风机叶轮振动测试系统设计 (2)

压电效应：某些晶体在一定方向上受力变形时 ，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表 面上产生符号相反的电荷；当外力去除后，又 重新恢复到不带电状态，这种现象称为“压电 效应”。 工作原理：压电式加速度传感器是利用弹簧质 量系统原理。敏感芯体质量受振动加速度作用 后产生一个与加速度成正比的力，压电材料受 此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电 荷信号。
ADC0809结构图及引脚图
ADC0809内部结构框图
ADC0809外部引脚图
A／D转换过程中的采样和量化

采样是将连续信号转换为一定时间间隔的一系列离散值，一般按等时间间 隔△f采样，记f=l／△t．fs为采样频率，即每秒采样点数。采样中的关键 是合理选择采样频率fs及采样点数N，用较少的数据量满足后续分析要求， 这需要综合考虑频率混叠，频率分辨率和谱分析误差等问题。为防止频混， 时域采样前应估计连续时间信号x(t)的最高频率，或先对x(t)做低通滤波。 由于实际滤波器不可能有理想的截止特性，在其截止频率fc后总有一定的 过渡带，故常选fs=(3～4)fc，将频混减少到工程允许的范围内。对瞬态 信号，一个子样本长就是信号本身；对随机信号，一个子样本长应包括它 最低频率分量一个周期以上。为减少谱分析的随机误差，还需对多个子样 本的谱值作平滑处理。因此采样前应明确所需要分析的频率范围、频率分 辨率和估计实测信号的频率范围，再根据ADC的最高采样频率，确定是否 作低通滤波预处理、选择采样频率fs和采样点数N。条件允许的情况下可 用较高的采样频率fs和较多的采样点数N。
串口通讯

串口通讯是单片机和PC间的 通讯，涉及两部分的内容： 一是PC机的串口通讯接收程 序，LabVIEW接收试验数据 后，通过调用底层代码来控 制硬件高层应用的编程接口 API，实现与单片机的通讯。 上位机接收程序流程图如右 图所示：
信号预处理模块

采用数字滤波器对采样后的信号波形进行加工 处理，利用数字方法按预定要求对信号进行变 换，从而改变信号频谱，改变或消除不需要的 波形，数字滤波软件由计算机编程实现。
传感器的结构
压电元件一般由两片压电片组成。在 压电片的两个表面上镀银层，并在银 层上焊接输出引线，或在两个压电片 之间夹一片金属，引线就焊接在金属 片上，输出端的另一根引线直接与传 感器基座相连。在压电片上放置一个 比重较大的质量块，然后用一硬弹簧 或螺栓、螺帽对质量块预加载荷。整 个组件装在一个厚基座的金属壳体中 ，为了隔离试件的任何应变传递到压 电元件上去，避免产生假信号输出， 所以一般要加厚基座或选用刚度较大 的材料来制造。
数模转换程序
#define adc0809_H #include <reg51.h> void init(); sbit ST=P2^3; sbit EOC=P2^4; sbit OE=P2^5; sbit CLK=P2^6; uchar DataResult; void delay(uchar i) { uchar j; while （i++) for(j=125;j>0;j) ; } Void init() { EA=1; TMOD=0x02; TH0=216;TL0=216; TR0=1;ET0=1; ST=0;OE=0; } void t0(void) interrupt 1 usin g0 { CLK=~CLK; } void AD() { ST=0; delay(10); ST=1;//启动AD delay(10); ST=0; while(EOC==0) ; {OE=1; DataResult=P0; OE=0; }
压缩式压电加速度传感器 的结构原理图
测量原理

