專利名稱：數(shù)字式?jīng)_擊振動記錄分析儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種可對設備在運輸、儲存和工作過程中所經(jīng)受的碰撞、跌落、撞擊、滑動、翻滾等沖擊和振動事件進行監(jiān)測的記錄儀，特別是該記錄儀可隨設備長時間獨立工作，將設備所經(jīng)受的所有沖擊和振動事件的波形和時間進行實時記錄，并可通過數(shù)據(jù)接口將記錄數(shù)據(jù)上傳到臺式計算機進行后期處理和分析。
背景技術：
沖擊和振動是導致設備故障或損壞的主要因素之一，尤其是超過設備承受能力的沖擊和振動事件更是如此。通過監(jiān)測設備所承受的沖擊和振動可盡早避免或發(fā)現(xiàn)設備所受的損傷；揭示設備由于沖擊或振動而導致?lián)p壞的機理，以改進操作規(guī)程或控制環(huán)境從而降低設備故障率，提高設備可靠性；如果發(fā)生事故，可據(jù)此確定事故原因、責任單位和責任人；更可據(jù)此改進設備的設計和制作，從根本上提高設備的可靠性和環(huán)境適應性。
目前，現(xiàn)場使用的沖擊振動記錄儀有機械式記錄儀和電子式記錄儀兩種，它們各有其不足，難以滿足復雜的現(xiàn)場記錄要求。
機械式記錄儀采用機械式過載傳感器、機械式過載信息傳遞裝置、記錄紙和針式記錄方式，在應用中存在如下不足敏感沖擊和振動事件的能力有限。機械式傳感器敏感的振動頻率一般不超過70赫茲，相對誤差難以小于10％，同時不能提供事件發(fā)生的時間信息。
機械式記錄儀的體積和重量較大，安裝和使用不便。
由于機械裝置的固有特點，機械式記錄儀長時間使用的可靠性較低。
機械式記錄儀受記錄方式和記錄紙長度的限制，可記錄信息極為有限。
電子式記錄儀多采用壓電傳感器和專用電荷放大器，放大后的信號再經(jīng)計算機處理，以全數(shù)字方式進行記錄和存儲，但由于整個設備無法一體化，導致使用上存在如下不足由于傳感器必須直接安裝在設備上，而記錄儀的處理部分又獨立存在，兩部分用信號線連接，安裝和使用極為不便。
設備能耗較大，長時間工作必須有外部電源供電，無法長時間獨立工作。
現(xiàn)有的記錄儀僅能記錄沖擊或振動事件的幅值，不能記錄事件發(fā)生的方向、時間長度和頻率特性等指標。
容易損壞。記錄儀分開安裝，連線極易損壞，從而導致整個記錄儀失效。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種可長時間獨立工作的數(shù)字式?jīng)_擊振動記錄分析儀，其內(nèi)置有微處理器，可長時間獨立工作，并可以完整記錄被監(jiān)測對象發(fā)生的沖擊振動事件的發(fā)生時間、方位、幅值、頻率、持續(xù)時間等特征，從而較好地克服上述機械式?jīng)_擊振動記錄儀和電子式?jīng)_擊振動記錄儀的不足。
為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用以下技術方案一種數(shù)字式?jīng)_擊振動記錄分析儀，包括串行通信接口電平轉(zhuǎn)換電路、日歷時鐘電路、沖擊振動數(shù)據(jù)采集模擬輸入部分、微處理器、存儲器；所述沖擊振動數(shù)據(jù)采集模擬輸入部分包括Z軸傳感器、Y軸傳感器、X軸傳感器，該三軸傳感器的電路結構相同，每一軸傳感器由沖擊振動電子傳感器、運算放大器、模擬電平匹配電路組成；沖擊振動電子傳感器的輸出端與運算放大器的輸入端連接，運算放大器的輸出端與模擬電平匹配電路的輸入端連接；微處理器由單片機和外圍電路組成；所述三軸傳感器的模擬電平匹配電路的三個輸出端分別與單片機的三個輸入/輸出端口連接；單片機的輸入/輸出端口與存儲器連接；單片機的串行信號端口與日歷時鐘電路連接；單片機的輸入/輸出端口經(jīng)過串行通信接口電平轉(zhuǎn)換電路與串行通信接口連接。
