1、第三章 振動信號測取技術機械設備故障診斷與醫學診斷有許多相似之處，機械設備出現故障（隱患）時，會反映出各種征兆，諸如振動、溫度、壓力等信號的變化。但不是所有信號對任何故障隱患都很敏感，如對齒輪箱來說，若是軸承出現破損，振動信號的變化要比溫度信號敏感；若是潤滑不足，則溫度信號就比振動信號敏感。這就是說設備在不同的運行狀態下（故障也是一類運行狀態），其特征信息的敏感程度是不同的。特征信息的獲取，不僅與所選擇的信號內容有關，而且與傳感器的類型、傳感器的精度和測點位置有關。31 加速度傳感器某些物質如石英晶體，在受到沖擊性外力作用后，不僅幾何尺寸發生變化，而且其內部發生極化，相對的表面出現電荷，形成電

2、場。外力消失后，又恢復原狀。這種現象叫做壓電效應。將這種物質置于電場中，其幾何尺寸也會發生變化，叫做電致伸縮效應。多數人工壓電陶瓷的壓電常數比石英晶體大數百倍，也就是說靈敏度要高得多。利用壓電效應，制成壓電式加速度傳感器，可用于檢測機械運轉中的加速度振動信號；利用電致伸縮效應，制成超聲波探頭，可用于探測構件內部缺陷。圖31 加速度計壓電式加速度傳感器的內部結構圖32 壓電式加速度計a)中心壓縮型 b)環形剪切型 c)三角剪切型壓電式加速度傳感器的測量電路由于電荷是非常微弱的量，且因為漏電阻的存在，使之不能傳輸較長的距離。通常廠家提供的專用低噪聲電纜只有35米，最長不過10米。因此需要在被測設備

3、附近布置前置放大器，將電荷量放大數千倍后，再傳輸給顯示計量儀表。前置放大器電路有兩種形式：其一是電阻反饋的電壓放大器，另一種是電容反饋的電荷放大器。電荷放大器是工業測量現場使用最多的前置放大器。但電路復雜，數千倍的放大倍數，對各級放大器的性能穩定性提出了極高的要求，因而價格較貴。目前，新型的壓電式加速度傳感器采用了內置IC電路的方案，由于內部空間極小，內置IC電路實際完成阻抗變換的功能，需一個20mA的恒流源對其供電。測量電路如圖33所示。可以將內置IC電路看成一個隨加速度值變動的電阻，加速度值升高，電阻值也線性升高，由于恒電流供電，20mA電流不能通過儀表端的隔直電容，通過變電阻的電流是常數

4、，因此在變電阻的兩端產生電壓變化，這個電壓因此也隨加速度變化。變化的電壓可以通過隔直電容輸入給放大器A，最后輸出測量電壓。需要注意的是，隔直電容與后面的電阻構成一個高通濾波器，因此電容C與電阻R的值決定了該測量系統頻率響應特性曲線的最低信號頻率。圖33 ICP型加速度計測量電路壓電式加速度傳感器的安裝要求圖34的左邊是幅頻特性曲線，它反映信號的頻率在1Hz到3KHz這一段，加速度計能比較好的復現信號的波形。幅頻特性曲線告訴我們，測量裝置對信號中不同的頻率波形有不同的放大倍數。為了測得的電信號波形能真實地復現振動波形，就必需使所測信號中最高的頻率位于幅頻特性曲線上的水平段。為此，要使安裝后的加速

5、度計特性具有足夠高的共振頻率。圖34 加速度計的幅頻特性壓電式加速度傳感器的安裝此外，低噪聲專用電纜的敷設也要注意。對于內置IC的集成加速度傳感器，由于恒流供電阻抗變換方式，對電纜的敷設要求不高。但非集成式加速度傳感器，因電纜與機殼構成耦合電容，是電壓干擾的進入通道，所以要求該電容不隨機殼的振動而變化。因此電纜必需緊貼機殼固定，使耦合電容值最小且不變。32 速度傳感器速度傳感器又稱為磁電式變換器，有時也叫作“電動力式變換器”或“感應式變換器”，它利用電磁感應原理，將運動速度轉換成線圈中的感應電勢輸出。它的工作不需要電源，而是直接從被測物體吸取機械能量并轉換成電信號輸出，是一種典型的發生器型變換

6、器。由于它的輸出功率較大，因而大大簡化了后續電路，且性能穩定，又具有一定的工作帶寬(一般為101000Hz)，所以獲得了較普遍的應用。磁電式速度傳感器有絕對式和相對式兩種，前者測量被測對象的絕對振動速度，后者測量兩個運動部件之間的相對振動速度。圖36 磁電式絕對速度傳感器1彈簧片、2殼體、3阻尼環、4永磁鐵、5線圈、6心軸、7彈簧1磁電式絕對速度傳感器 銅制的阻尼環一方面可增加慣性系統的質量，降低固有頻率；另一方面又利用閉合銅環在磁場中運動時所產生的磁阻尼力，使振動系統具有合理的阻尼，從而減小共振對測量精度的影響。2磁電式相對速度傳感器圖37 磁電式絕對速度傳感器1殼體、2心軸殼體、3彈簧片、

7、4永磁鐵、5線圈、6彈簧片、7引出線磁電式速度傳感器的選用在選擇速度傳感器時首先要注意傳感器的最低工作頻率，它告訴我們被測設備的頻譜圖中低于這個頻率的信號是失真的，可信度低。其次是傳感器的靈敏度，例如20mv/mm/s（美國本特利公司）、100 mv/mm/s（德國申克公司），這個參數用于將測得的電壓值換算成速度值，也是估計傳感器最大輸出電壓的重要參數。由于要克服自重的影響，速度傳感器分為水平安裝（H型）與垂直安裝（V型）兩種。垂直安裝的速度傳感器與水平安裝的速度傳感器內部機械結構參數是不同的，在使用時必須注意，不能混用。33 位移傳感器電渦流傳感器能靜態和動態地非接觸、高線性度、高分辨力地測

