CN110006523A - 一种手持式测振仪及其信息提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种手持式测振仪及其信息提取方法，该测振仪和方法旨在解决现今的便携式测振系统功能简单，测量精度、测量值稳定性和测量数据的可用性比较差，同时，较高精度的振动测量系统便携性差，价格昂贵，不利于推广使用的技术问题；该测振仪硬件包括：电源系统、单片机模块、传感器模块、信号调理模块等；电源系统分别与单片机模块、传感器模块、信号调理模块、液晶显示及键盘模块电信号连接，单片机模块分别与信号调理模块、液晶显示及键盘模块、外扩数据存储器及USB接电信号连接，传感器模块与信号调理模块电信号连接。该测振仪和方法通过相应的结构和运算方法，实现了设备精度高、体积小、功能强、抗干扰强、成本低、可靠性强的效果。
Description
技术领域
本发明属于机械与电子信息技术领域，尤其涉及一种机械振动监测设备及其信息提取方法，具体涉及一种手持式测振仪及其信息提取方法。
背景技术
机械振动是机器的一种属性，当机器运转过程中出现异常情况时，一般会出现振动的加大和变化，通常可以根据对振动信号进行测量处理和分析识别的结果，在设备不停机、不解体的情况下，对故障的原因、部位以及劣化程度进行诊断。尽管旋转机械的振动问题往往是由多种因素综合所致，但是各种类型的振动仍有其固有属性，除振动发生过程和振动特征上的表现有所不同外，通常振动频谱可以比较完整地反映出振动的性质，可以根据测量的振动频谱分布查找引起振动异常的原因。
目前，现有的振动测试系统存在的缺点主要表现在：
1.目前使用的便携式测振系统对传感器信号大多采用模拟处理方法，这样使得仪器的测量精度、测量值稳定性和测量数据的可用性比较差；
2.目前使用的便携式振动测试系统的功能简单，不能满足现场测试的基本要求；
3.较高精度的振动测量系统便携性比较差，体积大，不便于在工业现场灵活使用；
4.进口振动测试系统价格昂贵，不利于广泛应用。
发明内容
(1)要解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种手持式测振仪及其信息提取方法，该测振仪和方法旨在解决现今的便携式测振系统功能简单，测量精度、测量值稳定性和测量数据的可用性比较差，同时，较高精度的振动测量系统便携性差，价格昂贵，不利于推广使用的技术问题；该测振仪和方法通过相应的结构和运算方法，实现了设备精度高、体积小、功能强、抗干扰强、成本低、可靠性强的效果。
(2)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了这样一种手持式测振仪，本手持式测振仪硬件包括：电源系统、单片机模块、传感器模块、信号调理模块、液晶显示及键盘模块、外扩数据存储器及USB接口；电源系统分别与单片机模块、传感器模块、信号调理模块、液晶显示及键盘模块电信号连接，单片机模块分别与信号调理模块、液晶显示及键盘模块、外扩数据存储器及USB接电信号连接，传感器模块与信号调理模块电信号连接；其中，信号调理模块由电荷放大器、高增益电压放大器、低通抗混淆滤波器串联连接组成。
在本发明中，软件包括ARM的软件、数据处理程序、USB接口编程实现外扩数据存储器编程和基于嵌入式原理的文件存储系统软件；而且，CPU采用LPC768芯片，使得测振仪诊断速度快、小型，而且成本低。
本发明采用了嵌入式系统的原理创建了数据文件存储系统，结构化的文件存储系统减少了信号输入输出用到大量的数据所需的时间，并且节省了单片机运行内存空间。
本手持式测振仪由压电式加速度传感器获得被测物体的振动加速度信号，由传感器信号电缆将加速度电压信号送入手持式测振仪进行处理。手持式测振仪可完成位移、速度、加速度信号的转换，电压信号的放大、滤波，电压信号的数字化，测量数据的显示。本手持式测振仪运用包含P87LPC767芯片CPU的单片机和ZOOMFFT算法相结合，可以快速完成对振动的测量及数据处理。
本发明还提供这样一种手持式测振仪的信息提取方法，该方法利用上述的手持式测振仪进行信息提取，具体步骤为：
步骤一、根据采样定理确定采样频率fs，这是采样信号频谱的周期长度；
