2023年-电子信息技术及仪器.docx

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1、Part 1 ：基本概念;（1）敏感元件（Sensor）：敏感元件指传感器中能直接感受被测量的 部分，它能直接感受被测非电量，并按一定规律转换成与被测量有确定 关系的其它量。（2） DSP：即数字信号处理器，是专门为快速实现各种数字信号处理 算法而设计的、具有特殊结构的微处理器。对信号进行高速数字处理的 超大规模集成电路。具有比通用微处理器高得多的处理速度，用于信号 的滤波、相关、均衡、变换、调制解调和编码解码等实时处理。（3）负反馈控制：负反馈控制是指实施的结果反抗和削弱了被控系 统现时的运行状态的控制。（4）嵌入式系统：完全嵌入受控器件内部或对象体系中，为特定应 用而设计的专用计算机系统，

2、可以实现控制、监视或辅助设备、机械和 车间运行。（5）采样保持（S/H）：采样保持电路是用在模拟/数字（A/D）转换系 统中的一种电路，作用是采集模拟输入电压在某一时刻的瞬时值，并在 模数转换器进行转换期间保持输出电压不变，以供模数转换。（6） FPGA：即现场可编程门阵列（FPGA, Field Programmable Gate Array）,是一个含有可编辑元件的半导体设备，可供使用者程式化的逻辑 门元件。Part2：设计；题目1：设计一个远程机器设备在线振动监测的仪器系统。具体要求：1、设计仪器系统的主要功能；2、画出整个系统的原理方案框图；3、说明框图中每个部分的原理；4、选择传感器

3、；5、设计系统的通信方式。主要功能特性任何机械设备在工作时都会产生振动。机械设备在正常运转时，振 动总是处于某个典型范围之内。当机械由于摩擦、基础下沉、部件变形 等原因使机械运行出现故障时，振动将随之加大。可以说振动信号是设 备状态信息的载体，蕴含了丰富的设备异常或故障的信息，能够反映设 备运行状态的优劣，为故障诊断提供重要信息。因此，我设计出的远程 监测仪器系统，具有振动监测、数据采集与传输、信号处理，通过计算 机显示实时的振动情况，以及智能反馈调整等功能。这样，这套仪器系统就能在机器设备出现故障时及时发现，避免造 成较大的经济损失或人员危险，另外，题目中已经指出的远程监测的考 虑，也能够大

4、幅降低监测的危险性。原理方案框图多路开关如果后面采用多通道模数转换器，则可略去信号放大器、模拟滤波器等信号调理CAN总线（分立元器件搭载的无源滤波器或运放搭载的有源滤波器）服务器系统应用程序服务器数据库服务器AInternet/：Intranet：Web月艮务器客户端传感器组各步原理与各仪器功能传感器部分：先提一下电测方法，这是将工程振动的参量转换成电 信号，经电子线路放大后显示和记录的测量方法。电测法的要点在于先 将机械振动量转换为电量（电动势、电荷、及其它电量），然后再对电量 进行测量，从而得到所要测量的机械量。这是目前应用得最广泛的测量 方法。它包含拾振、测量放大线路和显示记录三个环节。

5、传感器部分主 要采用电测方法中第一步一一拾振做法（拾振，能够把被测的机械振动 量转换为机械的、光学的或电的信号）。由于需要监测振动的仪器多是旋转机械，所以其中比较重要的一个 部分是转轴的振动监测，这里我考虑的是采用常用的电涡流位移传感器, 其输出的电压直流部分反映了转子相对于轴瓦的静态间隙，交流部分反 映了转子的振动。对于机械的其他部位的振动的振幅，可用位移、速度或及加速度表 示。通常，对于频率比较低的振动是取位移或速度，中等频率的振动取 速度，高频则以加速度为测定的参数。对传感器来说，速度型的频率为 5Hz2kHz,力口速度计为5Hz20kHz,涡流型传感器为010kHz。为了精 确地测出相

