多功能高集成可攜式信號檢測裝置的製作方法

2023-07-09 00:39:56

專利名稱：多功能高集成可攜式信號檢測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及信號檢測與分析系統，特別涉及一種多功能高集成可攜式信號檢測裝置。
背景技術：
機械故障診斷技術是對企業設備安全運行、生產正常開展最重要的保障。而基于振動特徵分析的診斷技術是安全生產中應用最廣泛、最行之有效的保障方法。早期的振動分析是採用專用的儀器，而這些儀器由於信號分析處理運算量大需要高性能的處理器，該專用儀器不但價格昂貴，而且功能固化、通用性差、升級改造困難。隨著計算機技術的進步，基於微機的振動信號檢測與分析系統的發展，它們由於造價低、功能多、升級改造快、通用性好等諸多特點，故在振動診斷技術的應用趨勢也越來越明顯。但目前這類系統的數據採集器、前處理器、電源等裝置各自獨立，整個系統組成部分多而大，應用很不方便。中國實用新型專利授權公告號CN2333046Y披露了由上位機、多功能卡、上位機電源板、上位機通信接口板、D/A數模轉換板、傳輸電覽、下位機電源板、數採器和分析微機組成的「轉動機械振動信號遠程採集濫測裝置」，該裝置僅是功能多，並不具備集成的特點，通用性也差。

發明內容
針對上述情況，本發明的目的是要提供一種既高度集成又便於攜帶且使用方便還適於現場操作的多功能高集成可攜式信號檢測裝置。
為了實現上述目的，一種多功能高集成可攜式信號檢測裝置，它包括前置處理器，中置處理器和後置處理器，所述前置處理器設有多個加速度計和多個位移傳感器，所述中置處理器包括信號調理電路、數據採集電路、充電電源，以及與前置處理器連接的傳感器接口，和後置處理器連接的USB接口；所述後置處理器包括計算機，設置於計算機的數據通信處理單元。
為了實現功能強大，便於攜帶，使用方便，通用性好和結構優化，其進一步的措施是所述加速度計的加速度計晶片上還集成有電荷放大器。
所述位移傳感器的探頭體內集成有位移傳感器探頭與信號處理器。
所述信號調理電路由多通道濾波電路、積分電路、解調電路、抗混頻處理電路組成。
所述多通道濾波電路的濾波方式及其截止頻率是可程控的，所述積分電路、解調電路和抗混頻處理電路也是可程控的。
所述數據採集電路設A/D轉換器、USB接口晶片和USB接口。
所述USB接口晶片擴展一I/O電路。
所述充電電源包括可充電鋰離子電池充電電路、直流-直流穩壓電路。
所述數據通信處理單元，包括檢測USB設備的判斷模塊，參數設置模塊和數據採集模塊。
所述計算機是選用筆記本電腦。
本發明採用高度集成的可攜式方案，克服了各器件之間相互獨立造成使用不便的缺陷，解決了常用振動信號檢測系統功能單一、多路信號拾取需要配置多臺專用處理電路箱以及外接電源，造成使用操作極為不便的問題。本發明具有體積小、重量輕、攜帶方便、現場無需供電電源等特點，實現了多功能、高精度、操作使用方便快捷的檢測目的。本發明可廣泛適用於野外作業以及教學實驗。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明。


圖1是本發明的結構原理框圖。
圖2是本發明的加速度計原理框圖。
圖3是本發明的加速度計安裝簡圖。
圖4是本發明的位移傳感器原理框圖。
圖5是本發明的位移傳感器的結構示意圖。
圖6是本發明的調理電路流程圖。
圖7是本發明的高通濾波電路原理圖。
圖8是本發明的低通濾波電路原理圖。
圖9是本發明的積分電路原理圖。
圖10是本發明的解調電路原理圖。
圖11是本發明的抗混頻電路原理圖。
圖12是本發明的總體電路原理圖。
圖13是本發明的I/O電路結構原理圖。
圖14是本發明的數據採集結構原理圖。
圖15是本發明的數據採集電路原理圖。
