對于機電設備管理和維護工作者來說，眾多機電設備的工組狀態如何，是否需要維修，是一個普遍存在的問題。通常機電設備管理人員采用的方法是不管設備狀態如何都定時進行維修。這種策略有很多不利后果。一方面容易造成維修浪費，而且維修過程容易損壞狀態良好的機電設備；另一方面部分設備沒有到維修時間就已經發生了故障，會造成巨大的損失甚至災難。因此設計一套系統來檢測、管理機電設備的狀態，并對故障提供輔助診斷是很有現實意義的。
1 硬件設計
　　系統由便攜式數據采集裝置和信號分析及故障診斷軟件構成。便攜式數據采集裝置在現場采集數據并做簡單診斷。采集完畢后，將帶回數據的傳送給計算機系統，供信號分析及故障診斷軟件進行數據管理和分析診斷。便攜式數據采集裝置的硬件框圖如圖1所示。

1．1 傳感器單元
　　振動量的測量采用三角剪切式電荷輸出加速度傳感器。此傳感器結構的特點是采用三個壓電元件成三角形排列，壓電元件只有受到剪切力時才能在圓筒內外表面電極上產生電荷，其他方向的作用力都不會在電極上產生電荷，而且彈簧系統與外殼隔開，所以此種傳感器有很好的環境隔離效果，即它的基座應變靈敏度、聲靈敏度和瞬變溫度靈敏度、磁靈敏度都很小。另外，剪切型加速度傳感器具有很高的固有頻率，頻響范圍很寬，特別適用于高頻振動的測量，而且橫向靈敏度小。
　　值得注意的是，對于某些機電設備的小電機電流信號，采用普通鉗形電流變送器精度不夠，漏磁不可忽略，需采用高精度鉗形電流變送器。該變送器待測定導線的最大直徑為8mm，漏磁極少，外形尺寸小巧，使用方便，特別適合機電設備的小電動機交流信號的測量。
1．2 前置放大單元
　　振動信號輸入通道采用前置放大單元。前置放大器的作用有兩個：(1)把壓電加速度傳感器的高輸出阻抗(約為10⁸ Ω)經阻抗變換變成低輸出阻抗，便于后續部分處理。(2)把壓電加速度傳感器輸出的微弱電荷信號放大成電壓信號，輸出的電壓與輸入的電荷量成正比。
　　電荷放大器" title="電荷放大器">電荷放大器由一個輸入阻抗極高、開環增益也很高的運算放大器AD522和一個由電阻、電容組成的負反饋網絡組成，其等效電路如圖2所示。圖2中，q為加速度傳感器產生的電荷，C₁為加速度傳感器電容，C₂為電纜電容，C₃為放大器輸入電容，C_f為反饋電容，R_f為反饋電阻，E為電荷放大器輸出電壓。分析等效電路可以發現，電荷放大器的輸出電壓僅與輸出電荷及反饋電容有關，而與加速度傳感器與放大器之間連接電纜長度無關。

