基于单片微处理器的风机振动测试仪

　　一、引言

　　对于大型旋转机械,如风机、水泵等在低速运行时,振动信号频率的变化通常在10Hz以下。传统的测振仪表由于工作频率的限制,不能测量到有效的振动信号,难以反映出这些低速运行的旋转机械的真实振动情况。以下介绍的是一种基于复原信号的原理设计的低频信号补偿器,可以达到测量低频振动的目的。

　　二、信号复原的原理

　　以测量低频振动常用的磁电式传感器为例,这种传感器输出阻抗较低,可直接接入振动分析仪,无需前置器,经常被用于安装在轴承座上来测量旋转机械的绝对振动监测。

　　它具有较低的固有频率,幅频特性如图1所示。

　　观察其中幅频曲线,看出这种传感器具有高通特性,当它被用于低速旋转风机振动测量时,就不能真实地检测到振动信号,其原因在于信号经传感器后产生了失真。

　　通常情况下,磁电式传感器为二阶系统,其传递函数表述为

　　式中　ωn———传感器的固有频率

　　ζ———阻尼比,一般介于0.5~1之间

　　信号复原的原理,就是在电路系统中构造一个与传感器的传递函数具有互补特性的补偿电路,它的传递函数应为

　　当补偿电路加入后,仪表系统的传递函数H(s)为

　　上式说明:传感器传输网络在加了补偿网络后,失真部分完全得到修正,达到了再现信号的目的,这是理想的极限情况。实际应用过程中,理想的情况是不可能做到的,然而它提供了一条切实可行的途径。由信号系统理论,补偿网络本身就是一个滤波器,它是一个具有2个极点,2个非零的零点的二阶系统。传递函数H(s)为

　　其中,ζ为补偿系统的阻尼系数;ωn为补偿系统的固有频率。级联后的传递函数为

　　当时,即补偿网络的零点与传感器系统的极点对消时,传递函数,这时整个系统的动态特性完全由补偿网络的动态特性来决定,它保留了原系统的零点,重新配置了极点,调整了它的阻尼、固有频率,使其特性接近于理想的状态。

　　三、表系统的组成

　　笔者已将其应用于自开发的袖珍式测振仪表中,使用效果很好,如图2。

　　该测振仪表完全以单片机为主,完成振动数据的处理,可实时测量和存储振动的加速度、速度均方根值及振动的位移值。振动传感器既可用加速度传感器也可用磁电式速度传感器,当使用磁电式速度传感器时,低频特性提升、补偿电路会自动地接入系统中,用于低速旋转机械振动测试频率拓展。振动信号前置处理电路完成传感器类型的切换,零位漂移的修正、自动量程切换、低通滤波等处理,峰值提取与保持电路将振动的位移最大值检出并转换为直流量送入A/D转换器,均方根电路采用美国AD公司的专用芯片,自动地提取振动加速度和速度的有效值,送单片机处理。