圖16是本發明的數據通信流程圖。
圖17是圖16中的參數設置界面圖。
圖18是圖16中的數據採集設置界面圖。
圖19是本發明的充電電源電路原理圖。
具體實施例方式
結合附圖1-附圖19，本發明的多功能高集成可攜式信號檢測裝置包括前置處理器1，中置處理器2和後置處理器3，前置處理器1包括設有多個加速度計和多個位移傳感器，各傳感器由信號線連接到中置處理器2的傳感器接口，通過該接口與設置在中置處理器內的信號調理電路相互電連接；中置處理器2除設有與前置處理器1連接的傳感器接口外還設有與後置處理器連接的USB接口，其內主要由信號調理電路、數據採集電路、充電電源、I/O電路組成，其中數據採集電路由A/D轉換器和USB接口晶片組成。前置處理器內傳感器拾取的信號，經信號線通過傳感器接口傳入中置處理器內的信號調理電路，再輸入數據採集電路，經USB接口傳入後置處理器的計算機；其中附圖2是前置處理器1的加速度計原理框圖，該加速度計將集成加速度晶片(如ADXL05)與電荷放大器相連接組合於一體並封裝在圓柱形筒體內通過信號輸出線與中置處理器2的傳感器接口相互電連接。使用時，通過加速度計上的連接螺栓的適配將加速度計固定於被測體上，其結構外形及安裝簡圖見附圖3所示。附圖4是前置處理器1的位移傳感器原理框圖，該傳感器採用先進的貼片工藝技術，將位移傳感器探頭、電纜、信號處理器相互連接並封裝集成在帶螺紋的圓柱形探頭體內，其結構示意圖見附圖5，並通過電纜或信號線與中置處理器的傳感器接口相互電連接。
參見附圖1、附圖16、附圖17、附圖18，後置處理器3包括計算機，設置於計算機的數據通信處理單元。該數據通信處理單元包括檢測USB設備的判斷模塊，參數設置模塊，數據採集模塊以及相應的參數輸入、輸出界面，該單元首先打開USB設備，對USB設備工作狀態進行判斷，出錯時，顯示錯誤信息並退出；判斷成功進入控制參數設置模塊，彈出參數設置界面，便可進行高、低通濾波、積分、解調、抗混頻參數的選擇，高通設置選項中有直通、0.1，1，10HZ四項參數供選擇，低通設置有加低通或者不加低通，選擇加低通選項後需在低通拐點選項選擇需要拐點，積分選項可進行直通、一次積分、二次積分選擇；解調選項可設置加解調或者不加解調；最後進行抗混頻參數設置，參數設置完畢後點擊界面按鈕中的「確定」按鈕，便將界面上所設置的參數通過USB接口傳至中置處理器的USB接口晶片，再由中置處理器內的I/O電路傳至到信號調理電路實現信號調理工作方式。控制參數設置完畢後便進行數據採集參數設置，彈出採集設置界面，該界面需進行數據保存文件，採樣頻率、採樣時間、採集通道和增益的設置，採集參數設置完畢後點擊界面按鈕中的「確定」按鈕，便將界面上所設置的參數通過USB接口傳至中置處理器的數據採集電路，進行採樣參數設置，同時將經過信號調理電路後的由前置處理器傳來的信號，通過A/D轉換器轉換成數據，數據再由USB接口傳輸到計算機保存到文件中。
信號從傳感器接口傳入信號調理電路，通過信號調理電路內的高、低通濾波電路，積分電路，解調電路，抗混頻電路，進入USB採集電路，再由USB接口傳至後置處理器內的計算機，中置處理器內各電路之間的連接關係流程框圖如附圖6所示；I/O電路通過USB接口晶片與後置處理器內的計算機相連接實現中置處理器內信號調理電路與後置處理器內的計算機之間的數據通信；數據採集電路部分通過USB接口與後置處理器內的計算機相連接。充電電源包括連接可充電電池的充電電路、穩壓電路，其中穩壓電路與信號調理電路連接並提供前置處理器內傳感器的工作電壓。系統結構框圖如圖1所示。
