毕业论文-基于加速度传感器的电机振动测量.doc
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1、苏州科技学院本科生毕业设计(论文) I 基于加速度传感器的电机振动测量基于加速度传感器的电机振动测量 摘 要 电机是现代生产中的重要电气设备,从大型的工业电机到小型的家用电器,电 机都是随处可见的,电机的故障会对生产造成重大影响,因此需要监测电机的运行 状态。 为监测电机的运行状态,本文通过加速度传感器来测量电机振动的大小,并通 过微控制器对电机加速度信号进行采集,并将它传输给电脑;利用电脑软件对采集 的加速度信号进行频域积分得到速度信号,再与电机振动判断标准进行对比分析,从 而判断电机运行状态, 确定修复时机,为电机提供检修依据。 关键词:加速度;振动测量;信号处理;故障分析 苏州科技学院本
2、科生毕业设计(论文) II Measure the vibration of motor based on the acceleration sensor Abstract The electric motor is one sort of the most important electric equipments in modem manufacturingFrom large industrial motors to small appliances, electric motors are everywhere. Its failure would produce a signific
3、ant impact on the motor, therefore, we need to monitor the operating status of the motor. In this paper, in order to monitor the motor running, size of the motor vibration is measured by the acceleration sensor, and uses the microcontroller to collect the motor acceleration signal and transfer it to
4、 the computer. The acceleration frequency-domain signal is integrated into the speed signal in the computer, and then the speed signal is compared with the motor vibration criteria, to provide the basis for the maintenance of motor. We can determine the timing of repair. Keywords: Acceleration senso
5、r, Vibration Measurement, Signal Processing, Failure Analysis 苏州科技学院本科生毕业设计(论文) III 目目 录录 第 1 章 绪论 1 1.1 引言 1 1.2 电机振动特性1 1.2.1 振动参数 .2 1.2.2 振动标准 .3 第 2 章 电机振动测量装置设计 6 2.1 采集模块介绍6 2.1.1 MMA8452 加速度传感器7 2.1.2 控制器 NXP ARM LPC11148 2.1.3 电源模块 .8 2.2 接口转换模块设计9 2.2.1 TTL 信号转 485 信号9 2.2.2 RS-485 信号转 RS-
6、232 信号.10 2.2.3 RS-232 转 USB 信号 .10 第 3 章振动信号采集.12 3.1 信号的采集.12 3.1.1 读取数据模块 13 3.1.2 信号发送 18 第 4 章 振动信号处理 .20 4.1 振动加速度信号与速度信号之间的转换.20 4.2 信号转换的实现.21 4.3 实际测量结果.24 结 论 .27 致 谢 .28 参 考 文 献 29 附录 A 译文30 附录 B 外文原文38 附录 C 程序代码46 苏州科技学院本科生毕业设计(论文) 1 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.11.1 引言引言 随着科学技术的发展,电机已经成为我们生活中不可缺少的一
