站機組的振動現象是巡查工作的要點之一，工作人員需要通過定期的振動檢查和監測，及早發現機組運行中存在的問題，并采取適當的維護和修復措施，以確保機組的安全、可靠和高效運行。為了清晰地顯示機組運行過程中受外界或自身因素引發的異常振動，可以通過測量動力機組的電動機部分的振動情況進行有效觀測[3-5]。

1 方案設計

泵站動力機組振動測量系統主要由加速度傳感器、微控制器、顯示模塊等組成，系統的總體結構如圖1所示。本系統采用加速度傳感器精確采集機組設備的振動信號，再將信號送入DSP進行數據采樣和處理，并將數據輸出給OLED模塊進行可視化處理。在振動信號采集的過程中難免會受到外部干擾，因此需要加入外部濾波電路進行振動信號處理。本文測試對象的振動頻率較低。

2 硬件設計

2.1 加速度傳感器ADXL335

本系統采用ADI公司的ADXL335三軸加速度傳感器，ADXL335功耗低、集成度高，能夠在較寬的工作范圍內進行準確的加速度測量，可測量的加速度范圍通常為±3 g。其通過標準的模擬輸出接口，以電壓的形式提供加速度數據，可以與大多數微控制器兼容。它不僅測量靜態加速進行傾斜測試，而且還測量其他加速，例如沖擊、運動或振動[6]。

同時，ADXL335是一種MEMS的電容式傳感器，能夠實現高精度測量的同時，還可以用于測量高頻信號或快速變化的物理量，非常適用于本次的測量系統設計。

2.2 微處理器模塊

微處理器模塊采用DSPIC33FJ64GS606為核心控制器，DSPIC33FJ64GS606具備豐富的外設和功能集，它擁有多個通用輸入/輸出引腳，可以方便地連接振動傳感器和外部硬件電路[7]。同時，它還提供了模擬輸入和輸出通道，可以精確地采集到傳感器輸入的模擬電壓信號。此外，它還包含多個PWM輸出通道和定時器，可以精準設置周期并配置引腳。

2.3 硬件信號處理

2.3.1 ADXL335防噪濾波電容器設計

在XOUT、YOUT、ZOUT各管腳接了一個0.01 μF的電容，對應的帶寬為500 Hz，可有效限制傳感器在測量中的噪聲干擾[8]。同時為了進一步減小干擾，采用屏蔽線進行數據傳輸。實物如圖2所示。

2.3.2 濾波與放大電路

本系統所有電路使用的運放是LM358。LM358是一款性能穩定、使用方便的雙運放芯片，具有低功耗、寬工作電壓范圍、輸入阻抗高等優點，內部包括兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器，適用于電源電壓范圍很寬的單電源使用，同樣也適用于雙電源工作模式[9]。

整體電路如圖3所示。由于DSP引腳輸入電平的范圍不能高于3.3 V，而傳感器的輸出電壓并不能達到，所以需要在外部電路中將電壓抬高。本系統中根據傳感器實際輸出選擇將電壓抬高1.65 V。輸入的電壓信號首先利用加法器，將通過3.3 V分壓出的1.65 V加上傳感器本身的輸出電壓，這樣可以達到DSP的合理輸入電壓范圍。加法器同時附帶電壓放大功能，由于機組設備振動的幅度比較小，傳感器所測得的電壓信號非常微弱，需要放大電路增強信號的強度。采用放大器可以減少電路的復雜性和成本，通常具有更好的穩定性和抗干擾能力。

最后信號再經過低通濾波電路進行濾波。本次設計中采用的是二階的有源低通濾波電路，濾除輸入信號中的高頻成分，只保留低頻成分。為了方便計算，電路中的R6=R7=R，C2=C3=C。傳遞函數為：

式中：Uo（s）為輸出；Ui（s）為輸入。根據如下公式：

整理可得：

用j2πf取代s，且令，得出電壓放大倍數為：

令上式分母的模等于，并把電阻電容值代入，可以解出通帶截止頻率為fp≈0.64f0。在未接入傳感器的情況下啟動交流伺服驅動器時可以通過示波器看到明顯的電磁干擾，通過不斷調節低通濾波器的截止頻率，最終確定當截止頻率為50 Hz時，干擾波形有明顯的減少，故確定為50 Hz，

同時并不會濾除掉電機本身的振動信號。本次仿真中R=10 kΩ，C=0.2 μF，波特圖如圖4所示?？梢钥吹皆?3 dB時截止頻率接近50 Hz，將各個元器件值代入公式，可得計算結果與仿真結果相符合。實物如圖5所示。

3 軟件處理

系統裝置使用DSP進行軟件編程設計，系統啟動時進行ADC模塊的初始化處理和I/O口配置，輸入數據經過AD采樣、數字濾波后最終輸出數據。圖6為內部程序設計流程。

在外部設備按下按鈕后，微處理器識別到高電平信號后進行AD采樣，對采樣的數據進行數字濾波，其中包括低通濾波和求平均值，最大程度上保證數據的精確度；最后判斷數據位數，并依次上傳數據給OLED屏進行顯示。

4 測試結果

使用傳感器對機組外殼進行測量，將測得的數據繪制折線圖，不同轉速下的振幅數據如圖7所示。OLED顯示如圖8所示。

通過測試結果發現，當機組的轉速增加到一定界限時，幅值可能會達到峰值，然后隨著轉速的繼續增加而減小。這是由于驅動器和相關設備的固有特性以及機械振動的物理原理所導致的。

當轉速增加時，系統中的慣性力和慣性力矩也會增加，這可能導致機械結構的共振或諧振。在共振頻率附近，幅值可能會達到最大值。然而，一旦超過共振頻率或轉速繼續增加，幅值可能會減小[10]。

總的來說，幅值的變化受到多種因素的影響。因此，在設計和操作時，需要確保系統在安全范圍內運行，避免過大的振動對設備造成損壞或不穩定的影響。

5 結 語

本設計是以ADXL335三軸加速度傳感器為核心，以DSP為控制器的檢測方法。傳感器采集到數據，經過濾波電路后發送給控制器；控制器讀取到數據，通過A/D轉換后再通過算法處理和計算后得到振動信號數據；最后通過OLED進行數據可視化。將傳感器通過金屬探頭觸碰機組的電動機部分，通過傳感器的實際測量后系統可以較為精準地得到機組設備的振動情況，為后續的振動處理提供較為良好的數據支撐。

參考文獻

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[10]許輝，夏亞磊，紀冬梅.微型燃氣輪機轉軸振動特性分析[J].機械工程師，2023，55（5）：39-42.

作者簡介：董倪葳（1999—），男，碩士生，研究方向為電力電子。

徐 露（1986—），女，博士，講師，研究方向為測控。

蔣 偉（1980—），男，博士，教授，研究方向為電力電子。

收稿日期：2023-06-16 修回日期：2023-07-14