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                    單片機在振動測量儀設計中的運用

                    添加時間:2020/07/02 來源:電子科技大學 作者:王震寰
                    本論文設計基于單片機的振動測量儀,可以在發動機運行狀態下,全面系統地檢測飛機發動機的振動狀態,準確有效地分析發動機運行狀態和基本性能。
                    以下為本篇論文正文:

                    摘 要

                      航空發動機是飛機重要的組成部分,其性能決定著飛機的飛行安全。目前航空發動機的推力、轉速、動強度不斷提高,由轉子不平和和氣體流動等原因引起的振動問題日益突出。發動機的工作狀態處在高溫、油霧和電磁干擾嚴重的惡劣環境中,需要選擇合適的振動傳感器和振動測量儀,迅速準確地測量發動機的振動值。這對提高試驗安全性和發動機可靠性具有重要意義。

                      本論文設計基于單片機的振動測量儀,可以在發動機運行狀態下,全面系統地檢測飛機發動機的振動狀態,準確有效地分析發動機運行狀態和基本性能。飛機發動機持續、健康和穩定地運行,為飛機安全飛行和故障排除奠定良好的技術基礎。因此論文研究具有十分重要的現實意義。

                      本文首先分析了國內外現有飛機發動機專用測振儀器的優缺點,針對其存在的問題,設計出了新型的基于 Freescale 的 MC9S12XS128 單片機的振動測量儀,可以克服現有儀器的缺點,詳細論述了設計該儀器的理論依據和各硬件模塊功能實現的芯片選擇依據和調試結果。在硬件設計中,由于 MC9S12XS128 單片機運算速度快,省去了價格較貴的可編程帶通濾波器 UAF42AP 并同時優化了電路設計。

                      通過專用有效值測量電路測量振動速度,頻壓轉換電路測量頻率,可以克服計數測頻的穩定性差的缺點,然后利用雙路 A/D 轉換電路進行 A/D 轉換,并將轉換結果送入 MC9S12XS128 單片機進行數據處理,再利用 LED 驅動芯片 MAX7219 將轉換結果通過數碼管顯示。在軟件設計部分,首先介紹了基于 MC9S12XS128 的模塊化軟件設計流程、A/D 轉換及顯示程序設計,然后根據測得的數據,分析了儀器的精度、穩定性和改進措施。

                      最終通過反復模擬測量和驗證,本振動測量儀達到了設計的預期目標,使誤差在 3%以內,可測頻率范圍為 10Hz~2000Hz,滿足了測量精度和測量范圍的要求。

                      關鍵詞:振動測量儀,MC9S12XS128,傳感器,單片機,PCB 電路板

                    ABSTRACT

                      Aero-engine is an important part of aircraft, whose performance determines the flight safety of aircraft. At present, the thrust, rotation speed, and dynamic strength ofaero-engine are increasing, the vibration problems caused by rotor unbalance and gas flow are becoming more and more prominent. The engine works in the harsh environment of high temperature, serious oil mist, and electromagnetic interference. It is necessary to select the appropriate vibration sensor and vibration measuring instrument to measure the vibration value of the engine quickly and accurately. This is of great significance to the improvement of test safety and engine reliability.

                      In this thesis, a vibration measuring instrument based on single chip microcomputer is designed, which can detect the vibration state of aircraft engine completely and systematically with engine in operation, and analyze the running state and basic performance of engine accurately and effectively. The aircraft engine runs continuously, healthily and stably, which lays a good technical foundation for safe flight and troubleshooting of aircraft. Therefore, the study of the paper has a very important practical significance.

                      This thesis firstly analyzes the advantages and disadvantages of the existing special vibration measuring instruments for aircraft engines at home and abroad. Aiming at theproblems, a new type of vibration measuring instrument based on MC9S12XS128 single chip microcomputer and Freescale is designed, which can overcome the shortcomings of the existing instruments. The theoretical basis of designing the instrument and the chip selection basis and debugging result of each hardware module function are discussed. In the hardware design, because of the high operation speed of MC9S12XS128, the expensive programmable bandpass filter UAF42AP is saved and the circuit design is optimized at the same time. Through measuring vibration speed by special effective value measuring circuit and measuring frequency by frequency-pressure conversion circuit, the disadvantage of poor stability of counting and measuring frequency can be overcomed, and then A/D conversion can be carried out by using two-channel A/D conversion circuit. The conversion result is sent to MC9S12XS128 single chip microcomputer for data processing, and then the conversion result is displayed by digital tube using LED driver chip MAX7219. In the part of software design, the flow chart of modular software design based on MC9S12XS128, the design of A/D conversion and display program are introduced firstly, and then the precision, stability and improvement measures of the instrument are analyzed according to the measured data.