8、量被測金屬導體距探頭表面的距離。它是一種非接觸的線性化測量傳感器。用于高速旋轉機械和往復式運動機械的狀態分析，電渦流傳感器以其長期工作可靠性好、測量范圍寬、靈敏度高、分辨率高、響應速度快、抗干擾力強、不受油污等介質的影響、結構簡單等優點，在大型旋轉機械狀態的在線監測與故障診斷中得到廣泛應用。渦流傳感器工作原理當被測金屬與探頭之間的距離發生變化時，探頭中線圈的Q值也發生變化，Q值的變化引起振蕩電壓幅度的變化，而這個隨距離變化的振蕩電壓經過檢波、濾波、線性補償、放大歸一等處理轉化成電壓（電流）變化，最終完成機械位移(間隙)轉換成電壓（電流）。由上所述，電渦流傳感器工作系統中被測體可看作傳感器系統的

9、一半，即一個電渦流位移傳感器的性能與被測體有關。振蕩器檢波電路放大器渦電流探頭線圈前置放大器電纜圖39 渦流傳感器工作原理圖圖310是目前工業上常見的渦流傳感器與前置放大器。由于前置放大器與探頭線圈分離，連接兩者之間的電纜構成振蕩電路的電容元件，電纜長度變化導致電氣參數的變化。因此，探頭電纜與前置放大器是配套的，沒有互換性。一旦電纜損壞，全套報廢，而電纜又是最易損壞的部件。圖311是新型的集成一體化渦流傳感器，它將前置放大電路集成到探頭內部，這樣電纜的作用就僅僅是傳輸信號，損壞后可以重新接起來，繼續使用。所以這種新型的渦流傳感器是應用的方向。 圖310 渦流傳感器與前置放大器圖311 集成一體

10、化渦流傳感器渦流傳感器的輸入（mm）輸出（V）特性曲線圖312 是某渦流傳感器的輸入（mm）輸出（V）特性曲線。因為供電電壓是24V，所以輸出電壓也是負電壓。這樣做的目的是抗干擾。從圖上看，0.44.8mm是特性曲線的直線段，也是使用的測量區間。這個特性曲線通常是生產廠提供。也可在現場用特制的標定器測出，特別是長期使用后的靈敏度此曲線的斜率，線性度及測量范圍的重新標定。圖312 某渦流傳感器的輸入（mm）輸出（V）特性曲線電渦流傳感器探頭的正確安裝電渦流傳感器探頭的正確安裝是保證傳感器系統可靠工作的先決條件，安裝時應該注意以下幾個環節。探頭的安裝間隙（探頭端面到被測端面的距離） 各探頭間的最小

11、間距。 探頭頭部與安裝面的安全間距 探頭安裝支架的選擇（牢固性）電纜轉接頭的密封與絕緣。探頭所帶電纜、延伸電纜的安裝探頭抗腐蝕性 探頭的高溫、高壓環境電渦流傳感器探頭安裝圖例1圖313 電渦流傳感器探頭的安裝電渦流傳感器探頭安裝圖例2圖314 軸的徑向振動測量當需要測量軸的徑向振動時，要求軸的直徑大于探頭直徑的三倍以上。每個測點應同時安裝兩個傳感器探頭，兩個探頭應分別安裝在軸承兩邊的同一平面上相隔905。由于軸承蓋一般是水平分割的，因此通常將兩個探頭分別安裝在垂直中心線每一側45，從原動機端看，分別定義為X探頭（水平方向）和Y探頭（垂直方向），X方向在垂直中心線的右側，Y方向在垂直中心線的左側

12、。圖315 鑒相測量的安裝某些情況下，我們需要測量最大振幅在軸的哪個方向上。例如在現場動平衡測量時，這時就需要鑒相測量。鑒相測量就是通過在被測軸上設置一個凹槽或凸鍵，稱鑒相標記。這就是軸的相對0度。凹槽或凸鍵要足夠大，以使產生的脈沖信號峰峰值不小于5V(AP1670標準要求不小于7V)。一般若采用5探頭，則這一凹槽或凸鍵寬度應大于7.6mm、深度或高度應大于1.5mm（推薦采用2.5mm以上）、凹槽或凸鍵應平行于軸中心線，其長度盡量長，以防當軸產生軸向竄動時，探頭還能對著凹槽或凸鍵。當采用模/數轉換測量時，鑒相標記的寬度決定了鑒相脈沖的最低采樣頻率。最低采樣頻率=INV（圓周長度鑒相標記的寬度

13、0.5）軸的轉頻。34 結構的激振方法在機械工程中常用的激振方法有以下幾種： 1穩態正弦激振 穩態正弦激振又稱簡諧激振。它是借助激振器對被測對象施加一個頻率與幅值均可控制的正弦激振力。它的優點是激振功率大，信噪比高，測試精度高；缺點是測試周期長，特別是對小阻尼的測試對象，每次激振頻率的改變均需要較長的穩定時間。 2瞬態激振瞬態激振時，施加在被測對象上的力是瞬態變化力，它屬于寬帶激振方法。常用的瞬態激振方法有以下幾種。1) 快速正弦掃描激振 快速正弦掃描激振的激振信號由振蕩頻率變化可控韻信號發生器供給，激振力的大小仍按正弦規律變化。常采用線性正弦掃描激振信號頻率在掃描周期內線性增加，但最大幅值不

