CN103292892B - 低频、小幅度振动信号的测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低频、小幅度振动信号的测量方法及装置。该方法主要包括：将加速度传感器设置在被测对象上，加速度传感器检测到被测对象发出的低频、小幅度振动信号后，将该低频、小幅度振动信号转换为振动加速度信号，将积分放大振动加速度信号输出，积分放大加速度传感器的谐振频率大于积分放大被测对象发出的振动信号的最大有效振动频率；对积分放大加速度传感器输出的振动加速度信号进行第一次积分放大，获得振动速度信号，对积分放大振动速度信号进行第二次积分放大，获得振动位移信号。本发明实施例完全克服了由于机械部件的机械疲劳和卡死等现象而导致的测量信号失效问题，加速度传感器的谐振频率远高于水轮发电机组的结构等被测对象的最高有效振动频率，加速度传感器的共振信号将被完全滤除，保证后端电路不受加速度传感器的共振信号的影响。

Description

低频、小幅度振动信号的测量方法及装置

技术领域

本发明涉及振动测量技术领域，尤其涉及一种低频、小幅度振动信号的测量方法及装置。

背景技术

在水轮发电机组振动测量领域，由于机组的额定转速分布在60r/min到1000r/min之间，机组机架、基础等部件的振动信号为低频、小幅度振动信号，而且在低频段，尤其在1Hz以下，由于振动信号的振动加速度值和振动速度值很小，只能采用振动位移作为机组振动状态评价的依据。

现有技术中的一种低频振动传感器为接触式超低频磁电惯性式振动传感器，该传感器可测量水轮发电机组的机架以及基础的绝对振动，上述接触式超低频磁电惯性式振动传感器的结构如图1所示，主要包括：地震检波器和后端的低频补偿电路。其中地震检波器被固定在传感器壳体和传感器底座上，而传感器被固定在被测对象上，随着被测对象一起振动。

上述地震检波器是一个固有频率在5Hz-30Hz的磁电式惯性振动传感器，其具体结构如图2所示，由磁路系统、惯性质量m、线圈和弹簧阻尼系统C四个部分组成。在工作时，当被测对象振动时，在地震检波器的工作频率范围内，线圈与磁铁相对运动，切割磁力线，在线圈内产生感应电压，地震检波器输出电压信号，而该电压信号正比于被测对象的振动速度值。后端的低频补偿电路完成上述电压信号的低频补偿和放大，最终输出代表被测对象的振动位移的电信号。

上述现有技术中的接触式超低频磁电惯性式振动传感器的缺点为：

1）传感器机械系统失效问题。

由于地震式检波器内安装有惯性质量、线圈和弹簧阻尼等机械装置，在长期运行中极其容易出现机械疲劳和卡死等现象，导致被测对象的振动信号的测量实效，以及传感器的使用寿命缩短。

2）由于地震式检波器共振而导致的测量误差和频率补偿电路失效问题。

上述地震式检波器的固有频率大多选择在10Hz-30Hz之间。而水轮发电机组的机组机架、基础等部件的实际振动中存在大量的位于10Hz-30Hz之间的振动信号，容易引起地震检波器的共振。在水轮发电机组的某些运行工况条件下，机组对机架、基础等部件存在冲击现象，该冲击也会引起地震式检波器的共振。当引起地震式检波器共振后，该地震式检波器的输出不仅无法保证测量的精确度，而且也引入了虚假频率的振动信号，同时，该共振信号被后端的频率补偿电路放大，极其容易导致频率补偿电路的失效，从而引起测量信号的不可信，大大降低被测对象的振动信号的测量精度。

发明内容

本发明的实施例提供了一种低频、小幅度振动信号的测量方法及装置，以实现有效地测量被测对象的低频、小幅度振动信号，并且避免传感器的机械失效情况。

一种低频、小幅度振动信号的测量装置，包括：

加速度传感器，用于设置在被测对象上，检测到被测对象发出的低频、小幅度振动信号后，将该低频、小幅度振动信号转换为振动加速度信号，将所述振动加速度信号输出给前置处理器，所述加速度传感器的谐振频率大于所述被测对象发出的振动信号的最大有效振动频率；

前置处理器，用于对所述加速度传感器输出过来的振动加速度信号进行第一次积分放大，获得振动速度信号，对所述振动速度信号进行第二次积分放大，获得振动位移信号。

一种低频、小幅度振动信号的测量方法，包括：

将加速度传感器设置在被测对象上，所述加速度传感器检测到被测对象发出的低频、小幅度振动信号后，将该低频、小幅度振动信号转换为振动加速度信号，将所述振动加速度信号输出，所述加速度传感器的谐振频率大于所述被测对象发出的振动信号的最大有效振动频率；

对所述加速度传感器输出的振动加速度信号进行第一次积分放大，获得振动速度信号，对所述振动速度信号进行第二次积分放大，获得振动位移信号。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过利用加速度传感器来测量低频、小幅度振动信号，在这些加速度传感器内，不存在运动的线圈和弹簧阻尼等机械部件，从而完全克服了由于机械部件的机械疲劳和卡死等现象而导致的测量信号失效问题，避免了传感器的使用寿命缩短的问题。

