振动状态采集方案意见征询

wildeer

有个小设备在2个状态时会有振动（不会同时出现，而是有先后顺序过度），在人的听觉频率范围内，现在想根据振动判断设备所处的状态，但只能通过与设备相连的玻璃进行间接测量，我的想法是通过振动分析锁定每个状态的频率范围（设备在不同负载下频率会有偏移，但不是很大，所以需要判断一个频带而不是频点，这2个状态的频带不会重叠），采样后做FFT变换，分别取这两个频带做卷积（计算频带内的总功率），比较其趋势，比如A频带的卷积结果开始增大，则认为设备进入A状态，稳定一段时间后A频带的卷积结果开始减小，此时B频带卷积结果开始增大，则认为设备已转入B状态。控制系统需要针对A、B状态做出反应。
振动分析在大学时学过，但从来没有用过，有些拿不准，请各位老师指导一下：
1、这个方案是否可行？
2、想买个振动分析仪，对各种不同负载的振动频率进行统计分析，确定两个状态的频段范围，不知道哪个性价比高，因只需要用这一次，所以不需要专业级的，请大家推荐一款（或者振动数据采集器，采集后在电脑里分析）。
3、短期想采用集成方案，想买现成的拾振器+数据分析模块，不知哪里有卖？
4、因为预测量比较大，所以未来需要将上述功能做成一个小部件，放在设备里面，这个部件只需要输出设备振动状态给单片机即可（状态A、B和非振动状态），希望做成一体的，包括探头、A/D采集转换、傅里叶变换、卷积和趋势分析等，我想用压电式拾振头+DSP，大家有什么好的方案？

谢谢！

westrongmc

1. 看上去可行，最好试验验证。另外，求频带内功率似不需要做卷积吧？把落在频带内的谱线对应的功率谱相加即可。
2. 一般的振动测试分析仪均具有这个功能。如仅需一次，租赁设备或者委托试验似乎更节省。
3. 如想买设备，可以联系我们 — 北京科尚仪器，链接：www.chinaksi.com
4. 功能部件，如对实时速度要求不高，    用压电加速度计（推荐IEPE型）+信号调理电路+集成ADC的单片机（如精度要求高，可用24位sigma-delta ADC+单片机）即可完成。

wildeer

谢谢！我也想过用功率谱计算，但有个问题我不太清晰：用功率谱的离散点相加，其结果与频率分辨率（或者说采样点数）是否有关系？比如分辨率高，谱线多，值可能会增加，但不知道带内总和是否不变或者相差不大，所以我想用卷积方式计算，这样跟频率分辨率应该无关。———这个概念我还得深入理解一下。

如果买淘宝上那种位移/速度/加速度测振仪，将数据导出来，不知是否可行？跟振动分析仪的结果是否差异大

关于做成专用部件，我另外一个想法是：能否做成限带的带通拾振头，即通过物理方式过滤掉其他无关频段信号，但要求带内信号响应敏感，输出一个时域的振幅信号，这样我就不需要转换到频域了，没有信号处理这些复杂的工作，这属于传感器领域的东西，不知是否可行？

westrongmc

wildeer 发表于 2015-1-4 13:35
谢谢！我也想过用功率谱计算，但有个问题我不太清晰：用功率谱的离散点相加，其结果与频率分辨率（或者说采 ...

1）进行FFT计算，会有泄漏的影响。不同点数，泄漏程度不一样，带内的结果会有差异，但不会太大（Parsevall能量守恒）。
2）淘宝上的那种，通常只能测量加速度峰值，速度总有效值，位移峰峰值吧？能导出时域采集数据吗？
另外，这种仪器的精度可能稍逊。
3）如果通过分析不同频带内的能量，可以判断状态。那么做成专门部件，应该可行，例如按下面的方式：
加速度计+信号调理（+带通滤波器）+真有效值电路（例如AD637）。

wildeer

1）那我可不可以这么理解：假设要测量的频段高频截止频率为F，低频截止频率为f，则可选采样频率为2F，频率分辨率为 F-f，采样点数 = 2F / (F-f），此时，FFT变换后的频带只有2点，只需将功率谱的这两点幅值相加即可得到带内总功率，倒是非常简便，只是这样采集和计算出来的结果误差会有多大？
2）淘宝上我的确问了很多家，都没有导出时域采集数据的，但我感觉这种数采器非常实用，为什么没有人做呢，我再找找看，有知道的帮我推荐一下。
3）您推荐的这个方式应该可行，就是有点不明白：ICP型压电加速度传感器一般都是0~5V输出，应该可以直接接AD，为何还要进行信号调理？我看有人这样用的。另外，采用真有效值电路时，带通滤波是必须的吧，否则干扰信号也会影响呀。
关于这个问题，能否如此：将加速度计设计成所需带内的共振器（机械式），对所需频带内信号强化输出，带外滤波，后面再加真有效值电路。这是我的设想，不知能否实现

westrongmc

wildeer 发表于 2015-1-5 12:06
1）那我可不可以这么理解：假设要测量的频段高频截止频率为F，低频截止频率为f，则可选采样频率为2F，频率 ...

1）按照你的这个做法，频率分辨率太大了，算不准。请看一下数字信号处理的书。
2）淘宝上那种测振仪，做点检设备用，粗略检查，宏观上了解设备的状态。要精密分析，还需要专业的动态信号分析仪。
3）ICP型的电压输出是+/-5V范围，不是0～5V。另外，信号调理的功能有：对传感器进行激励（针对ICP传感器，要进行恒流源激励，通常是4mA@24Vdc）、放大或衰减、滤波（针对ICP传感器，高通-去直流，低通-避免混叠等）、阻抗变换等等。
4）根据你的分析，要根据不同频段内的能量判断，因此要加带通滤波。
5）至于能否将加速度计设计成共振式的，要看具体设备的工作状态，似无必要，徒增麻烦。

wildeer

1）这样做肯定误差很大，一般都是采样频率 = 2.56*截止频率，问题是我并不需要关心频率分辨率，只关心带内总功率，此时该怎样选取采样点数呢？我看一般振动分析选400线（512点）以上，我觉得我这个应用根本不需要这么多点，选32，64，,128还是256点，点多了运算就复杂，芯片要求就高，成本也上去了
2）动态信号分析仪在做开发分析时是需要的，
3）仔细研究了一下ICP型输出，的确是需要信号调理，在淘宝上找到了这种模块，说是可以接ICP探头，买来试试再说
4）如果做到产品中，批量使用这种振动分析探头实在太贵了，至少1000多，不知道有没有更简便的解决方案，毕竟只需要测量固定频段内的信号强度，也不需要特别高的灵敏度

westrongmc

wildeer 发表于 2015-1-6 16:19
1）这样做肯定误差很大，一般都是采样频率 = 2.56*截止频率，问题是我并不需要关心频率分辨率，只关心带内 ...

设备的2种工作状态是什么？对于的频率范围大致是多少？

wildeer

一种在80~180Hz左右，一种在900~1300Hz左右

westrongmc

wildeer 发表于 2015-1-7 18:58
一种在80~180Hz左右，一种在900~1300Hz左右

有种直流电压供电的内装IC的压电加速度计，做成TO-5封装，只要+3～+5Vdc供电就可以正常工作了。这种的成本会低廉些。