                      Finally, through repeated simulation measurement and verification, this vibration measuring instrument has achieved the expected goal of the design. The error is less than 3%, and the measurable frequency range is 10Hz~2000Hz, which meets the requirements of measuring precision and measuring range.

                      Keywords: Vibration measuring instrument, MC9S12XS128, sensor, single chip microcomputer, PCB circuit board.

                    目 錄

                      第一章 緒 論

                      1.1 論文研究的背景

                      航空發動機是飛機架構中的核心組成部分,是一種結構復雜、高速旋轉的機械設備,其可靠性直接影響到飛機的飛行安全。隨著科學技術的發展,雖然航空發動機的性能得到了不斷的提高,但是由于轉子不平和氣體流動等原因引起的振動問題日益突出,在飛機的設計和組裝過程中出現問題時,會導致發動機在運行過程中產生振動,導致發動機磨損和腐蝕[1].同時,發動機的工作狀態比較復雜,遭受高溫、油霧和電磁干擾等惡劣條件的約束,發動機需要提供良好的機械性能才能保證正常工作,同時也對檢測振動特性的技術具有很高的要求,所以選擇合適的振動傳感器和振動測量儀,迅速準確地測量發動機的振動值對提高試驗安全性和發動機可靠性具有重要意義。

                      發動機振動測量可分為整機振動測量和部件(轉子葉片)振動測量,其振動測量設備包括傳感器、二次儀表、記錄和分析設備。通常利用加速度計和振動測量儀來測量并獲取振幅、振動速度和振動加速度等參數,在發動機轉子葉片粘貼應變片測量轉子葉片振動[2].

                      振動檢測儀在整機振動測量中常采用電阻應變片法、磁電式速度傳感器和壓電式加速度傳感器。電阻應變片法的測試方法比較簡單,需要將電阻應變片嵌入到飛機機身某個部位,或粘貼到靜止的葉片上?梢詫λ麄冋駝忧闆r進行信號采集,主要由集流器負責完成相關工作,并通過無線發射裝置將數據傳輸到接收器,經過放大處理后可以進行全面分析,該技術的測量精確度比較高,但是準備過程很復雜,測試數據的可靠性較差,而且應變式傳感器的使用壽命比較短,對測試環境的適應能力較差,其自身的重量和體積也會影響測試的準確性。磁電式速度傳感器檢測方法是利用電磁感應原理,將測試設備的振動信號轉換成磁電信號,其信號與振動速度成正比,經過信號解調獲得振動信息。該方法特別適用于高穩定速度式振動檢測,但由于其結構復雜、內部有活動部件、響應頻率低、體積大等缺點,不適用于高頻范圍的測量,其地位正逐步由壓電式加速度傳感器所代替。

                      振動檢測儀在發動機的振動測試中,使用最多的是壓電加速度傳感器。該傳感器選用高居里溫度的壓電晶體元件,最高使用溫度可以達到 650℃,具有較高的穩定性和可靠性。壓電式加速度傳感器的工作原理是依據壓電材料的壓電效應,輸出與振動加速度成正比的信號,通過積分電路及二次放大,用示波器顯示振動加速度的總和。與其他傳感器相比,壓電式加速度傳感器具有體積小、壽命長、耐高溫、靈敏度好、頻響高、動態范圍寬、抗外磁干擾能力強等優點,頻率測試范圍達到(0.1~5000)Hz,振動加速度可測范圍為(0~105)g,特別適用于發動機整機和部件的寬頻帶振動測量和分析[3].傳感器在發動機惡劣環境條件下工作,采用的電纜需要具備低噪聲、抗干擾的有點,能夠在比較高溫情況行傳輸數據,也能降低傳輸過程外部噪聲信號的干擾,然后在接收終端進行放大處理,提高信號調制工作的可靠性,真正發揮壓電式加速度傳感器的優越性。

                      在自然界中振動無處不在,音叉能發聲其實就是因為振動而產生的。一個機器存在運動部件,正所謂有運動就伴隨著振動。不同的運動部件會產生不同頻率的振動,如圖 1-1 所示。

