對(duì)于機(jī)電設(shè)備管理和維護(hù)工作者來(lái)說(shuō)，眾多機(jī)電設(shè)備的工組狀態(tài)如何，是否需要維修,，是一個(gè)普遍存在的問(wèn)題,。通常機(jī)電設(shè)備管理人員采用的方法是不管設(shè)備狀態(tài)如何都定時(shí)進(jìn)行維修。這種策略有很多不利后果,。一方面容易造成維修浪費(fèi),，而且維修過(guò)程容易損壞狀態(tài)良好的機(jī)電設(shè)備；另一方面部分設(shè)備沒(méi)有到維修時(shí)間就已經(jīng)發(fā)生了故障,，會(huì)造成巨大的損失甚至災(zāi)難,。因此設(shè)計(jì)一套系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)、管理機(jī)電設(shè)備的狀態(tài),，并對(duì)故障提供輔助診斷是很有現(xiàn)實(shí)意義的,。
1 硬件設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)由便攜式數(shù)據(jù)采集裝置和信號(hào)分析及故障診斷軟件構(gòu)成。便攜式數(shù)據(jù)采集裝置在現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)并做簡(jiǎn)單診斷,。采集完畢后，將帶回?cái)?shù)據(jù)的傳送給計(jì)算機(jī)系統(tǒng),，供信號(hào)分析及故障診斷軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和分析診斷,。便攜式數(shù)據(jù)采集裝置的硬件框圖如圖1所示。

1．1 傳感器單元
　　振動(dòng)量的測(cè)量采用三角剪切式電荷輸出加速度傳感器,。此傳感器結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是采用三個(gè)壓電元件成三角形排列,，壓電元件只有受到剪切力時(shí)才能在圓筒內(nèi)外表面電極上產(chǎn)生電荷，其他方向的作用力都不會(huì)在電極上產(chǎn)生電荷,，而且彈簧系統(tǒng)與外殼隔開(kāi),，所以此種傳感器有很好的環(huán)境隔離效果，即它的基座應(yīng)變靈敏度,、聲靈敏度和瞬變溫度靈敏度,、磁靈敏度都很小。另外,，剪切型加速度傳感器具有很高的固有頻率,，頻響范圍很寬，特別適用于高頻振動(dòng)的測(cè)量,，而且橫向靈敏度小,。
　　值得注意的是，對(duì)于某些機(jī)電設(shè)備的小電機(jī)電流信號(hào),，采用普通鉗形電流變送器精度不夠,，漏磁不可忽略，需采用高精度鉗形電流變送器,。該變送器待測(cè)定導(dǎo)線(xiàn)的最大直徑為8mm,，漏磁極少,，外形尺寸小巧，使用方便,，特別適合機(jī)電設(shè)備的小電動(dòng)機(jī)交流信號(hào)的測(cè)量,。
1．2 前置放大單元
　　振動(dòng)信號(hào)輸入通道采用前置放大單元。前置放大器的作用有兩個(gè)：(1)把壓電加速度傳感器的高輸出阻抗(約為10⁸ Ω)經(jīng)阻抗變換變成低輸出阻抗,，便于后續(xù)部分處理,。(2)把壓電加速度傳感器輸出的微弱電荷信號(hào)放大成電壓信號(hào)，輸出的電壓與輸入的電荷量成正比,。
　　電荷放大器" title="電荷放大器">電荷放大器由一個(gè)輸入阻抗極高,、開(kāi)環(huán)增益也很高的運(yùn)算放大器AD522和一個(gè)由電阻、電容組成的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)組成,，其等效電路如圖2所示,。圖2中，q為加速度傳感器產(chǎn)生的電荷,，C₁為加速度傳感器電容,，C₂為電纜電容，C₃為放大器輸入電容,，C_f為反饋電容,，R_f為反饋電阻，E為電荷放大器輸出電壓,。分析等效電路可以發(fā)現(xiàn),，電荷放大器的輸出電壓僅與輸出電荷及反饋電容有關(guān)，而與加速度傳感器與放大器之間連接電纜長(zhǎng)度無(wú)關(guān),。

　　后續(xù)的程控放大單元?jiǎng)t根據(jù)鍵盤(pán)輸入有選擇性地對(duì)電壓,、加速度、速度,、位移信號(hào)進(jìn)行放大,。
1．3 濾波單元
