為了避免機(jī)器故障造成的停工損失，目前很多工廠、發(fā)電廠、礦廠及其他操作流程都加裝了具有預(yù)防作用的維護(hù)系統(tǒng)，以改善機(jī)器的操作效率。新一代具有預(yù)防作用的維護(hù)系統(tǒng)都采用電子診斷技術(shù)以監(jiān)視機(jī)器操作狀況的各種參數(shù)。以滾軋機(jī)為例，這類機(jī)器可能設(shè)有多個(gè)大型的電動(dòng)機(jī)及軸承，而每一電動(dòng)機(jī)及軸承都各有滾軸、液壓泵以及多種不同液壓傳動(dòng)裝置。保護(hù)這類設(shè)備的預(yù)防性維護(hù)系統(tǒng)可能需要配備電子監(jiān)控電路，才可測量滾軸的振動(dòng)程度和溫度、液壓系統(tǒng)的液壓、液體溫度以及電動(dòng)機(jī)溫度。

機(jī)器的轉(zhuǎn)動(dòng)部分會(huì)不時(shí)產(chǎn)生頻率介于50hz～10khz之間的振動(dòng)，我們可以測量機(jī)件的振動(dòng)幅度，以便從中了解滾軸及其他轉(zhuǎn)動(dòng)部分的物理狀態(tài)，這個(gè)監(jiān)控過程一般稱為振動(dòng)分析。超聲波分析可說是另一種振動(dòng)分析，但超聲波分析涉及的頻率范圍則介于15～40khz之間，而這一頻率范圍屬于高頻區(qū)。由于機(jī)器的轉(zhuǎn)動(dòng)部分會(huì)出現(xiàn)磨損或損壞，以致所產(chǎn)生的頻率與原先的不同，顯示機(jī)件的物理狀態(tài)與以前有異，因此我們只要通過頻譜分析便可檢測機(jī)件的變化情況。機(jī)件出現(xiàn)磨損，其振幅會(huì)增大，而超聲波噪聲也會(huì)增加。只要有12db左右的增幅，便表示有關(guān)機(jī)器可能會(huì)隨時(shí)出現(xiàn)故障。

這種監(jiān)控方法的好處是，機(jī)件還未出現(xiàn)故障便可先行搶修。振動(dòng)分析及超聲波分析所需的設(shè)備很多時(shí)侯是完全不同的。最理想的當(dāng)然是有一套現(xiàn)成而又極具成本效益的儀器，可以在整個(gè)頻率范圍內(nèi)做出監(jiān)控。圖1所示的是振動(dòng)及超聲波分析的信號路徑電路圖。

圖1 振動(dòng)分析的信號鏈

壓電傳感器可以感測滾軸所產(chǎn)生的振動(dòng)頻率及超聲波噪聲。壓電傳感電路由mosfet為其提供內(nèi)部緩沖，而驅(qū)動(dòng)mosfet的電流則來自a4的恒流源，通過交流耦合在內(nèi)部連接到濾波器。a1、a2及a3放大器組成一6極點(diǎn)低通濾波器并提供41.9db的增益。取樣率為200khz的adc121s021模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)將已放大及濾波的信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號。微處理器的軟件可以通過快速傅里葉變換(fft)取得有關(guān)信號頻率及振幅的數(shù)據(jù)。圖中所示電路的通帶約為40khz。圖2則顯示典型寬頻帶振動(dòng)傳感器的傳遞函數(shù)。

圖2 傳感器的傳遞函數(shù)

傳感器在30hz左右會(huì)開始滾降，其頻率響應(yīng)幅度相對較為平坦，直到升至65khz這個(gè)諧振頻率，這時(shí)平坦響應(yīng)才改變過來，在此之后頻率響應(yīng)便急速下跌。這一平坦頻帶的峰峰值振幅約為32mvp-p，然后振幅會(huì)放大至4vp-p。以下是增益：

4.096v/0.032v = 128

我們最好采用125倍的增益，以便多留一點(diǎn)余量。以40khz這個(gè)最高信號頻率為例，取樣率便成為一個(gè)令人擔(dān)憂的問題。為免高于尼奎斯特頻率的混疊信號頻率，我們必須將取樣頻率的一半加以濾波，然后將振幅抑制至模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的1 lsb以下。在這個(gè)例子中，我們所采用的是12位的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其參考電壓為4.096v，將得到1mv解析度，計(jì)算方法如下：

4.096v/4096 = 0.001v

我們?nèi)粢獮槿淤Y料系統(tǒng)提供一個(gè)切實(shí)可行的濾波器，便必須在某一程度上將要量度的最高頻率與模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的尼奎斯特頻率加以分開。雖然這樣做可能會(huì)令信號出現(xiàn)過取樣，但濾波器可以抑制或完全消除假信號。圖1采用的adc121s021是一款12位、200ksps取樣率的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器。若這款模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器以200ksps的取樣率進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，尼奎斯特頻率會(huì)固定于100khz。若頻率為100khz，傳感器的輸出信號振幅大約為8mvp-p，將這個(gè)信號抑制至1mvp-p以下所需的增益可以根據(jù)下面公式計(jì)算出來：

20log〔0.001v/0.008v〕=-18db

100khz頻率與40khz信號之間有60khz的差別，亦即0.6的頻率遞減。若頻率為40khz，增益如下：

20log(125v/v)=41.9db

以下是濾波器的滾降率：

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

或最低限度采用5偏振極點(diǎn)濾波器：

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

由于我們可以輕易將放大器配置為雙極偏振濾波器，因此上述設(shè)計(jì)可以采用3個(gè)放大器，使每一放大器都有5倍的通帶增益。濾波器的通帶特性取決于兩個(gè)因素：其一是放大器的增益帶寬；另一因素是放大器反饋電路的偏振位。每一濾波級可以視為雙極的5v/v非反相增益級。若噪聲為40khz，確保振幅偏差不會(huì)超過1 lsb的放大器增益帶寬可以利用以下的公式計(jì)算出來：

(40khz