　　后續的程控放大單元則根據鍵盤輸入有選擇性地對電壓、加速度、速度、位移信號進行放大。
1．3 濾波單元
　　低通濾波器用于ADC之前，以降低高頻噪聲。濾波單元采用美國MAXIM公司的MAX系列濾波器集成電路，采用的IC轉折頻率大于10kHz，輸入阻抗大于22kΩ。濾波器的階數必須考慮三個參數：信號的最大頻率、噪聲的預期幅值和轉換器ADC的最低有效位數(LSB)。最常用的濾波器逼近類型有Butterworth、Bessel和Chebyshev。Butterworth濾波器的幅頻特性曲線在通帶中幅值響應的平坦度最好，轉換頻帶的衰減率好于Bessel， 但是不如Chebyshev濾波器；阻帶沒有振蕩；但在時域上有過沖和振蕩，而小于Chebyshev濾波器。Chebyshev低通濾波器轉換頻帶的衰減率比Butterworth和Bessel濾波器的走勢要陡。例如，5階Butterworth的響應才能達到 3階Chebyshev的轉換帶寬。Bessel濾波器通帶中有平坦幅度響應,過了通帶后，轉換頻帶的衰減率比Butterworth或者Chebyshev濾波器的低，且阻帶中沒有振蕩；其階躍響應是上述所有濾波器中最好的，過沖和振蕩都極小。經過試驗研究，本系統設計的濾波器為四階Butterworth濾波器。
1．4 微處理部分
　　(1) A/D轉換單元。本系統采用AD574A集成器件。AD574A是12位逐次逼近式轉換器，孔徑時間為35μs。由模擬芯片和數字芯片混合集成。
　　(2)單片計算機。本系統采用AT89C51單片機。AT89C51帶有4KB閃速可編程可擦除存儲器(E²PROM)，128B片內RAM，兩個16位定時/計數器，6個中斷源，帶有可編程串行UART通道，直接LED輸出驅動。
　　(3)擴展程序存儲器。由于AT89C51自帶的程序存儲器只有4KB，因此需要擴展。本系統采用Intel27512，為64KB的EPROM，16條地址線。
　　(4)擴展數據存儲器。由于采集的數據量較大，本系統采用64KB的28512E2 PROM，總共兩片。
2 軟件設計
2．1 算法設計
　　(1)快速傅立葉變換(FFT)算法。FFT的分析誤差很大程度上來自采樣窗口和實際波形的同步不嚴格，造成頻譜泄漏。為消除頻譜泄漏引起的誤差，按照GB/T14549-1993要求，只允許使用矩形窗和漢寧窗。使用矩形窗時窗口間不能有間隔和重疊。為減少信號的混疊和頻譜泄漏，本系統采用漢寧窗處理。
　　(2)共振解調算法。故障沖擊信息因被常規的振動所掩蓋，直接對它作FFT分析得到的低頻譜圖中，幾乎看不到表明故障的沖擊特征信息。而故障沖擊的共振解調波(包絡波)對故障沖擊信息進行了放大和展寬并剔除了常規的振動，并且共振解調波與原始的故障沖擊信息一一對應，因此共振解調的信號處理過程，具有很好的信噪比。經過共振解調的譜圖，就沒有了常規振動譜線的干擾，故障沖擊的譜線也就清晰可見了。共振解調用Hilbert變換來描述。設是采集離散時間序列數據，其Hilbert變換如下：
　　
　　(3)功率譜" title="功率譜">功率譜的計算。離散信號x(n)的功率譜密度的估計式為：由數據x(n)利用快速傅立葉變換(FFT)計算其幅值譜X(n)，則。
　　(4)自相關函數的計算。離散信號x(n)的自相關函數的估計式為:
　　
　　直接按照上式編排程序計算費時很多。本系統采用快速傅立葉逆變換(IFFT)進行，對做IFFT得。
　　(5)對數譜的計算。離散信號x(n)的對數譜為A(n)=20lgX(n)。許多故障信號往往反映在信號的邊頻分量和諧波分量上，雖然其變化的量級有的很大，但相對于基頻分量(往往是轉頻)，幅值仍然較小，甚至是相當微弱的。圖3是某一實測信號數據的幅值譜，不容易觀察到其變化的程度，這時可以采用對數譜。對數譜實際上是加權譜。對強信號給予小的權值，對弱信號給予大的權值，從而可以容易看出故障信號。圖4是同一信號數據的對數譜，顯然，在整個分析頻率內可以觀察到除主頻之外的其他重要邊頻。

　　(6)倒頻譜的計算。幅值倒頻譜C_x(ω)是對功率譜取對數再進行傅立葉逆變換。倒頻譜可以分離時域中的卷積信號，可以清楚地檢測分離幅值譜中含有的周期分量，包括邊頻信號和諧波。

2．2 通信模塊設計
　　通信模塊主要完成計算機與便攜式數據采集器之間的數據傳遞。通信接口采用RS-232標準串行接口" title="串行接口">串行接口。便攜式數據采集器利用89C51的串行I/O接口進行全雙工方式通信，傳輸的波特率設置為1.2Kbps，數據采集器的通信程序采用匯編語言設計。89C51單片機串行接口的輸入輸出電平均為TTL電平，因此在片外連接了RS-232電平轉換電路，采用集成芯片MAX232來實現。
　　計算機一般有兩個串行接口COM1和COM2，符合RS-232標準的異步通信接口。如果沒有串行接口，可以通過USB/串行接口轉換線來連接。
　　計算機的通信程序采用與界面設計相同的語言Visual BasicVB來設計。用VB設計串行通信程序有二種方法：調用Windows的API函數和Visual Basic的通信控件。VB通信控件包含在VB套裝軟件中，文件名為MSCOMM.VBX。本系統用Visual Basic設計一個程序用來發送數據傳送指令，通過MSComm控件來實現。MSComm控件有兩種處理通信的方式：事件驅動方式和查詢方式。本系統采用事件驅動方式。利用MSComm控件的OnComm事件捕捉處理通信，OnComm事件的發生由CommEvent屬性值的變化引起。
2．3 界面模塊設計
　　界面采用Visual Basic設計。將峰值頻率以及峰值都標注在頻譜圖旁邊，將頻譜、波形、數據文件和子相關、時域診斷、波形分析、幅值譜、功率譜、對數譜、倒頻譜功能都集中在“波形瀏覽及分析”一個窗口中，并將峰值和峰值頻率標注在界面中，使用很方便，如圖5所示。