14、變。掃描周期和激振的上、下限頻率可根據試驗要求選定，掃描周期僅為1 s2 s，可快速測試被測對象的動態特性。2) 脈沖激振 脈沖激振又稱錘擊法。通常用一個帶有力傳感器的脈沖錘敲擊被激對象。同時測量激勵和響應。這種方法具有試驗時間短，現場使用的設備簡單，在試驗對象上沒有附加質量等優點。其主要缺點是：力的大小不易控制，過小會降低信噪比，過大會引起非線性；試驗結果誤差較大，準確度差。3) 階躍激振 階躍激振是指被測對象突然受到或消除一恒作用力而產生自由振動的激振方法。例如在被測對象選定點處，用一重量輕、受拉方向剛度大的鋼索對被測對象施加一恒張力，然后突然切斷或松脫鋼索，就相當于對被測對象施加一負的階

15、躍激振力，激起被測對象的寬帶自由振動。對于大型結構件，如建筑物、橋梁等的激振，就可采用類似的辦法。 3隨機激振隨機激振也是一種寬帶激振方式，一般采用白噪聲或偽隨機信號發生器作為激振的信號源。市場上所售的白噪聲發生器能產生連續的隨機信號，它可激起被測對象在一定頻率范圍內的隨機振動。利用頻譜分析儀可得到被測對象的頻率響應。許多干擾力和動載荷(如切削力等)也具有隨機性質，也可作為現場測試的隨機激振源。隨機激振方式的優點是測試速度快、效率高，但所用儀器設備復雜而昂貴。圖317 脈沖力激振器激振器是對被測對象施加某種預定要求的激振力，使其產生預期振動的裝置。激振器應能在所要求的頻率范圍內，提供波形良好、

16、足夠穩定的激振力。激振器的形式有脈沖的、正弦的和隨機的三種。目前國內普遍應用的是脈沖力激振器和正弦力激振器。1)脈沖力激振器脈沖力激振器為一個內部裝有壓電式力傳感器的測力榔頭，又稱脈沖錘。圖317給出脈沖錘的結構簡圖及裝在錘中的力傳感器測得的敲擊力的波形圖和頻譜圖。從波形圖和頻譜圖可以看出：錘帽材料越硬，其敲擊力波形圖的峰值越高，持續時間越短，越接近于理想的脈沖函數；而且，錘帽材料越硬，其敲擊力的譜特性圖中平坦段的頻率范圍越寬。圖318 電動式激振器2)正弦力激振器正弦激振器按安裝方式不同，分為絕對式和相對式兩種。電動式激振器絕對式電動式激振器是利用電磁感應原理將電能轉變為機械能對被測對象提供

17、激振力的裝置。磁場形成方式不同，電動式激振器分為永磁式和勵磁式兩類，前者多用于小型激振器，后者多用于大型激振器振動臺。其結構原理如圖318所示電磁式激振器相對式 電磁式激振器是直接利用電磁力作為激振力，它常用于非接觸式激振。其結構如圖320所示。電磁激振器的特點是：可以對旋轉著的被測對象進行激振，它不受附加質量和剛度的影響，其激振頻率上限約為500 Hz800 Hz左右。圖320 電磁式激振器的結構鐵芯、2激振線圈、3勵磁線圈4傳感器、5檢測線圈35 傳感器校準與選擇 1振動傳感器的校準振動傳感器靈敏度的校準方法很多，常用的有以下幾種。a比較法(背靠背法) 利用精度等級較高的振動傳感器(如壓電

18、式標準加速度傳感器)和被校傳感器盡可能靠近在一起裝到振動臺臺面上，選擇一定的振動頻率及幅值進行振動，比較兩個傳感器的輸出信號，就可算出被校傳感器的靈敏度。這種校準方法的精度，主要取決于標準傳感器的精度。b互易法 互易法校準是基于某些傳感器的輸入和輸出之間存在互易依存性的原理，即輸入與輸出之間是可逆的。這種方法需用兩個互易傳感器(如一個壓電式傳感器及一個速度型動圈式傳感器)及一個激振器。激振器用來對兩個傳感器進行振動，從而求出兩個傳感器的靈敏度比R。利用對兩個傳感器中的一個傳感器(如動圈式傳感器)給以電能而推動另一傳感器振動，可以得到兩個傳感器的靈敏度乘積P。從R=S1S2：及P= S1S2即能

19、算出兩傳感器的S1及S2。這種校準方法因不依據振動源的絕對幅值精度及測量儀器的絕對值讀數精度(但振動頻率讀數需準確)，故可取得較高的校準精度，一般精度為0.51。2振動傳感器的選用 a傳感器裝到被測物上時，不能影響其振動狀態，以此來選定傳感器的尺寸和重量及考慮固定在被測對象上的方法。若必須采用非接觸式測量法時，應考慮傳感器的安裝場所及其周圍的環境條件。 b根據振動測定的目的，明確被測量的量是位移、速度還是加速度，這些量的振幅有多大，以此來確定傳感器的測量范圍。 對于小幅值(如0.1g左右)的振動，宜采用磁電式、伺服式等傳感器；一般振幅(如10g以下)的振動，各種傳感器均可適用；10g到1000

20、g的振動可采甩壓電式及應變式等加速度傳感器；對于更大的振動或沖擊宜采用壓電式。 c必須充分估計要測定的頻率范圍，以此來核對傳感器的固有頻率。 從靜態到400Hz，可采用應變式、伺服式等；03.5kHz范圍，可用應變式、渦流式等，21000Hz，可采用磁電式等；0.0320000Hz或更高頻率可采用壓電式。 d掌握傳感器結構和工作原理方面的各種特點，熟悉測量電路的性能，如頻率、振幅范圍、濾波器特性、整流方式和指示方式等。36 信號預處理傳感器信號調理電路是測試系統的重要組成部分，也是傳感器和AD之間以及DA和執行機構之間的橋梁。之所以需要信號調理，主要原因在于： (1)目前標準化工業儀表通常采用