                      如上圖我們可以看出,不同的運動部件出現故障時,通常情況下產生的階次是不同的,如:轉動軸故障一般出現在頻率的 0.5 階,而動平衡的故障出現的振動頻率為階次的 1 階、2 階、3 階等;扇葉類葉片帶來的故障出現為轉頻乘以扇葉數,所以為 6 階;如果有齒輪類的故障,故障往往和齒數有關,可以在振動較大值附近做一個包羅分析。

                      根據相關統計數據顯示,九成以上的發動機故障產生的主要原因是振動或振動有關。在發動機運行狀態下可以比較系統地檢驗它的各種參數,其中非常重要的一項指標就是振動量的測量。通過全面檢測飛機發動機的振動狀態,可以準確、有效地分析發動機運行狀態和基本性能,從而能夠確保發動機的持續、健康、穩定運行,為飛機安全飛行和故障排除奠定良好的技術基礎。本文正是在這樣的實 際需求背景下提出對單片機的振動測量儀的研究,因此論文研究應用價值很大。

                      1.2 國內外研究現狀

                      機械振動檢測儀在機械制造、電力、化工等行業中被廣泛的應用,這些行業中有存在大量的電機、泵、風機、壓縮機、變速箱等機械設備在連續工作,通過監測這些旋轉機械的振動幅度、頻率、方向等物理量的變化,及時掌握設備的工作狀態。通常采用在線監測系統對核心設備進行檢測,對設備運行狀態進行實時監控,對設備的振動加速度、速度、位移等運行參數進行記錄和保存,當設備可能出現故障時,系統能夠及時進行報警并對故障信息進行采集[4].為故障原因分析提供可靠的數據參考,系統數據庫中保存了設備運行數據和故障信息。為設備管理人員對設備運行狀態的了解提供支持,使設備管理員能夠對設備故障進行預防和及時維修。為設備安全、可靠運行提供了保障,給企業帶來了極大的經濟效益和社會效益的目的。

                      1、振動檢測儀的研究現狀

                      振動檢測儀是一款對機械振動信號進行現場采集、記錄和存儲的便攜式專用設備,通過傳感器感受到振動信號,將采集到的原始數據進行記錄,然后利用計算機軟件進行分析。傳感器部署到機械振動測試點,所有的數據都會被及時采集和存儲起來,采用外部連接接口連接到計算機軟件上,進行讀取、存儲和分析等操作[5].

                      振動檢測儀在振動監測應用中對于采用旋轉部件的機器的狀態監測以及電動機、變速器、發電機、鼓風機和渦輪機的故障診斷非常有用。振動檢測儀系統的關鍵部件是傳感器,通常是加速度振動傳感器或位移傳感器,如果需要,可以進行相關的信號調節,數據采集系統能夠以足夠快的速度同時采樣多個通道,通過外部觸發器捕獲診斷所需要的頻率,以便于旋轉機構能夠在時域或頻域處理測量信號并提取感興趣特征值的分析軟件。

                      振動檢測儀是上世紀 70 年代國外一科學家提出的,但當時缺乏相應的測試技術和故障特征知識,所以這項技術沒有得到明顯的發展[6].隨著相關技術的發展和故障診斷實踐經驗的積累,對機械振動機理和故障產生原因等進行了全面的研究。

                      通過正向推理的診斷思維模式,解決了振動監測故障原因不明的問題。使故障查詢準確率達到了百分之八十[7].

                      我國從 1960 年開始對發動機檢測技術進行研究,1970 年國家成立了專門的研發團隊和項目組,對汽車發動機性能檢測設備、儀表進行了全面研制。八十年代,隨著我國汽車產業的壯大,使我國發動機檢測技術得到了開始的發展[8].我國的振動 檢 測 技 術 經 過 了 30 多 年 的 發 展 , 在 振 動 故 障 診 斷 方 法 和 故 障 處 理方面積累了豐富的經驗。

                      2、航空發動機振動檢測儀的研究現狀

                      航空發動機作為一個高速旋轉的機械,工作環境相對比較惡劣,需要在高溫、高壓、高應力等極端環境下正常、穩定工作。因此,需要合理控制故障發生的概率,提高系統的可靠性。航空發動機故障及時檢測和科學診斷能夠為發動機長時間安全穩定運行提供一定的安全保障,可以顯著降低飛機安全事故的發生概率,降低發動機維護維修成本。因此,飛機發動機振動指標檢測成為了目前該領域的研究熱點。

                      在 1950 年之前,主要采用模擬分析法對振動信號進行分析,計算機信息技術的不斷發展,提供了良好的數字信號處理平臺,振動信號被采集后能夠在計算機軟件上展示處理,幫助直觀分析。通過 FFT 計算方法的應用,節省了大量的計算工作量,使該項技術得到了廣泛的應用[8-9].80 年代,英國生產了飛機發動機振動測量儀 UT1130,但在測量精度上存在缺陷,后面又研究生產了基于 LMS Test.lab的航空發動機整機振動測量儀,能夠對發動機的振動位移、速度、加速度總量等各種參數進行較為準確的測量,其中應用到了 FFT 快速傅氏變換原理[10].后面國內很多學者對航空發動機振動臺展開了許多不同的研究,對振動檢測儀的核心處理器、傳感器、嵌入式系統等對象進行了研究。進入 21 世紀以后,我國加大了對飛機發動機振動的檢測與可靠性的研究,目前在某些領域已經獲得了突破性進展,并獲得了一系列研究成果,在很大程度上推動了我國空中技術的大跨步前進,特別是高速轉子極高頻和極低頻領域的研究,成績斐然[11].

                      目前振動檢測儀在振動監測應用中,數據作為模擬信號的形式產生,盡管用戶可以將其提取到一系列信號用以匯總數據。根據感興趣的振動數據,用戶可能會不想使用簡單的手持式振動計來顯示數據趨勢時查看單個特征值,再或者用戶可能只想查看基線值和趨勢,因此他們將僅使用一個或兩個模擬信號。

                      振動檢測儀在進行振動測量之前,需要連接一個傳感器,這個傳感器能夠檢測正在運行中機器的振動行為。檢測過程中可以使用各種類型的振動傳感器,但通常使用稱為加速度計類型的傳感器,因為它可以提供優于其他傳感器的性能。

                      加速度計是一種傳感器,其產生的電信號與加速度計所連接的振動組件的加速度成比例。目前振動信號的分析技術的發展目標是精確度和分辨能力能夠得到進一步提高,同時對在線監測的實時能力進行提升。

                      通過對加速度計采集到的振動信號的強弱來判定振動的劇烈與否,加速度計通常有多種貼貼方式,如用雙面膠進行粘貼,用螺栓進行剛性緊固,使其緊貼在被測物的表面,不管哪種粘貼方式,目的就是要讓加速度計緊貼被測物,從而得到準確的振動幅值。

                      1.3 論文研究內容與目的

                      1、論文研究的內容

                      本論文研究的主要內容是研制一臺基于單片機的振動測量儀樣機,并投入在實際工作中,具體對以下內容進行研究:

                     。1)硬件設計①設計出振動測量儀的總體結構;②對整個系統架構進行原理性設計;③選擇滿足要求的單片機和測量范圍滿足要求的傳感器等硬件;④對硬件電路進行調試。

                     。2)軟件設計:對整個測量儀的程序進行設計,包括 A/D 采集、顯示、中止程序等各個分功能模塊;(3)進行測試、調試和精度的控制分析。

                      2、研究目的

                      設計一臺振動測量儀,對其進行軟硬件目標調試后,測量儀能夠測量振動的位移、速度和加速度的測量儀,使測量精度控制在 3%以內,可測頻率范圍為 10Hz~2000Hz.可以用于航天電子產品應力篩選的振動測量分析。同時,該振動測量儀通過采用傳感器將不同頻率點上的速度信號轉化為電壓正弦波,經過一定的信號處理,最終將信號送至單片機,經過一定的軟件運算,得到測試結果,提高了其抗干擾性能。該振動測試儀具備成本低,實時性與穩定性好的特點,可適用于低成本專業領域的振動測量系統。

                      通過使用該振動檢測儀檢測飛機發動機故障診斷的根本目標是要保證發動機安全、可靠和高效、經濟運行,其主要目的為:及時、有效的對發動機故障進行診斷,能夠提取對故障進行預防或消除故障;為發動機的運行和維護提供支持。

                      保障發動機的運行正常和安全,延長發動機的使用時間。為為發動機性能優化和升級改造提供數據和信息。

                      1.4 論文組織結構

                      本文將按下面組織結構對基于單片機的自動測量儀技術、設計過程、調試過程等進行研究:

                      第一章 概述論文研究的主要背景,指出目前航空發動機運行過程產生的振動帶來的危害,需要通過檢測儀器對振動相關參數進行及時檢測,確保發動機的穩定運行,對國內外相關研究情況進行概述,指出論文研究的主要內容和目的。

                      第二章 對振動測量儀概念、振動測量基礎、必要性、測量內容、數據采集過程、故障診斷方法以及在飛機上的應用等內容進行概述。

                      第三章 對振動測量儀總體結構進行設計,指出振動測量儀的構成和主要功能,明確儀器整體開發流程和硬件設計原理。

                      第四章 對振動測量儀器進行選型和電路進行設計,明確電路設計過程需要遵循的原則,對各個部件的電路進行詳細設計。

                      第五章 對振動測量儀展開設計,選擇合適的單片機,明確軟件設計流程,重點編碼對 A/D 轉換程序和顯示程序進行設計與實現。

                      第六章 對振動測量儀進行抗干擾處理和調試,并對相關數據進行處理和分析,借用振動臺來進行振動量的模擬,通過用測量儀來測試,進一步的對測量儀測量值的準確性進行有效的驗證。

                      第七章 總結論文所做研究的主要內容和產品特點,提出存在的不足,對后續研究進行展望和探討。






                      第二章 振動測量儀及振動測量概述
                      2.1 振動測量儀概念
                      2.2 振動測量儀振動監測的必要性
                      2.3 振動測量基礎
                      2.4 振動測量儀的測量內容
                      2.5 振動數據采集過程
                      2.6 振動測量儀對智能故障診斷方法
                      2.7 振動測量儀在飛機上的應用
                      2.8 本章小結

                      第三章 振動測量儀開發過程設計
                      3.1 振動測量儀的構成
                      3.2 振動測量儀的主要功能
                      3.3 系統總體開發流程
                      3.4 硬件總體結構設計
                      3.5 本章小結

                      第四章 振動測量儀器件選型與電路設計
                      4.1 傳感器選擇
                      4.2 單片機的選擇
                      4.2.1 單片機系統概述
                      4.2.2 單片機選擇原則
                      4.2.3 16 位單片機 MC9S12XS128
                      4.3 單片機系統擴展配置原則

                      4.4 信號處理電路設計
                      4.4.1 放大電路
                      4.4.2 速度測量電路
                      4.4.3 頻率測量電路
                      4.4.4 A/D 轉換電路
                      4.4.5 顯示接口電路

                      4.5 其它重要電路設計
                      4.5.1 電源電路
                      4.5.2 時鐘電路
                      4.5.3 復位電路
                      4.6 PCB 電路板設計
                      4.6.1 電子元器件的布局
                      4.6.2 印刷電路板的布線
                      4.7 本章小結

                      第五章 振動測量儀軟件設計
                      5.1 單片機 MC9S12XS128 的開發語言
                      5.2 單片機軟件系統設計概述
                      5.3 單片機 MC9S12XS128 的開發工具與調試
                      5.3.1 CodeWarrior 開發環境簡介
                      5.3.2 BDM 在線調試
                      5.3.3 串口調試工具

                      5.4 軟件程序設計
                      5.4.1 軟件設計流程圖
                      5.4.2 A/D 轉換程序設計
                      5.4.3 顯示程序設計
                      5.5 本章小結

                      第六章 振動測量儀的抗干擾處理與調試
                      6.1 抗干擾處理
                      6.1.1 干擾的來源
                      6.1.2 抑制干擾的措施
                      6.2 振動測量儀的調試
                      6.2.1 調試工具
                      6.2.2 調試方法

                      6.3 數據處理與分析
                      6.4 測量數據分析
                      6.5 整機測試
                      6.6 本章小結

                    第七章 總結與展望

                      7.1 總結

                      對比本文設計出來的振動測量儀屬于機器狀態的監測儀器,工作原理比較簡單,在微處理器基礎之上,主要負責進行振動監測以及軸承狀態分析方面。這款儀器操作較為簡單,可以設置自動指示狀態報警裝置,對于檢測現場設備運行情況比較適合,同時也可以為維護人員監測設備狀態提供相應的服務。借助于該機器,能夠將運行中的問題及時檢查出來,從而讓設備能夠正常工作。振動測量儀有著比較強大的診斷功能,可以對頻譜進行現場分析,分析多種時域、分析頻域、分析倒頻譜、分析波德圖、分析趨勢、分析啟停機、分析軸心軌跡、分析時間三維譜以及管理數據。借助于該機器,能夠從多通道開展在線實時采集、在線監測、現場動平衡、專家自診斷、故障分析診斷等工作。振動測量類儀表在航天、電力、石化、機械制造、冶金、車輛等領域應用廣泛。

                      本論文在飛思卡爾單片機 MC9S12XS128 的基礎上對研制的振動測量儀進行了介紹,振動位移的帶通測量的時候主要借助 RMS 均方根電路測速度,以及頻壓轉換電路測頻獲得。在測量的過程中,通過 16 位 AD 轉換芯片 ADS7809 進行模 數轉換。同時讓單片機處理檢測結果,然后顯示在 LED 界面上。同時,在補償測量結果的時候,通過軟件上針對傳感器的頻率響應進行,硬件化部分軟件功能,從而讓單片機的開銷降低,讓計算誤差有效減小,最終讓儀器的精度得以充分的保證。在硬件電路運行中,頻響帶無法處于穩定狀態,同時高低截止頻率不夠理想,需要借助于相應的軟件進行處理,這樣就能讓振動測量儀獲得較高的精度,增強抗干擾能力和穩定性,并且操作比較簡單。在研制本振動測量儀的過程中能夠得出以下結論:

                     。1)在硬件調試的起初階段,對信號源輸出的正弦波信號進行了應用,在信號輸入端上將將信號輸出端的兩根信號線進行連接,在放大端上獲得的放大信號始終不夠理想。經過充分分析和驗證之后,終于找到其中的原因。在調試的過程中對示波器和信號源并發執行被忽略。因此,在后來的調試過程中,除了將輸入端與輸出端連接之外,還需要進行接地,這樣就讓示波器和信號源存在的共同的地得以有效的實現。

                     。2)電路在前期連接中是正確的,但是 MAX921 并不能將預期中的方波輸出,經過分析,估計產生了過大的電壓。通過對電位器進行適當調節,在合適的位置能夠將方波信號輸出。

                     。3)硬件電路需要的電源電壓分別為±5V、±15V.如果供給時采用直流電源,不能讓電源的穩定性得以保證,同時無法得到空間最小化的要求。對這些情況進行反復考慮之后,借助于電源模塊,將電源電壓控制在±5V 和±15V,這樣就形成了簡單的線路,但是獲得了穩定的輸出電壓。

                     。4)在前期的現場使用過程中,存在較強的電磁干擾源,檢流計指針出現擺動,沒有處于穩定的工作狀態。對干擾源進行分析后,將單片機芯片改為MC9S12XS128.此單片機具有較強的抗干擾和濾波作用,從而既實現了抗干擾、濾波作用,又避免了使用價格昂貴的專用濾波芯片 UAF42,減小了設計成本。

                     。5)在分析采集到的數據過程中,先前處理數據通過硬件進行,無法有效滿足設計要求,在精度上存在一定差異。后期處理數據的時候借助于軟件濾波和標度變換算法進行,將這個問題有效進行了解決,從而獲得了穩定可靠的數據。

                      振動測量儀是實現設備狀態與故障診斷的重要手段,測量儀的使用提高了生產安全、生產質量和生產效率。對振動測量儀的研究有重要意義和實用價值。根據振動測量儀的總體設計方案,給出了電路方框圖,并利用軟件設計了 PCB 具體電路,并對電路重要參數進行了分析計算。在硬件方面和軟件方面,采用各種抗干擾措施,讓測量的精度得到有效的保障,讓儀器的可靠性得以提高。在全面了解振動測量儀系統的基礎上,在現有加速度傳感器、電荷放大器測振系統的基礎上,設計了振動測量儀。振動測量儀具有如下主要特點:先進的設計、較低的功耗、可靠的性能、美觀的造型、方便使用和攜帶等。制造中依照國家標準,將獲得的測量值比對國際振動烈度標準(ISO2372),可以對設備運行狀態進行直接判斷。具有高低頻分檔功能,在振動測量時,便于識別設備故障類型。因為它能夠對設備故障技術進行有效的診斷,從而讓突發性事故的發生率有效降低,能夠將設備的潛力充分挖掘出來,將設備的使用壽命進行延長,同時對維修進行相應的指導,讓維修成本相應降低,獲取的經濟效益是比較明顯的。