步骤二、根据要求的分辨率Δf和细化频段的中心频率fs及宽度B确定l0、M和N，其中，M为≥B/Δf的2的整数次幂，N为≥fs/Δf的整数，并保证D＝N/M为整数；
步骤三、对连续信号x0(t)在[0，1/Δf]内做N次采样，并做正交调制，得复调制信号：
步骤四、对x(n)的各正交分量分别做数字低通滤波，滤波器带宽为B；
步骤五、对滤波后的序列y(n)按选抽比D＝N/M进行选抽，得M点序列r(m)＝y(Dm)，其中，m＝0，1，2，…M－1；
步骤六、对r(m)做M点FFT处理，得频谱序列，即为中心频率为l0Δf，带宽为B频段内原信号的离散谱，谱的分辨率即为要求的Δf。
使用单片机对数据进行加工处理，运用改进FFT算法－ZOOMFFT算法，该算法仅对某一需要特殊关注的频段做局部放大，得到该频段内的高分辨率谱，提高了测量的精度；通过软件积分计算，节省了硬件的积分电路，降低了成本，减小了体积。
(3)有益效果
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.设备精度高、体积小、功能强、抗干扰强、成本低；
2.采取了抗干扰措施，保证了测量的精度，提高了仪器的可靠性；
3.在数据处理中采用ZOOMFFT算法，提高了测量的精度；
4.采用了嵌入式系统的原理创建数据文件存储系统，提高读取速度，节省了单片机RAM的空间；
5.通讯采用USB接口，极大提高了数据传输的速度，并为二次开发提供了良好的基础。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明具体实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，以进一步阐述本发明，显然，所描述的具体实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的样式。
本具体实施方式为一种手持式测振仪及其信息提取方法，
该手持式测振仪电源系统采用锂离子电池供电，使用了AD公司生产的8脚SO封装的ADP3820作为单节锂离子电池充电器控制器；DC/DC转换电路采用了MAXIM公司生产的MAX1675和SPX1117M3。
单片机模块的CPU采用LPC768芯片，P87LPC768A/D转换器电路由4路模拟输入和一个8位逐次逼近式ADC组成；采用数据存储器AT24C256进行数据存储。
传感器模块使用电测法来测量，使用了压电式加速度传感器获得振动加速度信号。
信号调理模块主要由电荷放大器、高增益电压放大器、低通抗混淆滤波器组成，设计了手持式内置微型双电荷放大器和频率补偿电路。
使用的液晶是模块化的，在线路板上将RAM、ROM和驱动控制电路与LCD连接起来，只须提供电源和输入信号即可工作；键盘接口在组合接法的基础上，仍然使用3根输入口，再增加3个二极管，软件处理使用端口访问和扫描检测两种方法，可以使按键数达到16个，同时由于采用了组合逻辑来直接对端口进行读取。
采用PDIUSBD12作为USB接口，实现与微控制器进行通信的高速通用并行接口，并且还支持本地的DMA传输。
此外，为了抗干扰，硬件还使用了如下抗干扰措施，包括：(1)测振仪包装壳体的内壁涂上一层屏蔽层，使得壳体成为一个屏蔽体，有效的排除静电、磁场和电磁辐射的干扰。(2)在输出电源处并联一个100μF的电解电容和0.1μF的陶瓷电容，有效地抑制输出电源上的纹波和高频噪声。(3)用RC低通滤波器滤除串模交流干扰。(4)使用双端输入、共模抑制比高的差动放大器减小信号通路的共模干扰。(5)在PCB板上每一个IC都接入高频特性好的0.1μF的旁路电容，旁路电容的引线要短而且紧靠需要旁路的集成芯片的Vcc和GND端，以消除高频干扰。(6)电路板一般分模拟电路区(怕干扰)，数字电路区(怕干扰、又产生干扰)，功率驱动区(干扰源)，布板时要合理地分成三区。(7)时钟发生器、晶振和CPU的时钟输入端都易产生噪声，要相互靠近些，特别是晶振下方不要走信号线，可以获得较好的抗噪声效果。(8)布线时，电源线和地线要尽量粗一些，最好在PCB板的boterm层将“地”大面积布成棋格状，这样除减小压降外，更重要的是抑制电源线和地线阻抗引起的振荡。(9)高频晶振会产生很大的噪声，晶振要尽量靠近单片机的相关引脚，连接线要短。(10)PCB板布线时避免出现90度折线和锐角折线，减少高频噪声发射。
