如何改善机器振动的分析方法

为了避免机器故障造成的停工损失，目前很多工厂、发电厂、矿厂及其他操作流程都加装了具有预防作用的维护系统，以改善机器的操作效率。新一代具有预防作用的维护系统都采用电子诊断技术以监视机器操作状况的各种参数。以滚轧机为例，这类机器可能设有多个大型的电动机及轴承，而每一电动机及轴承都各有滚轴、液压泵以及多种不同液压传动装置。保护这类设备的预防性维护系统可能需要配备电子监控电路，才可测量滚轴的振动程度和温度、液压系统的液压、液体温度以及电动机温度。

机器的转动部分会不时产生频率介于50Hz～10kHz之间的振动，我们可以测量机件的振动幅度，以便从中了解滚轴及其他转动部分的物理状态，这个监控过程一般称为振动分析。超声波分析可说是另一种振动分析，但超声波分析涉及的频率范围则介于15～40kHz之间，而这一频率范围属于高频区。由于机器的转动部分会出现磨损或损坏，以致所产生的频率与原先的不同，显示机件的物理状态与以前有异，因此我们只要通过频谱分析便可检测机件的变化情况。机件出现磨损，其振幅会增大，而超声波噪声也会增加。只要有12dB左右的增幅，便表示有关机器可能会随时出现故障。

这种监控方法的好处是，机件还未出现故障便可先行抢修。振动分析及超声波分析所需的设备很多时侯是完全不同的。最理想的当然是有一套现成而又极具成本效益的仪器，可以在整个频率范围内做出监控。图1所示的是振动及超声波分析的信号路径电路图。

图1 振动分析的信号链

压电传感器可以感测滚轴所产生的振动频率及超声波噪声。压电传感电路由MOSFET为其提供内部缓冲，而驱动MOSFET的电流则来自A4的恒流源，通过交流耦合在内部连接到滤波器。A1、A2及A3放大器组成一6极点低通滤波器并提供41.9dB的增益。取样率为200kHz的ADC121S021模拟/数字转换器负责将已放大及滤波的信号转为数字信号。微处理器的软件可以通过快速傅里叶变换(FFT)取得有关信号频率及振幅的数据。图中所示电路的通带约为40kHz。图2则显示典型宽频带振动传感器的传递函数。

图2 传感器的传递函数

传感器在30Hz左右会开始滚降，其频率响应幅度相对较为平坦，直到升至65kHz这个谐振频率，这时平坦响应才改变过来，在此之后频率响应便急速下跌。这一平坦频带的峰峰值振幅约为32mVp-p，然后振幅会放大至4Vp-p。以下是增益：

4.096V/0.032V = 128

我们最好采用125倍的增益，以便多留一点余量。以40kHz这个最高信号频率为例，取样率便成为一个令人担忧的问题。为免高于尼奎斯特频率的混叠信号频率，我们必须将取样频率的一半加以滤波，然后将振幅抑制至模拟/数字转换器的1 LSB以下。在这个例子中，我们所采用的是12位的模拟/数字转换器，其参考电压为4.096V，将得到1mV解析度，计算方法如下：

4.096V/4096 = 0.001V

我们若要为取样资料系统提供一个切实可行的滤波器，便必须在某一程度上将要量度的最高频率与模拟/数字转换器的尼奎斯特频率加以分开。虽然这样做可能会令信号出现过取样，但滤波器可以抑制或完全消除假信号。图1采用的ADC121S021是一款12位、200kSPS取样率的模拟/数字转换器。若这款模拟/数字转换器以200kSPS的取样率进行信号转换，尼奎斯特频率会固定于100kHz。若频率为100kHz，传感器的输出信号振幅大约为8mVp-p，将这个信号抑制至1mVp-p以下所需的增益可以根据下面公式计算出来：

20log〔0.001V/0.008V〕=-18dB

100kHz频率与40kHz信号之间有60kHz的差别，亦即0.6的频率递减。若频率为40kHz，增益如下：

20log(125V/V)=41.9dB
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以下是滤波器的滚降率：

(-41.9dB+(-18dB))/0.6 decade =-99.8dB/decade

或最低限度采用5偏振极点滤波器：

 -99.8dB/decade
——————————  =4.99 poles
-20dB/decade/pole

由于我们可以轻易将放大器配置为双极偏振滤波器，因此上述设计可以采用3个放大器，使每一放大器都有5倍的通带增益。滤波器的通带特性取决于两个因素：其一是放大器的增益带宽；另一因素是放大器反馈电路的偏振位。每一滤波级可以视为双极的5V/V非反相增益级。若噪声为40kHz，确保振幅偏差不会超过1 LSB的放大器增益带宽可以利用以下的公式计算出来：

(40kHz×5)/0.0156 = 12820kHz ≈12.8MHz

若放大器的-3dB点已定，上述公式中的分母(即0.0156)是确保准确度可达13位的实际带宽。由于LMP7711高精度放大器的增益带宽高达17MHz，而且偏移电压的典型值为20μV，因此最适合这类滤波系统采用。A3放大器的输出与模拟/数字转换器的开关电容器输入之间加设了一个180Ω的电阻及另一470pF的电容器，以便将两者分隔开，也为抑制假信号的滤波器添加另一偏振极。图3显示低通滤波器的预计响应。

图3 低通滤波器的预计响应

ADC121S021是一款设有串行外围接口(SPI)的12位、200kSPS单端输入转换器。型号为LM4140ACM-4.1的另一款高精度电压参考电路可为这款模拟/数字转换器提供电压参考，并为滤波放大器提供偏压，并设置滤波器的偏置电压为模拟/数字转换器输入电压范围的一半。传感器的输出属于交流电信号，而中度的电平偏移可将信号转移到模拟/数字转换器输入电压范围内的中央位置。LM4140芯片也可为LM730132V通用放大器(即A4放大器)所输出的压控电流提供电压参考。传感器内置的MOSFET可为压电传感电路提供缓冲。A4放大器负责输出电流，以便驱动组成为共源级放大器的MOSFET，而有关晶体管则通过交流耦合与输出终端装置连接在一起。

除此之外，我们也可利用机器监控电路测量及分析液压控制系统的液压瞬态。例如，若液体流动控制阀突然关闭，便会出现液压锤现象，其中产生的动力会令液体出现锤击效应，对液压系统的组件及整个系统都会造成损害，甚至会令系统很快便出现故障。液压系统可以利用监控电路缓解液压动力。图4便是液压监控系统的电路简图。

图4 液压监控系统电路框图

我们可以利用这个信号链监控液压变动以及进行有关液压变动的频谱分析。正如图1所示，传感器及放大器必须做出适当的频率响应，以消除所有高于尼奎斯特频率的其他频率。以上述情况为例，液压传感器及液压系统所做出的频率响应会自动将液压信号限制在3～4kHz的幅度范围内，这样有助缓解放大器电路对滤波器的要求。这个包括A1与A2在内的放大器便是测量仪表放大器的输入级，可提供差分输入及差分输出，增益高达100V/V。200pF的电容器可以为8kHz的频率提供另一偏振极，以便再次进行滤波。放大器的输出与模拟/数字转换器的开关电容器输入之间加设了一个180Ω的电阻及另一470pF的电容器，以便将两者分隔开。

上例电路的液压传感器属于电阻性电桥，传感器的输出取决于电阻值的变动及驱动电阻的电压，并与两者有函数上的关系。图3所示的传感器具有0.2mV/V的敏感度。DAC081S101是一款8位的数字/模拟转换器，可以改变驱动电桥的电压，以便为液压测量电路提供增益控制。例如，数字/模拟转换器输出若设定为4V，那么全标度液压便可达25.6PSI。若输出电压为1V，全标度液压便高达102PSI。

总体来说，以上所介绍的电路可以用来组建极具成本效益而又具备特别测量功能的机器监控系统。