由附圖6、附圖7所示，信號高通濾波處理的技術及相應的實現電路如下如附圖7所示，在高通濾波電路前加了電壓跟隨電路，電路採用高性能集成運放器TLO64與精密R、C組合構成的功能運算電路。附圖7中電壓跟隨部分主要實現了信號自動穩幅，電壓跟隨電路利用二極體的非線性特性，可以完成自動穩幅。其具體實施過程如下將兩個匹配的二極體D1、D2交替接在運放負反饋上構成穩壓電路。高通濾波器採用貝塞爾型有源濾波器，高通濾波的截止頻率分別為0、0.1、1、10Hz，截止頻點處衰減率為5％，衰減速率為24dB/oct。四路高通濾波電路由兩片TL064和RC元件組成。TL064是四運算低功耗運放器，它的典型轉換速率SR＝3.5V/μs，最小為1.5V/μs；典型輸入失調電壓為3mV，最大為15mV；典型輸入偏置電流為30pA，最大為400pA。
如附圖6、附圖8所示，低通濾波器由美信公司(Maxim)生產的可編程濾波器晶片MAX270(U2)，可以通過編程對頻率範圍是1kHz～25kHz信號進行濾波。該濾波晶片是數字可編程，雙路，二階，連續時間方式的低通濾波器，動態範圍是96DB，無需外接時鐘信號，有選擇地接受外界輸入信號的頻率，當頻率在1KHz～25KHz時可以通過濾波器，而超出該範圍則不能通過，從而達到低通濾波的功能。MAX270晶片有2個編程參數；截止頻率fc、工作模式。截止頻率由計算機編程數據控制，共128個不同的二進數據，每個數據在範圍1KHz～25KHz中對應一個截止頻率fc值。截止頻率fc與編程數據D0～D6對應的關係fc=87.587.5-code1KHZ---(1)]]>fc=262.5137.5-code1KHZ---(2)]]>式(1)中，code為二進位數據D0～D6對應的十進位整數，範圍為0～63，fc＝1KHZ～3.57KHZ。式(2)中，code為二進位數據D0～D6對應的十進位整數，範圍為63～127，fc＝3.57KHZ～25KHZ。工作模式由上位機編程控制引腳A0的高低電平來選擇通道A，B；也可以將該引腳接負電平，此時通道A、B同時工作。
附圖6、附圖7、附圖8所示，在高通濾波電路與低通濾波電路之間接一電子開關AD7502(U1)，該AD7502(U1)是雙通道、四選一的電子開關，通過I/O電路由計算機編程輸出的控制信號傳至AD7502(U1)的控制引腳A0、A1和MAX270(U2)的引腳D0-D6選擇高通濾波電路和低通濾波電路的截止頻率實現對信號高通、低通、帶通濾波處理。本實施例的實現電路為通道A信號由傳感器接口輸入至截止頻率分別為0、0.1、1、10Hz的四路高通濾波電路，其輸出端分別表示為INA0、INA0.1、INA1、INA10分別接入電子開關AD7502(U1)的輸入引腳SA1-SA4；同樣，通道B分別接入電子開關AD7502(U1)輸入引腳SB1-SB4表示為INB0、INIB0.1、INB1、INB10。信號經過四路高通濾波電路後的信號由電子開關AD7502(U1)選擇其中一路輸出，這樣，信號便可任意選擇四個截止頻率進行高通濾波輸出，其選擇方式由控制信號引腳A0、A1實現。通道A和通道B的四路信號通過四選一的方式經電子開關AD7502(U1)由輸出引腳4或輸出引腳12輸出，進入晶片MAX270(U2)進行低通濾波處理。經過濾波處理後的信號標識為DLIN1。
附圖6、附圖9所示，積分電路採用的是交流積分電路，在一次積分電路和二次積分電路中設有由電阻R113、R114和電容C111，電阻R117、R118和電容C114構成T型網絡，用以消除交流積分運算放大器輸入端失調和低頻幹擾的影響；信號經過該電路時，積分形式的選擇有直通、一次積分和二次積分，具體是通過電子開關AD7502(U3)實現，其實現電路如附圖9所示，通道A、通道B分別在標識DL1、JF1A、JF1B，DL2、JF2A、JF2B處連接到電子開關AD7502(U3)輸入引腳SA2-SA4，SB2-SB4，通過電子開關AD7502(U3)選擇信號經過一次積分電路或二次積分電路，此外在附圖9中的電子開關AD7502(U3)的輸入引腳SA1接DLIN1(通道A)如附圖8所示，這樣，利用該電子開關AD7502(U3)可以實現通道A和通道B信號直通而不進行積分處理。該電子開關AD7502(U3)輸出引腳4和輸出引腳12輸出信號標識為JTIN1和JTIN2與解調電路輸入埠相連接，通道A解調電路輸入埠JTIN1如附圖10所示。
