一種無線振動傳感器頻響帶寬提高方法

張 浩，陳 朋

(1.浙江工業大學 信息工程學院，杭州 310023；2.浙江工業大學 計算機科學與技術學院，杭州 310023)

0 引言

旋轉機械設備廣泛應用于石油、化工和電力產生等領域，并發揮著至關重要的作用，隨著科學技術和工業技術的飛速發展，機械設備結構和功能日益復雜，發生故障的可能性也隨之增加[1]。一個較小的機械故障便可能造成設備損毀，甚至是整個生產線的停機，造成重大經濟損失。為了減少機械故障造成的影響，國內外科研院所對旋轉機械設備的預測性維護展開研究[2]。其中，由于振動信號可以直觀反應機械設備的各種狀態，振動分析已成為機械設備預測性維護的重要分析手段[3]。然而，較高轉速旋轉設備的早期故障信號往往以微小信號的形式反映在4kHz以上的較高頻段[4]，這對振動傳感器的頻率響應范圍提出了更高的要求。

PCB、CTC、EMERSON等公司在振動傳感器研究方面起步較早，生產種類豐富，覆蓋了工業設備常見的各個頻段，為工業界機械狀態監測提供了重要工具[8]，但上述公司的產品多為有線傳感器，均沒有生產高頻響范圍的振動傳感器。

無線振動傳感器作為一種新型的基于無線傳感網絡(WSN,wireless sensor networks)的機械振動監測設備，因體積小、成本低、便于安裝等優勢受到了用戶的普遍青睞。然而，無線振動傳感器的內部結構復雜、體積難以控制，頻率響應帶寬交窄(很難超過4 kHz)，只能用于簡單的閾值判斷等已經發生的故障分析[5]。因此，無線振動傳感器頻率響應帶寬范圍亟待提高，以便應用于預測性維護場景。

目前，無線振動監測領域主要集中于1～2 kHz等頻段的應用。張琨等人開發了基于無線傳輸網絡的振動傳感器，實現無線振動信號的采集和傳輸，但仍屬于傳統無線振動傳感器的典型架構，其有效頻率響應范圍為0～800 Hz，僅適用于低轉速設備的故障分析[6]。Khurram Shahzad等人針對無線振動傳感器計算速度問題提出了優化方案，使用FPGA實現50 kHz的高頻采樣和實時處理，但沒有考慮機械結構的影響，僅能在2 kHz以內的頻率范圍內分析[7]。

綜上所述，本文針對傳統無線振動傳感器頻響范圍低的缺點，提出一種提高無線振動傳感器頻響范圍的方法，從結構設計、振動探頭設計、信號調理鏈路設計和模數轉換器設計4個方面對傳統無線振動傳感器進行了改進。通過實驗驗證該方法的有效性和可行性。

1 高頻無線振動傳感器總體設計

1.1 設計流程

本文提出的高頻響無線振動傳感器設計流程如圖1所示，設計過程主要分為三個部分。

圖1 設計流程

第一部分：振動探頭設計。振動探頭是感知振動信號的敏感器件，其性能的優劣對采集數據的質量具有直接影響。傳統振動傳感器振動探頭與傳感器本體結構上是一個整體，導致體積難以控制，頻響帶寬難以提高。本設計采用振動探頭與振動傳感器本體分離的設計，結構上傳感器探頭通過軟線與傳感器本體相連，避免了傳感器本體諧振噪聲對傳感器探頭的影響。由于傳感器探頭單獨封裝所以可以做的很小，進一步提高了傳感器探頭的諧振頻率。電路上，傳感器探頭采用微機電系統(MEMS,micro-electro-mechanical system)芯片作為振動敏感元件，通過電源管理、運算放大等電路使其對外呈現集成電路型壓電式傳感器(IEPE,Integrated Electronic Piezoelectric)通用振動探頭接口。

第二部分：信號鏈設計。振動信號為高頻的交流信號，對噪聲非常敏感，因此在信號調理鏈路設計過程中要重點考慮通頻帶的寬度、信噪比(SNR,signal to noise ratio)等參數。恒流源設計為振動探頭提供供電的穩定恒流源信號，濾波器設計用于消除信號傳輸過程中引入的噪聲，并配合模/數轉換器(ADC,analog to digital converter)實現抗混疊(anti-aliasing filtering)。FAD設計實現單端信號到差分信號的轉變。

