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一.  引言

    從設備監測與診斷技術的流程來看，設備監測與診斷技術的進展分為：信號采集、信號處理和故障診斷等幾個階段。信號采集技術中，傳感器技術是重點，而信號處理和分析方法的研究是設備監測與診斷技術的關鍵，也是理論和方法研究的熱點之一，原始信號大都不能直接使用，必須利用信號處理和分析技術對信號進行處理和分析，以得到敏感反映設備狀態的特征因子。
    在“離線”與“在線”監測診斷兩種不同的工作方式中，雖然在信號采集、處理、分析方法方面是類同的，但在線監測與診斷有反應及時、準確、實時、多通道、功能全面等優點。盡管投資較昂貴，但隨著設備狀態監測與診斷技術的發展及企業現代化要求，正在逐步被應用到一些關鍵機組的重點監控和網絡管理中。為了降低成本，一種價格低、功能強的實時監測系統正被各廠礦企業在設備管理中使用，在該系統中，廣泛使用了一種信號處理部件──信號變送器。

二.  VIB-15a振動信號變送器

    VIB-15a振動信號變送器是一臺小而堅固，包含電荷放大器、積分電路、有源濾波器和真有效值檢波電路并與振動傳感器連為一體的振動信號變送裝置。該裝置能夠輸出與壓電加速度計測得的振動速度（有效值）信號成正比的4～20mA標準電流信號，再傳輸到計算機、PLC或顯示器。可用于泵、電機、風機、壓縮機等設備的在線振動監測、振動趨勢分析和控制。原理方框圖如（圖1）：

1. 壓電加速度計
    該傳感器采用三角剪切式壓電晶體敏感元件，優點是傳感器的橫向靈敏度小，受溫度變化影響小。當被測物體振動時，傳感器內的壓電晶體因受壓、受拉或者受剪切力而會在晶體表面產生和所受力成正比的電荷量，這種傳感器靈敏度很高、體積小、頻率范圍寬（與電荷放大器配套時可測范圍為0.3～2×104Hz），加速度測量范圍很寬（一般為10-4～104g），是目前應用最廣的一種傳感器。

2. 電荷前置放大器
    由于壓電式加速度計是一個能產生電荷的高內阻發電元件，它所能產生的電荷量又很小（輸出信號微弱），因此要求測量儀器的輸入阻抗很高，否則壓電晶體上的電荷將通過測量電路上的輸入電阻釋放掉。
    電荷前置放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的前置放大器。壓電加速度計可視為一個電荷源，而電荷前置放大器則是一個高增益、帶電容負反饋的并且輸入阻抗極高（109～1014Ω）的運算放大器。圖2（A）為傳感器、電纜和電荷放大器組成的等效電路，圖2（B）為簡化等效電路。

從等效電路可以得到電荷放大器的輸出電壓為公式（1）：

（1）

因為電荷放大器是高增益的，即K >>1，因此，一般情況下C f（K+1）>>C，上式可簡化為公式（2）：
                 （2）
    由此可見，電荷放大器的輸出電壓與壓電傳感器發出的電荷量成正比，與反饋電容Cf成反比，而且受電纜電容的影響很小，這是電荷前置放大器的一個主要優點。另外，由于電荷放大器的輸入阻抗很高，因此對噪聲的干擾很敏感，干擾主要來源是50Hz交流電通過分布電容耦合到輸入端，并且電纜引入線路噪聲隨電纜長度而增加，所以電荷放大器的輸入端一定要很好地屏蔽。

3. 積分電路
    振動的響應可用位移、速度和加速度三種參數來表示，它們之間存在一定的轉換關系。根據測量系統的要求與考慮。我們選用了壓電加速度計和測量振動速度參數。故需要通過積分電路將加速度信號變為速度信號。即公式（3）：  
               （3）
    實際構成積分電路是用兩種元件組成，且多采用阻容式積分網絡，因為這種電路簡單、元件規格多、體積小、容易實現。阻容式串聯網絡的積分輸出形式如圖3所示：

 
    信號從電容兩端取出，如電阻值遠遠大于容抗（即 R >>Zc=1/wc）時，則UR>>UC，這樣可以近似地認為e≈UR，即輸入電勢e全部降落在R上，這時電流i≈e / R，從電容兩端取出的電壓為公式（4）：
            （4）
    輸出電壓UC為輸入電勢e的積分，R、C的乘積稱為時間常數τ，時間常數越大，積分結果越準確，但輸出信號越小。

4. 有源濾波

    我們對機械設備進行研究與故障診斷時往往關注的只是某個頻段的信號，而傳感器的輸出信號中包含了其所能響應的所有頻率的振動加速度信號。因此，需要對傳感器輸出信號進行濾波處理，去除信號中的高、低頻干擾信號，保留我們需要的信號。根據機械設備振動的特點，典型的機械故障頻率通常集中在10Hz～10KHz之間，因此我們采用10Hz～10KHz的二階帶通濾波器對信號進行處理，以得到所需的頻段信號。

5. 真有效值檢波

    振動是有能量的，并且有破壞力，對機械設備進行振動測量就是要了解機械設備運行時的整體振動能量，而不是某一時刻的振動幅值。真有效值（RMS）就是這樣一個既反映了波形的時間歷程又給出了振動能量有關的振幅值。真有效值的理論算法公式（5）如下：
                   

6.  4～20mA變送電路

    在得到隨機械設備振動速度的變化而變化的電壓信號后，需要考慮如何把該信號傳給后續的計算機、顯示器、PLC控制器等設備。由于電壓信號的傳輸距離有限、抗干擾能力差，因此我們用4～20mA變送電路將電壓信號轉換為工業上通用的標準4～20mA電流環進行傳送。如圖4所示：