??? 摘 要： 介紹了新型旋轉機械" title="旋轉機械">旋轉機械扭振監測儀" title="監測儀">監測儀的總體設計方案。該監測儀基于脈沖時序計數的方法，利用大規模可編程器件，結合跟蹤濾波" title="跟蹤濾波">跟蹤濾波和峰值檢測技術進行設計，并通過PC機并口完成數據通信。此方案與采用A/D數據采集卡的監測方法相比，性價比和精度均較高。
??? 關鍵詞： 扭振監測? 脈沖時序計數 可編程器件? 跟蹤濾波? 峰值監測
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??? 扭振監測儀常用于工業領域中旋轉機械的軸系扭轉振動信號的監測，在進行重型車輛傳動軸系設計分析時，也有用處。本文介紹的新型旋轉機械扭振監測儀可有效記錄扭振信息，為預防大型機組災變事故及進行相關研究提供了良好的測試手段。
??? 傳統的A/D數據采集卡監測方法能同時記錄傳感器輸出" title="傳感器輸出">傳感器輸出信號的振幅和時序信息，而對于扭振監測，只需要相應的時序信息就足夠了。另外，軸系的扭振振幅往往較小，對于多通道測量來說，要求數據采集卡的采樣頻率較高，這樣就增加了儀器成本。基于脈沖時序計數[1]方法研制的新型扭振監測儀，其前端采用跟蹤濾波[2]和峰值檢測方法將傳感器輸出的模擬信號轉換為齒脈沖信號，后端由鍵相脈沖觸發計數器計數，由齒脈沖觸發鎖存計數值并存入FIFO中，PC機通過并口讀取各通道時序計數值，經分析處理后即可求出扭振信息。實踐證明，該監測儀性價比和精度均較高。
1 總體設計
??? 監測儀總體結構如圖1中虛線框部分所示。圖中的轉子軸屬機械裝置，一端開有鍵相槽，另一端安裝齒盤。計數器、鎖存器、管理邏輯、寫FIFO接口及數據轉換接口" title="轉換接口">轉換接口采用XILINX公司的CPLD XC95288實現。
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??? 儀器的輸入設計為四通道電渦流傳感器信號輸入。計數器為24位，外加8位四通道狀態信息，形成32位數據線。FIFO采用四片IDT7206接收32位數據。數據轉換接口完成32位數據讀入并將其轉成8位逐次輸出及完成相應控制邏輯。PC機通過并口采用EPP模式讀入數據，并作相應計算處理。
??? 前端信號處理應用跟蹤濾波和峰值監測技術，可抑制干擾，并能有效地跟蹤復雜環境下齒信號的時序。
1.1 跟蹤濾波
??? 實際環境中常存在電氣干擾等信號，使得傳感器輸出信號發生畸變及存在毛刺等，從而影響齒信號脈沖到來時刻的計數值。所以對信號作前端處理時，需采用濾波器除掉高頻雜波等干擾信號。在傳統扭振測量中，對于轉速相對穩定的動力設備，常采用中心頻率固定的濾波器；而當轉速變化范圍較大時，如重型車輛傳動軸系扭振的監測分析中，就需要濾波器的中心頻率能跟蹤轉速的變化。考慮到干擾信號主要是高頻噪聲，所以在信號前端處理部分采用低通濾波器，芯片為MAXIM公司的MAX297，如圖2所示。
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??? MAX297是8階低通橢圓開關電容濾波器，其滾降速度快，從通頻帶到阻帶的過渡帶可以做得很窄。其時鐘可調拐角頻率范圍為0.1Hz～50kHz；時鐘與拐角頻率比為50:1；可外接時鐘或使用內部時鐘；可單、雙電源工作。此外，MAX297還有一個獨立的運算放大器（反相輸入端已接地），用于后置濾波、反混疊濾波等連續時間低通濾波器中[3]。
??? 齒信號分為兩路，一路進入MAX297，另一路經比較器整形后，輸入由CD4046等組成的倍頻器進行倍頻。考慮到信號波動問題，倍頻系數選作60，鎖相環分頻器部分由XC95288提供。倍頻輸出提供給MAX297作為時鐘信號。
1.2 峰值檢測