本发明实施例选择的加速度传感器的谐振频率远高于水轮发电机组的结构等被测对象的最高有效振动频率，因此正常的振动不会引起加速度传感器的共振。另外，当加速度传感器由于受到机组机架冲击，产生共振时，而由于在前置信号处理单元中，在第一级积分放大模块前存在一个转折频率为被测对象的最高有效振动频率的低通模块，因此可以认为该共振信号将被完全滤除，保证后端电路不受加速度传感器的共振信号的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1现有技术中的一种接触式超低频磁电惯性式振动传感器的结构图；

图2为现有技术中的一种接触式超低频磁电惯性式振动传感器的地震检波器的结构图；

图3为本发明实施例一提供的一种低频、小幅度振动信号的测量装置的结构图；

图4为本发明实施例一提供的一种低频、小幅度振动信号的测量装置中的前置处理器的具体结构图；

图5为本发明实施例一提供的一种低频、小幅度振动信号的测量装置中的隔直低阻模块的具体实现电路图；

图6为本发明实施例一提供的一种低频、小幅度振动信号的测量装置中的低通模块的具体实现电路图；

图7为本发明实施例一提供的一种低频、小幅度振动信号的测量装置中的第一级模拟积分模块的具体实现电路图；

图8为本发明实施例一提供的一种低频、小幅度振动信号的测量装置中的第一级低阻模块、第二级低阻模块的具体实现电路图；

图9为本发明实施例一提供的一种低频、小幅度振动信号的测量装置中的第二级模拟积分模块的具体实现电路图；

图10为本发明实施例二提供的一种低频、小幅度振动信号的测量装置中的前置处理器的具体结构图；

图11为本发明实施例三提供的一种低频、小幅度振动信号的测量方法的处理方法的处理流程图。

具体实施方式

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

本发明实施例首次将加速度传感器应用于低频、小幅度振动信号的测量领域。在实际的加速度传感器中，存在一个很大的问题，就是加速度传感器的输出信号中包含有大量的噪声信号，该噪声起源于电路噪声、传输噪声和压电晶体安装和制造工艺造成的噪声。该噪声表现为频率越小、噪声越大。对于常用的加速度传感器，其10Hz以下的噪声在5ug√Hz～10ug√Hz，甚至更高。

对加速度信号进行积分放大的积分电路的放大倍数与频率成倒数关系，频率越小的信号放电倍数越大，当频率趋近于0Hz的时候，放大倍数接近无穷大，这是积分环节表现出来的特征。因此，在低频段，上述加速度传感器的较大的噪声信号会被积分电路高倍放大，导致加速度传感器的输出信号的信噪比很低。对于加速度传感器，只有低频大幅值信号或者高频小幅值才具有较高信噪比。

下述表1是假定加速度传感器的输出噪声为5ug√Hz条件下，不同振动频率、不同振动幅值理论计算的噪声水平和理想加速度的比较统计表：

表1

由上表可见，在给定的加速度传感器的噪声水平下，对于0.1Hz振动信号而言，只有当振动幅值高达10000um（10mm）时，才有较高的信噪比，而对于0.5Hz的信号而言，只有当振动幅值高达1000um(1mm)时，才有较高的信噪比；由此可见低频信号只有当振动幅值相当大时，加速度传感器的输出才具有较高的信噪比；而对于10Hz的振动信号，当振动幅值为1um的振动时，信噪比已经相当高了。在信噪比低的条件下，积分电路不仅将有效信号放大，而且将加速度传感器的输出噪声也被放大，导致正常的信号无法被分辨，同时由于过高的低频噪声（比如低于0.5Hz）经过高倍放大，及其容易导致后端积分电路饱和、失稳。这也是目前在低频、小幅值振动测量领域没有人采用此方式实现振动测量的原因。

为了解决上述问题，本发明实施例提供的一种低频、小幅度振动信号的测量装置的结构如图3所示，包括：加速度传感器和前置处理器。

上述加速度传感器，可以为采用压电式、压阻式或电容式原理的加速度传感器，这些压电式、压阻式或电容式原理的加速度传感器内部不存在线圈和弹簧阻尼等机械部件。上述加速度传感器的谐振频率必须大于需要测量的被测对象发出的振动信号的最大有效振动频率。上述被测对象发出的振动信号为低频、小幅度信号，在本发明实施例中，上述被测对象发出的振动信号的最大有效振动频率可以为200Hz，上述低频的频率范围可以为0.5-200Hz，上述小幅度信号可以为振动幅值在0.01mm-0.5mm之间。

在本发明中，选择的加速度传感器为低噪声加速度传感器，该传感器在10Hz以下的噪声水平为0.9ug√Hz。

比如，针对水轮发电机组结构振动的信号特点，选择恰当指标的加速度传感器，选择的加速度传感器主要指标可以如下：

灵敏度：500mV/g；

频率响应范围：0.5Hz-2000Hz；

横向灵敏度：不大于5％；

谐振频率：12000Hz；

加速度传感器的输出噪声（10Hz）：0.9ug√Hz；

上述加速度传感器固定在被测对象上，该被测对象可以为水轮发电机组的机组机架、基础等部件，随着被测对象一起振动。上述加速度传感器检测到被测对象发出的低频、小幅度的振动信号后，将该振动信号转换为振动加速度信号，将该振动加速度信号输出给前置处理器。

上述的前置处理器，用于对所述加速度传感器输出过来的振动加速度信号进行第一次积分放大，获得振动速度信号，对所述振动速度信号进行第二次积分放大，获得振动位移信号。在实际的设计和制造过程中，还有以下几个问题导致加速度传感器的噪声增加：