21、010mA，420mA信號，為了和AD的輸入形式相適應，必須經IV變換成05V或15V的電壓信號；同樣，DA轉換器的輸出也應經VI變換為電流信號。 (2)某些測量信號可能是非電量，如熱電阻等，這些非電壓量信號必須變換為電壓信號。還有些信號是弱電信號，如熱電偶信號，它必須經放大、濾波。這些處理包括信號形式的變換、量程調整、環境補償、線性化等。（3）在某些惡劣條件下，共模電壓干擾很強，例如，共模電平高達220V，甚至500V以上，不采用隔離的辦法則無法完成數據采集任務，因此必須根據現場環境，考慮共模干擾的抑制，甚至采用隔離措施，包括地線隔離、路間隔離等。圖321 測量放大器原理圖放大器電路放大器電

22、路運算放大器由于結構上的不對稱，抵御共模干擾的能力很差。因此。在微電量，高放大，精密測量的要求下，測量放大器（又稱儀用放大器）應運而生。測量放大器除了對低電平信號進行線性放大外，還擔負著阻抗匹配和抗共模干擾的任務，它具有高共模抑制比、高速度、高精度、高頻帶、高穩定性、高輸入阻抗、低輸出阻抗、低噪聲等特點。隔離放大器的符號如圖323所示。按原理它分為兩種類型，一種是變壓器耦合的方式，另一種是利用線性光耦合器再加相應補償的方式。由于光電耦合線性度較差，現多采用變壓器耦合方式。圖323 隔離放大器原理圖在檢測系統中，人們往往需要將現場的傳感器電路與測量系統電路隔離開，既避免相互間的共模干擾，又防止了

23、某些高電壓事件給儀表電路造成損壞。模擬信號的隔離問題要比解決數字信號的隔離問題困難得多。目前，對于模擬信號的隔離廣泛采用隔離放大器。信號變換電路信號變換電路各種各樣的傳感器都是把非電量轉換成電量，但電量的形式卻不盡統一，有電阻、電感、電容、電壓、頻率和相位等多種形式。而在數據采集裝置或成套儀器系統中，都要求傳感器和儀表之間以及儀表與儀表之間的信號傳送采用統的標準信號。這樣不僅便于使用微機進行檢測，同時可以使指示、記錄儀表通用化。 由于電流信號與電壓信號比較有以下優點； 在信號傳輸線中，電流不受交流感應的影響，干擾問題易予解決 電流信號不受傳輸線中的電感、電容等參數變化的影響，使傳輸接線簡單。

24、直流信號便于AD轉換。因而檢測系統大多數都是以直流信號作為輸入信號。國際電工委員會(IEC)將電流信號為420mA（DC）和電壓120V（DC）確定為過程控制系統電模擬信號的統一標準。有了統一標準，無論什么儀表或裝置，只要有同樣標準的輸入電路或接口，就可以從各種測量變送器中獲得被測變量的信號。這樣兼容性和互換性大為提高，儀表配套也很方便。電壓轉換為電流（V/I轉換）由于微電子技術的發展，在實現05V、010V、420mA、020mA轉換時，可采用集成電壓/電流轉換芯片來實現。如AD693、AD694、XTR110、ZF2B20等。圖325 應用AD693作電阻應變電橋的信號變換電路電流轉換為電

25、壓（I/V轉換）當需要將電流信號轉換成電壓信號時，最簡單的I/V轉換可以利用一個精密電阻。圖326就是一個I/V轉換電路，其中RC構成低通濾波網絡，可調電租Rw用于調整輸出電壓值。圖326 電阻式I/V轉換電壓與頻率互換（V/F、F/V轉換）有些傳感器敏感元件輸出的信號為頻率信號，如測量轉速的光電編碼器，每轉發出幾百或幾千個脈沖，為了與其他帶有標準信號輸入電路或接口的A/D卡或顯示儀表配套，需要把頻率信號轉換為電壓或電流信號。另一方面，頻率信號抗干擾性好，便于遠距離傳輸，可以調制在射頻信號上進行無線傳輸，也可調制成光脈沖用光纖傳送，不受電磁場影響。由于這些優點，在一些非快速而又遠距離的測量中，

26、如果傳感器輸出的是電壓或電流信號，愈來愈趨向于使用電壓，頻率轉換器(VF)，把傳感器輸出的信號轉換成頻率信號。圖327 LM331作V/F轉換圖328 LM331作F/V轉換濾波器電路濾波器是一種選頻裝置，它可以允許信號中某種頻率成分通過而對其它頻率成分進行極大地抑制或衰減，起到“篩選頻率”的作用。濾波器在抑制干擾噪聲、數字信號分析的預處理等場合具有重要的作用。一、濾波器的分類根據濾波器的選頻作用可將濾波器分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器，其幅頻特性如圖329所示。圖329 四類濾波器的幅頻特性a)低通 b)高通 c)帶通 d)帶阻1截止頻率設幅頻特性的均值為A0。當幅頻特性值下降為 時所對應

27、的頻率，稱為實際濾波器的截止頻率。帶通或帶阻濾波器的截止頻率有兩個(圖330)，一個是上截止頻率fc1，另一個是下截止頻率fc2。圖330 帶通濾波器幅頻特性實際濾波器的幅頻特性與理想濾波器有很大的差異，以圖329所示的帶通濾波器為例：理想濾波器的通帶和阻帶之間是直角轉折，沒有過渡帶；實際上通帶和阻帶之間不可避免地存在過渡帶，沒有明顯的轉折點；通帶中幅頻特性也不是常數：因此，對于實際濾波器需要用更多的參數來描述其特性。20A2紋波幅度d實際濾波器的幅頻特性在截止頻率之間不是常數，在一定頻率范圍內呈波紋變化。紋波幅度值d與幅頻特性的平均值A0相比，越小越好，即：d 3帶寬B上下兩截止頻率之間的頻