                      本文設計的測量儀,主要針對的測量對象是對航天電子類產品在振動試驗時進行振動信號的實時監測并反饋信號,如超出電子產品設計的振動量級可及時報警,避免產品電子元件損壞。

                      目前,國內測量振動的儀器儀表較多,功能上也能夠實現對振動信號的采集,但是在專用性是無法與本測量儀相比。

                      測量精度方面,本儀器通過采用 AD736 有效值芯片,使測量精度控制在 3%以內,而且精度指標不會隨著頻率值的增加而變化,這滿足航天電子產品在飛行過程中所承受的振動頻率范圍大,誤差精度要求高的特點。目前國內的振動測量儀器在測量過程中,特別是在較高頻率下,如 1500Hz 以上測量誤差會隨著頻率的增加而變大,這也是本測量儀相對于其他同類儀器較明顯的優點。測量的穩定性是航天測試類儀器需要具有的最基本的性能。

                      頻率范圍方面,該儀器的頻率范圍在 10Hz~2000Hz 范圍內,而目前市面上測量機械振動的測量儀較多,頻率一般為幾十到幾百赫茲,測量的范圍較窄。振動量級方面,本測量儀測量加速度的范圍較廣,使用不同靈敏度的傳感器可測不同范圍的加速度值,擴展性能優越。

                      綜上,本測量儀的設計可以專用于航天電子產品進行振動試驗中進行篩選試驗,確保對電子產品進行全頻段的振動參數的整體驗證,既滿足了科研生產試驗所需,又能對電子元件進行有效的保護,在應用上具有十分重要的意義。

                      7.2 展望

                      設計出來的振動測量儀屬于狀態監測儀器,其工作原理是在微處理器基礎之上,功能主要表現在振動監測分析方面。這款儀器在操作方面較為簡單,并且設置了自動指示狀態報警裝置,對于現場設備運行是比較適合的,也為維護人員監測設備狀態提供相應的服務,借助于該機器,能夠將運行中的問題及時檢查出來,從而讓設備能夠正常工作。

                      因為選用的此型號單片機具有集成精度高,可靠性較高,沒有較大的體積,接口豐富,具有很強的性能擴展性,在增加了網絡模塊及無線功能模塊,就可以進行集中的管控,但由于公司性質原因,不能使用無線傳輸功能的模塊,故在測量儀的開發中僅作為單獨儀器來進行開發,沒有進行網絡功能的部分的開發。但在民用商業領域此測量儀如若增加網絡功能,將有很大的功能延展性。該型單片機有著很強的控制功能,電壓和功耗較低,擴展容易,呈現較高的性價比,因此出現比較廣泛的應用。同時,智能化儀器儀表的發展較為迅速,單片機系統逐步應用到消費電子領域和工業控制方面,在計算機技術的基礎上,以應用作為中心,并且可以裁減軟硬件,對于專用計算機系統在功耗、體積、成本、可靠性和功能方面有著嚴格要求的非常實用的。伴隨著網絡技術的進一步發展,需要研制出的儀器在監視、無人值守方面的要求更高。在這樣的背景下,可以增加網絡功能模塊,將采集到的數據遠程傳輸到總控中心,以便實時的分析運行狀態。隨著 5G 通 信商業化,也將大大的促進工業檢測領域,網絡化、集成化、智能化的集中管控采集測量儀器將是一種趨勢,自動控制領域的新的研究方向被單片機技術的發展有效預示,振動儀表在將來的改進中以及相應的發展過程中,肯定會往這個方向不斷發展。

                    致 謝

                      本論文是在導師朱小芳副研究員的關懷與悉心指導下完成的,通過朱老師的精心指導,讓我得以完成此論文,同時也要感謝我的企業導師李勇軍高級工程師對我在工作和進行試驗中的指導與鼓勵。在此,我衷心感謝他們在專業領域和工作上的言傳身教,使我受益良多。

                      感謝計量測試處和環境試驗室的各位同仁,該項目的設計與你們對我的幫助和指點是密切相關的。

                      感謝李路鵬工程師和希爾售后技術支持團隊,在試驗過程中給予我專業技術支持并在振動學術領域給予我幫助,你們在我論文寫作期間給予了我極大的幫助和支持,項目得以完成有你們的一份功勞。

                      感謝所有給我幫助的人們!

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