1：加速度传感器和前置处理器之间的电缆传输会带来传输噪声；

2：前置处理器的供电电源不稳定；

3、前置处理器的内部电路噪声。

为了解决上面3个问题，在本发明中，加速度传感器和前置处理器之间的连接电缆采用地衰减、低噪声的专用屏蔽电缆；在前置处理器的内部电路采取了降噪处理，降低了低频噪声；前置处理器的供电电源采用了低纹波（低噪声）线性电源。

上述前置处理器全部采用模拟电路方式实现。其具体结构如图4所示，包括如下的模块：

隔直低阻模块41，用于连接低通模块，这是一个高通滤波模块，高通截止频率设计在0.5Hz。用于接收加速度传感器输出过来的振动加速度信号，通过RC（电阻电容）电路对所述振动加速度信号进行隔直及高通滤波处理，去除接收到的振动加速度信号中的直流信号分量，过滤掉频率低于设定的低频阈值的振动加速度信号，将隔直及高通滤波处理后的振动加速度信号输出给低通模块。上述低频阈值可以为0.5Hz。

在实际应用中，由于频率低于0.5Hz以下的振动信号，对水轮发电机组等被测对象的破坏很小，并且由于积分电路在低于0.5Hz以下频率有很高的放大倍数，传感器噪声、传输噪声、电路噪声、电源噪声中低于0.5Hz的信号极易导致后续电路饱和失稳，因此，通过隔直低阻模块过滤掉直流信号分量和频率低于0.5Hz的振动加速度信号，对于频率为0.5Hz以下的信号不做考虑，因此只考虑0.5Hz以上的振动信号的测量。

在实际应用中，上述加速度传感器输出过来的振动加速度信号都是依附在一个直流信号分量上，该直流信号分量是一个无用的信号。因此，本发明实施例通过上述隔直低阻模块过滤掉该直流信号分量。

该实施例提供的一种上述隔直低阻模块的具体实现电路图如图5所示，通过一阶RC电路对振动加速度信号进行隔直及高通滤波，可通过RC的具体参数确定高通滤波模块的高通截止频率。

低通模块42，用于连接隔直低阻模块和第一级模拟积分模块，这是一个低通滤波模块，用于接收上述隔直低阻模块输出过来的振动加速度信号，通过低通滤波器对所述振动加速度信号进行低通滤波处理，过滤掉频率高于被测对象的最高有效振动频率的振动加速度信号，将过滤处理后的振动加速度信号输出给第一级模拟积分模块。

在本发明实施例中，由于被测对象的最高有效振动频率为200Hz，低通模块的低通截止频率为200Hz。因此，低通模块过滤掉200Hz以上的加速度信号。由于选择的加速度传感器的谐振频率在12000Hz，加速度传感器输出的共振信号的频率为12000Hz，远高于低通模块的截止频率，可以认为加速度传感器共振后的振动信号完全被过滤掉，此模块可以保证后续的积分模块不受加速度传感器共振后输出的共振信号的影响。

该实施例提供的一种低通模块的具体实现电路图如图6所示，采用8阶巴特沃兹低通滤波器，由4个2阶低通滤波器串联而成。低通模块的截止频率等具体滤波参数可通过R1、R2、C1、C2电阻电容值进行调节。

第一级模拟积分模块43，用于连接低通模块和第一级低阻模块，这是一个惯性积分模块，通过积分电路对所述低通模块输出过来的振动加速度信号进行第一次积分放大，获得模拟的振动速度信号，将所述模拟的振动速度信号输出给第一级低阻模块。上述第一次积分放大处理中的任意一个频率的信号的放大倍数与频率成倒数关系。

该实施例提供的一种第一级模拟积分模块的具体实现电路图如图7所示，该第一级模拟积分模块在0.5Hz-1Hz的低频段有较高增益，从而对0.5Hz-1Hz低频段的小幅值的振动信号进行有效的放大，使振动信号的幅值放大到指定的范围。通过调整图7所示的电路图中的各个电子元器件的参数，可以调整第一级模拟积分模块对不同频率的振动信号的放大倍数。

第一级低阻模块44，用于连接第一级模拟积分模块和第二级模拟积分模块，这是一个高通滤波模块，高通截止频率设计在0.5Hz。该实施例提供的一种第一级低阻模块的具体实现电路图如图8所示，接收第一级模拟积分模块输出过来的振动速度信号，通过RC电路对所述振动速度信号进行隔直及高通滤波处理，去除接收到的振动速度信号中的由于积分电容的漏电流及运放偏置电压等造成的直流信号分量，过滤掉由于积分器电路噪声引起的频率低于设定的低频阈值的振动速度信号，将隔直及高通滤波处理后的振动加速度信号输出给第二级模拟积分模块。

第二级模拟积分模块45，用于连接第一级低阻模块和第二级低阻模块，这是一个惯性积分模块，通过积分电路对接收到的所述第一级低阻模块输出的振动速度信号进行第二次积分放大，获得模拟的振动位移信号，将所述模拟的振动位移信号输出给第二级低阻模块。上述第二次积分放大过程中的任意一个频率的信号的放大倍数与频率的平方成倒数关系。