同时，为了抗干扰，软件也使用了如下抗干扰措施，包括：(1)采用在一段时间内重复输出同一个信号，重复的周期尽量短进行单片机I/O通道抗干扰。(2)采用复合滤波进行数字量测量中的抗干扰。(3)用“看门狗”(WATCHDOG)技术实现系统复位。(3)让CPU在没有重要工作的时候进入睡眠状态，必要时再由中断唤醒，处理结束后又进入睡眠状态，即CPU睡眠状态抗干扰。(4)采用“软件陷阱”抗干扰，“软件陷阱”实际上是一条引导指令，如果程序“跑飞”到该引导指令处，该引导指令将捕获的程序强行引到一个指定的地址，在该地址处有一段专门处理错误的程序对错误进行处理。
使用单片机对数据进行加工处理，运用改进FFT算法－ZOOMFFT算法，该算法仅对某一需要特殊关注的频段做局部放大，得到该频段内的高分辨率谱。算法的步骤如下：
步骤一、根据采样定理确定采样频率fs，这是采样信号频谱的周期长度；
步骤二、根据要求的分辨率Δf和细化频段的中心频率fs及宽度B确定l0，M(为≥B/Δf的2的整数次幂)，N(为≥fs/Δf的整数，并保证D＝N/M为整数)；
步骤三、对连续信号x0(t)在[0，1/Δf]内做N次采样，并做正交调制，得复调制信号：
步骤四、对x(n)的各正交分量分别做数字低通滤波，滤波器带宽为B；
步骤五、对滤波后的序列y(n)按选抽比D＝N/M进行选抽，得M点序列r(m)＝y(Dm)，其中，m＝0，1，2，…M－1；
步骤六、对r(m)做M点FFT处理，得频谱序列，即为中心频率为l0Δf，带宽为B频段内原信号的离散谱，谱的分辨率即为要求的Δf。
采用嵌入式系统的原理创建了数据文件存储系统，建立有结构文件，数据存储时采用文件分页存储的形式，并采用容量为64K字节的AT24C256作为数据存储器，结构化的文件存储系统减少了信号输入输出用到大量的数据所需的时间，并且节省了单片机运行内存空间。
以上描述了本发明的主要技术特征和基本原理及相关优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性具体实施方式的细节，而且在不背离本发明的构思或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将上述具体实施方式看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照各实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (2)
1.一种手持式测振仪，其特征在于，本手持式测振仪硬件包括：电源系统、单片机模块、传感器模块、信号调理模块、液晶显示及键盘模块、外扩数据存储器及USB接口；电源系统分别与单片机模块、传感器模块、信号调理模块、液晶显示及键盘模块电信号连接，单片机模块分别与信号调理模块、液晶显示及键盘模块、外扩数据存储器及USB接电信号连接，传感器模块与信号调理模块电信号连接；其中，信号调理模块由电荷放大器、高增益电压放大器、低通抗混淆滤波器串联连接组成。
2.一种手持式测振仪的信息提取方法，其特征在于，该方法利用如权利要求1所述的一种手持式测振仪进行信息提取，具体步骤为：
步骤一、根据采样定理确定采样频率fs，这是采样信号频谱的周期长度；
步骤二、根据要求的分辨率Δf和细化频段的中心频率fs及宽度B确定l0、M和N，其中，M为≥B/Δf的2的整数次幂，N为≥fs/Δf的整数，并保证D＝N/M为整数；
步骤三、对连续信号x0(t)在[0，1/Δf]内做N次采样，并做正交调制，得复调制信号：
步骤四、对x(n)的各正交分量分别做数字低通滤波，滤波器带宽为B；
步骤五、对滤波后的序列y(n)按选抽比D＝N/M进行选抽，得M点序列r(m)＝y(Dm)，其中，m＝0，1，2，…M－1；
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Application publication date: 20190712 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |