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便携式测振仪的研制

便携式测振仪的研制
于嵩，徐惠君，申勋业，董桂菊
（东北农业大学，黑龙江哈尔滨 150030）
[摘要] 综述了振动测试技术的现状及其发展趋势，主要介绍了一种利用电测法原理研制成的便携式
测振仪的整体设计方案、各部分电路的设计和芯片的选取。
[关键词] 仪器仪表技术；振动测量；研究设计；压电式加速度传感器；便携式测振仪
[中图分类号] TH825 [文献标识码] B [文章编号] 1003─188X(2004)01─0159─02
1 引言
机械振动测试技术应用于寻找振源、振动强度、可靠性、隔振、减振和舒适性等问题的分析，近年来又成功地应用于重要的机械设备的监测和控制、预报识别、故障诊断等方面。目前，大型成套机械设备本身的结构及其运行机制是十分复杂的，利用振动响应和系统动态特征参数的变化来进行故障的监测、预报是机械设备故障诊断中的重要研究手段之一。随着电子技术和计算机技术的发展，振动测试和振动分析技术进入了一个全新的发展阶段，测量传感器和测试仪器出现了许多新的结构，可测量的频率范围和动态范围大大增加，一些新的测振方法产生并应用与生产实践中。单片机技术的发展及广泛应用使振动测试仪器向小型化、功能化和多样化发展。本文介绍了一种体积小、质量轻、量程大、频带宽、灵敏度高、便于携带的测振仪器的设计方案。
2 电测法简介
在振动测量中应用*广泛的是电测法，如图1所示。电测法是通过机-电传感器把待测的振动参数的机械量转换成各种电参数（如电流、电压、阻抗和频率等），然后使用一些测量电参数的电子设备把测得的信号放大、指示记录以及进行运算和分析等。这种测量方法有许多优点：根据所使用的机-电传感器的不同，可以测量振动的振幅、速度、加速度；可以进行连续的多点测量和记录；可以进行远距离的测量和控制；有非常高的灵敏度和足够的准确性；不仅适用于稳态测量，还可以进行瞬态测量；有非常宽的测量范围；根据电测法设计的振动
测量仪器体积小、功能多、便于携带，适合生产中应用[1]。

3 测振仪的技术指标和整体电路设计
3.1 测振仪的技术指标
该便携式测振仪对振动量的设计技术指标如

3.2 测振仪整体电路设计
整体电路原理图如图2所示，由加速度传感器、放大电路、滤波电路、积分电路、模数转换电路、单片机系统和显示电路组成。工作过程如下：物体振动的加速度信号由加速度传感器采集到，经过放大电路放大和滤波电路处理整形，并经积分电
[收稿日期] 2003-07-06
[作者简介] 于嵩（1975-），男，黑龙江肇源人，东北农业大学助教，主要从事农业电气化与自动化方面的教学与研究工作。
机电传感器
放大微积分网络功率放
输出显示
2004 年1 月农机化研究第1 期
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路输出物体速度信号和位移信号，由A/D 转换成数
字信号送给单片机进行处理，*终由显示电路显示
出来[2][3]。

3.2.1 传感器和放大电路的设计
由于压电式加速度传感器具有结构简单、体积小、质量轻、安装容易、量程大、频带宽、灵敏度高和适用于各种恶劣环境的特点,所以本仪器选用该传感器作为工作传感器。加速度传感器出来的信号都比较微弱，我们设计一放大电路，对信号进行放大。考虑到频宽和功耗等因素，运算放大器采用目前使用比较广泛的同相比例运放电路。
3.2.2 滤波电路和积分电路的设计
滤波器类型的选择其实就是阻尼系数a的取值问题。由于贝塞尔型滤波器的阻尼系数a的取值在通频带内，各种频率的相位与频率成线性关系。这时，各种频率的正弦波经过滤波器后，其延迟时间相等，不产生波形失真。因此，这里选用了贝塞尔型滤波器。积分电路由集成运算放大器和用电容作为其反馈元件以及电阻组成，由于充电电流基本上是恒定的，因而具有较好的线性度[4]。
3.2.3 单片机和A/D转换器及显示电路的设计考虑到低功耗和经济性,单片机可选用COMS工艺的80C51，其芯片内部具有128个字节RAM 存贮器和4K字节ROM 存贮器，无需扩展外部数据存贮器，可提高系统的可靠性。另外，还具有5 个中断源、2 个优先级、2个16位的定时器/计数器和
32 根I/O口线，完全可满足要求。80C51的时钟采用的是内部方式，因为这可以不用外部振荡源，简化了结构。单片机的复位电路采用上电复位，一经上电运行，进入使用状态，一般就不再允许中间复位了。因为一般情况下，装置都是连续使用的，所输入的信息不允许被中间破坏而失效。A/D转换器的选取从性能指标和功耗方面来考虑，可选TLC2543。它采用COMS技术制造，是高性能、低功耗12位高速A/D转换器，它具有采样保持和串口输出等功能。显示电路可选用MAX7219，它是一种可编程共阴极显示驱动器，可以用来把微处理机接口连接到多达8位数字的7段数字LED 显示器。与传统的驱动LED 相比，节省了很多芯片资源[6]。
4 结论
该测振仪充分利用目前较为成熟的传感器技术、单片机技术和计算机技术，具有比较完善的现场功能。随着科学技术﹑工农业生产和国防建设事业的迅速发展，大量的工程振动问题不断地出现，仪器的应用将更加广泛。
[ 参考文献 ]
[1] 江逢.测振仪器在工程中的应用[J].哈尔滨工业大学学报,1996,14(1):123-127.
[2] 杨素行.模拟电子技术基础简明教程[M]. 北京: 高等教育出版社,2000.17-82.
[3] 冯民昌.模拟集成电路基础[M]. 北京:中国铁道出版社,1991.14-32.
[4] 何英.Protel 99 入门与实用[M]. 北京:机械工业出版社,2001.5-65.
[5] 胡汉才.单片机原理及其接口技术[M]. 北京:清华大学出版社,2001.194-267.加速度传感器二阶高通电路二阶低通电路A/D 转换器TLC2543单片机80C51显示驱动器MAX7219积分电路 LED 显示

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