该实施例提供的一种第二级模拟积分模块的具体实现电路图如图9所示，该第二级模拟积分模块在0.5Hz-1Hz的低频段有较高增益，从而对0.5Hz-1Hz的低频段的小幅值的振动信号进行有效的放大，使振动信号的幅值放大到指定的范围。通过调整图9所示的电路图中的各个电子元器件的参数，可以调整第二级模拟积分模块对不同频率的振动信号的放大倍数。

第二级低阻模块46，用于连接第二级模拟积分模块，这是一个高通滤波模块，高通截止频率设计在0.5Hz。该实施例提供的一种第一级低阻模块的具体实现电路图如图8所示，用于通过RC电路对所述第二级模拟积分模块输出过来的模拟的振动位移信号进行隔直及高通滤波处理，去除接收到的振动位移信号中的由于积分电容的漏电流及运放偏置电压等造成的直流信号分量，过滤掉由于积分器电路噪声引起的频率低于设定的低频阈值的振动位移信号，将隔直及高通滤波处理后的振动位移信号输出。

第二级低阻模块输出的振动位移信号即为测量出的被测对象的振动位移信号。

上述隔直低阻模块41、低通模块42、第一级模拟积分模块43、第一级低阻模块44、第二级模拟积分模块45和第二级低阻模块46都需要连接直流电源（DC），为了降低前置处理器的噪声，该直流电源（DC）采用了低纹波（低噪声）线性电源。

实施例二

在该实施例中，将上述图4所示的前置处理器中的第二级模拟积分模块及后续模块采用单片机以数字方式完成。该实施例提供的一种上述前置处理器的具体结构如图10所示，包括如下的模块：

隔直低阻模块101，用于连接低通模块，这是一个高通滤波模块，高通截止频率设计在0.5Hz。用于接收加速度传感器输出过来的振动加速度信号，通过RC（电阻电容）电路对所述振动加速度信号进行隔直及高通滤波处理，去除接收到的振动加速度信号中的直流信号分量，过滤掉频率低于设定的低频阈值的振动加速度信号，将隔直及高通滤波处理后的振动加速度信号输出给低通模块。上述低频阈值可以为0.5Hz。

低通模块102，用于连接隔直低阻模块和模拟积分模块，这是一个低通滤波模块，用于接收上述隔直低阻模块输出过来的振动加速度信号，通过低通滤波器对所述振动加速度信号进行低通滤波处理，过滤掉频率高于被测对象的最高有效振动频率的振动加速度信号，将过滤处理后的振动加速度信号输出给模拟积分模块。

在本发明实施例中，由于被测对象的最高有效振动频率为200Hz，低通模块的低通截止频率为200Hz。因此，低通模块过滤掉200Hz以上的加速度信号。由于选择的加速度传感器的谐振频率在12000Hz，加速度传感器输出的共振信号的频率为12000Hz，远高于低通模块的截止频率，可以认为加速度传感器共振后的振动信号完全被过滤掉，此模块可以保证后续的积分模块不受加速度传感器共振后输出的共振信号的影响。

模拟积分模块103，用于连接低通模块和模拟低阻模块，这是一个惯性积分模块，通过积分电路对所述低通模块输出过来的振动加速度信号进行第模拟积分放大，获得模拟的振动速度信号，将所述模拟的振动速度信号输出给模拟低阻模块。所述模拟积分放大处理中的任意一个频率的信号的放大倍数与频率的平方成倒数关系。该模拟积分模块在0.5Hz-1Hz的低频段有较高增益，从而对0.5Hz-1Hz的低频段的小幅值的振动信号进行有效的放大，使振动信号的幅值放大到指定的范围。

模拟低阻模块104，用于连接所述模拟积分模块和模数转换模块，这是一个高通滤波模块，高通截止频率设计在0.5Hz。通过RC电路对所述模拟积分模块输出过来的振动速度信号进行隔直及高通滤波处理，去除接收到的振动速度信号中的由于积分电容的漏电流及运放偏置电压等造成的直流信号分量，过滤掉由于积分器电路噪声引起的频率低于设定的低频阈值的振动速度信号，将隔直及高通滤波处理后的振动加速度信号输出给模数转换模块。

模数转换模块105，用于连接所述模拟低阻模块和数字积分模块，对接收到的所述模拟低阻模块输出的模拟的振动速度信号进行模数转换处理，得到数字的振动速度信号，将该数字的振动速度信号输出给数字积分模块；

数字积分模块106，用于连接所述模数转换模块和数字低阻模块，通过单片机对接收到的所述模数转换模块输出的数字的振动速度信号进行数字积分放大，获得数字的振动位移信号，将所述数字的振动位移信号输出给数字低阻模块，所述数字积分放大处理中的任意一个频率的信号的放大倍数与频率的平方成倒数关系。该数字积分模块在0.5Hz-1Hz的低频段有较高增益，从而对0.5Hz-1Hz的低频段的小幅值的振动信号进行有效的放大，使振动信号的幅值放大到指定的范围。

数字低阻模块107，用于连接所述数字积分模块和数模转换模块，这是一个高通滤波模块，高通截止频率设计在0.5Hz。用于通过单片机对所述数字积分模块输出过来的数字的振动位移信号进行隔直及高通滤波处理，去除接收到的数字的振动位移信号中的直流信号分量，过滤掉频率低于设定的低频阈值的数字的振动位移信号，将隔直及高通滤波处理后的数字的振动位移信号输出给数模转换模块。