附圖6，附圖10所示，解調電路包括兩部分第一部分是把雙向交變電壓變為單向脈動電壓的整流電路。第二部分是低通濾波電路，其任務是濾除載波交流信號，保留被測信號中的直流和交流分量，而交流——直流變換器中的濾波器則是只保留代表整流所得脈動電壓的平均值的直流電壓。由於包絡檢波器中的低通濾波器，要濾除載波交流信號而保留被測信號中的交流分量，因此其高截止頻率fh應滿足fs＜fh＜fc式中，fc、fs分別為載波頻率和被測信號最高頻率。
附圖10所示，標識JTIN1處與第二部分低通濾波電路輸出KHIN1處連接到電子開關AD7512(U4)兩輸入引腳SA1、SA2，AD7512(U4)是雙通道二選一的電子開關，通過I/O電路由計算機編程輸出的控制信號傳至其控制引腳A1、A2選擇通道A、B信號通過解調電路進行解調處理或直通不進行解調處理。信號從KHIN1處進入抗混頻處理電路如附圖11所示。
附圖6、附圖11，附圖12所示，抗混頻濾波器由晶片MAX293(U105)和MAX270(U5)組成，其中MAX293(U105)是八階低通橢圓型開關電容濾波器，該濾波器轉折頻率範圍是0.1Hz到25kHz。在本實施例電路中，採用外部時鐘頻率控制該晶片的截止頻率，外部時鐘頻率由單片機89C1051(U501)產生，由引腳P3.7輸出交變脈衝，其頻率範圍為5K-1MHZ，其截止頻率選擇方式通過USB接口晶片接收計算機傳至的控制信號FCONT和FCONO--FCON3輸至單片機89C1051(U501)引腳p3.2和p1.0--p1.3，其中控制信號FCONT是用來觸發單片機中斷程序，FCON0--FCON3是控制引腳p3.7輸出的時鐘頻率。附圖9中所示，在MAX293(U105)電路後接上模擬低通濾波器MAX270(U5)是為了消除MAX293(U105)本身自有的「共振」高頻信號。
本實施例中信號調理處理電路如附圖12所示，信號經過信號調理電路具體過程中首先信號進入四路高通濾波電路，由電子開關AD7502(U1)以四選一的方式選擇輸出，進入低通濾波晶片MAX270(U2)，其中電子開關AD7502(U1)和濾波晶片MAX270(U2)的工作模式選擇分別由兩位控制信號A0、A1和六位控制信號實現；信號依次進入一次積分電路和二次積分電路，分別在積分電路前(DL1)、一次積分(JF1A)、二次積分(JF1B)電路處接電子開關AD7502(U3)，由AD7502(U3)通過I/O電路接收由計算機編程輸出的控制信號A2、A3選擇性實現信號直通、一次積分、二次積分處理；通過AD7502(U3)輸出的信號傳至解調電路輸入端JTIN1，在解調電路輸入端JTIN1與輸出端JTOUT1分別接入電子開關AD7512(U4)；信號經AD7512(U4)輸出引腳進入抗混頻處理電路；最後信號傳至數據採集電路原理如附圖15所示。
附圖13是USB接口晶片擴展I/O電路的結構原理圖，該部分傳送後置處理器3內計算機輸出的控制信號至信號調理電路中用到的可編程控制晶片AD7502(U1)，AD7512(U3)，濾波晶片MAX270(U2)和單片機89C1051(U501)。
