РАЗРАБОТКА АРХИТЕКТУРЫ И ОСОБЕННОСТЕЙ
СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЙ И КОНСТРУКТОРСКОЙ
РЕАЛИЗАЦИИ СТЕНДА ВИБРОДИАГНОСТИКИ НА БАЗЕ
БЕСПРОВОДНЫХ ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМЫХ ДАТЧИКОВ
АКСЕЛЕРОМЕТРИЧЕСКОГО ТИПА
ВВЕДЕНИЕ 4
1. ГЛАВА 1: ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ 6
1.1. Постановка задачи 6
1.2. Существующие подходы, их недостатки и преимущества 6
1.2.1. Пленочные пьезоэлектрические акселерометры 7
1.2.2. Объемные интегральные акселерометры 8
1.2.3. Поверхностные интегральные акселерометры 10
2. ГЛАВА 2: СОДЕРЖАНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ 20
2.1. Математический аппарат 20
2.2. Архитектура системы 26
3. ГЛАВА 3: РЕАЛИЗАЦИЯ 36
3.1. Особенности реализации 36
3.2. Текущая реализация и её характеристики 38
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 52
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 54
ПРИЛОЖЕНИЯ
Цель работы - разработка архитектуры и особенностей схемотехнической и конструкторской реализации стенда вибродиагностики на базе беспроводных энергонезависимых датчиков акселерометрического типа.
Научная новизна работы состоит в разработке оптимальной схемотехнической реализации с минимальным количеством электрических элементов и высокой точностью измерений. Существенную новизну также представляет собой конструкторская реализация стенда вибродиагностики в виде распределенной беспроводной сети миниатюрных энергонезависимых датчиков, не влияющих на процессы эксплуатации и регламентных работ по системе.
Практическая ценность работы состоит в создании системы вибродиагностики, обладающей повышенными характеристиками
технологичности в производстве, обслуживании и применении, и позволяющей обеспечивать оценки реального времени состояния машин и агрегатов, без вмешательства в их регламентные процедуры обслуживания и эксплуатации.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
Акселерометры, виброанализ, регистрация и анализ колебаний, энергонезависимые датчики, децентрализованные системы связи, оптимизация, техническое состояние, надежность.
Работа затрагивает области исследований: пункты 1,4,7 из паспорта научной специальности: 01.04.03 радиофизика, высшей аттестационной комиссией.
ВВЕДЕНИЕ
Среди последних достижений науки и техники, особое место занимает метод технического диагностирования систем и оборудования, образованный на анализе параметров вибрации, либо формируемой рабочем оборудованием, либо являющейся вторичной вибрацией, обусловленной строением тестируемого объекта.
Вибродиагностика, как и большинство других методов технического диагностирования, решает задачи поиска неисправностей и оценки состояния исследуемого объекта. Также вибрационная диагностика - это метод неразрушающего контроля. Механические колебания, иными словами вибрации, являются самыми информативными и результативными диагностическими сигналами. Колебательные силы возникают прямо в месте дефекта, можно сказать, что вибрации будут содержать наибольший объем диагностической информации, которую можно диагностировать на месте, без остановки оборудования.
Метод вибродиагностики позволяет выявить огромное разнообразие недостатков оборудования: дисбаланс, ослабление опор, нарушение геометрии линии вала, дефекты подшипниковых узлов и многое другое. На основании полученной заранее информации, можно провести определенные мероприятия по ремонту, замене деталей, тем самым увеличить срок службы оборудования и уменьшить затраты на приобретение запчастей и расходных материалов.
Акселерометр - прибор, измеряющий разность между действительным ускорением предмета и гравитационным ускорением, иными словами измеряет проекцию кажущегося ускорения. Также он является вибропреобразователем, меряющим виброускорение в системах неразрушающего контроля и защиты. С технической точки зрения, это приспособление способное измерять ускорение объекта, которое оно приобретает, смещаясь относительно своего нулевого положения.
Цель работы - разработка архитектуры и особенностей схемотехнической и конструкторской реализации стенда вибродиагностики на базе беспроводных энергонезависимых датчиков акселерометрического типа.
Назначенная цель затребовала решения следующих задач:
1) Разработать архитектуру исполнения датчика;
2) Изучить комплекс системы автоматизированного проектирования радиоэлектронных средств - Altium Designer;
3) Разработать рабочую схему датчика;
4) Реализовать датчик;
5) Изучить интегрированную среду программирования Keil uVision5 и написать программное обеспечение для акселерометра в этой среде;
6) Изучить язык программирования С и С++;
7) Провести анализ работы акселерометра;
8) Изучить способ расчета дисперсии Аллана и спектральной плотности мощности.
Разработаны три варианта исполнения датчика. При разработке первого: мы смогли подобрать такую элементную базу, которая подошла по четырем критериям: минимальные габариты и энергопотребление, широкий диапазон измерений, высокая чувствительность акселерометра. Минус: уровень шума модели LIS331EB, которая удовлетворяет нашим выбранным критериям, будет выше относительно Xtrinsic FXLC95000CL. Подбирая второе исполнение: мы подобрали такую элементную базу, которая подошла по двум критериям: минимальные габариты и энергопотребление. Но также мы можем взять за основу: широкий диапазон измерений и высокую чувствительность
акселерометра. Минус: уровень шума этих двух элементных баз будет выше. К третьему варианту подобрали такую элементную базу, которая подошла по только двум критериям: широкий диапазон измерений и высокая
чувствительность акселерометра. Минус: уровень шума, энергопотребление и габариты будут больше относительно других элементов. На основе этих выводов сделаем окончательный вывод: из приведённых трёх сильно отличающихся вариантов исполнения нашего датчика, оптимальный оказался первый, так как они удовлетворяют большим критериям, чем остальные.
На основе выбранной архитектуры реализована печатная плата (рис. 18.) на которой проводился анализ работы акселерометра, путем написания программного обеспечения на языке программирования С и C++ в интегрированной среде программирования Keil uVision5. Были получены результаты для акселерометра LIS3DH. После обработки путем расчета дисперсии Аллана (рис. 23) и спектральной плотности мощности (рис. 26,27,28) были получены графики для трех осей акселерометра. Как видно рис. 19. присутствуют все виды шумов, которые показывают измерением стабильности показаний акселерометра. На малых временах наблюдения наиболее существенное влияние оказывает шум квантования. Были посчитаны значения коэффициентов ошибок для акселерометра (табл. 22) при помощи таблицы 21 и формулы 16, которые характеризуют ошибки нашего акселерометра.
Параметры ошибок совпали с теоретическими (по документации к акселерометру), что позволяет говорить о корректности реализации платы.