6、关数据，我采用了不同位置、多个传感器的方式来实现原始 数据的精密采集。因此，要么是加上一个多路转换开关，以实现多个传 感器同时监测，要么后面采用一个多通道模数转化器。信号调理部分，主要采用了信号放大器和模拟滤波器。总体来说由 隔直、低通滤波、电压跟随、增益调整构成，最终将位移传感器传来的 振动信号转换为合适的电压信号送入后面的A/D转换器。信号调理简单 的说就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的 标准信号（注：A/D芯片只能接收一定范围的模拟信号，而传感器把非 电物理量变换成电信号后，并不一定在这一范围内。传感器输出的信号 有时还必须经放大、滤波、线性化补偿、隔离、保护等措

7、施后，才能送 A/D转换器），利用内部的电路（如滤波器、转换器、放大器等）来改变 输入的讯号类型并输出之。例如工业信号有些是高压，过流，浪涌等， 不能被系统正确识别，必须调整理清之。调理信号之后，下面进行模数转换部分的设计。采用的主要部件是 包含采样保持电路的模数转换系统，具体来说，可以采用前面提到的多 路开关加传统单通道模数转换器，也可直接采用8通道的12位模数转换 器MAX1308,对8路振动信号进行同步采样，从而略去多路开关。DSP处理部分。设计中的CPU模块主要对数字信号进行FFT变换， 并传送至上位机，从而减轻上位机实时数据处理的负荷。基于性能以及 与后面传输匹配的考虑，我这里选用的

8、是内核为CIP-51的嵌入式微处理 器C8051F060。CIP-51具有标准8052的所有外设部件，同时内嵌了符合 CAN 2.0A（基本CAN）和CAN 2.0B（全功能CAN）的CAN总线控制器，包 含一个消息处理状态机以及控制寄存器等。C8051F60的CAN控制器可 达IMb/s的速率。CAN有32个消息对象，每个消息对象有自己的标识 掩码，用于对接收到的消息进行过滤。输入数据、消息对象和标识掩码 存储在CAN消息RAM中。与数据发送和接收过滤有关的所有协议均由 CAN控制器完成，不需MCU干预，使得用于CAN通信的CPU带宽最 小。通过C8051F060特殊功能寄存器可以配置CAN

9、控制器以及接收和发 送数据。关于负责完成FFT转换程序的软件部分，现行已经有公认比较 好的版本，这里就不再另行设计了。下面到了从远程机器端到客户端的通信方式的选取，正如前面提到 的，我选用的是CAN总线传输。特殊的是，考虑到数据的多方需求性和 客户端的处理能力的局限性，我的设计中，在远程机器与客户端之间加 入了一个服务器系统。下面简要介绍一下服务器系统的组成。服务器系 统包括三个部分，分别是应用程序服务器、数据库服务器和Web服务器。 应用程序服务器采用LabVIEW中的Data Socket技术或者MATLAB软件 中的相关处理技术，将前面DSP处理过的信号数据信号进行数字滤波处 理，通过积

10、分和频谱分析，可以得到速度，幅值，位移，实时振动频率 等数据，并实时将数据传入数据库服务器，保存在数据库中。Web发布 程序与客户端程序采用基于TCP/IP协议的Winsocket通讯，这样通过Web 服务器的传输，多个客户端都能既可以实时看到远程机器的振动状况， 又能调取以前的数据进行对比，对机器的振动情况有一个全面的了解。最后，还有一个设想：就像框图中表示出来的，在DSP处理的地方 加一个分支，指向机电矫正装置。这个装置的作用是帮助实现远程校正 机械的不良振动。将客户端软件中增加一个负反馈的机制，这个机制可 以人工选择是否开启。开启之后，给机器的振动数据提供一个标准，当 客户端接收到的数据超出这个标准的时候，客户端自发的返回一个矫正 信号，经过“客户端一一服务器系统一一CAN总线一一DSP处理一一机 电矫正装置”的顺序完成机器振动水平矫正。以上就是我设计的远程机器设备在线振动监测的仪器系统，虽然设 计过程十分艰难，看了很多并不容易理解的论文。但是在这个过程中我 确实学到了很多东西，文章写了很久但是可能还是会有错误，希望老师 指正。参考文献:机械设备的振动监测沈怀阳基于DSP的振动监测仪的设计李晨炀、邓艾东、郭昌明基于CAN总线远程振动监测系统研究何清、李红、何子睿基于MSP430的风力发电机振动监测系统陈长征、周洋秦山三核汽轮发电机振动监测系统改进周巧婵