28、率范圍稱為濾波器的帶寬B。4中心頻率f0中心頻率為上下截止頻率的幾何平均值，即：5品質因素Q 對于帶通濾波器，通常把中心頻率f0和帶寬B之比稱為品質因素，即：6倍頻程選擇性在上下截止頻率以外有一段過渡帶。在過渡帶頻段內，幅頻曲線的傾斜程度，反映了濾波器對通帶頻段以外其它頻率成分的衰減快慢。所謂倍頻程選擇性是指：在兩截止頻率以外頻率變化一倍（從fc2到2fc2。或從fc1到fc12）時，幅頻特性的衰減量，以dB為單位。倍頻程選擇性越好的濾波器過渡帶越陡，對通帶以外的頻率成分衰減越快。20A 210ccfffBfQ01一階RC低通無源濾波器 21f, 1)(fA21f21)(fA212cff21f

29、dteRCexy1當待濾波信號的頻率 時， 與f的關系近似為一條通過原點的直線，信號幾乎不受衰減通過濾波器。RC低通濾波器是一個不失真的信號傳輸系統。當 時， ，即 。調整電路參數RC，可以改變低通濾波器的截止頻率。當 時，濾波器起著積分器的作用，輸出ey為)( f圖331 RC低通濾波器幅頻特性2一階RC高通無源濾波器 21f0)(, 1)(ffA21f21)(fA212cff21ffjfA2)(圖332為高通濾波器典型電路及其幅頻、相頻特性。當信號頻率 時，說明高頻成分幾乎可以不受衰減地通過，這時的RC高通濾波器可視為不失真信號傳輸系統。當時， ，即 時，是高通濾波器的截止頻率。當 時，

30、，RC高通濾波器將起到微分器的作用圖332 RC高通濾波器幅頻特性3有源低通濾波器 ffcCRf212圖333 一階有源低通濾波器圖333（a）將一階低通濾波網絡直接接到運算放大器的輸入端，運算放大器的主要作用是放大低頻信號，使其帶負載的能力提高。圖333 (b)中，將高通網絡作為運算放大器的負反饋，起到低通濾波器的作用。該濾波器的頻率響應特性主要由與Cf并聯的負反饋電阻Rf決定，其時間常數=RfCf，截止頻率4開關電容濾波器 開關電容濾波器是20世紀70年代末期出現的新型單片濾波器，具有體積小，濾波階次高，濾波通帶可調等優點，得到廣泛的應用。這種濾波器是由MOS開關、MOS電容和運算放大器構

31、成的集成電路，以開關電容替代RC濾波器中的電阻R，這樣濾波器的特性取決于開關頻率和電路中有關電容的比值。例如MAX29X系列開關電容低通濾波器的截止頻率是開關頻率的1/100，通過程控改變開關頻率就可以獲得需要的濾波器特性。37 傳輸中的抗干擾技術3.7.13.7.1噪聲干擾的形成噪聲干擾的形成形成噪聲干擾必須具備三個要素：噪聲源、對噪聲敏感的接收電路及噪聲源接收電路間的耦合通道。因此，抑制噪聲干擾的方法也相應有三個：降低噪聲源的強度、使接收電路對噪聲不敏感、抑制或切斷噪聲源與接收電路間的耦合通道。多數情況下，需在這三個方面同時采取措施。 3.7.2 噪聲源1內部噪聲源 內部噪聲源是由檢測系統

32、內部和各種元器件引起的，主要有： (1)電路元器件產生的固有噪聲。電路或系統內部一般都含有電阻、晶體管、運算放大器等元器件，這些元器件都會產生噪聲，例如電阻的熱噪聲、晶體管的閃爍噪聲和電子管內載流子隨機運動引起的散粒噪聲等。 (2)感性負載切換時產生的噪聲干擾。在檢測和控制系統中常常包含有許多感性負載，如交、直流繼電器、接觸器、電磁鐵和電機等，它們都具有較大的自感。當切換這些設備時，由于電磁感應的作用，線圈兩端會出現很高的瞬態電壓，由此會帶來一系列的干擾問題。感性負載切換時產生的噪聲干擾十分強烈，單從接收電路的耦合介質方面采取被動的 (3)接觸噪聲。接觸噪聲是由于兩種材料之間的不完全接觸而引起

33、導電率起伏所產生的噪聲。例如：晶體管焊接處接觸不良(如虛焊或漏焊)，繼電器觸點之間、插頭與插座之間、電位器滑臂與電阻絲之間的不良接觸等都會產生接觸噪聲。這三種噪聲引起的干擾通常叫做固定干擾。另外內部噪聲干擾中還有一種過渡干擾，它是電路在動態工作時引起的干擾。固定干擾是引起測量隨機誤差的主要原因，一般很難消除，主要靠改進工藝和元器件質量來抑制。2外部噪聲源外部噪聲源主要來自自然界以及檢測系統周圍的電氣設備，是由使用條件和外界環境決定的，與系統本身的結構無關，主要有： (1)天體和天電干擾。天體干擾是由太陽或其他恒星輻射電磁波產生的干擾。天電干擾是由雷電、大氣的電離作用、火山爆發及地震等自然現象所

34、產生的電磁波和空間電位變化所引起的干擾。 (2)放電干擾。放電干擾是指電動機的電刷和整流子間的周期性瞬間放電，。電焊、電火花加工機床、電氣開關設備中的開關通斷，電氣機車和電車導電線與電刷間的放電等對鄰近檢測系統的干擾。 (3)射頻干擾。電視廣播、雷達及無線電收發機等對鄰近檢測系統的干擾，稱為射頻干擾。 (4)工頻干擾。大功率輸、配電線與鄰近測試系統的傳輸通過耦合產生的干擾，稱為工頻干擾。 3.7.3 噪聲的耦合方式1靜電耦合(電容性耦合)圖338 靜電耦合 靜電耦合產生的干擾主要是指由于兩個電路之間存在寄生電容，產生靜電效應而引起的干擾，如圖338所示。圖中，導線1是干擾源，導線2為檢測系統傳