附圖14、附圖15所示，數據採集部分包括16路模擬電子開關ADG506、A/D轉換器AD976、單片機89C51、USB接口晶片PDIUSBD12。多路振動信號經過信號調理電路後見附圖12，由多路模擬開關ADG506傳至A/D轉換器AD976轉換為數位訊號，採集到的數據經單片機P89C51、USB接口晶片PDIUSBD12由USB接口傳輸至計算機。模擬開關ADG506和A/D轉換器AD976工作方式由單片機P89C51控制，具體是通過USB接口晶片PDIUSBD12接收後置處理器3內的計算機傳至的控制信號觸發單片機P89C51內固化的中斷程序實現的。
附圖16是計算機與附圖12，附圖15數據通信流程圖，其中後置處理器3內計算機與中置處理器2內信號調理電路控制信號傳輸是通過USB接口晶片擴展I/O電路實現。數據採集電路是由後置處理器3內計算機輸出的控制信號經USB接口晶片觸發單片機中斷程序實現控制，控制參數設置完畢後便進行數據採集。由於功能和的輸入參數較多，因此採用人機對話方式和模塊化設計，將信號調理部分工作模式和數據採集部分工作模式分別設計成獨立模塊，由程序統一控制、執行。系統應用程式採用可視化高級語言編寫，主要功能包括檢測USB設備、開啟/關閉USB設備、參數設置模塊見附圖17、數據採集設置見附圖18。
電源總體電路圖如附圖19示，包括可充電鋰離子電池充電電路、DC/DC穩壓電路。其中可充電鋰離子充電電路是MAXIM公司生產的，可最多充三節鋰離子電池的專用晶片MAX1757，電路中利用MAX1757的CSSN引腳之間的外接電阻R8來檢測輸入電流，ISETIN引腳設置檢測門限，電池最大充電電流由ISETOUT引腳的電壓值確定，該電壓由連接在REF和GND之間的分壓電阻調節。當ISETOUT引腳接REF時，電流為最大值(1.5A)，在本實施例中我們將ISETOUT引腳接至REF引腳，最大充電電流為1.5A。通過VADJ引腳的外接分壓電阻R6和R7用來調整電池充電終止電壓，R6和R7電阻精度應在1％以上，阻值應不超過100KΩ。電池節數由CELL引腳設置，CELL引腳接GND、浮空或接REF分別表示電池節數為1節、2節、3節，在這裡CELL引腳浮空。電路設有定時器和溫度檢測器為電池充電提供附加保護，由於充電效率達不到100％，充電時間限定值應留有餘量。溫度檢測器應接在THM和GND之間，應靠近電池安裝，溫度檢測器可選擇具有負溫度係數的熱敏電阻，+25℃時阻值為10K Ω，Philips、Cornerstone傳感器公司、Fenwall電子公司均可提供適當的產品，MAX1757以1.2Hz的頻率檢測電池溫度，本實施例用一個10KΩ電阻接地。D12、C14和L3組成晶片內部MOSFET管開關作用後的慮波電路。在TIIMER1外接電容C17可設置預充、滿充和頂端截止充電過程的時間控制，在TIMER2上外接電容C18可設置快充時間控制。電源要求可以在對電池充電的同時向傳感器供電在斷開充電時，自動轉為充電電池向傳感器和信號處理電路供電，該功能由充電電路中的兩個1N5817肖特基二極體D13、D14來實現當充電輸入時D14斷開，當充電斷開時D14導通，實現了不間斷的功能，D13用來防止電池供電時電流回流。此外MAX1757帶有三個電池充電狀態指示輸出端FASTCHG、FULLCHG和FAULT，這些埠均為漏級開路輸出，可用於驅動LED。FASTCHG用於指示充電器處於快充狀態，為恆流充電模式；FULLCHG表示充電器已完成快充狀態(電池容量接近85％)而處於恆壓充電模式；FAULT則表示充電器檢測到充電故障，充電已經終止，分別用三個指示燈選用φ3mmLED發光管顯示，有故障的用紅色，其它用綠色，R9、R10、R11是限流電阻分別串接發光管。