第三部分：模數轉換器設計。使用ADC作為模擬信號轉換成數字信號的器件，A/D轉換將時間、幅值均連續的模擬信號轉換為數字信號。為了確保A/D獲取到能夠正確反應振動信號的狀態數據，要同時考慮ADC的轉換精度和與前級抗混疊濾波器的配合程度，通過過采樣、內部數字濾波和抽樣獲取高信噪比數據。

1.2 硬件架構設計

高頻無線振動傳感器的硬件架構如圖2所示，傳感器主要分為傳感器探頭和傳感器主體兩部分。為了減小體積、提高頻率響應帶寬，傳感器探頭單獨封裝，內部只包含傳感器芯片和信號調理部分。傳感器本體則主要負責總體控制、信號的調理、模數轉換、數據傳輸等工作。

2 振動探頭設計

2.1 振動探頭硬件設計

傳統振動探頭多采用壓電晶體作為敏感元件[9]，使用“IEPE接口”作為對外接口[10]，IEPE加速度傳感器采用恒流源供電。電流源將電流引入加速度傳感器。加速度傳感器內部的電路使它對外表現的像一個電阻。傳感器的加速度和它對外表現出的電阻成正比，傳感器的信號電壓和加速度成正比。

但是壓電晶體只對交變信號有響應，壓電晶體對低頻信號的響應質量較差[11]，信噪比較低，且帶寬范圍內非線性誤差(NEL,non-linear error)較大。因此，本設計使用MEMS芯片作為敏感元件，很好的避免了低頻信號采集時的失真現象，保證帶寬范圍內良好的線性度。為了能夠與常用振動采集器匹配，本設計仍然采用IEPE接口作為振動探頭電氣接口。振動探頭硬件架構圖如圖3所示，IEPE接口采用恒流源供電，供電回路和信號回路公用同一個回路，方便采用同軸電纜連接，能夠減少線纜數量，提高信噪比。電源管理部分可以將外部恒流源提供的電源轉化成內部器件可用的電壓范圍，振動敏感元件采用MEMS振動芯片，相對于壓電式振動傳感器具有更好的低頻響應性能和更低的非線性誤差[12]，低通濾波器濾除高頻干擾，防止高頻噪聲被放大器放大，從而提高信噪比。放大器提高信號幅值，減少信號在傳輸過程中噪聲信號的影響，同時提高振動傳感器的驅動能力，減少傳感器輸出電阻，以便于更好與采集回路進行阻抗匹配。

圖3 振動探頭硬件架構圖

振動探頭的接頭如圖4所示，本文采用將振動探頭和傳感器主體分離設計的方案，將敏感元件和部分信號調理電路放在一個較小的電路板上，可以減少振動探頭的體積，從而提高振動探頭的諧振頻率。隨著諧振頻率的提高振動探頭的頻率響應性能可以得到大幅提高。在電路板與外殼的固定方式設計中，本設計拋棄了傳統的螺栓固定的方式，采用環氧樹脂電子密封膠“灌封”的方式。

采用電子密封膠“灌封”有如下三個優點：

1)可以減小螺絲占用，從而減小體積。

2)環氧樹脂硬度大，能夠輔助振動傳遞，提高傳感器設計一致性。

3)環氧樹脂灌封后對電路板形成保護膜，可以提高傳感器IP等級，增強傳感器在惡劣環境下的穩定性。

2.2 振動探頭結構設計

傳動振動傳感器設計中振動探頭與傳感器本體是一個整體，使用Solidworks建立傳統傳感器仿真模型，如圖4所示。由于所有模塊集中在一個殼體內，所以傳感器無線振動傳感器尺寸普遍較大，進而導致其共振頻率較低(大約2 kHz)，因為2 kHz落在了振動監測有效帶寬范圍內，所以傳統無線振動傳感器的頻率響應范圍收到了極大的限制。其仿真結果如圖6所示，其2.5 kHz在兩個振動方向上存在諧振。

圖4 傳統傳感器模型

圖5 改進探頭模型

圖6 傳統傳感器結構仿真結果

為了提高無線振動傳感器頻率響應范圍，本文采用振動探頭與傳感器主體分開封裝的傳感器優化模型(如圖7所示)，將敏感的振動探頭單獨封裝，減小了傳感器結構復雜度和體積。振動探頭與傳感器主體采用柔性電纜連接，從而減少了從傳感器主體傳遞到振動探頭的干擾信號。

圖7 無線振動傳感器優化模型

使用Solideworks對改進結構的傳感器探頭建立仿真模型如圖5所示，使用ANSYS進行有限元分析，結果如圖8所示，優化模型的諧振頻率得到了明顯提高，最低的一個方向的諧振頻率也達到5 kHz以上。

