机组故障振动信号无线采集实现

闫晓伟, 郭虎生

（1. 92060部队，辽宁大连116041; 2. 海军工程大学, 武汉 430033）

0 引言

分析电机组振动信号是对电机运行状态监测和故障诊断的主要技术手段之一[1]，已被广泛应用于机械振动故障诊断领域。发动机组、发电机组等大型电机作为船舶上的关键设备，其运行状态直接决定船舶的工作状况，任何故障都可能给对船舶运行带来严重的危害。目前世界航运先进国家已逐步将电机的振动状态分析应用于船舶主机的运行监测上[2]。通过提取电机组上各个部件的表面振动信号，就可监测电机内部的运转情况，达到故障前期预警的目的[3]。由于电机组设备空间狭小，不利于电动式振动传感器的安装，故本文提出利用具有小体积的三轴 MEMS作为测量核心器件并给出了多通道采集和无线传输方案，构建了对机组振动状况检测的无线采集系统。

1 MEMS原理

由于硅微机械加工技术MEMS的迅猛发展，目前各种基于MEMS技术的器件也应运而生，与传统传感器相比具有体积小、质量轻、成本小、功耗低、可靠性高等特点，因此基于MEMS的传感器在各个方面得到了较为迅速的应用。本文采用硅微电容式加速度传感器作为核心传感原件，差动式加速度计结构原理如图1所示，绕性臂支撑质量块，两边各有固定电极A和B，当有加速度输入时，质量块与电极A和B组成的电容值发生变化，信号经放大后提供正比与输入加速度的电压信号。

2 系统设计

目前振动信号采集系统大多利用电动式振动传感器并加以后续的信号调理电路、存储器等组成，其采集系统体积大、价格高、分辨率低，同时由于电动式传感器多为单轴、双轴，不利于提取振动信号的多维信息。针对这种问题，本文提出了一种以三轴 MEMS加速度计的无线振动信号采集系统，可完成对加速度传感器输出信号调理、采集、功耗控制和数据存储等功能。

该系统将传感器的加速度信号转化为相应的电压信号输出，信号经过模拟调理电路到三通道24位AD芯片转换成数字信号，获取的数据可存储至大容量SD卡中，同时通过无线模块传输至上位机进行实时检测。测量系统的组成框图如图2所示。

测量系统由MEMS加速度传感器、信号放大滤波电路、多通道数据采集电路、无线通信电路、SD卡存储模块、单片机系统和电源转换电路等组成。升压电路实现7-18v电压转换，为置位重置电路提供正常工作电压；INA118和后续的滤波电路完成对信号的放大、滤波；单片机三片AD7190实现三轴振动信号的同步采集； SD卡模块用于存储前端采集到的数据，无线模块传输采集信号至计算机进行分析。

2.1 采集模块

信号采集单元主要完成对三轴振动信号的采集的功能，包括信号调理、滤波放大、去直处理和A/D转换等。考虑到信号分辨率、功耗及采样频率等因素，采用低功耗24位AD芯片实现信号三轴信号的同步采集，芯片选用 ADI公司的 24位器件AD7190。AD7190具有低功耗、低噪声和完全模拟输入前端，可应用在低频、微弱信号的测量场合[4]。其具有 3个模拟输入通道、低噪声可编程增益放大器，其电源电压 2.7-5.25 V、工作时的电流仅为380 μA。通过三个SPI接口以三线连接模式，单片机分别与AD7190连接，是通过一系列的片上寄存器来实现对AD7190的控制和操作。同时为保证数据采集的精度必须保证基准源具有极高的精度，因此选用ADR445作为外部基准源为三片 AD7190提供 5V基准电压。ADR445主要工作特性：

表1 ADR445主要工作特性

由表 1可见，ADR445可满足高精度数据采集的要求。

2.2 存储模块

记录振动数据可用于后期的信号处理分析，便于对故障问题进行记录分析。这就要求存储器记录的容量要足够大，若采样频率为10 kHz，24位量化采集，1 s采集时间内，采集三轴振动信号需要的数据存储容量约为90 kB。传统的数据采集系统多采用 Flash芯片作为存储介质，而该芯片容量小、价格高不满足本系统提出的大容量高速存储的要求。针对这个问题，文中采用大容量SD卡作为存储介质，和FAT32文件系统作为存储模块。存储模块最大的数据存储速度是 14 kB/s，最大支持32G SD卡。

SD卡（Secure Digital Card），是一种大容量，高性能，具有体积小、访问接口简单等特点[5]。SD卡模块通过串口与单片机连接获取单片机发送过来的数据，模块设计FAT32文件系统配合自动创建文件的方式来管理获取的数据。在 SD卡中建立FAT文件系统后，所采集数据就以文件的形式存放在 SD卡上，用通用的SD卡读卡器将数据读出后就可以利用 Matlab等软件进行分析处理[6], 对数据的存储是将 SD卡作为文件系统的存储介质，由实时操作系统控制，测试表明，该方法程序简单，易于实现，故本系统采用该方式进行SD卡数据存储。

图3 SD存储流程图

2.3 无线传输模块

基于低功耗和高性能的要求，无线传输模块的射频芯片选择了德州仪器公司的 CC2531芯片。其发射频段为2.4 GHz，具有多种用电模式，可根据实际功耗选择相应的模式。芯片可应用于无线 ZigBee模块设计中，便于组成无线网络节点。

3 实验结果

为对电机振动进行多点分析，将所设计的三套无线采集设备分别刚性连接在电机外壳不同位置，对电机的振动信号进行实时采集。采样频率设置为500 Hz，无线采集得到三处电机振动信号如图 所示。

为了进一步对振动采集信号进行分析处理，对所获取的原始信号进行FFT变换 。

对信号进行频谱分析后，发现无线采集的三处电机振动信号频谱具有很强的一致性，验证了本文设计系统的可靠性。

4 结语

本文在MEMS加速度传感器的基础上，设计的具有无线传输功能的电机振动信号采集系统，该系统可以用于机械故障预警检测，并可对电机组进行实时检测，为电机组故障预警及诊断铺垫了基础。

[1] 张毅, 赵栋等. 基于分布式全光纤传感器的电机故障诊断系统研究[J]. 传感器与微系统, 2011, 30（4）:41-45.

[2] 杨建春, 景建方等. 电机组振动故障实时监视技术研究[J]. 船电技术, 2012, 32（3）: 41-45.

[3] 盖强, 玛杰等. 舰船主机故障诊断系统[J].仪器仪表学报, 2004, 25（4）: 170-174.

[4] 3-Channel, Low Noise, Low Power, 24-/16-Bit ∑-Δ ADC AD7190 [Z]. Analog Devices.

[5] 邓剑，杨晓非等. FAT文件系统原理及实现[J]. 计算机与数字工程，2005，（9）:105-108.

[6] 陈惠滨，陈仅星. 嵌入式文件系统在移动数据采集器中的实现[J].电子器件，2005，（ 9）:608-611.