前置處理器1的傳感器部分和中置處理器2的信號調理電路部分具體工作電壓情況是位移傳感器工作電壓是±12V，加速度傳感器的工作電壓為±5V，信號處理電路各晶片工作電壓為±5V。三節鋰離子電池組提供的電壓(即穩壓電路的輸入電壓)在12.6～8.75V之間變化，經穩壓電路後輸出為±12V，±5V的直流電壓。附圖19中的直流-直流(DC/DC)穩壓電路是採用直流-直流(DC/DC)穩壓模塊，故電路相對簡單電路中LED8是電源指示燈，電容C20、EC6是慮波電容用於減緩電流脈動。
以上僅僅是本發明的較佳實施例，根據本發明的上述構思，本領域的熟練人員還可對此作出各種修改和變換。例如，不同類型、不同性能的位移傳感器和加速度傳感器的選用，信號調理電路不同匹配方式和實現方式的選擇；信號調理電路，採集電路和計算機間的數據通信實現方式等等。然而，類似的這種變換和修改均屬於本發明保護的範圍。
權利要求
1.一種多功能高集成可攜式信號檢測裝置，它包括前置處理器(1)，中置處理器(2)和後置處理器(3)，所述前置處理器(1)包括設有多個加速度計和多個位移傳感器，所述中置處理器(2)包括信號調理電路、數據採集電路、充電電源，以及與前置處理器(1)連接的傳感器接口，和後置處理器(3)連接的USB接口；所述後置處理器(3)包括計算機，設置於計算機的數據通信處理單元。
2.根據權利要求1所述的一種多功能高集成可攜式信號檢測裝置，其特徵在於所述加速度計的加速度計晶片上還集成有電荷放大器。
3.根據權利要求1所述的一種多功能高集成可攜式信號檢測裝置，其特徵在於所述位移傳感器的探頭體內集成有位移傳感器探頭與信號處理器。
4.根據權利要求1所述的一種多功能高集成可攜式信號檢測裝置，其特徵在於所述信號調理電路由多通道濾波電路、積分電路、解調電路、抗混頻處理電路組成。
5.根據權利要求4所述的一種多功能高集成可攜式信號檢測裝置，其特徵在於所述多通道濾波電路的濾波方式及其截止頻率是可程控的，所述積分電路、解調電路和抗混頻處理電路也是可程控的。
6.根據權利要求1所述的一種多功能高集成可攜式信號檢測裝置，其特徵在於所述數據採集電路設A/D轉換器、USB接口晶片和USB接口。
7.根據權利要求6所述的一種多功能高集成可攜式信號檢測裝置，其特徵在於所述USB接口晶片擴展一I/O電路。
8.根據權利要求1所述的一種多功能高集成可攜式信號檢測裝置，其特徵在於所述充電電源包括可充鋰離子電池充電電路、直流-直流穩壓電路。
9.根據權利要求1所述的一種多功能高集成可攜式信號檢測裝置，其特徵在於所述數據通信處理單元，包括檢測USB設備的判斷模塊，參數設置模塊和數據採集模塊，以及相應的參數輸入、輸出界面。
10.根據權利要求1所述的一種多功能高集成可攜式信號檢測裝置，其特徵在於所述計算機是選用筆記本電腦。
全文摘要
一種多功能高集成可攜式信號檢測裝置，它包括前置處理器，中置處理器和後置處理器；前置處理器包括多個加速度計和位移傳感器，中置處理器包括信號調理電路、數據採集電路、充電電源，以及與前置處理器連接的傳感器接口，和後置處理器連接的USB接口；後置處理器包括計算機，數據通信處理單元。本發明採用高度集成的可攜式方案，克服了各器件之間相互獨立造成使用不便的缺陷，解決了常用振動信號檢測系統功能單一、多路信號拾取需要配置多臺專用處理設備，造成使用操作極為不便的問題。使得本發明具有體積小、重量輕、攜帶方便、現場無需供電電源等特點，實現了多功能、高精度、操作使用方便快捷的檢測目的。可廣泛適用於野外作業以及教學實驗。
文檔編號G08C19/00GK1687974SQ20051003158
公開日2005年10月26日 申請日期2005年5月23日 優先權日2005年5月23日
發明者李學軍, 朱萍玉, 陽小燕, 王靖, 何寬芳, 張美陽, 蔣玲莉 申請人:湖南科技大學