智能动平衡仪中硬件频谱分析的实现

　　1　引言

　　智能动平衡仪是检测机器由于转子不平衡而引起振动的仪器。在实施动平衡前,先对振动信号进行频谱分析,按照Sohre JS旋转机械动原因及振动特征分析表[1],根据现场情况来指导转子系统进行动平衡。本文以开发成功的微速差双转子系统智能化整机动平衡仪为例,从频谱分析的意义和具体实现两个方面详细讨论用频率扫描抽取指定频率振动分量有效值的方法实现硬件频谱分析的原理。

　　2　常用频谱分析方法及其区别

　　频谱分析的方法主要有两种:软件频谱分析和硬件频谱分析。软件频谱分析是一种数字处理方法,它将A/D采集到的信号,经过FFT变换来获取振动信号的频谱。而硬件滤波是一种硬件直接对振动信号进行扫频获得信号频谱的方法。软件频谱的优点是分析算法成熟、易于移植、实施十分方便。但它占用内存较大,对微处理器的相对要求太高。在我们开发的微速差双转子智能化整机动平衡仪中,由于不解拍整机动平衡分析过程复杂,数据处理量大,为了节省空间,仪器没有采用软件频谱分析,而是采用比较简单的硬件频谱分析方法,下面对它的原理和具体实现进行详细地介绍。

　　3　硬件频谱分析的实现

　　智能动平衡仪是通过5G6515跟踪滤波器从复杂的振动信号中提取不平衡拍振信号的。5G6515是由双二次型电路构成的二阶开关电容滤波器和中心频率输入的检波电路组成的带通滤波器。该电路具有较高的品质因数(Q=74.5),具体电路工作原理见文献[2]。5G6515的主要参数如表1所示,其频相曲线如图1所示。其中fo为带通滤波器的中心频率,fL和fH分别为低端和高端的截至频率,其通带带宽BW=fH-fL=fo/Q;过渡带宽TW=f2-fU=fL-f1≈0.16fo。由此可见5G6515的通带带宽和过渡带带宽都很窄,具有良好的选频特性。图2为利用5G6515构成的简单硬件频谱分析工作原理图。测振传感器测得的振动信号,经过信号预处理电路放大或衰减后送入跟踪滤波器。8031利用内部的定时器通过P1.3脚输出频率为32fo的方波,用它去控制跟踪滤波器5G6515的中心频率。经跟踪滤波后的振动信号,通过绝对值电路,获取振动信号中频率为fo振动分量的有效值,然后经A/D转换后,送入单片机进行进一步的处理和显示。当通过软件改变定时器的定时长短(即改变fo),对振动信号进行频率扫描[3],这样就可以实现振动信号的简单频谱分析。图1中的开关K用于选频信号和通频信号之间的切换,提取通频信号的目的是为了更方便地确定各频率成分占总振动量的比值。下面对定时器的选择,频谱分析范围、谱线间隔、绝对值电路及硬件频谱分析的软件流程进行讨论。