35、輸出線，Cl、C2為導線1、2的寄生電容，C12是導線1和2之間的寄生電容，R為導線2被干擾電路的等效輸入阻抗。2電磁耦合(電感性耦合) 電磁耦合又稱互感耦合，是由于兩個電路間存在互感，如圖339所示。圖中導線l為干擾源，導線2為檢測系統的一段電路，設導線1、2間的互感為M。當導線l中有電流，1變化時，根據電路理論，則通過電磁耦合產生一個互感干擾電壓，干擾耦合方式主要為這種電感性耦合。圖339電磁耦合3阻抗耦合InZcZLUnc圖340 阻抗耦合共阻抗耦合干擾是由于兩個或兩個以上電路有公共阻抗，當一個電路中的電流流經公共阻抗產生壓降時，就形成對其他電路的干擾電壓，如圖340所示，共阻抗耦合干擾

36、主要有電源內阻抗的耦合干擾、公共地線耦合干擾和輸出阻抗耦合干擾三種方式。其在測量裝置的放大器中是很常見的干擾，由于它的影響，使放大器工作不穩定，很容易產生自激振蕩，破壞正常工作。4漏電流耦合EnZcRn圖341 漏電流耦合Unc由于絕緣不良，流經絕緣電阻R的漏電流對檢測裝置引起的干擾叫做漏電流耦合。圖341表示了漏電流引起干擾的等效電路。漏電流耦合經常發生在用儀表測量較高的直流電壓的場合，或在檢測裝置附近有較高的直流電壓源時，或在高輸入阻抗的直流放大器中。 3.7.4 噪聲的干擾模式1差模干擾差模干擾是指干擾電壓與有效信號串聯疊加后作用到檢測裝置的輸入端，又稱串模干擾、正態干擾、常態干擾或橫向

37、干擾等，如圖圖342所示。差模干擾通常來自高壓輸電線、與信號線平行鋪設的電源線及大電流控制線所產生的空向電磁場。Un圖342 差模干擾Um2共模干擾圖343 共模干擾共模干擾是指檢測裝置兩個輸入端對地共有的干擾電壓，又稱縱向干擾、對地干擾、同相干擾、共態干擾等。造成共模干擾的主要原因是被測信號的參考接地點和檢測裝置輸入信號的參考接地點不同，因此就會產生一定的電壓差值。 3.7.5 硬件抗干擾技術根據噪聲干擾必須具備的三個要素，檢測裝置的干擾控制方式主要是消除或抑制干擾源；阻斷或減弱干擾的耦合通道或傳輸途徑；削弱接收電路對干擾的靈敏度。檢測裝置的干擾噪聲控制方法常采用的有屏蔽技術、接地技術、隔離

38、技術、濾波器等硬件抗干擾措施，以及冗余技術、陷阱技術等微機軟件抗干擾措施。一接地技術“地”是電路或系統中為各個信號提供參考電位的一個等電位點或等電位面，所謂“接地”就是將某點與一個等電位點或等電位面之間用低電阻導體連接起來，構成一個基準電位。 檢測系統中的地線有以下幾種： (1)信號地。在測試系統中。原始信號是用傳感器從被測對象獲取的，信號(源)地是指傳感器本身的零電位基準線。 (2)模擬地，模擬地是模擬信號的參考點，所有組件或電路的模擬地最終都歸結到供給模擬電路電流的直流電源的參考點上。 (3)數字地。數字地是數字信號的參考點，所有組件或電路的數字地最終都與供給數字電路電流的直流電源的參考總

39、相連。 (4)負載地。負載地是指大功率負載或感生負載的地線。當這類負載被切換時，它的地電流中會出現很大的瞬態分量，對電平的模擬電路乃至數字電路都會產生嚴重干擾，通常把這類負載的地線稱為噪聲地。 (5)系統地。為避免地線公共阻抗的有害耦合，模擬地、數字地、負載地應嚴格分開，并且要最后匯合在一點，以建立整個系統的統一參考電位，該點稱為系統地。以上5種類型的地線，其接地方式有兩種：單點接地與多點接地。單點接地又有串聯接地和并聯接地兩種，主要用于低頻系統。串聯單點接地 在串聯接地方式中，任一電路的地電位都受到別的電路對地電流變化的調制，使電路的輸出信號受到干擾，這種干擾是由地線公共阻抗耦合作用產生的。

40、離接地點越遠，電路中出現的噪聲干擾越大，但與其他接地方式相比較，它布線最簡單，費用最省。正確地做法是：測量系統電路（信號地）距公共地（系統地）最近，其次是控制系統電路（模擬地、數字地），然后是負載電路的地。電路1電路2電路3R1R2R3I1I2I3圖344 串聯單點接地方式并聯單點接地各個電路的地線只在一點(系統地)匯合的接地方式為并聯單點接地，如圖345所示。各電路的對地電位只與本電路的地電流和地線阻抗有關，因而沒有公共阻抗耦合噪聲。但是因為這種接地系統中地線一般都比較長，在高頻情況下，地線的等效電感和各個地線之間雜散電容耦合的影響是不容忽視的。電路1R1I1電路2R2I2電路3R3I3圖3

41、45并聯單點接地方式多點接地方式多點接地方式 在高頻系統中，通常采用多點接地方式，各個電路或元件的地線以最短的距離就近連到地線匯流排(Ground Plane通常是金屬底板)上，如圖346所示。多點接地不能用在低頻系統中，因為各個電路的地電流流過地線匯流排的電阻會產生阻抗耦合噪聲。電路1R1I1電路2R2I2電路3R3I3圖346 多點接地方式一般的選擇標準是，在信號頻率低于lMHz時，應采用單點接地方式，而當頻率高于10MHz時，選用多點接地系統。對于頻率處于110MHz之間的系統，可采用單點接地方式，對于機械故障診斷系統信號頻率與機械轉速相關，都再lMHz以下，因此采用單點接地方式。具體在