数模转换模块108，用于连接所述数字低阻模块，对所述数字低阻模块输出过来的数字的振动位移信号进行数模转换处理，获得模拟的振动位移信号，将该模拟的振动位移信号输出。

上述数模转换模块输出的振动位移信号即为测量出的被测对象的振动位移信号。

上述隔直低阻模块101、低通模块102、模拟积分模块103、模拟低阻模块104、模数转换模块105、数字积分模块106、数字低阻模块107和数模转换模块108都需要连接直流电源（DC）。

实施例三

该实施例提供的一种低频、小幅度振动信号的测量方法的处理方法的处理流程如图11所示，包括如下的处理步骤：

步骤11、将加速度传感器设置在被测对象上，所述加速度传感器检测到被测对象发出的低频、小幅度振动信号后，将该低频、小幅度振动信号转换为振动加速度信号，将所述振动加速度信号输出，所述加速度传感器的谐振频率大于所述被测对象发出的振动信号的最大有效振动频率。

上述被测对象发出的振动信号为低频、小幅度信号，在本发明实施例中，上述被测对象发出的振动信号的最大有效振动频率可以为200Hz，上述低频的频率范围可以为0.5-200Hz，上述小幅度信号可以为振动幅值在0.01mm-0.5mm之间。

上述被测对象可以为水轮发电机组的机组机架、基础等部件。比如，针对水轮发电机组结构振动的信号特点，选择恰当指标的加速度传感器，选择的加速度传感器主要指标可以如下：

灵敏度：500mV/g；

频率响应范围：0.5Hz-2000Hz；

横向灵敏度：不大于7％；

谐振频率：12000Hz；

加速度传感器的输出噪声（10Hz）：0.9ug√Hz。

步骤12、对所述加速度传感器输出的振动加速度信号进行第一次积分放大，获得振动速度信号，对所述振动速度信号进行第二次积分放大，获得振动位移信号。

具体的，当全部采用模拟电路来实现上述第一次积分放大和第二次积分放大时，上述的步骤12具体包括：

通过RC电路对所述收加速度传感器输出的振动加速度信号进行隔直及高通滤波处理，去除振动加速度信号中的直流信号分量，过滤掉频率低于设定的低频阈值的振动加速度信号，上述低频阈值可以为0.5Hz。在实际应用中，上述加速度传感器输出过来的振动加速度信号都是依附在一个直流信号分量上，该直流信号分量是一个无用的信号。因此，本发明实施例过滤掉该直流信号分量。

通过低通滤波器对所述隔直及高通滤波处理后的振动加速度信号进行低通滤波处理，过滤掉频率高于被测对象的最高有效振动频率的振动加速度信号。比如，被测对象的最高有效振动频率为200Hz，低通滤波器的低通截止频率为200Hz。因此，低通模块过滤掉200Hz以上的加速度信号。由于选择的加速度传感器的谐振频率在12000Hz，加速度传感器输出的共振信号的频率为12000Hz，远高于低通滤波器的截止频率，可以认为加速度传感器共振后的振动信号完全被过滤掉，可以保证后续的积分模块不受加速度传感器共振后输出的共振信号的影响。

通过积分电路对所述低通滤波处理后的振动加速度信号进行第一次积分放大，获得模拟的振动速度信号。上述第一次积分放大处理中的任意一个频率的信号的放大倍数与频率成倒数关系。上述第一次积分放大电路在0.5Hz-1Hz低频段有较高增益，从而对0.5Hz-1Hz低频段的小幅值的振动信号进行有效的放大，使振动信号的幅值放大到指定的范围。

通过积分电路对所述模拟的振动速度信号进行第二次积分放大，获得模拟的振动位移信号，将所述模拟的振动位移信号作为测量得到的被测对象的振动位移信号输出。上述第二次积分放大处理中的任意一个频率的信号的放大倍数与频率的平方成倒数关系。上述积分电路在0.5Hz-1Hz低频段有较高增益，从而对0.5Hz-1Hz低频段的小幅值的振动信号进行有效的放大，使振动信号的幅值放大到指定的范围。

进一步地，在所述第二次积分放大之前，还可以包括：通过RC电路对所述模拟的振动速度信号进行隔直及高通滤波处理，去除接收到的振动速度信号中的由于积分电容的漏电流及运放偏置电压等造成的直流信号分量，过滤掉由于积分器电路噪声引起的频率低于设定的低频阈值的振动速度信号。

在所述第二次积分放大之后，还可以包括：通过RC电路对所述模拟的振动位移信号进行隔直及高通滤波处理，去除接收到的振动位移信号中的由于积分电容的漏电流及运放偏置电压等造成的直流信号分量，过滤掉由于积分器电路噪声引起的频率低于设定的低频阈值的振动位移信号，将隔直及高通滤波处理后的模拟的振动位移信号输出。

