便携式可视化舰船设备结构振动测试仪

摘要

本发明涉及一种便携式可视化舰船设备结构振动测试仪，电源管理模块、传感器模块、信号调理模块、A/D转换模块、FPGA模块、液晶显示模块和外扩数据存储器集成为一体，形成便携式振动测试仪，电源管理模块包括基准电压的提供单元和充电单元；传感器模块将被振动信号转换成电压信号，并将电压信号输入信号调理模块；信号调理模块将传感器模块输入的微弱信号放大，为A/D转换提供信号；A/D转换模块将信号调理模块输入的模拟信号转换成数字信号，供FPGA进行数据处理；FPGA模块用于振动信号处理，将处理数据传入液晶显示模块和外扩数据存储器。本发明可以实现对舰船设备结构振动的快速测试和分析。

说明书

技术领域

本发明涉及一种舰船设备结构振动测试仪，尤其是一种便携式可视化舰船设备结构振动测试仪。

背景技术

目前，国内外舰船设备振动的采集分析主要以通用振动测量系统和手持式振动分析仪为主。通用振动测量系统包含加速度传感器、动态信号采集与分析系统、电脑、低噪声电缆以及其他必须的配件。例如，使用CPLD和DSP为核心构建了实时船舶振动监测系统，并使用CAN总线搭建了振动系统采集网络，振动数据经AD采集后在DSP中进行FFT变换和FIR滤波，把处理后的频域数据发送到CAN总线。还有基于ARM微处理器构建了嵌入式船舶振动监测系统，三轴加速度信号由ARM自带AD采集，并存储在32Mbit的Flash存储器中。通用振动测量系统较为复杂，常规采集系统需要对设备的供电、传感器及数据传输进行布线，受船上其他设备的影响振动测量系统的线路会引入噪声，难以达到较高的测量精度，并且大量的线路还会影响船上人员的正常工作。

一台具有良好性能的振动分析仪往往价格不菲，Fluke 810振动分析仪的价格达到五位数，价格过于昂贵。大型船舶结构复杂，在大型船舶中有许多重要的结构点和设备需要进行振动监测，需要进行振动测量的位置可以达到几十个甚至上百个，因此使用国外振动分析仪需要较大的经济代价。另外，由于振动采集装置要在船舶上进行多点布置，且船上环境复杂，难以使用船电供电，因此要求整个采集装置必须使用电池供电，同时要具有较低的功耗。

而通用振动测量系统包含加速度传感器、动态信号采集与分析系统、电脑、低噪声电缆以及其他必须的配件。振动测试系统复杂、体积大，需要船体对测试设备进行供电，布置测试线缆繁琐，对测试人员具有较高专业技术要求，因此，将通用振动测试系统用于舰船设备的振动测试具有一定的局限性。

发明内容

本发明是要提供一种便携式可视化舰船设备结构振动测试仪，可以实现对舰船设备结构振动的快速测试和分析；可以实时、直观地获取设备振动测试结果，省去了测试系统搭建、测试数据分析、测试结果评判等流程；可以大幅提高舰船设备现场调试人员的工作效率。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种便携式可视化舰船设备结构振动测试仪，包括电源管理模块、传感器模块、信号调理模块、A/D转换模块、FPGA模块、液晶显示模块、外扩数据存储器，所述电源管理模块、传感器模块、信号调理模块、A/D转换模块、FPGA模块、液晶显示模块和外扩数据存储器集成为一体，形成便携式设备结构振动测试仪，其中：

所述电源管理模块包括基准电压的提供单元和充电单元，为结构振动测试仪提供电源；所述电源管理模块中的锂电池电压经过开关电源模块转换为各模块的供电电压；

所述传感器模块为压电晶体加速度传感器，所述压电晶体加速度传感器将被振动信号转换成电压信号，输出的电荷信号与加速度成正比，并将电压信号输入信号调理模块；

所述信号调理模块将传感器模块输入的微弱信号放大，并且进行滤波，为A/D转换提供信号；

所述A/D转换模块将信号调理模块输入的模拟信号转换成数字信号，供FPGA进行数据处理；

所述FPGA模块用于振动信号处理，并将处理数据传入液晶显示模块和外扩数据存储器。

进一步，所述液晶显示模块为模块化液晶显示模块，模块化液晶显示模块中线路板将RAM、ROM和驱动控制电路与LCD连接起来，通过提供电源和输入信号即可工作用户输入相应的数据即可实现各种字符和图形的显示。

进一步，所述外扩数据存储器用于保存数据供FPGA模块进行数据处理。

进一步，所述外扩数据存储器选择使用ATMEL公司256kbit串行电可擦的可编程只读存储器AT24C256。

进一步，所述信号调理模块由电荷放大器、高增益电压放大器、低通抗混淆滤波器组成。

进一步，所述FPGA模块选用ALTERA公司的EP3C16芯片，该芯片具有15408个逻辑单元，160个可使用I/O口，具有63KB的片上RAM，内嵌56个18*18位的乘法单元。

本发明的有益效果是：

本发明解决了振动测试系统结构复杂、对测试人员要求高等问题，同时满足舰船设备振动测试的需求。

本发明实现了结构振动测试仪具有便携式、可视化的特点，与此同时具备振动测试、数据处理与分析、测试结果显示等功能，无需外部电源。

本发明实现了对舰船设备结构振动和振动烈度的快速测试和分析；可以实时、直观地获取设备振动测试结果，省去了测试系统搭建、测试数据分析、测试结果评判等流程；可以大幅提高舰船设备现场调试人员的工作效率。

