對(duì)于機(jī)電設(shè)備管理和維護(hù)工作者來說，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，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)度無關(guān)。

　　后續(xù)的程控放大單元?jiǎng)t根據(jù)鍵盤輸入有選擇性地對(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型有Butterworth、Bessel和Chebyshev。Butterworth濾波器的幅頻特性曲線在通帶中幅值響應(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；阻帶沒有振蕩；但在時(shí)域上有過沖和振蕩，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，且阻帶中沒有振蕩；其階躍響應(yīng)是上述所有濾波器中最好的，過沖和振蕩都極小。經(jīng)過試驗(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。
　　(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)處理過程，具有很好的信噪比。經(jīng)過共振解調(diào)的譜圖，就沒有了常規(guī)振動(dòng)譜線的干擾，故障沖擊的譜線也就清晰可見了。共振解調(diào)用Hilbert變換來描述。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言設(shè)計(jì)。89C51單片機(jī)串行接口的輸入輸出電平均為TTL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。如果沒有串行接口，可以通過USB/串行接口轉(zhuǎn)換線來連接。
　　計(jì)算機(jī)的通信程序采用與界面設(shè)計(jì)相同的語言Visual BasicVB來設(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)程序用來發(fā)送數(shù)據(jù)傳送指令，通過MSComm控件來實(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。