基于本特利3500控制器的軸振動信號淺析

朱未峰，鄭恬旼，陸雋奕

中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海，201108

0 引言

模擬量的輸入通道和輸出通道是微控制器和控制對象之間的主要接口，是實現工業過程控制的主要組成部分，在儀表測量過程中，測量信號往往是連續變化的，如壓力、溫度、流量、軸振動、軸位移等。為了利用微控制器實現對被控制信號的解析和模擬，首先必須要能夠將壓縮機運行時，被控制信號的連續變化的模擬量轉變為微控制器能夠識別和接受的數字量，還需要將微控制器發出的控制命令轉換為模擬信號，再驅動后續的放大電路以及偏置電壓，兩方疊加后來完成一個帶偏置的模擬信號[1]。

1 概述

在項目執行過程中，控制系統會進行儀表聯調。此時，我們發現對于一般的壓力、溫度、液位、流量、閥門等儀表都能進行詳細的聯合調試，但是對于軸系檢測系統，由于其特殊性（測量元件隱藏在壓縮機內部），對于簡單的溫度儀表（PT100）我們可以采用信號發生器模擬電阻信號來校驗測量回路；對于軸位移儀表（電渦流探頭），我們通過現場測量得知，其輸出信號為一個負的直流電壓信號，且可以在系統中定義當探頭靠近軸承時，電壓減小或增大。然而在檢測軸振動回路時，我們發現壓縮機機組在正常運行時，軸振動檢測回路是一個復雜的交變信號，且振動幅值不一致，萬用表直流電壓檔和交流電壓檔皆無法捕捉其信號。

2 軸振動信號分析

我們嘗試采用示波器來確認軸振動信號的具體波形，在實際測量后得知，其信號類似一個正弦波，但是其基準電壓是偏移的，其偏移量就是在壓縮機出廠前，軸振動探頭在靜態時的間隙電壓。了解了軸振動檢測回路的輸出信號，要在項目前期的儀表聯調階段完成校驗，只要找到合適的信號發生裝置模擬此信號，以完成對整個壓縮機機組的儀表校驗，防止在正式開機運行時，由于儀表回路故障，導致壓縮機故障且未及時保護，造成壓縮機本體受損[2]。

3 軸振動信號模擬

在測試了市面上很多信號發生器后發現，基本無法實現模擬一個帶直流偏置的正弦波信號，故嘗試通過模擬電路，自己制作一個信號發生裝置。

D/A轉換器（即digital to analog converter），輸入信號為數字信號，輸出為模擬信號，輸入類型：并行/串行/分段輸入；輸出類型：電流/電壓輸出。選擇合適的D/A轉換器并且應用將關系到整個系統的性能。第一，要考慮性價比，由于此模擬裝置是給壓縮機項目現場調試人員配置，且應用面也不廣，所以成本考慮尤為重要。第二，要考慮D/A精度（即位數或分辨率）和速度（轉化速率/建立時間）。分辨率一般有4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24位；選擇低速D/A轉換器，則需要確定系統容許的建立時間；選擇高速D/A轉換器，需確定系統容許的工作頻率和模擬輸出信號頻率。

其中，對于高速D/A轉換器，需要注意其版圖布線需要一定的設計技巧。

（1）所有的旁路電容要盡可能接近器件安裝，或者與DAC在同一層面，采用表面貼器裝配，使引線盡可能短，減少寄生電感及電容。

（2）采用具有獨立的地平面和電源平面的多層電路板，保證信號的完整性。

（3）采用獨立的接地平面時應考慮DAC模擬地和數字地的物理位置，兩個地平面之間的阻抗要盡可能低，二者間的交流和直流電壓低于0.3VDC以避免期間的損壞和鎖死；模擬地與數字地應單點連接，避免充滿噪聲的數字地電流對模擬地的干擾，理想的接地點位置可以沿著兩個地平面通過實驗得到最優效果，模擬地與數字地間的連接可以用低阻值表貼電阻（1～50Ω）、鐵氧體磁珠或直接接地。

（4）模擬地與數字地分隔離時，也可以選擇將所有的接地引腳置于同一平面。

（5）高速數字信號線應遠離敏感的模擬信號線。

（6）所有信號線應避免采用90°拐角[3]。

集成運算放大器在電子電路中的應用非常廣泛，它工作在線性區時可以構成各種電路、實現各種功能，例如信號放大、信號運算、濾波等；工作在非線性區時可以溝通非正玄信號發生器以及電壓比較器等，在此我們只是運用了加法運放電路。

由模擬電子技術基礎可知，由集成運放電路構成的基本運算放大器，當同相端對地的直流電阻與反相端對地的直流電阻相等時，輸出信號與輸入信號之間可獲得較準確的運算關系。

如圖1所示，電路滿足平衡條件時R1//R2//Rf=R3//R4。此時根據疊加原理，輸出的表達式可以看成是由反相端加入的兩路輸入Ui1和Ui2所產生的輸出量Uo12，與同相端輸入的Ui3和Ui4所產生的輸出量Uo34共同作用的結果，即Uo=Uo12+Uo34。