42、進行系統接地設計時還應注意兩個基本要求，一是消除各電路電流流經一個公共地線阻抗時所產生的噪聲電壓，另一是避免形成接地環路，引起共模干擾。二屏蔽技術屏蔽技術主要是抑制電磁感應對檢測裝置的干擾，這是利用銅或鋁等低阻材料或磁性材料把元件、電路、組合件或傳輸出線等包圍起來以隔離內外電磁的相互干擾，屏蔽包括靜電屏蔽、電磁屏蔽、低頻屏蔽和驅動屏蔽等。 1靜電屏蔽在靜電場作用下，導體內部無電力線，即各點等電位，因此采用導電性能良好的金屬做屏蔽盒，并將它接地，可使其內部的電力線不傳，同時也使外部的電力線不影響其內部。靜電屏蔽能防止靜電場的影響，用它可以消除或削弱兩電路之間由于寄生分布電容耦合而產生的干擾。常見

43、于信號電纜中的銅網屏蔽層。 2電磁屏蔽電磁屏蔽是采用導電性能良好的金屬材料做成屏蔽層，利用高頻干擾電磁場在屏蔽體內產生渦流，再利用渦流消耗高頻干擾磁場的能量，從而削弱高頻電磁場的影響。若將電磁屏蔽層接地，同時兼有靜電屏蔽的作用。也就是說，用導電良好的金屬材料做成的接地電磁屏蔽層，可同時起到電磁屏蔽和靜電屏蔽兩種作用。如工業現場的金屬電纜管、金屬軟管就起了這樣的作用。 3低頻磁屏蔽電磁屏蔽的措施對低頻磁場干擾的屏蔽效果是很差的，因此對低頻磁場的屏蔽，要用導磁材料做屏蔽層，以便將干擾磁通限制在磁阻很小的磁屏蔽體的內部，防止其干擾。通常采用坡莫合金等對低頻磁通有高磁導率的材料做成磁環使用。三濾波技術

44、有時盡管采用了良好的電、磁屏蔽和接地技術，但在傳感器輸出到下一環節的過程中仍不可避免地含有各種噪聲，這時就必須用濾波器有效地抑制無用信號的影響。38 模擬量轉換為數字量為了便于計算機進行數據處理，經常需要將模擬信號轉換為數字信號；另一方面，為了推動執行元件調整被控對象，或輸入儀表進行模擬顯示和記錄，往往也需要將數字處理系統輸出的離散數字信號轉換成連續變化的模擬信號。能實現這種功能的裝置稱為模數(AD)和數模(DA)轉換器。一、數模(DA)轉換器DA轉換器是將離散的數字量轉換為模擬量的轉換器。DA轉換電路主要有電阻網絡、模擬開關、運算放大器和電源組成。實質上是一種譯碼電路。圖350是一種常用的D

45、A轉換電路。模擬開關決定支路中是否有電流通過：bi=1，有電流流過該支路；bi=0，無電流通過。運算放大器的作用是對各支路的電流求和，并為后續電路提供低的輸出阻抗和較高的帶負載能力。圖350 梯形電阻網絡D/A轉換器二、模數(AD)轉換器AD轉換器是將時域內連續變化的模擬量轉換成離散的數字量的裝置。測試過程中的模擬量大多是電壓量，所以模擬轉換，主要是模擬電壓與數字量的轉換。1雙積分式AD轉換這種轉換器利用的是電壓一時間轉換原理，它是一種轉換精度高，但轉換速度較低的一種AD轉換器。這種AD轉換電路由于轉換速度低，常用于數字式萬用表、工藝參數（壓力、流量、溫度等）的數字式采集模塊中。2逐次比較逼近

46、式AD轉換器這種AD轉換器的工作過程為：轉換開始，第一個時鐘脈沖使逐次逼近寄存器的最高位b7置“1”，此狀態送給DA轉換器轉換成電壓e。后與瞬時模擬信號電壓er進行比較。如果e0小于er那么比較器輸出高電平，使逐次逼近寄存器的最高位b7保持置“1”狀態；如果e。大于er,則最高位置“0”。圖352 逐次逼近式AD轉換原理圖第二個時鐘到達逐次逼近寄存器，使其第二位又置“1”，即b6=1，同理，又經DA轉換器、比較器來決定b6位是保持“1”態還是變為“0”態。照此循環下去，逐次比較，直到最后一位然后由逐次逼近寄存器發出溢位信號，這一瞬時的模擬信號電壓值的轉換結束，又轉入下一個循環。所得的二進制數送

47、入鎖存寄存器。這種AD轉換器的轉換精度主要取決于DA轉換器和電壓比較器的精度。三、模數轉換器的性能指標1轉換時間轉換時間是指完成一次完整的AD或DA轉換工作所需要的時間。對AD轉換器而言轉換時間越短意味著可以用更高的采樣頻率采樣。還要注意，轉換時間不等于采樣時間。在大多數生產廠家提供的采樣頻率參數都是按轉換時間來計算的，它指的是單通道連續進行AD轉換，每秒種可以完成的最高次數。實際信號分析系統的采樣時間=通道切換時間+信號穩定時間+轉換時間+數據傳送時間。由于數據傳送時間則與驅動A/D轉換軟件的控制策略相關。因此實際系統的采樣頻率是達不到廠家所提供的采樣頻率的。2轉換位數和分辨率對DA轉換器，

