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一.  引言

    从设备监测与诊断技术的流程来看，设备监测与诊断技术的进展分为：信号采集、信号处理和故障诊断等几个阶段。信号采集技术中，传感器技术是重点，而信号处理和分析方法的研究是设备监测与诊断技术的关键，也是理论和方法研究的热点之一，原始信号大都不能直接使用，必须利用信号处理和分析技术对信号进行处理和分析，以得到敏感反映设备状态的特征因子。
    在“离线”与“在线”监测诊断两种不同的工作方式中，虽然在信号采集、处理、分析方法方面是类同的，但在线监测与诊断有反应及时、准确、实时、多通道、功能全面等优点。尽管投资较昂贵，但随着设备状态监测与诊断技术的发展及企业现代化要求，正在逐步被应用到一些关键机组的重点监控和网络管理中。为了降低成本，一种价格低、功能强的实时监测系统正被各厂矿企业在设备管理中使用，在该系统中，广泛使用了一种信号处理部件──信号变送器。

二.  VIB-15a振动信号变送器

    VIB-15a振动信号变送器是一台小而坚固，包含电荷放大器、积分电路、有源滤波器和真有效值检波电路并与振动传感器连为一体的振动信号变送装置。该装置能够输出与压电加速度计测得的振动速度（有效值）信号成正比的4～20mA标准电流信号，再传输到计算机、PLC或显示器。可用于泵、电机、风机、压缩机等设备的在线振动监测、振动趋势分析和控制。原理方框图如（图1）：

1. 压电加速度计
    该传感器采用三角剪切式压电晶体敏感元件，优点是传感器的横向灵敏度小，受温度变化影响小。当被测物体振动时，传感器内的压电晶体因受压、受拉或者受剪切力而会在晶体表面产生和所受力成正比的电荷量，这种传感器灵敏度很高、体积小、频率范围宽（与电荷放大器配套时可测范围为0.3～2×104Hz），加速度测量范围很宽（一般为10-4～104g），是目前应用最广的一种传感器。

2. 电荷前置放大器
    由于压电式加速度计是一个能产生电荷的高内阻发电元件，它所能产生的电荷量又很小（输出信号微弱），因此要求测量仪器的输入阻抗很高，否则压电晶体上的电荷将通过测量电路上的输入电阻释放掉。
    电荷前置放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。压电加速度计可视为一个电荷源，而电荷前置放大器则是一个高增益、带电容负反馈的并且输入阻抗极高（109～1014Ω）的运算放大器。图2（A）为传感器、电缆和电荷放大器组成的等效电路，图2（B）为简化等效电路。

从等效电路可以得到电荷放大器的输出电压为公式（1）：

（1）

因为电荷放大器是高增益的，即K >>1，因此，一般情况下C f（K+1）>>C，上式可简化为公式（2）：
                 （2）
    由此可见，电荷放大器的输出电压与压电传感器发出的电荷量成正比，与反馈电容Cf成反比，而且受电缆电容的影响很小，这是电荷前置放大器的一个主要优点。另外，由于电荷放大器的输入阻抗很高，因此对噪声的干扰很敏感，干扰主要来源是50Hz交流电通过分布电容耦合到输入端，并且电缆引入线路噪声随电缆长度而增加，所以电荷放大器的输入端一定要很好地屏蔽。

3. 积分电路
    振动的响应可用位移、速度和加速度三种参数来表示，它们之间存在一定的转换关系。根据测量系统的要求与考虑。我们选用了压电加速度计和测量振动速度参数。故需要通过积分电路将加速度信号变为速度信号。即公式（3）：  
               （3）
    实际构成积分电路是用两种元件组成，且多采用阻容式积分网络，因为这种电路简单、元件规格多、体积小、容易实现。阻容式串联网络的积分输出形式如图3所示：

 
    信号从电容两端取出，如电阻值远远大于容抗（即 R >>Zc=1/wc）时，则UR>>UC，这样可以近似地认为e≈UR，即输入电势e全部降落在R上，这时电流i≈e / R，从电容两端取出的电压为公式（4）：
            （4）
    输出电压UC为输入电势e的积分，R、C的乘积称为时间常数τ，时间常数越大，积分结果越准确，但输出信号越小。

4. 有源滤波

    我们对机械设备进行研究与故障诊断时往往关注的只是某个频段的信号，而传感器的输出信号中包含了其所能响应的所有频率的振动加速度信号。因此，需要对传感器输出信号进行滤波处理，去除信号中的高、低频干扰信号，保留我们需要的信号。根据机械设备振动的特点，典型的机械故障频率通常集中在10Hz～10KHz之间，因此我们采用10Hz～10KHz的二阶带通滤波器对信号进行处理，以得到所需的频段信号。

5. 真有效值检波

    振动是有能量的，并且有破坏力，对机械设备进行振动测量就是要了解机械设备运行时的整体振动能量，而不是某一时刻的振动幅值。真有效值（RMS）就是这样一个既反映了波形的时间历程又给出了振动能量有关的振幅值。真有效值的理论算法公式（5）如下：
                   

6.  4～20mA变送电路

    在得到随机械设备振动速度的变化而变化的电压信号后，需要考虑如何把该信号传给后续的计算机、显示器、PLC控制器等设备。由于电压信号的传输距离有限、抗干扰能力差，因此我们用4～20mA变送电路将电压信号转换为工业上通用的标准4～20mA电流环进行传送。如图4所示：