所述單片機的四個輸入/輸出端口分別與存儲器的主入從出信號端口SO、主出從入信號端口SI、時鐘信號輸入端口SCK、片選信號輸入端口CS連接；單片機的串行時鐘信號端口與日歷時鐘電路的端口SCL連接，單片機的串行數(shù)據(jù)信號端口與日歷時鐘電路的端口SDA連接；單片機的兩個輸入/輸出端口分別與串行通信接口電平轉(zhuǎn)換電路的端口T1IN和端口R1OUT連接，串行通信接口電平轉(zhuǎn)換電路的端口T1OUT、R1IN與串行通信接口RS232C連接。
本實用新型采用以上技術方案后，具有如下優(yōu)點
可以完整記錄被監(jiān)測對象發(fā)生的沖擊振動事件的發(fā)生時間、方位、幅值、頻率、持續(xù)時間等特征。
可長時間獨立工作200天甚至更長。
記錄數(shù)據(jù)的精度高、噪聲小。
記錄儀體積小、重量輕，可通過螺栓進行緊固連接，也可將其直接放入被監(jiān)測環(huán)境中，對外部無其它任何要求，安裝和使用極為方便。
記錄數(shù)據(jù)可永久保存(即使在斷電或掉電情況下)。
通過通信接口可將數(shù)據(jù)傳至計算機進行圖形化顯示和分析。
可通過計算機對記錄分析儀的工作參數(shù)進行設定，對其精度進行校準。


圖1為本實用新型一實施例的電路原理圖；圖2是圖1中沖擊振動電子傳感器、運算放大器、模擬電平匹配電路的電路原理圖；圖3是圖1中微處理器、存儲器、日歷時鐘電路的電路原理圖；圖4是圖1中串行通信接口電平轉(zhuǎn)換電路的電路原理圖；圖5是圖1中電源電路的電路原理圖；圖6是圖1中啟動記錄按鈕和狀態(tài)指示燈電路的電路原理圖。
具體實施方式
請參照圖1，本實用新型是一種可長時間獨立工作的數(shù)字式?jīng)_擊振動記錄分析儀，包括沖擊振動數(shù)據(jù)采集模擬輸入部分、電源電路、啟動記錄按鈕和狀態(tài)指示燈電路、微處理器、存儲器、日歷時鐘電路、串行通信接口電平轉(zhuǎn)換電路。
本實用新型的電路結構如下請參照圖2，所述沖擊振動數(shù)據(jù)采集模擬輸入部分包括Z軸傳感器、Y軸傳感器、X軸傳感器，該三軸傳感器的電路結構相同，每一軸傳感器由沖擊振動電子傳感器、運算放大器、模擬電平匹配電路組成；沖擊振動電子傳感器的輸出端與運算放大器的輸入端連接，運算放大器的輸出端與模擬電平匹配電路的輸入端連接。
所述沖擊振動電子傳感器由ADXL150型號的集成電路芯片U5構成，運算放大器由OPA349型號的集成電路芯片U2構成，模擬電平匹配電路由電阻R27、R28構成，沖擊振動電子傳感器U5的輸出端Vout經(jīng)過電容C27、電阻R26與運算放大器U2反相輸入端連接，運算放大器U2的輸出端經(jīng)過電阻R19與運算放大器U2反相輸入端連接，運算放大器U2的輸出端經(jīng)過電阻R27、電阻R28接地電位，電阻R27、電阻R28之間的接點為模擬電平匹配電路的輸出端。
請參照圖3，微處理器由單片機和外圍電路組成；所述三軸傳感器的模擬電平匹配電路的三個輸出端分別與單片機的模擬信號輸入端口P1.2、P1.1、P1.0連接。
單片機的輸入/輸出端口P0.4、P0.3、P0.2分別與存儲器的主入從出信號端口SO、主出從入信號端口SI、時鐘信號輸入端口SCK連接；單片機的輸入/輸出接口P3.0與存儲器的片選信號輸入端CS連接。
單片機的串行時鐘信號端口P0.7與日歷時鐘電路的端口SCL連接，單片機的串行數(shù)據(jù)信號端口P0.6與日歷時鐘電路的端口SDA連接。
所述微處理器由C 8051F124型號的單片機U6及其外部復位電路、晶振電路構成，復位電路由電阻R3、電阻R4、電容C5、電容C6組成，電阻R4的一端與電源VCC連接，電阻R4的另一端串聯(lián)電容C5后與地電位連接，電阻R3的一端連接在電阻R4與電容C5之間的接點上，電阻R3的另一端經(jīng)過開關RESET地電位連接，電容C6與開關RESET并聯(lián)，單片機U6的復位端RST連接；晶振電路由晶振CRY2、電容C29、電容C30構成，電容C29連接在單片機U6的振蕩信號輸入端XTAL1與地電位之間，電容C30連接在單片機U6的振蕩信號輸入端XTAL2與地電位之間，晶振CRY2跨接在單片機U6的振蕩信號輸入端XTAL1和XTAL2之間。
