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(hào)路徑電路圖。

圖1 振動(dòng)分析的信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)。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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)出現(xiàn)過取樣，但濾波器可以抑制或完全消除假信號(hào)。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(hào)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(hào)振幅大約為8mVp-p，將這個(gè)信號(hào)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(hào)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(jí)可以視為雙極的5V/V非反相增益級(jí)。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×5)/0.0156 = 12820kHz ≈12.8MHz

若放大器的-3dB點(diǎn)已定，上述公式中的分母(即0.0156)是確保準(zhǔn)確度可達(dá)13位的實(shí)際帶寬。由于LMP7711高精度放大器的增益帶寬高達(dá)17MHz，而且偏移電壓的典型值為20μV，因此最適合這類濾波系統(tǒng)采用。A3放大器的輸出與模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的開關(guān)電容器輸入之間加設(shè)了一個(gè)180Ω的電阻及另一470pF的電容器，以便將兩者分隔開，也為抑制假信號(hào)的濾波器添加另一偏振極。圖3顯示低通濾波器的預(yù)計(jì)響應(yīng)。

圖3 低通濾波器的預(yù)計(jì)響應(yīng)

ADC121S021是一款設(shè)有串行外圍接口(SPI)的12位、200kSPS單端輸入轉(zhuǎn)換器。型號(hào)為LM4140ACM-4.1的另一款高精度電壓參考電路可為這款模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器提供電壓參考，并為濾波放大器提供偏壓，并設(shè)置濾波器的偏置電壓為模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸入電壓范圍的一半。傳感器的輸出屬于交流電信號(hào)，而中度的電平偏移可將信號(hào)轉(zhuǎn)移到模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸入電壓范圍內(nèi)的中央位置。LM4140芯片也可為LM730132V通用放大器(即A4放大器)所輸出的壓控電流提供電壓參考。傳感器內(nèi)置的MOSFET可為壓電傳感電路提供緩沖。A4放大器負(fù)責(zé)輸出電流，以便驅(qū)動(dòng)組成為共源級(jí)放大器的MOSFET，而有關(guān)晶體管則通過交流耦合與輸出終端裝置連接在一起。

除此之外，我們也可利用機(jī)器監(jiān)控電路測量及分析液壓控制系統(tǒng)的液壓瞬態(tài)。例如，若液體流動(dòng)控制閥突然關(guān)閉，便會(huì)出現(xiàn)液壓錘現(xiàn)象，其中產(chǎn)生的動(dòng)力會(huì)令液體出現(xiàn)錘擊效應(yīng)，對液壓系統(tǒng)的組件及整個(gè)系統(tǒng)都會(huì)造成損害，甚至?xí)钕到y(tǒng)很快便出現(xiàn)故障。液壓系統(tǒng)可以利用監(jiān)控電路緩解液壓動(dòng)力。圖4便是液壓監(jiān)控系統(tǒng)的電路簡圖。

圖4 液壓監(jiān)控系統(tǒng)電路框圖

我們可以利用這個(gè)信號(hào)鏈監(jiān)控液壓變動(dòng)以及進(jìn)行有關(guān)液壓變動(dòng)的頻譜分析。正如圖1所示，傳感器及放大器必須做出適當(dāng)?shù)念l率響應(yīng)，以消除所有高于尼奎斯特頻率的其他頻率。以上述情況為例，液壓傳感器及液壓系統(tǒng)所做出的頻率響應(yīng)會(huì)自動(dòng)將液壓信號(hào)限制在3～4kHz的幅度范圍內(nèi)，這樣有助緩解放大器電路對濾波器的要求。這個(gè)包括A1與A2在內(nèi)的放大器便是測量儀表放大器的輸入級(jí)，可提供差分輸入及差分輸出，增益高達(dá)100V/V。200pF的電容器可以為8kHz的頻率提供另一偏振極，以便再次進(jìn)行濾波。放大器的輸出與模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的開關(guān)電容器輸入之間加設(shè)了一個(gè)180Ω的電阻及另一470pF的電容器，以便將兩者分隔開。

上例電路的液壓傳感器屬于電阻性電橋，傳感器的輸出取決于電阻值的變動(dòng)及驅(qū)動(dòng)電阻的電壓，并與兩者有函數(shù)上的關(guān)系。圖3所示的傳感器具有0.2mV/V的敏感度。DAC081S101是一款8位的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器，可以改變驅(qū)動(dòng)電橋的電壓，以便為液壓測量電路提供增益控制。例如，數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器輸出若設(shè)定為4V，那么全標(biāo)度液壓便可達(dá)25.6PSI。若輸出電壓為1V，全標(biāo)度液壓便高達(dá)102PSI。

總體來說，以上所介紹的電路可以用來組建極具成本效益而又具備特別測量功能的機(jī)器監(jiān)控系統(tǒng)。