圖8 改進探頭模型仿真結果

3 信號鏈設計

信號調理模塊的主要功能是接收振動探頭傳入的模擬信號，進行預處理，使其能滿足模數轉換器的輸入要求。如圖9所示，信號調理鏈路主要有恒流源、偏置校準、抗混疊濾波、模數轉換部分組成。

圖9 信號采集模塊

3.1 恒流源模塊設計

傳感器的最大帶寬與激勵電流成正比，與電纜電容成反比。為了能夠滿足IEPE傳感器輸出范圍，恒流源必須能夠提供足夠高的電壓范圍[13]，標稱的供電電壓通常要大于24 V。選擇恒定電流水平時，必須考慮傳感器的最大期望輸出帶寬和電纜類型。需要設置的輸出電流可以由公式(1)計算得出:

(1)

式中,fmax是振動探頭輸出信號的最大頻率(Hz);1 mA是振動探頭維持正常工作所需要的電流；C是線纜上的寄生電容；V是從振動探頭上輸出的最大峰值電壓(V)。

例如，振動探頭最大峰值電壓是10 V，一段3 m的線纜，線纜的寄生電容為96.67 pF/m，恒流源的輸出設置為2.5 mA，此時的傳感器帶寬可以接收82.3 kHz，可以滿足應用要求。

3.2 偏置校準模塊設計

由于IEPE傳感器輸出的信號為帶有直流偏置的信號，直流偏置電壓可以達到13 V。因此需要通過偏移校正電路消除直流偏移。圖10為使用一個集成運算放大器制作的偏置校準電路拓撲圖。

圖10 偏置校準電路拓撲圖

偏置校準電路可以通過公式(2)計算.

(2)

式中，Vshift為通過D/A轉換器產生的電壓，由MCU通過IIC總線控制；Vin為振動探頭輸出電壓。Rin、Rf為精密電阻。Vout為校準電路的輸出電壓。

3.3 濾波及全差分放大器設計

為了達到較高的頻率響應帶寬，需要將抗混疊濾波器和截止頻率設置的比振動探頭的頻響帶寬高，但考慮到抗混疊的效果[14]，需要配合ADC采樣率，以滿足奈奎斯特采樣定理[15]的要求，在1/2采樣率處有足夠的阻帶抑制。由于本設計采用∑-Δ型ADC，有效采樣率可以設置在4.096 MHz，使用如圖11所示的二階巴特沃斯低通濾波器[16]，將抗混疊濾波器-3 dB截止頻率設置為24 kHz，此時在4.096 MHz處具有-151 dB的衰減系數，可以滿足所需要的信噪比，如圖12所示。

圖11 二階有源低通濾波器

圖12 濾波器波特圖

IEPE信號是單端信號，如果使用差分ADC采集則需要實現單端信號到差分信號的轉換。傳統方式都是采用平衡-不平衡器(balun)作為轉換的器件[17]。但是使用balun器件設計的電路具有占板面積大、不能DC去耦、損耗較大等缺點。本設計采用全差分放大器(FDA,fully differential amplifier)作為單端信號轉差分信號的方案，除了具有單端信號轉差分信號的作用，FDA還有如下優點： 1)去除信號線上的共模干擾;2)為電路提供電壓增益;3)提供ADC輸入緩沖，吸收ADC采樣保持電路的“回踢”干擾能量。4)使用FDA占板面積小，適合緊湊型設計[18]。

4 模數轉換器設計

在振動信號分析工作中，需要觀察振動信號的頻譜圖，振動信號的混疊現象會對分析結果產生嚴重影響。傳統振動采集使用LPCM型ADC作為模數轉換器件，為了防止信號混疊需要設置衰減曲線非常陡峭的高階濾波器，這無疑提高了系統復雜度和制造成本。本設計采用∑-Δ型ADC作為模數轉換器件，可以方便的做到抗混疊，減輕了前級濾波器的壓力。

∑-Δ型ADC與傳統的LPCM型ADC不同，它不是直接根據信號的幅度進行量化編碼，而是根據前一采樣值與后一采樣值之差(即所謂增量)進量化編碼，從某種意義上來說它是根據信號的包絡形狀進行量化編碼的[19]。過采樣技術是改善模數轉換器總體性能諸多技術中的一種[20]?！?Δ結構的ADC是一種內在的過采樣轉換器?！?Δ型ADC以很低的采樣分辨率(1位)和很高的采樣速率將模擬信號數字化，通過使用過采樣技術，噪聲整形和數字濾波技術增加有效分辨率，然后對ADC輸出進行抽取處理，以降低ADC的有效采樣速率，去除多余信息，減輕數據處理的負擔。由于∑-Δ型ADC所使用的1位量化器(即1位比較器)和1位數模轉換器(為一開關)具有良好的線性，所以∑-Δ型ADC表現出的微分線性和積分線性性能非常優秀，并且不像其它類型的ADC那樣，它無需任何的修調。

