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電測(cè)法是最為廣泛使用的振動(dòng)測(cè)量方法，也是目前的主要測(cè)振手段。本文設(shè)計(jì)了基于AVR單片機(jī)的振動(dòng)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)，有效解決了振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)不準(zhǔn)確的問(wèn)題。該方案設(shè)計(jì)靈活，可很簡(jiǎn)單地移植到各種振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)中。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.壓電傳感器振動(dòng)測(cè)試

當(dāng)壓電傳感器的壓電元件受到外界的作用力時(shí)，在壓電元件的兩個(gè)電極表面就會(huì)出現(xiàn)與外界作用力成正比的電荷，且兩個(gè)電極表面聚集的電荷量相等，極性相反。因此，可以把壓電傳感器看作一個(gè)電荷發(fā)生器，也就是一個(gè)電荷源，而壓電元件在這一過(guò)程中可以看成是一個(gè)電容器。壓電傳感器也存在與電容傳感器相同的問(wèn)題，即內(nèi)阻很高和功率很小。要解決這些問(wèn)題就必須使用特殊的轉(zhuǎn)換電路。由于小功率的存在，壓電傳感器輸出的能量就很微弱，再加上電纜的分布電容和干擾等因素，嚴(yán)重影響壓電傳感器的輸出特性。所以，在壓電傳感器的測(cè)量電路中需要加前置放大器。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

振動(dòng)測(cè)試硬件系統(tǒng)的主要任務(wù)是獲取振動(dòng)信號(hào)，并對(duì)振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。最原始的振動(dòng)信號(hào)是非電量，依靠壓電加速度傳感器將非電量的振動(dòng)信號(hào)向電信號(hào)轉(zhuǎn)換，即壓電加速度傳感器構(gòu)成振動(dòng)測(cè)試硬件系統(tǒng)的最前端。壓電加速度傳感器直接輸出的電信號(hào)是極微弱的，不利于處理，因此需要使用信號(hào)調(diào)理電路對(duì)其進(jìn)行調(diào)理。該系統(tǒng)以ATmega128單片機(jī)為核心采集調(diào)理好的振動(dòng)電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)CPU內(nèi)部建立的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出振動(dòng)大小，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸功能。實(shí)際測(cè)量中，采用了4個(gè)壓電加速度傳感器，其中3個(gè)用來(lái)模擬被測(cè)物體3個(gè)方向的直線振動(dòng)，另一個(gè)用作參考傳感器。

二、系統(tǒng)核心硬件電路設(shè)計(jì)

1.主CPU電路

主CPU采用高性能、低功耗的ATmega128芯片。該芯片自帶8路10位ADC、SPI總線、TWI總線等，3.3V低功耗電壓，豐富的內(nèi)部資源減小了系統(tǒng)的體積，方便了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。該CPU采用了精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)，保證了系統(tǒng)快速地運(yùn)算計(jì)量振動(dòng)信號(hào)并分析處理。

2.振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)模塊

目前廣泛使用的壓電加速度傳感器測(cè)量電路是電荷放大器，其輸出電壓正比于輸入電荷量。電荷放大器相比其他壓電加速度傳感器測(cè)量電路的最大特點(diǎn)是測(cè)量靈敏度和電纜長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，這在實(shí)際測(cè)量應(yīng)用時(shí)顯得非常方便。壓電加速度傳感器輸出的高阻電荷信號(hào)首先經(jīng)電荷轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥杩闺妷盒盘?hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理放大電路歸一化后送入濾波器，最后經(jīng)輸出放大電路進(jìn)行放大后輸出。

振動(dòng)信號(hào)的信號(hào)調(diào)理對(duì)精確檢測(cè)振動(dòng)大小至關(guān)重要。電荷轉(zhuǎn)換電路對(duì)運(yùn)算放大器的要求主要在于低漂移、寬頻帶、高增益、高輸入阻抗。振動(dòng)信號(hào)周圍或伴有高溫、強(qiáng)壓及強(qiáng)震蕩而帶來(lái)的各種噪聲，對(duì)傳感器輸出的有用信號(hào)進(jìn)行有效調(diào)理相當(dāng)重要。儀表放大方式是差分信號(hào)放大的理想選擇，能在噪聲以及含有大共模信號(hào)的條件下保持極高的直流準(zhǔn)確度和增益準(zhǔn)確度。系統(tǒng)選用了AD公司的AD8574芯片，該芯片內(nèi)部集成了4路放大器，超低的失調(diào)、漂移和偏置電流特性，具有軌到軌輸入和輸出擺幅能力，可以滿足3.3V單電源工作。將內(nèi)部3個(gè)運(yùn)放配成儀表放大器形式，既滿足了儀表放大器形式又保證了調(diào)理電路，具有最小的漂移和足夠的準(zhǔn)確度。傳感器輸入的是差分信號(hào)，為了避免負(fù)電壓在單電源運(yùn)放中出現(xiàn)，電路設(shè)計(jì)中引入?yún)⒖茧妷禾Ц咻斎胫?，從而保證輸入和輸出都處在運(yùn)放放大器理想的狀態(tài)。具體電路如圖1所示。