将传感器基座与试件刚性固定在一起。当传感器受 到振动时，因弹簧的刚度相当大，而质量块的质量 相对较小，可以认为质量块的惯性很小，因此质量 块感受到与传感器基座相同的振动，并受到与加速 度方向相反的惯性力作用。这样，质量块就有一正 比于加速度的交变力作用在压电片上。由于压电片 具有压电效应，因此在它的两个表面上就产生了交 变电荷（电压），当振动频率远低于传感器固有频 率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比 ，即与试件的加速度成正比。输出电量由传感器输 出端引出，输入到前置放大器后就可以用普通的测 量器测出试件的加速度，如在放大器中加进适当的 积分电路，就可以测出试件的振动加速度或位移。
数字滤波器包括：低通，高通，带通，带阻及 抗干扰滤波器。

加窗


为尽量减小能量泄露，采用具有平滑起始和截止特性 的窗函数，称为时域加窗。 从保持最大信息和消除旁瓣的原则出发，考虑波形中 信息量的分布，增强所需要的信息部分，我们选择的 窗函数为汉宁窗。这种窗函数具有较好的综合特性， 它的旁瓣小而且衰减快，能够减小高频干扰和泄露。
采样保持电路基本原理图
A／D转换器的控制方式

A／D转换有4种启动方式：软件命令、定时器2溢出、 定时器3溢出和外部信号输入。
信号采集时需要精确的定时，对速度不是很高的ADC， 可采取：1．程序查询方式；2．中断方式；3．固定 的延迟程序方式来进行A/D转换。 因为在对连续信号进行频谱分析时，频率分辨率与采 样频率密切相关，F=fs/N=1/NT式中：F为频率分辨 率(频域采样的最小频率间隔)；fs为采样频率；N为采 样点数；T为采样时间，所以采样频率必须严格确定， 在本系统中采用定时器3溢出进行A／D启动。
51单片机的外部中断测出频率
晶
振: 12MHZ
实验方法: 首先要把52单片机，方波输出信号J7引入P3.2口,数码 管即可显示震荡电路当前的频率
原 理： 1秒钟内计数外部脉冲个数，如计数1000次，则表示频 率为1000Hz，1秒钟定时采用52单片机定时器0实现，外部脉冲由 外部中断0引脚接入。
单片机数据采集程序
信号放大及滤波处理


Kqx 压电元件在外力作用下输出 u Ku i 的电荷很小，输出的阻抗也 0 Ca Cc Ci (1 K )C f 相当高，只有后接电路的输 入阻抗为无穷大、内部无漏 qx ' Cf 电时，压电元件受力后产生 的电荷才能长期保持下来。 故必须接一个高增益，高输 入阻抗、低输出阻抗的电荷 放大器。 电荷放大器作用：把压电元 件的高输出阻抗变换为放大 器的低输出阻抗，并放大压 电元件输出的微弱信号 压电元件与电荷放大器等效电路图
传感器的选 择、放大及 滤波电路的 选择、A/D转 换器的选择 、数据的接 收处理、信 号的处理分 析
1 确定测试任务 选择测量方法 选择各种软、 硬件 相应的程序 编制、 信号处理分 析、 性能评定
测试系统的基本框图
测试系统一般由传感器、中间调理电路、 信号处理、显示存储和输出装置组成。
设计内容
单片机和ADC0809
显示复位及串口通讯电路
数据采集下位机程序设计

下位机程序由数模转换程序， 外部中断测频率子程序，显示 子程序，定时子程序，延时子 程序，看门狗调用子程序，串 口调用子程序组成。其中模数 转换测量子程序，用来控制 ADC0809，将8路模拟电压转 换为数字量并移入72H-77H内 存单元，其程序流程图如右图 所示：
若ADC的最高采样频率达不到被测对象所含频率成分中最高频率的2倍以 上，即不满足采样定理，将产生频率混叠。其次只有在对现场信号大小的 数量级有比较准确的估计下，才有可能进行增益的选择，从而保证选择适 当的增益时能让ADC在满量程的情况下工作，提高采样的精度。