具体的，当将上述第二级积分放大之前的处理过程采用模拟电路实现，将上述第二级积分放大及后续处理过程采用单片机以数字方式实现，上述的步骤2具体包括：

通过RC电路对所述收加速度传感器输出的振动加速度信号进行隔直及高通滤波处理，去除振动加速度信号中的直流信号分量，过滤掉频率低于设定的低频阈值的振动加速度信号。

通过低通滤波器对所述隔直及高通滤波处理后的振动加速度信号进行低通滤波处理，过滤掉频率高于被测对象的最高有效振动频率的振动加速度信号。比如，被测对象的最高有效振动频率为200Hz，低通滤波器的低通截止频率为200Hz。因此，低通模块过滤掉200Hz以上的加速度信号。由于选择的加速度传感器的谐振频率在12000Hz，加速度传感器输出的共振信号的频率为12000Hz，远高于低通滤波器的截止频率，可以认为加速度传感器共振后的振动信号完全被过滤掉，可以保证后续的积分模块不受加速度传感器共振后输出的共振信号的影响。

通过积分电路对所述低通模块输出过来的振动加速度信号进行模拟积分放大，获得模拟的振动速度信号。上述模拟积分放大处理过程在低频段有较高增益，从而对0.5Hz-1Hz低频段的小幅值的振动信号进行有效的放大，使振动信号的幅值放大到指定的范围。所述模拟积分放大处理中的任意一个频率的信号的放大倍数与频率成倒数关系。

通过模数转换器对所述模拟的振动速度信号进行模数转换处理，得到数字的振动速度信号。

通过单片机对接收到的所述数字的振动速度信号进行数字积分放大，获得数字的振动位移信号。上述数字积分放大处理过程在低频段有较高增益，从而对0.5Hz-1Hz低频段的小幅值的振动信号进行有效的放大，使振动信号的幅值放大到指定的范围。所述数字积分放大处理中的任意一个频率的信号的放大倍数与频率的平方成倒数关系。

通过数模转换器对所述数字的振动位移信号进行数模转换处理，获得模拟的振动位移信号，将该模拟的振动位移信号作为测量得到的被测对象的振动位移信号输出。

进一步地，在所述模拟积分放大处理之后，还可以包括：通过RC电路对所述模拟的振动速度信号进行隔直及高通滤波处理，去除接收到的振动速度信号中的由于积分电容的漏电流及运放偏置电压等造成的直流信号分量，过滤掉由于积分器电路噪声引起的频率低于设定的低频阈值的振动速度信号，将隔直及高通滤波处理后的振动加速度信号输出给模数转换器；

在所述数字积分放大处理之后，还可以包括：通过单片机对所述数字的振动位移信号进行隔直及高通滤波处理，去除所述数字的振动位移信号中的直流信号分量，过滤掉频率低于设定的低频阈值的数字的振动位移信号，将隔直及高通滤波处理后的数字的振动位移信号输出给数模转换器。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（Read-Only Memory，ROM）或随机存储记忆体（Random Access Memory，RAM）等。

下述表2列出了应用本发明实施例的低频、小幅度振动信号的测量装置后，在选定加速度传感器噪声水平下，不同频率下噪声与真实信号的比较表：

表2

从上表数据可以看出，在选定的传感器噪声水平下，在频率0.5Hz、振幅为10um的信号中由于传感器噪声造成的误差仅为12.7％，而当频率为1Hz，幅值为10um时，由于传感器噪声造成的误差仅为2.5％；此后随着频率的增长，噪声误差逐步减小，到2Hz时，误差仅为0.3％。

按照加速度传感器的转折频率-3dB(0.707)增益（误差不超过29.3％）定义，采用本发明实施例的低频、小幅度振动信号的测量装置完全可以满足频率响应0.5Hz（-3dB）以上,10um级振动信号的测量。

综上所述，本发明实施例利用压电式、压阻式或电容式原理的加速度传感器来测量低频、小幅度振动信号，在这些加速度传感器内，安装的主要部件是压电晶体或者具有压阻效应的半导体等材料以及质量块等，不存在运动的线圈和弹簧阻尼等机械部件，从而完全克服了由于机械部件的机械疲劳和卡死等现象而导致的测量信号失效问题，避免了传感器的使用寿命缩短的问题，提高了测量的可靠性。

本发明实施例选择的加速度传感器的谐振频率在12000Hz左右。而于水轮发电机组的结构等被测对象的最高有效振动频率一般在200Hz，因此正常的振动不会引起加速度传感器的共振。另外，当加速度传感器由于受到机组机架冲击，产生共振时，该共振信号将会表现为12000Hz左右的信号，而由于在前置信号处理单元中，在第一级积分放大模块前存在一个转折频率为200Hz左右的低通模块，因此可以认为该共振信号将被完全滤除，保证后端电路不受此共振信号影响，克服了现有传感器由于地震检波器共振而引起的测量误差和电路失稳，提高了测量的稳定度。

本发明实施例的低频、小幅度振动信号的测量装置的测量范围可以达到4000um（±2000um）振幅，而现有技术中的传感器为2000um（±1000um），扩大了测量范围。

本发明实施例的前置信号处理单元中的两个积分放大处理模块在0.5Hz-1Hz低频段有较高增益，从而对0.5Hz-1Hz低频段的小幅值的振动信号进行有效的放大，使振动信号的幅值放大到指定的范围。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种低频、小幅度振动信号的测量装置，其特征在于，包括：加速度传感器和前置处理器；