　　低通濾波器用于ADC之前,，以降低高頻噪聲,。濾波單元采用美國(guó)MAXIM公司的MAX系列濾波器集成電路，采用的IC轉(zhuǎn)折頻率大于10kHz,，輸入阻抗大于22kΩ,。濾波器的階數(shù)必須考慮三個(gè)參數(shù)：信號(hào)的最大頻率、噪聲的預(yù)期幅值和轉(zhuǎn)換器ADC的最低有效位數(shù)(LSB),。最常用的濾波器逼近類(lèi)型有Butterworth,、Bessel和Chebyshev。Butterworth濾波器的幅頻特性曲線(xiàn)在通帶中幅值響應(yīng)的平坦度最好,，轉(zhuǎn)換頻帶的衰減率好于Bessel,， 但是不如Chebyshev濾波器,；阻帶沒(méi)有振蕩；但在時(shí)域上有過(guò)沖和振蕩,，而小于Chebyshev濾波器,。Chebyshev低通濾波器轉(zhuǎn)換頻帶的衰減率比Butterworth和Bessel濾波器的走勢(shì)要陡。例如,，5階Butterworth的響應(yīng)才能達(dá)到 3階Chebyshev的轉(zhuǎn)換帶寬,。Bessel濾波器通帶中有平坦幅度響應(yīng),過(guò)了通帶后，轉(zhuǎn)換頻帶的衰減率比Butterworth或者Chebyshev濾波器的低,，且阻帶中沒(méi)有振蕩,；其階躍響應(yīng)是上述所有濾波器中最好的，過(guò)沖和振蕩都極小,。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究,，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的濾波器為四階Butterworth濾波器。
1．4 微處理部分
　　(1) A/D轉(zhuǎn)換單元,。本系統(tǒng)采用AD574A集成器件,。AD574A是12位逐次逼近式轉(zhuǎn)換器，孔徑時(shí)間為35μs,。由模擬芯片和數(shù)字芯片混合集成,。
　　(2)單片計(jì)算機(jī)。本系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī),。AT89C51帶有4KB閃速可編程可擦除存儲(chǔ)器(E²PROM),，128B片內(nèi)RAM，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器,，6個(gè)中斷源,，帶有可編程串行UART通道，直接LED輸出驅(qū)動(dòng),。
　　(3)擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器,。由于AT89C51自帶的程序存儲(chǔ)器只有4KB，因此需要擴(kuò)展,。本系統(tǒng)采用Intel27512,，為64KB的EPROM，16條地址線(xiàn),。
　　(4)擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,。由于采集的數(shù)據(jù)量較大，本系統(tǒng)采用64KB的28512E2 PROM,，總共兩片,。
2 軟件設(shè)計(jì)
2．1 算法設(shè)計(jì)
　　(1)快速傅立葉變換(FFT)算法。FFT的分析誤差很大程度上來(lái)自采樣窗口和實(shí)際波形的同步不嚴(yán)格,，造成頻譜泄漏,。為消除頻譜泄漏引起的誤差,，按照GB/T14549-1993要求，只允許使用矩形窗和漢寧窗,。使用矩形窗時(shí)窗口間不能有間隔和重疊,。為減少信號(hào)的混疊和頻譜泄漏，本系統(tǒng)采用漢寧窗處理,。
　　(2)共振解調(diào)算法,。故障沖擊信息因被常規(guī)的振動(dòng)所掩蓋，直接對(duì)它作FFT分析得到的低頻譜圖中,，幾乎看不到表明故障的沖擊特征信息,。而故障沖擊的共振解調(diào)波(包絡(luò)波)對(duì)故障沖擊信息進(jìn)行了放大和展寬并剔除了常規(guī)的振動(dòng)，并且共振解調(diào)波與原始的故障沖擊信息一一對(duì)應(yīng),，因此共振解調(diào)的信號(hào)處理過(guò)程,，具有很好的信噪比。經(jīng)過(guò)共振解調(diào)的譜圖,，就沒(méi)有了常規(guī)振動(dòng)譜線(xiàn)的干擾,，故障沖擊的譜線(xiàn)也就清晰可見(jiàn)了。共振解調(diào)用Hilbert變換來(lái)描述,。設(shè)是采集離散時(shí)間序列數(shù)據(jù),，其Hilbert變換如下：
　　
