一种无线振动传感器频响带宽提高方法

张 浩，陈 朋

(1.浙江工业大学 信息工程学院，杭州 310023；2.浙江工业大学 计算机科学与技术学院，杭州 310023)

0 引言

旋转机械设备广泛应用于石油、化工和电力产生等领域，并发挥着至关重要的作用，随着科学技术和工业技术的飞速发展，机械设备结构和功能日益复杂，发生故障的可能性也随之增加[1]。一个较小的机械故障便可能造成设备损毁，甚至是整个生产线的停机，造成重大经济损失。为了减少机械故障造成的影响，国内外科研院所对旋转机械设备的预测性维护展开研究[2]。其中，由于振动信号可以直观反应机械设备的各种状态，振动分析已成为机械设备预测性维护的重要分析手段[3]。然而，较高转速旋转设备的早期故障信号往往以微小信号的形式反映在4kHz以上的较高频段[4]，这对振动传感器的频率响应范围提出了更高的要求。

PCB、CTC、EMERSON等公司在振动传感器研究方面起步较早，生产种类丰富，覆盖了工业设备常见的各个频段，为工业界机械状态监测提供了重要工具[8]，但上述公司的产品多为有线传感器，均没有生产高频响范围的振动传感器。

无线振动传感器作为一种新型的基于无线传感网络(WSN,wireless sensor networks)的机械振动监测设备，因体积小、成本低、便于安装等优势受到了用户的普遍青睐。然而，无线振动传感器的内部结构复杂、体积难以控制，频率响应带宽交窄(很难超过4 kHz)，只能用于简单的阈值判断等已经发生的故障分析[5]。因此，无线振动传感器频率响应带宽范围亟待提高，以便应用于预测性维护场景。

目前，无线振动监测领域主要集中于1～2 kHz等频段的应用。张琨等人开发了基于无线传输网络的振动传感器，实现无线振动信号的采集和传输，但仍属于传统无线振动传感器的典型架构，其有效频率响应范围为0～800 Hz，仅适用于低转速设备的故障分析[6]。Khurram Shahzad等人针对无线振动传感器计算速度问题提出了优化方案，使用FPGA实现50 kHz的高频采样和实时处理，但没有考虑机械结构的影响，仅能在2 kHz以内的频率范围内分析[7]。

综上所述，本文针对传统无线振动传感器频响范围低的缺点，提出一种提高无线振动传感器频响范围的方法，从结构设计、振动探头设计、信号调理链路设计和模数转换器设计4个方面对传统无线振动传感器进行了改进。通过实验验证该方法的有效性和可行性。

1 高频无线振动传感器总体设计

1.1 设计流程

本文提出的高频响无线振动传感器设计流程如图1所示，设计过程主要分为三个部分。

图1 设计流程

第一部分：振动探头设计。振动探头是感知振动信号的敏感器件，其性能的优劣对采集数据的质量具有直接影响。传统振动传感器振动探头与传感器本体结构上是一个整体，导致体积难以控制，频响带宽难以提高。本设计采用振动探头与振动传感器本体分离的设计，结构上传感器探头通过软线与传感器本体相连，避免了传感器本体谐振噪声对传感器探头的影响。由于传感器探头单独封装所以可以做的很小，进一步提高了传感器探头的谐振频率。电路上，传感器探头采用微机电系统(MEMS,micro-electro-mechanical system)芯片作为振动敏感元件，通过电源管理、运算放大等电路使其对外呈现集成电路型压电式传感器(IEPE,Integrated Electronic Piezoelectric)通用振动探头接口。

第二部分：信号链设计。振动信号为高频的交流信号，对噪声非常敏感，因此在信号调理链路设计过程中要重点考虑通频带的宽度、信噪比(SNR,signal to noise ratio)等参数。恒流源设计为振动探头提供供电的稳定恒流源信号，滤波器设计用于消除信号传输过程中引入的噪声，并配合模/数转换器(ADC,analog to digital converter)实现抗混叠(anti-aliasing filtering)。FAD设计实现单端信号到差分信号的转变。