所述的加速度传感器，用于设置在被测对象上，检测到被测对象发出的低频、小幅度振动信号，所述低频的频率范围为0.5-200Hz，所述小幅度信号的振动幅值在0.01mm-0.5mm之间，将所述低频、小幅度振动信号转换为振动加速度信号，将所述振动加速度信号输出给所述前置处理器，所述加速度传感器的谐振频率大于所述被测对象发出的振动信号的最大有效振动频率，所述被测对象发出的振动信号的最大有效振动频率为200Hz，所述加速度传感器采用压电式、压阻式或电容式原理的加速度传感器；

所述的前置处理器，用于通过低通滤波器对所述加速度传感器输出过来的振动加速度信号进行低通滤波处理，过滤掉频率高于所述被测对象发出的振动信号的最大有效振动频率的振动加速度信号，对过滤处理后的加速度信号进行第一次积分放大，获得振动速度信号，对所述振动速度信号进行第二次积分放大，获得振动位移信号。

2.根据权利要求1所述的低频、小幅度振动信号的测量装置，其特征在于，所述前置处理器包括：

隔直低阻模块，用于通过电阻电容RC电路对所述加速度传感器输出过来的振动加速度信号进行隔直及高通滤波处理，去除接收到的振动加速度信号中的直流信号分量，过滤掉频率低于设定的低频阈值的振动加速度信号，将隔直及高通滤波处理后的振动加速度信号输出给低通模块；

低通模块，用于通过低通滤波器对所述隔直低阻模块输出的振动加速度信号进行低通滤波处理，过滤掉频率高于被测对象的最高有效振动频率的振动加速度信号，将过滤处理后的振动加速度信号输出给第一级模拟积分模块；

第一级模拟积分模块，用于通过积分电路对所述低通模块输出过来的振动加速度信号进行第一次积分放大处理，获得模拟的振动速度信号，将所述模拟的振动速度信号输出，所述第一次积分放大处理中的任意一个频率的信号的放大倍数与频率成倒数关系；

第二级模拟积分模块，用于通过积分电路对接收到的所述第一级模拟积分模块输出的振动速度信号进行第二次积分放大，获得模拟的振动位移信号，将所述模拟的振动位移信号输出，所述第二次积分放大处理中的任意一个频率的信号的放大倍数与频率的平方成倒数关系。

3.根据权利要求2所述的低频、小幅度振动信号的测量装置，其特征在于，所述前置处理器还包括：

第一级低阻模块，设置在所述第一级模拟积分模块和第二级模拟积分模块之间，用于通过RC电路对所述第一级模拟积分模块输出过来的振动速度信号进行隔直及高通滤波处理，去除接收到的振动速度信号中的直流信号分量，过滤掉频率低于设定的低频阈值的振动速度信号，将隔直及高通滤波处理后的振动加速度信号输出给第二级模拟积分模块；

第二级低阻模块，设置在所述第二级模拟积分模块之后，用于通过RC电路对所述第二级模拟积分模块输出过来的振动位移信号进行隔直及高通滤波处理，去除接收到的振动位移信号中的直流信号分量，过滤掉频率低于设定的低频阈值的振动位移信号，将隔直及高通滤波处理后的振动位移信号输出。

4.根据权利要求1所述的低频、小幅度振动信号的测量装置，其特征在于，所述前置处理器包括：

隔直低阻模块，用于通过RC电路对所述加速度传感器输出过来的振动加速度信号进行隔直及高通滤波处理，去除接收到的振动加速度信号中的直流信号分量，过滤掉频率低于设定的低频阈值的振动加速度信号，将隔直及高通滤波处理后的振动加速度信号输出给低通模块；

低通模块，用于通过低通滤波器对所述隔直低阻模块输出的振动加速度信号进行低通滤波处理，过滤掉频率高于被测对象的最高有效振动频率的振动加速度信号，将过滤处理后的振动加速度信号输出给模拟积分模块；

模拟积分模块，用于通过积分电路对所述低通模块输出过来的振动加速度信号进行模拟积分放大，获得模拟的振动速度信号，将所述模拟的振动速度信号输出，所述模拟积分放大处理中的任意一个频率的信号的放大倍数与频率成倒数关系；

模数转换模块，用于对接收到的所述模拟积分模块输出的模拟的振动速度信号进行模数转换处理，得到数字的振动速度信号，将该数字的振动速度信号输出给数字积分模块；

数字积分模块，用于通过单片机对接收到的所述模数转换模块输出的数字的振动速度信号进行数字积分放大，获得数字的振动位移信号，将所述数字的振动位移信号输出给数模转换模块，所述数字积分放大处理中的任意一个频率的信号的放大倍数与频率的平方成倒数关系；

数模转换模块，用于对所述数字积分模块输出过来的数字的振动位移信号进行数模转换处理，获得模拟的振动位移信号，将该模拟的振动位移信号输出。

5.根据权利要求4所述的低频、小幅度振动信号的测量装置，其特征在于，所述前置处理器还包括：

模拟低阻模块，设置在所述模拟积分模块和模数转换模块之间，用于通过RC电路对所述模拟积分模块输出过来的振动速度信号进行隔直及高通滤波处理，去除接收到的振动速度信号中的直流信号分量，过滤掉频率低于设定的低频阈值的振动速度信号，将隔直及高通滤波处理后的振动加速度信号输出给模数转换模块；

数字低阻模块，设置在所述数字积分模块和数模转换模块之间，用于通过单片机对所述数字积分模块输出过来的数字的振动位移信号进行隔直及高通滤波处理，去除接收到的数字的振动位移信号中的直流信号分量，过滤掉频率低于设定的低频阈值的数字的振动位移信号，将隔直及高通滤波处理后的数字的振动位移信号输出给数模转换模块。