采样保持电路

在A／D转换期间，应保证ADC的输入信号值不变，这 由采样保持电路来实现 。采样期间，控制开关S闭合， 放大器A1的输出通过开关S给电容器C快速充电，运算 放大器A2的输出与被测信号成正比，保持开始，控制 开关迅速断开。由于运算放大器A2有很高的输入阻抗， 电容将基本保持充电期的最终值，即开关S断开前的被 测信号幅值，直到A/D转换完成，随后开关S闭合，进 入下一次采样。
计数子程序

jishu() { if(counter1==20) //定时器定时50ms，故20次中断就表示1秒钟到达 { counter2=tmp; display(); tmp=0; counter1=0; } else

display();

}
显示子程序
display() { uchar i; dis[0]=counter2/10000; //获取计数值的万位 dis[5]=counter2%10000; dis[1]=dis[5]/1000; // 获取计数值的千位 dis[5]=dis[5]%1000; dis[2]=dis[5]/100; // 获取计数值的百位 dis[5]=dis[5]%100; dis[3]=dis[5]/10; // 获取计数值的十位 dis[4]=dis[5]%10; // 获取计数值的个位 for(i=0;i<5;i++) //依次显示万、千、百、十、个位， 动态显示 { P0=0xff; P0=con[i]; wei=1; wei=0; P0=table[dis[i]]; duan=1; duan=0; delay(1); P0=0; duan=1; duan=0; } }
3 1 2 3 4
传感器的选择及工作原理
A/D转换器的选用 单片机对数据的处理
振动信号的分析处理
传感器的选择

选用压电式加速度传感器
百度文库

压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范 围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料 受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特 点，是最为广泛使用的振动测量传感器。
压电效应及工作原理


硬件电路

数据采集下位机有数模转化电路，时钟复位电 路，看门狗监控电路，显示电路以及串口通信 电路组成。U1为AT89C52单片机，负责数据 的接收，处理，发送。U2为ADC0809数模转 换芯片，负责数据的AD转换。DS1-DS4为数 码管，负责数据的显示。U3为分频芯片，负 责为数模转换芯片提供合适的频率。U4为 MAX232芯片，负责串行口通讯。U5为电子 狗电路，负责数据的复位。
信号放大及滤波处理


RC无源滤波器电路简单，但性能不够完善， 应用不多。RC有源滤波器调整方便，易于集 成化，利用运算放大器作有源件几乎没有负载 效应，因此在实际测控系统中应用广泛。 本次设计采用RC有源一阶低通滤波器
A/D转换器的选择

在我们所测控的信号中均是连续变化的物理量，通常 需要用计算机对这些信号进行处理，将其转换成数字 量。 A/D转换器就是为了将连续变化的模拟量转换成 计算机能接受的数字量。 A/D转换器
#include<reg52.h> #include"51hei.h“ sbit duan=P2^6; wei=P2^7； init(); delay(uchar); display(); jishu(); Void main() {guandz(); init(); while(1) {jishu(); } } init() { EA=1; EX0=1;ET0=1;IT0=1; TMOD=0x01; TH0=0x3c; TL0=0xaf; TR0=1;} void external0() interrupt 0{ tmp++; } //定时器0中断程序 void timer0() interrupt 1 { TH0=0x3c; TL0=0xaf; counter1++; } //显示程序
风机叶轮振动测试系统设计
郭培锐
王力
董淑静
杨黎鹏
顾佳佳
风机叶轮振动测试系统设计
方案目的 方案依据 考虑因素 方案原则 测试方便、 系统稳定、 经济实用、 并具有良好 的特性，可 满足各种静 、动性能指 标的测定 工作思路
了解并掌 握振动信 号的测试 方法
查阅文献、 参考各种 振动测试 系统的设 计原则及 方法
双积式 A/D转 换器
逐次逼近 式A/D转 换器
A/D转换器的选择
双积分A/D转换器能有效的 消除干扰和电源噪声，转换精 度高，但是转换速度慢 逐次逼近型A/D转换器在精 度、速度和价格上都适中， 是最常用的A／D转换器件
本次设计采用8位 的ADC0809， 8 路模拟信号的分时 采集，片内有8路 模拟选通开关，以 及相应的通道抵制 锁存用译码电路， 其转换时间为 100μs左右。