??? 理論上齒盤隨軸旋轉時，傳感器輸出近似正弦波信號，但實際運行中，因存在齒盤磁化不均及環境介質的影響，使得信號幅值不斷變化。當把前端輸入的負極性信號整形為脈沖信號時，如采用傳統的比較器固定閾值整形的方法，就會造成脈沖沿到來時刻的延遲或提前，如圖3所示。這樣即使沒有扭振發生，也會使得計數值相對基準數據發生變化，從而檢出虛假的扭振信號來。
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??? 經試驗分析，多數情況下雖振動信號幅值發生變化，但其峰值時刻的位置基本不變，這樣如果使得脈沖沿發生在峰值時刻，就能避免其延遲或提前，從而獲得正確的脈沖信號。
??? 峰值檢測部分設計如圖4所示。
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1.3 計數部分主體設計
??? XC95288內主體設計部分為一個24位計數器，一個32位×4的鎖存器，一個32位×4的數據選擇器及觸發與管理、接口邏輯等，如圖5所示。
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??? 外部四片FIFO組成一個32位存儲區，各通道計數值分別按觸發時序并行寫入，不同通道的計數值按通道編碼加以區別。當各齒脈沖觸發時刻相同時，管理邏輯將按通道順序號依次查詢寫入的計數值。本設計中，計數時鐘頻率為10MHz，同時它也是CPLD的工作時鐘頻率。假設測速齒盤為60齒，轉速為50Hz，則每個通道觸發脈沖為3kHz，四個通道之和遠小于工作時鐘。另外，四個通道的觸發與鎖存并行工作，因此計數值能有效記錄各通道觸發脈沖的到來時刻。
??? 管理邏輯可根據FIFO的FOF信息判斷是否進行寫操作。若有脈沖觸發而FIFO又寫滿，則FOF信息將被保留并編入下一次計數值，作為出錯信息標識。
1.4 數據轉換接口部分設計
??? 數據轉換接口部分主要完成讀四片FIFO內的數據并根據并口給出的地址逐次送到8位輸出口線上，如圖6所示。
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??? 軟件通過PC機并口查詢FIFO的狀態信息，當寫入數據超過一半容量時，將發指令讀入32位FIFO數據并鎖存，其后將數據轉為8×4格式，給出地址逐次讀入并口。當管理邏輯檢測到FIFO的EOF（空）信息不一致時，將通過/RST信號復位存儲器。
2 性能測試
??? 對于一個齒輪傳動系統，現場測試環境是比較復雜的，由傳感器輸出的信號發生畸變并有毛刺。將此信號分為兩路，一路接入數字示波器通道1，另一路接入儀器前端信號處理部分，進行跟蹤濾波和峰值檢測后，接入示波器通道2。其波形如圖7所示。
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??? 儀器檢測的是輸入信號波形的負峰值。由圖中波形對比可知，前端信號處理部分能夠排除干擾，有效地檢測出負峰值位置，這也正是對應的齒形位置。
??? PC機通過并行接口與儀器連接，底層端口處理部分采用C語言編寫，數據處理部分及界面采用VB編寫。
??? 結合儀器對某電廠一臺機組進行的在線監測及數據處理，其某時間段扭振振幅和頻譜圖如圖8所示。扭振最大振幅處，一倍頻約為24.66Hz，與理論值基本相符。
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??? 與傳統的A/D采集卡技術相比，此新型旋轉機械扭振監測儀基于脈沖時序計數原理并結合相關硬件技術，實現了對軸系扭振的高精度測量，具有精度和性價比高、抗干擾性好的優點，可作為動力旋轉機械軸系扭振監測的有效方法，在大型發電機組及重型車輛動力系統等領域有一定的應用前景。
參考文獻
1 傅海忠.轉子扭振測量系統的研制.[博士后出站報告].北京:清華大學動力工程與工程熱物理流動站,1992
2 李方澤.工程振動測試與分析. 北京:高等教育出版社,1992.10
3 MAX297 Data Sheet. MAXIM公司,2003