6.一种低频、小幅度振动信号的测量方法，其特征在于，包括：

将压电式、压阻式或电容式原理的加速度传感器设置在被测对象上，所述加速度传感器检测到被测对象发出的低频、小幅度振动信号，所述低频的频率范围为0.5-200Hz，所述小幅度信号振动幅值在0.01mm-0.5mm之间，将所述低频、小幅度振动信号转换为振动加速度信号，将所述振动加速度信号输出，所述加速度传感器的谐振频率大于所述被测对象发出的振动信号的最大有效振动频率，所述被测对象发出的振动信号的最大有效振动频率为200Hz；

通过低通滤波器对所述加速度传感器输出过来的振动加速度信号进行低通滤波处理，过滤掉频率高于所述被测对象发出的振动信号的最大有效振动频率的振动加速度信号，对过滤处理后的加速度信号进行第一次积分放大，获得振动速度信号，对所述振动速度信号进行第二次积分放大，获得振动位移信号。

7.根据权利要求6所述的低频、小幅度振动信号的测量方法，其特征在于，所述对所述加速度传感器输出的振动加速度信号进行第一次积分放大，获得振动速度信号，对所述振动速度信号进行第二次积分放大，获得振动位移信号包括：

通过阻电容RC电路对所述加速度传感器输出的振动加速度信号进行隔直及高通滤波处理，去除振动加速度信号中的直流信号分量，过滤掉频率低于设定的低频阈值的振动加速度信号；

通过低通滤波器对所述隔直及高通滤波处理后的振动加速度信号进行低通滤波处理，过滤掉频率高于被测对象的最高有效振动频率的振动加速度信号；

通过积分电路对所述低通滤波处理后的振动加速度信号进行第一次积分放大，获得模拟的振动速度信号，所述第一次积分放大处理中的任意一个频率的信号的放大倍数与频率成倒数关系；

通过积分电路对所述模拟的振动速度信号进行第二次积分放大，获得模拟的振动位移信号，将所述模拟的振动位移信号输出，所述第二次积分放大处理中的任意一个频率的信号的放大倍数与频率的平方成倒数关系。

8.根据权利要求7所述的低频、小幅度振动信号的测量方法，其特征在于，所述的对所述加速度传感器输出的振动加速度信号进行第一次积分放大，获得振动速度信号，对所述振动速度信号进行第二次积分放大，获得振动位移信号还包括：

在所述第二次积分放大之前，通过RC电路对所述模拟的振动速度信号进行隔直及高通滤波处理，去除所述模拟的振动速度信号中的直流信号分量，过滤掉频率低于设定的低频阈值的模拟的振动速度信号；

在所述第二次积分放大之后，通过RC电路对所述模拟的振动位移信号进行隔直及高通滤波处理，去除所述模拟的振动位移信号中的直流信号分量，过滤掉频率低于设定的低频阈值的模拟的振动位移信号，将隔直及高通滤波处理后的模拟的振动位移信号输出。

9.根据权利要求6所述的低频、小幅度振动信号的测量方法，其特征在于，所述的对所述加速度传感器输出的振动加速度信号进行第一次积分放大，获得振动速度信号，对所述振动速度信号进行第二次积分放大，获得振动位移信号还包括：

通过RC电路对所述加速度传感器输出的振动加速度信号进行隔直及高通滤波处理，去除振动加速度信号中的直流信号分量，过滤掉频率低于设定的低频阈值的振动加速度信号；

通过低通滤波器对所述隔直及高通滤波处理后的振动加速度信号进行低通滤波处理，过滤掉频率高于被测对象的最高有效振动频率的振动加速度信号；

通过积分电路对所述低通模块输出过来的振动加速度信号进行模拟积分放大，获得模拟的振动速度信号，所述模拟积分放大处理中的任意一个频率的信号的放大倍数与频率成倒数关系；

通过模数转换器对所述模拟的振动速度信号进行模数转换处理，得到数字的振动速度信号；

通过单片机对所述数字的振动速度信号进行数字积分放大，获得数字的振动位移信号，所述数字积分放大处理中的任意一个频率的信号的放大倍数与频率的平方成倒数关系；

通过数模转换器对所述数字的振动位移信号进行数模转换处理，获得模拟的振动位移信号，将该模拟的振动位移信号输出。

10.根据权利要求9所述的低频、小幅度振动信号的测量方法，其特征在于，所述的对所述加速度传感器输出的振动加速度信号进行第一次积分放大，获得振动速度信号，对所述振动速度信号进行第二次积分放大，获得振动位移信号还包括：

在所述模拟积分放大处理之后，通过RC电路对所述模拟的振动速度信号进行隔直及高通滤波处理，去除所述模拟的振动速度信号中的直流信号分量，过滤掉频率低于设定的低频阈值的振动速度信号，将隔直及高通滤波处理后的振动加速度信号输出给模数转换器；

在所述数字积分放大处理之后，通过单片机对所述数字的振动位移信号进行隔直及高通滤波处理，去除所述数字的振动位移信号中的直流信号分量，过滤掉频率低于设定的低频阈值的数字的振动位移信号，将隔直及高通滤波处理后的数字的振动位移信号输出给数模转换器。