7、部分,从大型的 工业电机到小型的家用电器,电机都是随处可见的,因此电机是否正常工作对我们 日常生活的好坏有很大影响。 电机振动主要由电枢不平衡、电磁力、轴承磨损、转轴弯曲和安装不良使电机 与负载机械的轴心线不对中或倾斜等原因引起的。电机振动大小必须要满足国家的 电机振动标准,否则会造成很严重的后果。现在,电机振动标准主要是用振动速度的 有效值来衡量。 测试和诊断电机振动好坏的基础是采集和处理电机的振动信号,因此我们在测 量时必须要有一个电机振动测量、处理和诊断的系统。电机振动测试通常是用加速 度传感器记录加速度信号。然后再用傅里叶变换来进行频谱分析。 在过去的几十年里,小波分析、时频联合分析、
8、独立分量分析等信号处理的新 方法有了很大的发展,为电机振动的深入研究提供了条件。在故障诊断中取得了出 色的效果。 1.21.2 电机振动特性电机振动特性 电机振动是因为电磁,能量转换,机械振动等物理因素引起的。电机产生振动 的原因包括1: 1电磁力:电磁力作用在定子和转子之间的空隙中,它的力波在气隙中是旋转 的或者是脉动的,力的大小和电磁负荷、电机有效部分的结构和计算参数有关。由 电磁力产生的振动大小与作为振荡系统的定子特性有很大的关系,大多数电机的电 磁振动都在1004000Hz频率范围内; 2轴承:轴承产生的振动和轴承本身的制造质量、轴承配合面的加工精度、固 定轴承位置的轴承盖相对电机机座
9、的锁紧面加工精度等有关: 3转子的机械不平衡:转子的不平衡能产生显著的振动,特别是3000rpm和更 苏州科技学院本科生毕业设计(论文) 2 高转速的高速电机中非常明显2。 1.2.11.2.1 振动参数振动参数 振动有三个基本参数,分别是振幅、频率和相位。其中振幅可用位移、速度和 加速度来表示。在测量过程中我们一般在振动频率小于10H z时测量位移,当频率在 10H z到1kH z时测量速度,而当振动频率大于1kH z时测量加速度3。电机振动一般 是中频振动,所以在测量时要得到振动的速度信号。我们也可以用频率分析仪测量 振动频率,用示波器显示振动相位。 电机振动是运动的一种,所以它的加速度、
10、速度、位移三者之间的关系和运动 一样,三者都是微积分的关系: (1.2-1) tdtvta dttatvtdtv 或 (1.2-2) tdtadttvtd 2 式中:以 d(t) 为振动位移,v(t)为振动速度,a(t)为振动加速度。在物理意义上, 位移体现了振动质点相对参考点的瞬时位置;速度是单位时间内的位移,反映振动 质点运动的快慢程度;加速度是速度的变化率,反映速度变化的快慢。但是它们之 间是有着很紧密的联系,例我们假设瞬时位移为:ftDtd M 2cos 则: (1.2-3) 2 2cos 2 2cos2 2sin2 ftV ftfD ftfDtdtv M M M (1.2-4) ft
11、A ftDf ftfVtvta M M M 2cos 2cos2 2cos2 2 苏州科技学院本科生毕业设计(论文) 3 推导可得: (1.2-5) MM A f V 2 1 (1.2-6) MMM A f V f D 2 2 1 2 1 式中分别为振动的位移、速度、加速度。从上面的式子我们可以看出: MMM AVD 当振动加速度一定时,速度和振动频率成反比,位移和振动频率的平方成反比;当 振动的位移一定时,速度和振动的频率成正比,加速度和振动频率的平方成正比。 所以位移对低频振动比较敏感,加速度对高频比较敏感,而速度参量对频率的敏感 度在位移和加速度之间。所以我们在对高频故障(如滚动轴承、齿
12、轮箱故障等)或 高速设备进行测量时,应选加速度为参考量;在对低频故障(如不平衡、不对中等) 或低速设备测量时,应选位移为参考量;而在进行振动的总体状态测量时,都是选 速度为参考量。正是由于这样,国际 ISO-2372 振动烈度标准是以振动的速度为参考 量的。我们在测量振动是要将我们测得的物理量变为速度参量。 1.2.21.2.2 振动标准振动标准 国际上流行的标准很多,但是一般较集中在振幅(位移)、速度和加速度上。 其建立的理论依据为美国齿轮制造协会(AGMA)提出的机械(滚动轴承)发生振 动时的预防损伤曲线。见图 1-1。 图 1-1 苏州科技学院本科生毕业设计(论文) 4 由图可见,频域在
