论电子信息技术与仪器

Part 1：基本概念；

（1）敏感元件（Sensor）：敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，它能直接感受被测非电量，并按一定规律转换成与被测量有确定关系的其它量。

（2）DSP：即数字信号处理器，是专门为快速实现各种数字信号处理算法而设计的、具有特殊结构的微处理器。对信号进行高速数字处理的超大规模集成电路。具有比通用微处理器高得多的处理速度，用于信号的滤波、相关、均衡、变换、调制解调和编码解码等实时处理。

（3）负反馈控制：负反馈控制是指实施的结果反抗和削弱了被控系统现时的运行状态的控制。

（4）嵌入式系统：完全嵌入受控器件部或对象体系中，为特定应用而设计的专用计算机系统，可以实现控制、监视或辅助设备、机械和车间运行。

（5）采样保持（S/H）：采样保持电路是用在模拟/数字（A/D）转换系统中的一种电路，作用是采集模拟输入电压在某一时刻的瞬时值，并在模数转换器进行转换期间保持输出电压不变，以供模数转换。

（6）FPGA：即现场可编程门阵列（FPGA, Field Programmable Gate Array），是一个含有可编辑元件的半导体设备，可供使用者程式化的逻辑门元件。

Part2：设计；

题目1：设计一个远程机器设备在线振动监测的仪器系统。

具体要求：

1、设计仪器系统的主要功能；

2、画出整个系统的原理方案框图；

3、说明框图中每个部分的原理；

4、选择传感器；

5、设计系统的通信方式。

主要功能特性

任何机械设备在工作时都会产生振动。机械设备在正常运转时，振动总是处于某个典型围之。当机械由于摩擦、基础下沉、部件变形等原因使机械运行出现故障时，振动将随之加大。可以说振动信号是设备状态信息的载体，蕴含了丰富的设备异常或故障的信息，能够反映设备运行状态的优劣，为故障诊断提供重要信息。因此，我设计出的远程监测仪器系统，具有振动监测、数据采集与传输、信号处理，通过计算机显示实时的振动情况，以及智能反馈调整等功能。

这样，这套仪器系统就能在机器设备出现故障时及时发现，避免造成较大的经济损失或人员危险，另外，题目中已经指出的远程监测的考虑，也能够大幅降低监测的危险性。

各步原理与各仪器功能

传感器部分：先提一下电测方法，这是将工程振动的参量转换成电信号，经电子线路放大后显示和记录的测量方法。电测法的要点在于先将机械振动量转换为电量（电动势、电荷、及其它电量），然后再对电量进行测量，从而得到所要测量的机械量。这是目前应用得最广泛的测量方法。它包含拾振、测量放大线路和显示记录三个环节。传感器部分主要采用电测方法中第一步——拾振做法（拾振，能够把被测的机械振动量转换为机械的、光学的或电的信号）。

由于需要监测振动的仪器多是旋转机械，所以其中比较重要的一个部分是转轴的振动监测，这里我考虑的是采用常用的电涡流位移传感器，其输出的电压直流部分反映了转子相对于轴瓦的静态间隙，交流部分反映了转子的振动。

对于机械的其他部位的振动的振幅，可用位移、速度或及加速度表示。通常，对于频率比较低的振动是取位移或速度，中等频率的振动取速度，高频则以加速度为测定的参数。对传感器来说，速度型的频率为5Hz~2kHz，加速度计为5HZ~20kHz，涡流型传感器为0~10kHz。为了精确地测出相关数据，我采用了不同位置、多个传感器的方式来实现原始数据的精密采集。因此，要么是加上一个多路转换开关，以实现多个传感器同时监测，要么后面采用一个多通道模数转化器。