48、分辨率反映了輸出模擬電壓的最小變化量；對AD轉換器，分辨率表示輸出量變化一個相鄰數碼所需要輸入模擬電壓的變化量。例如：具有12位分辨率為AD轉換器能夠分辨出滿刻度的 (12位二進制數的最低有效位值)。一個10V滿刻度的12位AD轉換器能夠分辨出輸入電壓變化的最小值為 =2.4mV。實際上，不論AD或DA，當轉換位數確定以后，它的分辨率就已經確定。轉換器的位數增多，分辨率提高，但另一方面又會使電路復雜，轉換時間拖長，轉換器的價格也相應提高。122i122103通道數能同時輸入或者輸出模擬信號的路數稱為通道數。在考察一個AD或DA轉換器的通道數時，還需要注意一個情況，通道是并行的輸入(出)、還是順

49、序輸入(出)的。 并行輸入(出)每個通道都有一個轉換器工作，而順序輸入(出)是用一個轉換器交替切換工作。在多通道工作時的容許采樣頻率就比單通道工作時要低，若單通道工作時容許最高采樣頻率為20MHz，則雙通道工作時容許最高采樣頻率將為10MHz。4同步采樣與偽同步采樣設備故障診斷系統是一種多通道信號分析系統，它與工業控制系統在信號采集方面的要求是不一樣的。工業控制系統中工藝參數往往是緩變量，但數據采集點多，在數據采集策略上基本都是對一個數據采集點取多個樣，取平均值作為該采樣的采集值，然后切換到下一個數據采集點。也就是說：各個采集點的數據實際上都是在不同時間采集的。多通道信號分析系統則要求各通道的

50、采樣值都是同一時刻的（A1、B1、C1、F1是同一時間的信號樣本，Ai、Bi、Ci、Fi也是同一時間的信號樣本），即要求同步采樣。因此多通道信號分析系統的A/D轉換裝置有兩種硬件策略，一是每通道一個A/D轉換電路，實現同步采樣，這種方案的同步性最好，也是成本最高的，通常用于少通道（如2通道、4通道）采樣；另一種是帶有多通道同步保持器的單A/D轉換電路，同步保持器類似照相機的快門，將各通道的信號電壓拍攝進來并保持，再等待A/D電路依次進行轉換采樣。另外還有一種偽同步采樣，它使用普通的高速A/D卡，從控制軟件上實現偽同步采樣。其基本思路是這樣的：由于設備診斷所需的采樣頻率在10KHz以下，采用10

51、0KHz300KHz檔次的A/D卡（通道數愈多，采頻檔次愈高），在控制軟件的采樣策略方面采取以最高速度依次對各通道進行轉換傳輸，然后空循環等待下一次采樣指令。控制空循環等待時間以實現所需要的采樣頻率。A1F1多通道轉換傳輸時間A2F2多通道轉換傳輸時間由采樣頻率規定的采樣周期時間空循環等待時間圖354 偽同步采樣原理示意圖作為信號測取技術的最后一個環節A/D變換，在實際應用時要確定的以下參數： 采樣通道數由所需要的信號路數，即傳感器數決定。 采樣頻率對于振動類信號，按采樣定律的概念，每通道的采樣頻率是最高感興趣信號頻率的34倍。在A/D變換前應使用低通濾波器將最高感興趣信號頻率以上的成份濾除。

52、 樣本長度按快速富里葉變換FFT的需要，每路信號所取的采樣點數是2N。通常樣本長度取1024點或2048點。樣本長度與采樣頻率決定頻譜分析的頻率分辨率f 在樣本長度不變的條件下，采樣頻率提高，則頻率分辨率下降，f變大。所以采樣頻率不可太高。在采樣頻率不變的條件下，樣本長度增加，則頻率分辨率提高，f變小。但樣本長度只能按2N的規律增加，即按2048、4096、8192數字序列增加。樣本長度的增加，造成FFT計算量的增加，轉換時間成倍數的增長。所以通常樣本長度取1024點或2048點。)()(采樣點數采樣頻率Nffc39 監測與診斷系統的組成與工作程序機械設備故障診斷系統從技術上講，可分為兩部分。

53、第一部分由硬件組成，它們的任務是獲取包含設備各種信息的物理信號。這一任務的工作程序為：根據具體情況分析應測量的物理信號，選用合適的傳感器，將物理信號轉換成電信號。選擇合理的后續儀器或預處理電路，將電信號去偽存真，并調節整理轉換成符合標準規范的電信號。把符合標準規范的電信號轉換成數字量，為后面的信號分析做好準備。機械設備故障診斷系統的第二部分由軟件組成，它們的任務是對數字量表現的信號進行提取特征的分析和數據解釋。其工作程序為：采用正確的信號分析技術，將信號中反映設備狀況的特征信息提取出來，與過去值進行比較，找出其中的差別，以此判定設備是否有故障，故障的類型以及故障的部位。一監測與診斷系統的任務

54、1）能反映被監測系統的運行狀態并對異常狀況發出警告。通過監測與診斷系統對機械設備進行連續的監測，可以在任何時刻了解設備的當前狀況，并通過與正常狀態的特征值的比較，判定現狀是否正常。若發現或判定異常，及時發出故障警告。 2）能提供設備狀態的準確描述。在正常運行狀態時，能反映設備主要零部件的劣化程度，為設備的檢修提供針對性的依據。當設備發生故障時，能反映故障的位置造成故障的零部件，及故障的程度。為是堅持運行還是停機檢修提供決策依據。 3）能預測設備狀態的發展趨勢。通過對狀態特征數據的時間歷程的統計分析，描繪出狀態特征數據的時間歷程曲線及趨勢擬合方程的曲線，對后續的設備狀態發展進行預測。以提供制定大修工作計劃內容的依據，避免欠維修或過維修發生。二監測與診斷系統的組成監測與診斷系統的組成與任務目標是配合協調的。它們分為簡易診斷系統和精密診斷系統兩種。大多數點巡檢系統屬于簡易診斷系統，在線監測與診斷系統屬于精密診斷系統。簡易診斷系統由便攜式測量儀表（如振動參數測試儀、軸承故障測試儀等）