本設計采用亞德諾半導體生產的AD7768-1作為模數轉換器，該ADC為單通道高精密的∑-Δ型ADC，具有24 bit的分辨率，204 kHz的響應帶寬，標稱108.5 dB動態范圍，-120 dB總諧波失真(THD,total harmonic distortion)。

∑-Δ型ADC的數據輸出速率可以通過公式(3)，進行計算：

(3)

式中，MCLK是ADC的主時鐘；MCLKDIV是主時鐘分頻系數；FILTEROSR是內部數字濾波器的過采樣率(OSR,over sampling rate)。

本設計使用32.768 MHz的晶振作為主時鐘，設置主時鐘分頻系數MCLKDIV為8，此時ADC調制器的實際采樣率為4.096 Msps，配合外部抗混疊濾波器，如圖11所示，對外部混疊進入系統的干擾信號具有-151 dB的衰減作用。設置內部數字濾波器的過采樣率FILTEROSR為64，經計算得數據輸出速率ODR(Hz)=64 kSPS。設置ADC不同配置對帶寬和噪聲的影響如表1所示，此時-3 dB帶寬為27.7 kHz。噪聲只有 7.37 μV，能夠滿足設計需要。

表1 不同ADC設置的帶寬及噪聲

表2 感器參數對比

5 比對實驗

5.1 傳統無線傳感器與參考傳感器對比實驗

本實驗采用美國PCB公司生產的振動傳感器“352C33”作為參考傳感器，在對拖電機試驗臺上進行對比實驗。

實驗條件為：

1)對拖電機轉速為1 400 rpm。

2)同一測點采集振動信號。

3)傳感器與測試平臺采用強力膠水連接方式。

將兩傳感器采集到的數據分別計算頻譜圖，如圖13所示?？梢钥闯?，無線振動傳感器在2 500 Hz左右有明顯的其他頻點信號存在，由于是在同一工況下測量，所以可以判定干擾信號為無線振動傳感器內部問題導致。

圖13 傳感器頻譜圖

5.2 改進無線傳感器與參考傳感器對比實驗

根據仿真過的傳感器優化模型，制作新型結構傳感器，并在對拖電機試驗臺上進行對比測試，如圖15所示。

如圖14所示，優化后的無線振動傳感器頻率響應范圍得到了明顯改善，同一工況下測試改進無線傳感器與參考傳感器采集到的數據對比可知，振動頻率成分在6.25 kHz之前都能保證較好的一致性，相對于傳統無線振動傳感器頻響范圍提高了7.96 dB。

圖14 新型結構傳感器測量結果

6 結束語

針對傳統無線振動傳感器頻率響應帶寬窄的問題，本文提出一種提高無線振動傳感器頻響帶寬的方法，從結構設計、振動探頭設計、信號鏈設計和模數轉換器設計4個方面對傳統無線振動傳感器進行了改進。結構改進使用Solidworks建立3D模型，并使用ANSYS仿真軟件進行軟件仿真分析。探頭電路設計使用先進的MEMS芯片作為敏感元件，并且兼容常用壓電式振動傳感器常用的IEPE接口。信號調理鏈路和模數轉換器的設計滿足高頻響要求的同時充分考慮抗混疊和高信噪比的設計經測試和認證，采用優化模型所開發的無線振動傳感器具有較高的頻率響應范圍。

改進型優化模型傳感器的改進方法為：

1)簡化振動探頭調理電路，使用兼容傳統壓電式振動傳感器的IEPE接口。

2)將傳統無線振動傳感器內部振動探頭單獨封裝，嚴格控制探頭外形尺寸。

3)防止干擾信號傳遞，振動探頭與傳感器本體之間采用柔性線纜連接。

4)根據考慮傳感器驅動電流、傳感器線纜寄生電容、關注信號的最高頻率和輸出信號最大幅值確定恒流源輸出電流的大小。

5)根據關注信號頻率確定抗混疊濾波器的截止頻率。

6)選擇∑-Δ型ADC作為模數轉換器件，并且與抗混疊濾波器配合設置合適的采樣率、過采樣倍數、數字濾波器截止頻率等參數。

經測試，優化后的振動傳感器相對于傳統無線振動傳感器頻響范圍提高了7.96 dB。