13、 10Hz 以下,位移是恒定的,所以通常把位移作为振动标准 进行比较;当振动的频域在 10Hz-1KHz 时,速度是恒定不变的,所以把速度作为 判断振动好坏的依据;而在 1KHz 以上高频域时,加速度是一定的,以加速度作为 判定标准4。 前人的研究已经理论证明4,电机振动部件的疲劳与振动的速度成正比,振动 所产生的能量与振动速度的平方成正比,能量传递的结果造成磨损和其它缺陷,一 因此在振动判断标准中,无论从疲劳损伤还是磨损等缺陷来说,以速度标准最为适 宜。 对于低频振动,主要考虑位移破坏,这种破坏的实质是疲劳强度破坏,而不是 能量破坏;对于 1KHz 以上的高频域,主要考虑冲击和共振破坏。 1
14、. 振幅(位移)标准如图 1-2 ISO10816振动位移(um) 315160 H315H 140 以上 140 113 D 90 D 71 C 57 C 45 37 B 29 B 22A A 图 1-2 振动位移标准 有大型旋转机械的振幅标准、电厂用汽轮机振幅标准、化工部颁发的部分设备 标准、部分引进日本设备的振幅标准、大型机组相对位移标准和金属切削机床位移 标准。在金属切削机床位移标准中,普通车床位移标准为 5.00-25.4m;平面磨床位 移标准为 1.27-5.0m;外国磨床位移标准为 0.76-5.0m。 苏州科技学院本科生毕业设计(论文) 5 2. 速度标准4 此标准是国际化组织
15、在德国标准 VDI2056 和英国标准 BS4675 的基础上制定的,见 表 1-3。 表 1-3 速度标准 振动强度ISO2372ISO3945 范围 速度有 效值 (MM/s) I 级级级级刚性基 础 柔性基 础 0.280.28 0.450.45 0.710.71 1.121.12 A 1.81.8B A 2.82.8B AA优 4.54.5 C B良 优 7.17.1 CB 11.211.2 C可良 1818可 2828 C 4545 71 D D D D 不可 不可 注:(1)I 型为小型电机(小于 15KW 的电动机) ;II 型为中型电机(15KW- 75KW 的电动机等) ;I
16、II 型为大型原动机(硬基础) ;IV 型为大型原动机(弹性基础) 。 (2)A、B、C、D 为振动级别,A 级好,B 级满意,C 级不满意,D 级不允许。 测量速度 RMS 应在轴承壳的三个正交方向上。 苏州科技学院本科生毕业设计(论文) 6 第第 2 2 章章 电机振动测量装置设计电机振动测量装置设计 本次设计的装置是一个将微控制器与 PC 机联合在一起的信号处理装置,它从 整体上分为三个部分:采集模块、接口电路转换模块和 PC 机处理模块如图 2-1。 采集模块接口转换模块PC 机处理模块 图 2-1 装置结构图 采集模块负责对信号进行采集;接口转换模块负责将采集的信号传输给 PC 机,
17、 同时负责将 PC 机的控制指令传递给采集模块;PC 机处理模块负责对接收到的信号 进行处理。 2.12.1 采集模块介绍采集模块介绍 本模块设计包括:传感器部分,用来采集振动的加速度信号;控制部分,用来 初步处理数据并将数据进行接发收;信号传输部分,将传感器采集的信号传输给控 制器;电源部分,为整个装置提供电源。当控制器接收到计算机接受信号指令后, 通过 I2C(InterIntegrated Circuit)通信向加速度传感器发送一个读取信号命令, 加速度传感器接收到命令后将数据传给控制器5。如图 2-2。 苏州科技学院本科生毕业设计(论文) 7 加速度传感器 微控制器 I2C 通信 电源
18、模块 程序烧写模块 仿真调试接口 模块 图 2-2 采集模块结构图 2.1.12.1.1 MMA8452MMA8452 加速度传感器加速度传感器 本装置选用 MMA8452Q 加速度传感器作为传感器模块的核心。MMA8452Q 加 速度传感器是一款具有 12 位分辨率的智能低功耗、三轴、电容式加速度传感器。 这款加速度传感器具有丰富嵌入式功能,通过 I2C 进行数据交换,带有灵活的可编 程性,可以配置两个中断引脚。MMA8452Q 可以实时输出高通滤波数据和非滤波数 据。它的供电电压:1.95 V 至 3.6 V 接口电压,输出数据速率 (ODR) 范围: 1.56 Hz 至 800 Hz 噪