附图说明

图1是本发明的结构振动测试仪总体结构框图；

图2是设备结构振动测试方案示意图；

其中：(a)主视图，(b)俯视图；

图3是结构振动测试仪效果图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

如图1，3所示，本发明的便携式可视化舰船设备结构振动测试仪，包括：

1.电源管理模块

电源管理模块包括基准电压的提供单元和充电单元；作为便携式设备，待机时间是一个非常重要的指标。因此本发明设计了一个高效率的电源系统，为结构振动测试仪提供电源。锂电池电压经过开关电源模块转换为系统各模块的供电电压。采用开关电源模块供电可以提高电池的效率，并且开关电源仅占用很小的体积。

2.传感器模块

在本实施例中，便携式可视化结构振动测试仪使用压电晶体加速度传感器，将被振动信号转换成电压信号，输出的电荷信号与加速度成正比。其输出阻抗很大，固有频率比较高，能够适用于舰船设备振动的变化范围。该传感器模块选择使用北京京仪北方仪器有限公司的压电式加速度传感器YD12。

3.信号调理模块

信号调理模块的主要功能是将传感器输入的微弱信号放大，并且进行必要的滤波，为A/D转换提供信号。本发明的信号调理电路主要由电荷放大器、高增益电压放大器、低通抗混淆滤波器组成。

4.A/D转换模块

A/D转换模块的作用是将模拟信号转换成数字信号，供FPGA进行数据处理。ADC模块选择了ADI公司的AD7656，芯片内部有6个16位的逐次逼近型ADC，并且集成在一个封装中，吞吐速率可以达到250k SPS。将AD芯片的三路转换控制信号接在一起可同时对三路振动信号进行采样，保证采样的同步性。并且AD7656通过引脚STBY可设置为待机状态，在待机模式下AD的工作电流仅为60u A，可以大大节省系统待机时的功耗。船舶振动采集装置主要采集中、低频段内的振动信号，频率范围大约在3到2k Hz之间，将AD7656的采样频率设置为10k Hz，达到信号频率的5倍以上。

5.FPGA模块

FPGA(Field-Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列，被广泛的应用于嵌入式系统开发领域。FPGA模块是仪表的核心，根据设计要求，装在其内部EPROM中的监控程序应包括数据采集、数据处理、滤波等功能。由于FPGA可重新进行配置，使用FPGA进行开发的灵活性较高，相比于传统MCU，FPGA由于使用硬件实现逻辑，速度更快性能更稳定。本测试仪选用的EP3C16芯片是ALTERA公司生产的低功耗、高性能和低成本FPGA芯片，运行速度依据外部晶振速度，可在50MHz速度下运行。该芯片具有15408个逻辑单元，160个可使用I/O口，具有63KB的片上RAM，内嵌56个18*18位的乘法单元，能够满足本项目对主控运算芯片的要求。FPGA的片上RAM可以为数据处理提供足够的缓存空间，而内嵌的乘法器可以方便快速的实现数据的运算，为振动信号处理的实时性提供了保证。

FPGA作为一种能够并行执命令的芯片，在代码速度及稳定性上优于单片机等下位机，并且大部分FPGA具有片内RAM及较为充足的可配置双向I/O口。FPGA内部具有IP(Intellectual Property)内核模块，将一些通用的功能如FFT变换、FIR滤波等设计为可修改参数的模块，IP核通用性好，正确性有100％保证，可移植性好。

6.液晶显示模块

本测试仪使用的液晶是模块化的，就是在线路板将RAM、ROM和驱动控制电路与LCD连接起来，只须提供电源和输入信号即可工作，这种液晶显示器，称之为液晶显示模块(LCM)。这种模块能直接同CPU总线连接，从CPU接收数据和命令，用户只需输入相应的数据即可实现各种字符和图形的显示。

7.外扩数据存储器

数据存储器可以保存数据供单片机进行数据处理。本测试仪选择使用ATMEL公司256kbit串行电可擦的可编程只读存储器AT24C256。其具有结构紧凑、存储容量大等特点，可以在2线总线上并接4片该I

在本发明中，选择使用数据存储器AT24C256，其优点主要表现在：

(1)简化了硬件电路在这种总线中只需要两根线，即串行数据线(SDA)和串行时钟线(SCL)，避免了再扩充I/O口。

(2)每个挂在总线上的I

(3)I

便携式可视化结构振动测量传感器在设备上进行结构振动测试的方案，见图2的(a)，(b)，其中0#测点为主传感器，1#-3#测点为次传感器。结构振动测试流程如下：

1)在设备机脚上安装4个传感器(也可以为6个、8个等)；

2)待设备(振源)稳定运行时，测试设备机脚位置的结构振动，测试频率范围为10Hz-10kHz；

3)每个传感器对测试数据进行预处理，分析得到所在测点的1/3倍频程总振级，并实时显示在传感器显示界面上；

4)主传感器接收其他次传感器测试得到总振级数据，并计算所有测点振动的均方根值，实时显示在传感器显示界面上。

由于本测试仪需要设计开发将仪器供电、数据传感、采集、处理与分析、存储、显示集成于一体的振动测试仪。因此需要综合考虑振动测试仪的体积、质量、供电方式、经济性等因素。将通用测试系统所具备的多数功能集成化于一体，这是本发明的关键。

本发明具备测试结构振度、数据处理与分析、测试结果显示等功能，无需外部电源。可以实现对舰船设备结构振动快速测试和分析；可以实时、直观地获取设备振动测试结果，省去了测试系统搭建、测试数据分析、测试结果评判等流程；可以大幅提高舰船设备现场调试人员的工作效率。