　　(3)功率譜" title="功率譜">功率譜的計(jì)算。離散信號(hào)x(n)的功率譜密度的估計(jì)式為：由數(shù)據(jù)x(n)利用快速傅立葉變換(FFT)計(jì)算其幅值譜X(n),，則,。
　　(4)自相關(guān)函數(shù)的計(jì)算。離散信號(hào)x(n)的自相關(guān)函數(shù)的估計(jì)式為:
　　
　　直接按照上式編排程序計(jì)算費(fèi)時(shí)很多,。本系統(tǒng)采用快速傅立葉逆變換(IFFT)進(jìn)行,，對(duì)做IFFT得。
　　(5)對(duì)數(shù)譜的計(jì)算,。離散信號(hào)x(n)的對(duì)數(shù)譜為A(n)=20lgX(n),。許多故障信號(hào)往往反映在信號(hào)的邊頻分量和諧波分量上，雖然其變化的量級(jí)有的很大,，但相對(duì)于基頻分量(往往是轉(zhuǎn)頻),，幅值仍然較小，甚至是相當(dāng)微弱的,。圖3是某一實(shí)測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)的幅值譜,，不容易觀察到其變化的程度,，這時(shí)可以采用對(duì)數(shù)譜,。對(duì)數(shù)譜實(shí)際上是加權(quán)譜。對(duì)強(qiáng)信號(hào)給予小的權(quán)值,，對(duì)弱信號(hào)給予大的權(quán)值,，從而可以容易看出故障信號(hào),。圖4是同一信號(hào)數(shù)據(jù)的對(duì)數(shù)譜，顯然,，在整個(gè)分析頻率內(nèi)可以觀察到除主頻之外的其他重要邊頻,。

　　(6)倒頻譜的計(jì)算。幅值倒頻譜C_x(ω)是對(duì)功率譜取對(duì)數(shù)再進(jìn)行傅立葉逆變換,。倒頻譜可以分離時(shí)域中的卷積信號(hào),，可以清楚地檢測(cè)分離幅值譜中含有的周期分量，包括邊頻信號(hào)和諧波,。

2．2 通信模塊設(shè)計(jì)
　　通信模塊主要完成計(jì)算機(jī)與便攜式數(shù)據(jù)采集器之間的數(shù)據(jù)傳遞,。通信接口采用RS-232標(biāo)準(zhǔn)串行接口" title="串行接口">串行接口。便攜式數(shù)據(jù)采集器利用89C51的串行I/O接口進(jìn)行全雙工方式通信,，傳輸?shù)牟ㄌ芈试O(shè)置為1.2Kbps,，數(shù)據(jù)采集器的通信程序采用匯編語(yǔ)言設(shè)計(jì)。89C51單片機(jī)串行接口的輸入輸出電平均為T(mén)TL電平,，因此在片外連接了RS-232電平轉(zhuǎn)換電路,，采用集成芯片MAX232來(lái)實(shí)現(xiàn)。
　　計(jì)算機(jī)一般有兩個(gè)串行接口COM1和COM2,，符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)的異步通信接口,。如果沒(méi)有串行接口，可以通過(guò)USB/串行接口轉(zhuǎn)換線(xiàn)來(lái)連接,。
　　計(jì)算機(jī)的通信程序采用與界面設(shè)計(jì)相同的語(yǔ)言Visual BasicVB來(lái)設(shè)計(jì),。用VB設(shè)計(jì)串行通信程序有二種方法：調(diào)用Windows的API函數(shù)和Visual Basic的通信控件。VB通信控件包含在VB套裝軟件中,，文件名為MSCOMM.VBX,。本系統(tǒng)用Visual Basic設(shè)計(jì)一個(gè)程序用來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)傳送指令，通過(guò)MSComm控件來(lái)實(shí)現(xiàn),。MSComm控件有兩種處理通信的方式：事件驅(qū)動(dòng)方式和查詢(xún)方式,。本系統(tǒng)采用事件驅(qū)動(dòng)方式。利用MSComm控件的OnComm事件捕捉處理通信,，OnComm事件的發(fā)生由CommEvent屬性值的變化引起,。
2．3 界面模塊設(shè)計(jì)
　　界面采用Visual Basic設(shè)計(jì)。將峰值頻率以及峰值都標(biāo)注在頻譜圖旁邊,，將頻譜,、波形、數(shù)據(jù)文件和子相關(guān),、時(shí)域診斷,、波形分析、幅值譜,、功率譜,、對(duì)數(shù)譜,、倒頻譜功能都集中在“波形瀏覽及分析”一個(gè)窗口中，并將峰值和峰值頻率標(biāo)注在界面中,，使用很方便,，如圖5所示。