所述存儲器由AT45DB081型號的集成電路芯片U9構成。
所述日歷時鐘電路由S3530A型號的集成電路芯片構成U11及其外部晶振電路構成，晶振電路由晶振CRY1、電容C35構成；晶振CRY1跨接在U11的振蕩信號輸入端XIN和Xout之間，電容C35連接在U11的振蕩信號輸入端XIN與地電位之間。
請參照圖3和圖4，單片機的輸入/輸出端口P0.0與串行通信接口電平轉(zhuǎn)換電路的端口T1IN連接，單片機的輸入/輸出端口P0.1與串行通信接口電平轉(zhuǎn)換電路的端口R1OUT連接，串行通信接口電平轉(zhuǎn)換電路的端口T1OUT、R1IN與串行通信接口RS232C連接。
請參照圖5，所述電源電路由LP2980-3.0型號的集成電路芯片U1、LP2980-5.0型號的集成電路芯片U4及電容C1、電容C2、電容C3、電容C4、電容C25、電容C24組成，集成電路芯片U1的信號輸入端IN經(jīng)過開關POWER_SW與電池的正極連接，集成電路芯片U1的接地端VSS與地電位連接；電容C1跨接在集成電路芯片U1的信號輸入端IN與接地端VSS之間；電容C2跨接在集成電路芯片U1的信號輸出端OUT與接地端VSS之間；電容C4與電容C2并聯(lián)；集成電路芯片U1的信號輸出端OUT分別與微處理器的電源端口VDD、存儲器的電源端口VCC、日歷時鐘電路的電源端口Vdd連接。
集成電路芯片U4的信號輸入端IN經(jīng)過開關POWER_SW與電池的正極連接，集成電路芯片U4的接地端VSS與地電位連接；電容C24跨接在集成電路芯片U4的信號輸入端IN與接地端VSS之間；電容C3跨接在集成電路芯片U4的信號輸出端OUT與接地端VSS之間；電容C25與電容C3并聯(lián)；集成電路芯片U4的信號輸出端OUT分別與沖擊振動電子傳感器電源端口、運算放大器的電源端口連接。
請參照圖6，啟動記錄按鈕和狀態(tài)指示燈電路主要由指示燈LED1、指示燈LED2、指示燈LED3、開關KEY、電阻R8、電阻R34、電阻R35、電阻R36組成。啟動記錄按鈕KEY與單片機的輸入/輸出端口P2.0連接，三個指示燈LED1、LED2、LED3分別與單片機的輸入/輸出端口P3.7、P3.5、P3.6連接。
本實用新型的電路原理如下如圖1所示，本實用新型由沖擊振動電子傳感器、運算放大器、模擬電平匹配電路、微處理器、存儲器、日歷時鐘電路、串行通信接口電平轉(zhuǎn)換電路、啟動記錄按鈕和狀態(tài)指示燈電路以及電源電路組成。可通過用螺栓直接固定在被監(jiān)測對象上或放置在被監(jiān)測環(huán)境中來記錄沖擊振動事件；殼體上有操作按鍵、指示燈和通信接口；三個沖擊振動電子傳感器分別與相應的數(shù)據(jù)采集模擬電路相連，三個用于數(shù)據(jù)采集的模擬電平匹配電路與單片機U6的輸入/輸出端口P1.0、P1.1、P1.2相連，經(jīng)單片機U6處理的有價值的數(shù)據(jù)送入存儲器U9進行存儲。
本實施例是一種三軸沖擊振動記錄儀，由沖擊振動電子傳感器、運算放大器和模擬電平匹配電路組成沖擊振動數(shù)據(jù)采集模擬輸入部分。沖擊振動電子傳感器將沖擊振動物理量轉(zhuǎn)換成電信號(模擬信號)，送到運算放大器進行放大，經(jīng)模擬電平匹配電路轉(zhuǎn)換成0-2.4V電平(模擬信號)輸入到微處理器，由微處理器內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器2(ADC2)轉(zhuǎn)換成沖擊振動數(shù)據(jù)。沖擊振動數(shù)據(jù)及其發(fā)生的日期、時間由微處理器實時存入存儲器(Flash)。沖擊振動記錄數(shù)據(jù)經(jīng)由微處理器的串口、串行通信接口電平轉(zhuǎn)換電路、計算機串口輸入到計算機，以對其進行分析處理。日歷時鐘電路為沖擊振動記錄提供日期、時間。電源電路為DC-DC電源變換電路，為沖擊振動電子傳感器、運算放大器、模擬電平匹配電路提供5V電源，為其余部分提供3V電源。