19、声:99g/Hz,拥有 12 位和 8 位数字输出 I2C(InterIntegrated Circuit) 数字输出接口(在上拉电阻为 4.7 k 时,最高频率可达 2.25 MHz) 适用 于 6 个中断来源的 2 个可编程中断引脚 3 个运动检测嵌入式通道 - 自由落体或运 动检测: 1 通道 - 脉冲检测: 2 通道 晃动检测: 3 通道 带有设定滞后补偿的 方向(横向/纵向)检测。适用于冲击和振动检测6。 当加速度传感器接收到控制器的读取信号的请求后,如果加速度传感器在工作 状态,且 I2C 信道空,即没有数据传输,则加速度传感器将 X 轴,Y 轴,Z 轴的数 据传给控制器。 苏州科
20、技学院本科生毕业设计(论文) 8 2.1.22.1.2 控制器控制器 NXPNXP ARMARM LPC1114LPC1114 随着嵌入式系统的发展,ARM(Acorn RISC Machine)的使用已经变得越来越 普遍。ARM 处理器本身是 32 位设计,但也配备 16 位指令集。一般来讲比等价 32 位代码节省达 35%,却能保留 32 位系统的所有优势。 LPC1100L 运行速度高达 50MHz,因此 LPC1100L 系列 ARM 能够每秒执行 4500 多万条指令。LPC1100L 不仅能执行基本的控制任务,而且能进行复杂运算, 其功耗也非常低,仅需不到 10mA 的电流。 LP
21、C1114 是一个基于 ARM Cortex-M0 内核的超低功耗三十二位处理器。主频高 达 50MHz 内部集成 32Kflash 存储器,8K 数据 RAM。片上外设有 I2C,UART,SPI, 通用定时器,ADC,以及高达 42 个通用 I/O 。具有可编程看门狗定时器。 本装置将 LPC1114 的 15 号引脚和 16 号引脚分别设置为 I2C 的串行时钟 (SCL)引脚和串行数据(SDA)引脚,用于和 MMA8452 加速度传感器进行数据 交换。 将 LPC1114 的 46 引脚和 47 引脚设置为芯片串口通信(UART)的 RXD 和 TXD,并将它们分别与 SP3485 的
22、 1 号(RO)和 4 号(DI)引脚相连(SP3485 是 3.3V 供电的 RS-485 收发器)。 2.1.32.1.3 电源模块电源模块 本装置使用的控制器是 LPC1114,它需要 3.3V 供电电源,而在用 RS-485 传输 信号时需要 12V 的电源,因此本设计需要采用 12V 电源为主电源,然后将 12V 电 源转换成 3.3V 电源为 LPC1114 供电。 首先将 12V 电源通过低电压电压转换器 CS51411 转换成 5V 电源。再将 5V 电 源通过电压转换器 CAT6219 转换成 3.3V。在转换过程中,我们没有将 12V 电源直 接转换成 3.3V 电源,因为
23、如果通过 CS51411 直接将 12V 转换成 3.3V 电源后,它的 输出量 3.3V 会出现很大的波动,最大值超过了芯片的最大承受能力,会损坏芯片, 因此本设计采用通过两次转换将 12V 电源转换成 3.3V 电源。 苏州科技学院本科生毕业设计(论文) 9 2.22.2 接口转换模块设计接口转换模块设计 微控制器 lpc1114 通过 UART 输出的信号是第二代是晶体管 TTL(Transistor Transistor Logic)信号,其电压规定输出高电平大于 2.4V 为逻辑“1” ,输出低电平 小于 0.4V 为逻辑“0” 。计算机无法直接接收 TTL 信号,所以必须将信号转换
24、成计 算机能接收的信号,如图 2-3。 TTL 信号 485 信号 232 信号 USB 信号 图 2-3 信号转换过程 2.2.12.2.1 TTLTTL 信号转信号转 485485 信号信号 RS485 采用差分信号负逻辑,2V6V 表示“0”,- 6V- 2V 表示“1”。很多 情况下,连接 RS-485 通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B” 端连接起来。 RS485 电路是一种双向通信电路如图 2-4. 控制器输出的信号通过 RS-485 收发器的 DI 引脚进入,经过转换后变成一组差 分信号,分别从 RS-485 收发器 A 引脚和 B 引脚输出。 同理,当一组
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