第三部分：模数转换器设计。使用ADC作为模拟信号转换成数字信号的器件，A/D转换将时间、幅值均连续的模拟信号转换为数字信号。为了确保A/D获取到能够正确反应振动信号的状态数据，要同时考虑ADC的转换精度和与前级抗混叠滤波器的配合程度，通过过采样、内部数字滤波和抽样获取高信噪比数据。

1.2 硬件架构设计

高频无线振动传感器的硬件架构如图2所示，传感器主要分为传感器探头和传感器主体两部分。为了减小体积、提高频率响应带宽，传感器探头单独封装，内部只包含传感器芯片和信号调理部分。传感器本体则主要负责总体控制、信号的调理、模数转换、数据传输等工作。

2 振动探头设计

2.1 振动探头硬件设计

传统振动探头多采用压电晶体作为敏感元件[9]，使用“IEPE接口”作为对外接口[10]，IEPE加速度传感器采用恒流源供电。电流源将电流引入加速度传感器。加速度传感器内部的电路使它对外表现的像一个电阻。传感器的加速度和它对外表现出的电阻成正比，传感器的信号电压和加速度成正比。

但是压电晶体只对交变信号有响应，压电晶体对低频信号的响应质量较差[11]，信噪比较低，且带宽范围内非线性误差(NEL,non-linear error)较大。因此，本设计使用MEMS芯片作为敏感元件，很好的避免了低频信号采集时的失真现象，保证带宽范围内良好的线性度。为了能够与常用振动采集器匹配，本设计仍然采用IEPE接口作为振动探头电气接口。振动探头硬件架构图如图3所示，IEPE接口采用恒流源供电，供电回路和信号回路公用同一个回路，方便采用同轴电缆连接，能够减少线缆数量，提高信噪比。电源管理部分可以将外部恒流源提供的电源转化成内部器件可用的电压范围，振动敏感元件采用MEMS振动芯片，相对于压电式振动传感器具有更好的低频响应性能和更低的非线性误差[12]，低通滤波器滤除高频干扰，防止高频噪声被放大器放大，从而提高信噪比。放大器提高信号幅值，减少信号在传输过程中噪声信号的影响，同时提高振动传感器的驱动能力，减少传感器输出电阻，以便于更好与采集回路进行阻抗匹配。

图3 振动探头硬件架构图

振动探头的接头如图4所示，本文采用将振动探头和传感器主体分离设计的方案，将敏感元件和部分信号调理电路放在一个较小的电路板上，可以减少振动探头的体积，从而提高振动探头的谐振频率。随着谐振频率的提高振动探头的频率响应性能可以得到大幅提高。在电路板与外壳的固定方式设计中，本设计抛弃了传统的螺栓固定的方式，采用环氧树脂电子密封胶“灌封”的方式。

采用电子密封胶“灌封”有如下三个优点：

1)可以减小螺丝占用，从而减小体积。

2)环氧树脂硬度大，能够辅助振动传递，提高传感器设计一致性。

3)环氧树脂灌封后对电路板形成保护膜，可以提高传感器IP等级，增强传感器在恶劣环境下的稳定性。

2.2 振动探头结构设计

传动振动传感器设计中振动探头与传感器本体是一个整体，使用Solidworks建立传统传感器仿真模型，如图4所示。由于所有模块集中在一个壳体内，所以传感器无线振动传感器尺寸普遍较大，进而导致其共振频率较低(大约2 kHz)，因为2 kHz落在了振动监测有效带宽范围内，所以传统无线振动传感器的频率响应范围收到了极大的限制。其仿真结果如图6所示，其2.5 kHz在两个振动方向上存在谐振。

图4 传统传感器模型

图5 改进探头模型

图6 传统传感器结构仿真结果

为了提高无线振动传感器频率响应范围，本文采用振动探头与传感器主体分开封装的传感器优化模型(如图7所示)，将敏感的振动探头单独封装，减小了传感器结构复杂度和体积。振动探头与传感器主体采用柔性电缆连接，从而减少了从传感器主体传递到振动探头的干扰信号。

图7 无线振动传感器优化模型

使用Solideworks对改进结构的传感器探头建立仿真模型如图5所示，使用ANSYS进行有限元分析，结果如图8所示，优化模型的谐振频率得到了明显提高，最低的一个方向的谐振频率也达到5 kHz以上。