如圖2所示，沖擊振動電子傳感器U5(ADXL150)及其外圍元件構成(Z軸)電子傳感器電路，沖擊振動電子傳感器U5將沖擊振動物理量轉(zhuǎn)換成模擬電量；U2(OPA349)及其外圍元件構成運算放大器，完成對模擬電量的放大、整形，電阻R19、電阻R26決定運算放大器U2放大增益，電容C27為傳感器輸出端(U5的10腳)與運算放大器U2的輸入耦合電容，其決定了模擬通道的帶寬；電阻R28、電阻R27組成模擬電平匹配電路，完成將運算放大器模擬輸出(U2的1腳)0-5V模擬信號轉(zhuǎn)換為0-2.4V，輸入到微處理器即單片機U6(C8051F124)的模擬輸入腳34。圖2給出了Z軸傳感器模擬通道電路圖，X、Y軸傳感器模擬通道的電路與Z軸完全相同，X、Y軸傳感器的模擬輸出信號分別接單片機U6模擬輸入腳36、35。
如圖3所示，微處理器主要由單片機U6(C8051F124)、晶振CRY2、上電復位和手動復位等電路組成。單片機U6是該記錄儀的控制核心。片內(nèi)集成了51單片機內(nèi)核，具有128K程序存儲器、8K數(shù)據(jù)存儲器，還集成了兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC1，ADC2)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、串行外設接口(SPI)、I2C總線、異步串行通信等外部接口。本實施例使用片內(nèi)8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC2、SPI、I2C、異步串行通信等資源。電阻R3、電阻R4、電容C5、電容C6等組成復位電路，完成上電復位和人工復位。晶振CRY2、電容C29、電容C30構成外部晶振電路。
存儲器由U9(AT45DB081)實現(xiàn)。主要用于存儲沖擊振動數(shù)據(jù)。U9為SPI接口的FLASH存儲器芯片(1M字節(jié))，直接與單片機U6的SPI接口連接，單片機U6工作在主方式，存儲器U9工作在從方式。主要接口連線如圖2所示SPI接口的片選信號Flashcs(U9的4腳)、時鐘信號SPICLK(U9的5腳)、主出從入信號SPIMOSI(U9的6腳)、主入從出信號SPIMISO(U9的7腳)分別接單片機U6的54、60、58、59腳；存儲器U9寫保護輸入信號FlashProtect(U9的25腳)、復位輸入信號FlashReset(U9的24腳)、準備就緒輸出信號FlashReady(U9的23腳)分別接U6的53、51、52腳。
日歷時鐘電路由集成電路芯片U11(S3530A)、晶振(CRY1)、電容(C35)組成，主要功能在記錄儀工作時向單片機U6提供日歷時鐘。U11采用I2C總線接口方式，直接與單片機U6的I2C總線接口。日歷時鐘電路I2C總線的串行時鐘信號I2CSCL(U11的6腳)、串行雙向輸入輸出數(shù)據(jù)信號I2CSDA(U11的7腳)分別接單片機U6的55、56腳。
如圖4所示，串行通信接口電平轉(zhuǎn)換電路由集成電路芯片U3(MAX3221E)及外圍元件組成。集成電路芯片U3將單片機U6串行接口的3V電平轉(zhuǎn)換成RS232C電平，反之將RS232C收電平轉(zhuǎn)換成3V電平，完成單片機U6與計算機串行通信接口電平轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)記錄儀與計算機的通信。串行通信接口的作用通過PC對記錄儀進行初始化設置，對記錄的數(shù)據(jù)進行下載。單片機U6串口發(fā)信號TXD0(U6的62腳)送U3的11腳，由U3的13腳輸出到計算機串行通信接口收端，計算機串行通信接口的發(fā)送端輸入到U3的8腳，由集成電路芯片U3的9腳輸出到單片機U6串口接收端RXD0(U6的61腳)。集成電路芯片U3具有自動監(jiān)測接收電平功能，當檢測到無有效的RS232C接收電平時，自動關斷集成電路芯片U3電源，處于低功耗狀態(tài)。