圖1 模擬電路圖

如僅考慮反相端輸入信號的作用時，電路變成了反相求和電路，即可以得到：

Uo12=-（Rf/R1）×Ui1-（Rf/R2）×Ui2

反之如僅考慮同相端輸入信號的作用時，電路變成了同相求和電路，即可以得到：

Uo34=（1+Rf/（R1//R2））Up=（1+Rf/（R1//R2））×（R4/(R3+R4)Ui3+R3/(R3+R4)Ui4）

根據疊加原理，將上式轉換后，即可得到：

Uo=-（Rf/R1）×Ui1-（Rf/R2）×Ui2+（1+Rf/（R1//R2））×（R4/(R3+R4)Ui3+R3/(R3+R4)Ui4）

將平衡條件寫成R3×R4/R3+R4=(R1//R2)Rf/((R1//R2)+Rf)，代入上式中可得：

Uo=(-Rf/R1)×Ui1-(Rf×Ui2/R2)+((R1//R2)+Rf)/(R1//R2)((R1//R2)Rf×Ui3/((R1//R2+Rf)×R3)+(R1//R2)×Rf×Ui4/(((R1//R2)+Rf)×R4))

簡化后可得：

Uo=-Rf×Ui1/R1-Rf×Ui2/R2+Rf×Ui3/R3+Rf×Ui4/R4

最后代入實際電阻和電壓值可得：

Uo=-5Ui1-5Ui2+Ui3+10Ui4=1V

將此理論計算值與仿真軟件測試結果比較，發現存在1.2%的相對誤差。

由以上公式可得，每一路輸入信號獨立作用時產生的響應，在數值上等于反饋電阻與該路信號的輸入端電阻之比再乘以該路的信號。如果輸入信號從運放的反相輸入端加入，則結果為負；反之，結果為正。

根據以上所述，我們搭建了一個信號模擬發生裝置的框架圖，具體模擬電路思路如圖2所示。

圖2 模擬裝置框架圖

我們采用微控制器、基準直流電壓源、D/A轉換器、運放加法電路、信號輸出接口、存儲器以及人機交互部件；微控制器分別與D/A轉換器的數據輸入端、存儲器以及人機交互部件連接；運放加法電路的信號輸入端分別與D/A轉換器的模擬電壓輸出端和基準直流電壓源的輸出端連接，運放加法電路的輸出端與信號輸出接口連接。綜上所述，我們預先將程序下載至微控制器中，在人機交互界面上，我們輸入需要的波形數據，如幅值、頻率、偏置電壓，接下來D/A轉換器接收到波形數據后輸出相應波形，通過運放加法電路后，信號被按比例放大，最后通過一個功率放大器后，輸出到模擬裝置的輸出端。圖1是該裝置的最終模擬電路圖。

由圖1模擬電路可知：D/A轉換器為TLV5618芯片，微控制器為AT89C55WD芯片，功率放大器為OPA453TA芯片[4]。

運放加法電路包括運算放大器TL082、電阻R7和電阻R8；電阻R7的一端與運算放大器TL082的輸出端連接，電阻R7的另一端與電阻R8的一端連接，電阻R8的另一端接地；運算放大器TL082的同相輸入端分別與D/A轉換器的模擬電壓輸出端和基準直流電壓源的輸出端連接，運算放大器TL082的反相輸入端連接于電阻R7的另一端與電阻R8的一端的共接點。電阻R5的一端與基準直流電壓源的輸出端連接，電阻R6的一端與所述D/A轉換器的模擬電壓輸出端連接，電阻R5的另一端與電阻R6的另一端的共接點連接于運算放大器TL082的同相輸入端[5]。

我們可以通過頻率、幅度、偏移按鈕來設定我們需要的模擬波形，在查閱軸振動探頭廠家“本特利”的用戶手冊后得知，其靈敏度為7.87V/mm，即我們可以通過以下公式計算：

VT=v/7.87×1000

其中“VT”為實際軸振動值，單位微米。

“v”為模擬裝置輸出波形的幅值，單位伏特。

按照廠家提供的用戶手冊，建議電渦流探頭靜態的間隙電壓為-9.75VDC。但在實際模擬過程中發現，靜態的間隙電壓值與最后的軸振動值沒有直接的關系，小幅度的偏移或者大幅度的偏移并不會影響探頭本身的測量精度和準確性。所以我們認為，探頭的靜態間隙電壓只需要保證壓縮機的軸承本體在實際運行過程中，不會與探頭發生剛性摩擦，從而導致探頭損壞[6-7]。

4 結語

根據對反相、同相比例和加法運算放大電路的輸出與輸入電壓之間函數關系的研究，可以得到一個推論：利用單運放構成任意加法運算電路時，在滿足平衡條件的情況下，假設每一路輸入信號獨立作用，在數值上就等于反饋電阻與該路信號的入端電阻之比再乘上該路信號；當輸入信號從運放的反相端輸入時其極性為負，從同相端輸入時其極性為正，我們在構成任意一個加法或減法運算電路時，都可以使用單運放來實現，但是由一個集成運算放大器構成的加法運算電路存在共模輸入，需要用共模抑制比更高的運放，才能保證其精度。

將軸振動模擬裝置應用于壓縮機項目現場，現場調試人員可以使用此裝置來測試軸振動檢測系統的測量回路，保證其正確性。在此之前，調試人員必須等待壓縮機正式運行才能判斷測量回路是否正常，由此可見軸振動模擬裝置大大提高了振動監測工作的效率以及現場項目進度。