圖1  信號(hào)調(diào)理電路

3.溫度測(cè)量模塊

溫度是系統(tǒng)評(píng)估振動(dòng)信號(hào)大小的關(guān)鍵性參數(shù)，影響著壓電傳感器輸出準(zhǔn)確度，同時(shí)影響電子元件的運(yùn)行參數(shù)，并且如果測(cè)量系統(tǒng)的溫度超過(guò)工作范圍，有可能對(duì)系統(tǒng)設(shè)備造成不可恢復(fù)的破壞。本系統(tǒng)選用的是目前得到廣泛運(yùn)用的美國(guó)Dallas半導(dǎo)體公司研制的單總線溫度傳感器DS18B20，它是單片結(jié)構(gòu)，無(wú)需外加A/D即可輸出9～12位的數(shù)字量。通信采用單總線協(xié)議，對(duì)DS18B20的各種操作通過(guò)一條數(shù)據(jù)線即可完成，同時(shí)該數(shù)據(jù)線還可兼做電源線，即具有寄生電源模塊。溫度測(cè)量范圍為-55℃～+125℃。

4.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路選用了ATMEL公司的AT45DB321D芯片。該芯片支持高速SPI串行接口，具有8M字節(jié)的容量。如果需要長(zhǎng)時(shí)間工作可以將多塊存儲(chǔ)芯片并聯(lián)使用，保證了系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作，并將振動(dòng)信號(hào)保存用作后期處理以及分析。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是將4個(gè)振動(dòng)電信號(hào)采集進(jìn)入處理器，然后經(jīng)過(guò)一定數(shù)學(xué)模型計(jì)算出振動(dòng)大小，固件程序是振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)采集模塊的核心。為了更好地理解和編寫程序，整個(gè)系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)?；谶@種編程思想，軟件編程的總體分主程序、數(shù)據(jù)采集程序、振動(dòng)信號(hào)處理程序以及上位機(jī)通信程序。本設(shè)計(jì)選用了定時(shí)器來(lái)啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，然后再對(duì)設(shè)備振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，系統(tǒng)具體軟件主要流程如圖2所示。

圖2  軟件主流程圖

四、振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

為了檢驗(yàn)系統(tǒng)是否能準(zhǔn)確估算振動(dòng)信號(hào)的大小，系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)使用了STI振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)DC-1000-15。取一塊直角三棱錐粘貼在振動(dòng)臺(tái)面上接受激振，直角三棱錐的3個(gè)側(cè)面都是直角，其法向構(gòu)成一個(gè)三維直角坐標(biāo)系。3個(gè)傳感器分別安裝在3個(gè)側(cè)面上構(gòu)成測(cè)量坐標(biāo)系，4號(hào)傳感器是一個(gè)三軸傳感器，用于校對(duì)振動(dòng)信號(hào)的準(zhǔn)確性。此時(shí)，振動(dòng)臺(tái)所產(chǎn)生的振動(dòng)方向與3個(gè)傳感器的敏感軸向均成一定角度。以振幅為3.5g、頻率為100Hz的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)作為激振信號(hào)，測(cè)得4個(gè)傳感器的振動(dòng)信號(hào)。

4個(gè)傳感器的振動(dòng)信號(hào)幅值分別為A1=1.2g、A2=2.1g、A3=2.2g、A4=3.3g。

傳感器1、2、3在振動(dòng)臺(tái)軸向上的振動(dòng)合成與傳感器4所測(cè)得的值基本吻合，表明該系統(tǒng)測(cè)量振動(dòng)信號(hào)準(zhǔn)確有效，具有較高的可靠性與很好的實(shí)用性。