图8 改进探头模型仿真结果

3 信号链设计

信号调理模块的主要功能是接收振动探头传入的模拟信号，进行预处理，使其能满足模数转换器的输入要求。如图9所示，信号调理链路主要有恒流源、偏置校准、抗混叠滤波、模数转换部分组成。

图9 信号采集模块

3.1 恒流源模块设计

传感器的最大带宽与激励电流成正比，与电缆电容成反比。为了能够满足IEPE传感器输出范围，恒流源必须能够提供足够高的电压范围[13]，标称的供电电压通常要大于24 V。选择恒定电流水平时，必须考虑传感器的最大期望输出带宽和电缆类型。需要设置的输出电流可以由公式(1)计算得出:

(1)

式中,fmax是振动探头输出信号的最大频率(Hz);1 mA是振动探头维持正常工作所需要的电流；C是线缆上的寄生电容；V是从振动探头上输出的最大峰值电压(V)。

例如，振动探头最大峰值电压是10 V，一段3 m的线缆，线缆的寄生电容为96.67 pF/m，恒流源的输出设置为2.5 mA，此时的传感器带宽可以接收82.3 kHz，可以满足应用要求。

3.2 偏置校准模块设计

由于IEPE传感器输出的信号为带有直流偏置的信号，直流偏置电压可以达到13 V。因此需要通过偏移校正电路消除直流偏移。图10为使用一个集成运算放大器制作的偏置校准电路拓扑图。

图10 偏置校准电路拓扑图

偏置校准电路可以通过公式(2)计算.

(2)

式中，Vshift为通过D/A转换器产生的电压，由MCU通过IIC总线控制；Vin为振动探头输出电压。Rin、Rf为精密电阻。Vout为校准电路的输出电压。

3.3 滤波及全差分放大器设计

为了达到较高的频率响应带宽，需要将抗混叠滤波器和截止频率设置的比振动探头的频响带宽高，但考虑到抗混叠的效果[14]，需要配合ADC采样率，以满足奈奎斯特采样定理[15]的要求，在1/2采样率处有足够的阻带抑制。由于本设计采用∑-Δ型ADC，有效采样率可以设置在4.096 MHz，使用如图11所示的二阶巴特沃斯低通滤波器[16]，将抗混叠滤波器-3 dB截止频率设置为24 kHz，此时在4.096 MHz处具有-151 dB的衰减系数，可以满足所需要的信噪比，如图12所示。

图11 二阶有源低通滤波器

图12 滤波器波特图

IEPE信号是单端信号，如果使用差分ADC采集则需要实现单端信号到差分信号的转换。传统方式都是采用平衡-不平衡器(balun)作为转换的器件[17]。但是使用balun器件设计的电路具有占板面积大、不能DC去耦、损耗较大等缺点。本设计采用全差分放大器(FDA,fully differential amplifier)作为单端信号转差分信号的方案，除了具有单端信号转差分信号的作用，FDA还有如下优点： 1)去除信号线上的共模干扰;2)为电路提供电压增益;3)提供ADC输入缓冲，吸收ADC采样保持电路的“回踢”干扰能量。4)使用FDA占板面积小，适合紧凑型设计[18]。

4 模数转换器设计

在振动信号分析工作中，需要观察振动信号的频谱图，振动信号的混叠现象会对分析结果产生严重影响。传统振动采集使用LPCM型ADC作为模数转换器件，为了防止信号混叠需要设置衰减曲线非常陡峭的高阶滤波器，这无疑提高了系统复杂度和制造成本。本设计采用∑-Δ型ADC作为模数转换器件，可以方便的做到抗混叠，减轻了前级滤波器的压力。

∑-Δ型ADC与传统的LPCM型ADC不同，它不是直接根据信号的幅度进行量化编码，而是根据前一采样值与后一采样值之差(即所谓增量)进量化编码，从某种意义上来说它是根据信号的包络形状进行量化编码的[19]。过采样技术是改善模数转换器总体性能诸多技术中的一种[20]。∑-Δ结构的ADC是一种内在的过采样转换器。∑-Δ型ADC以很低的采样分辨率(1位)和很高的采样速率将模拟信号数字化，通过使用过采样技术，噪声整形和数字滤波技术增加有效分辨率，然后对ADC输出进行抽取处理，以降低ADC的有效采样速率，去除多余信息，减轻数据处理的负担。由于∑-Δ型ADC所使用的1位量化器(即1位比较器)和1位数模转换器(为一开关)具有良好的线性，所以∑-Δ型ADC表现出的微分线性和积分线性性能非常优秀，并且不像其它类型的ADC那样，它无需任何的修调。