信号调理部分，主要采用了信号放大器和模拟滤波器。总体来说由隔直、低通滤波、电压跟随、增益调整构成，最终将位移传感器传来的

振动信号转换为合适的电压信号送入后面的A/D转换器。信号调理简单的说就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号（注：A/D芯片只能接收一定围的模拟信号，而传感器把非电物理量变换成电信号后，并不一定在这一围。传感器输出的信号有时还必须经放大、滤波、线性化补偿、隔离、保护等措施后，才能送A/D转换器），利用部的电路(如滤波器、转换器、放大器等…)来改变输入的讯号类型并输出之。例如工业信号有些是高压，过流，浪涌等，不能被系统正确识别，必须调整理清之。

调理信号之后，下面进行模数转换部分的设计。采用的主要部件是包含采样保持电路的模数转换系统，具体来说，可以采用前面提到的多路开关加传统单通道模数转换器，也可直接采用8通道的12位模数转换器MAX1308，对8路振动信号进行同步采样，从而略去多路开关。

DSP处理部分。设计中的CPU模块主要对数字信号进行FFT变换，并传送至上位机，从而减轻上位机实时数据处理的负荷。基于性能以及与后面传输匹配的考虑，我这里选用的是核为CIP-51的嵌入式微处理器C8051F060。CIP-51具有标准8052的所有外设部件，同时嵌了符合CAN 2.0A(基本CAN)和CAN 2.0B(全功能CAN)的CAN总线控制器，包含一个消息处理状态机以及控制寄存器等。C8051F60的CAN控制器可达1Mb/s的速率。CAN有32个消息对象，每个消息对象有自己的标识掩码，用于对接收到的消息进行过滤。输入数据、消息对象和标识掩码存储在CAN消息RAM中。与数据发送和接收过滤有关的所有协议均由CAN控制器完成，不需MCU干预，使得用于CAN通信的CPU带宽最小。通过C8051F060特

殊功能寄存器可以配置CAN控制器以及接收和发送数据。关于负责完成FFT转换程序的软件部分，现行已经有公认比较好的版本，这里就不再另行设计了。

下面到了从远程机器端到客户端的通信方式的选取，正如前面提到的，我选用的是CAN总线传输。特殊的是，考虑到数据的多方需求性和客户端的处理能力的局限性，我的设计中，在远程机器与客户端之间加入了一个服务器系统。下面简要介绍一下服务器系统的组成。服务器系统包括三个部分，分别是应用程序服务器、数据库服务器和Web服务器。应用程序服务器采用LabVIEW中的Data Socket技术或者MATLAB软件中的相关处理技术，将前面DSP处理过的信号数据信号进行数字滤波处理，通过积分和频谱分析，可以得到速度，幅值，位移，实时振动频率等数据，并实时将数据传入数据库服务器，保存在数据库中。Web发布程序与客户端程序采用基于TCP/IP协议的Winsocket通讯，这样通过Web服务器的传输，多个客户端都能既可以实时看到远程机器的振动状况，又能调取以前的数据进行对比，对机器的振动情况有一个全面的了解。

最后，还有一个设想：就像框图中表示出来的，在DSP处理的地方加一个分支，指向机电矫正装置。这个装置的作用是帮助实现远程校正机械的不良振动。将客户端软件中增加一个负反馈的机制，这个机制可以人工选择是否开启。开启之后，给机器的振动数据提供一个标准，当客户端接收到的数据超出这个标准的时候，客户端自发的返回一个矫正信号，经过“客户端——服务器系统——CAN总线——DSP处理——机电矫正装置”的顺序完成机器振动水平矫正。

以上就是我设计的远程机器设备在线振动监测的仪器系统，虽然设计过程十分艰难，看了很多并不容易理解的论文。但是在这个过程中我确实学到了很多东西，文章写了很久但是可能还是会有错误，希望老师指正。

参考文献：

《机械设备的振动监测》怀阳

《基于DSP的振动监测仪的设计》晨炀、邓艾东、邬昌明《基于CAN总线远程振动监测系统研究》何清、红、何子睿

《基于MSP430的风力发电机振动监测系统》长征、周洋

《山三核汽轮发电机振动监测系统改进》周巧婵