如圖5所示，電源電路主要由集成電路芯片U1(LP2980-3.0)、U4(LP2980-5.0)、電容C1、電容C2、電容C4、電容C24、電容C25、電容C3、電阻R7組成。電容C1、電容C24為電源輸入濾波電容，電容C2、電容C4、電容C3、電容C25為電源輸出濾波電容。集成電路芯片U4將電池7.2V變換到5V(網(wǎng)絡標號VA)，向沖擊振動電子傳感器、運算放大器和模擬電平轉(zhuǎn)換電路供電，U4的5V輸出受單片機U6的44輸出腳控制。集成電路芯片U1將7.2V變換到3V(網(wǎng)絡標號VCC)，供其余電路使用。
如圖6所示，指示燈LED1、LED2、LED3的點亮與熄滅分別由單片機U6的47、49、48輸出腳控制；當啟動記錄按鈕KEY按下時，產(chǎn)生低電平信號(KEY_IN)經(jīng)46腳輸入單片機U6，通知單片機U6開始記錄。該信號平時為高電平。
權利要求1.一種數(shù)字式?jīng)_擊振動記錄分析儀，包括串行通信接口電平轉(zhuǎn)換電路、日歷時鐘電路，其特征在于它還包括沖擊振動數(shù)據(jù)采集模擬輸入部分、微處理器、存儲器；所述沖擊振動數(shù)據(jù)采集模擬輸入部分包括Z軸傳感器、Y軸傳感器、X軸傳感器，該三軸傳感器的電路結構相同，每一軸傳感器由沖擊振動電子傳感器、運算放大器、模擬電平匹配電路組成；沖擊振動電子傳感器的輸出端與運算放大器的輸入端連接，運算放大器的輸出端與模擬電平匹配電路的輸入端連接；微處理器由單片機和外圍電路組成；所述三軸傳感器的模擬電平匹配電路的三個輸出端分別與單片機的三個輸入/輸出端口連接；單片機的輸入/輸出端口與存儲器連接；單片機的串行信號端口與日歷時鐘電路連接；單片機的輸入/輸出端口經(jīng)過串行通信接口電平轉(zhuǎn)換電路與串行通信接口連接。
2.如權利要求1所述的數(shù)字式?jīng)_擊振動記錄分析儀，其特征在于所述單片機的四個輸入/輸出端口分別與存儲器的主入從出信號端口(SO)、主出從入信號端口(SI)、時鐘信號輸入端口(SCK)、片選信號輸入端口(CS)連接；單片機的串行時鐘信號端口與日歷時鐘電路的端口(SCL)連接，單片機的串行數(shù)據(jù)信號端口與日歷時鐘電路的端口(SDA)連接；單片機的兩個輸入/輸出端口分別與串行通信接口電平轉(zhuǎn)換電路的端口(T1IN)和端口(R1OUT)連接，串行通信接口電平轉(zhuǎn)換電路的端口(T1OUT)、(R1IN)與串行通信接口(RS232C)連接。
專利摘要本實用新型涉及一種可獨立長時間工作的數(shù)字式?jīng)_擊振動記錄分析儀，由沖擊振動電子傳感器、運算放大器、模擬電平匹配電路、微處理器、存儲器、日歷時鐘電路、串行通信接口電平轉(zhuǎn)換電路、啟動記錄按鈕和狀態(tài)指示燈電路以及電源電路組成。三個沖擊振動電子傳感器分別與相應的數(shù)據(jù)采集模擬電路相連，三個用于數(shù)據(jù)采集的模擬電平匹配電路與單片機相連，由微處理器轉(zhuǎn)換成沖擊振動數(shù)據(jù)。沖擊振動數(shù)據(jù)及其發(fā)生的日期、時間由微處理器實時存入存儲器，沖擊振動記錄數(shù)據(jù)經(jīng)由微處理器的串口、串行通信接口電平轉(zhuǎn)換電路、計算機串口輸入到計算機，對其進行分析處理，日歷時鐘電路為沖擊振動記錄提供日期、時間。
文檔編號G01M7/00GK2757243SQ20042011559
公開日2006年2月8日 申請日期2004年11月19日 優(yōu)先權日2004年11月19日
發(fā)明者劉立新 申請人:劉立新