本设计采用亚德诺半导体生产的AD7768-1作为模数转换器，该ADC为单通道高精密的∑-Δ型ADC，具有24 bit的分辨率，204 kHz的响应带宽，标称108.5 dB动态范围，-120 dB总谐波失真(THD,total harmonic distortion)。

∑-Δ型ADC的数据输出速率可以通过公式(3)，进行计算：

(3)

式中，MCLK是ADC的主时钟；MCLKDIV是主时钟分频系数；FILTEROSR是内部数字滤波器的过采样率(OSR,over sampling rate)。

本设计使用32.768 MHz的晶振作为主时钟，设置主时钟分频系数MCLKDIV为8，此时ADC调制器的实际采样率为4.096 Msps，配合外部抗混叠滤波器，如图11所示，对外部混叠进入系统的干扰信号具有-151 dB的衰减作用。设置内部数字滤波器的过采样率FILTEROSR为64，经计算得数据输出速率ODR(Hz)=64 kSPS。设置ADC不同配置对带宽和噪声的影响如表1所示，此时-3 dB带宽为27.7 kHz。噪声只有 7.37 μV，能够满足设计需要。

表1 不同ADC设置的带宽及噪声

表2 感器参数对比

5 比对实验

5.1 传统无线传感器与参考传感器对比实验

本实验采用美国PCB公司生产的振动传感器“352C33”作为参考传感器，在对拖电机试验台上进行对比实验。

实验条件为：

1)对拖电机转速为1 400 rpm。

2)同一测点采集振动信号。

3)传感器与测试平台采用强力胶水连接方式。

将两传感器采集到的数据分别计算频谱图，如图13所示。可以看出，无线振动传感器在2 500 Hz左右有明显的其他频点信号存在，由于是在同一工况下测量，所以可以判定干扰信号为无线振动传感器内部问题导致。

图13 传感器频谱图

5.2 改进无线传感器与参考传感器对比实验

根据仿真过的传感器优化模型，制作新型结构传感器，并在对拖电机试验台上进行对比测试，如图15所示。

如图14所示，优化后的无线振动传感器频率响应范围得到了明显改善，同一工况下测试改进无线传感器与参考传感器采集到的数据对比可知，振动频率成分在6.25 kHz之前都能保证较好的一致性，相对于传统无线振动传感器频响范围提高了7.96 dB。

图14 新型结构传感器测量结果

6 结束语

针对传统无线振动传感器频率响应带宽窄的问题，本文提出一种提高无线振动传感器频响带宽的方法，从结构设计、振动探头设计、信号链设计和模数转换器设计4个方面对传统无线振动传感器进行了改进。结构改进使用Solidworks建立3D模型，并使用ANSYS仿真软件进行软件仿真分析。探头电路设计使用先进的MEMS芯片作为敏感元件，并且兼容常用压电式振动传感器常用的IEPE接口。信号调理链路和模数转换器的设计满足高频响要求的同时充分考虑抗混叠和高信噪比的设计经测试和认证，采用优化模型所开发的无线振动传感器具有较高的频率响应范围。

改进型优化模型传感器的改进方法为：

1)简化振动探头调理电路，使用兼容传统压电式振动传感器的IEPE接口。

2)将传统无线振动传感器内部振动探头单独封装，严格控制探头外形尺寸。

3)防止干扰信号传递，振动探头与传感器本体之间采用柔性线缆连接。

4)根据考虑传感器驱动电流、传感器线缆寄生电容、关注信号的最高频率和输出信号最大幅值确定恒流源输出电流的大小。

5)根据关注信号频率确定抗混叠滤波器的截止频率。

6)选择∑-Δ型ADC作为模数转换器件，并且与抗混叠滤波器配合设置合适的采样率、过采样倍数、数字滤波器截止频率等参数。

经测试，优化后的振动传感器相对于传统无线振动传感器频响范围提高了7.96 dB。