摘 要:介绍一种新型发动机振动测量仪的研制， 该振动仪采用双路 A/D 采集，RMS 均方根电路与频压转换电路实现振动位移的测量。 目前，该仪器已应用于军用发动机测量。飞机发动机振动测量是保证飞机飞行安全的一个重要环节。 在振动测量中，要测的基本参数有位移、速度、加速度，三者存在微分和积分的关系， 测量其中一个量就可以得出其它两个量，一般情况下，位移参量对低频振动敏感，加速度对高频敏感，而速度对频率的敏感度是前二者的折中， 所以要测量低频时应选择位移参量，高频时应选择加速度参量，而进行宽频带测量时应选择速度参量，本振动仪要求的频响 60～270Hz，选用速度参量进行测量较好，本振动测量仪使用 SZQ-4 和 SZQ-8 系列磁电式振动传感器，可以将振动的速度转化为电压信号，然后对此信号进行一次积分即可得到振动的位移值。
1 测量原理
测量时，通过传感器将速度信号转化为电压的正弦波，经过放大，滤波电路后分别可测得振动的速度与频率。 振动速度的有效值由 RMS 电路计算得出(正弦波均方根)，经由 A/D 采集，送至单片机。 振动频率即比较器和光隔所测量的正弦波的频率，通过 LM331 频压转化电路转化为电压值， 并由 A/D 采集后送单片机处理。 两路 A/D 电路所采集到的速度值与频率值，经过数字滤波，通过公式：
2 传感器的选择
本仪器使用 SZQ-4 和 SZQ-8 系列磁电式振动传感器，磁电式速度传感器的特点是输出信号大，输出阻抗低，抗干扰能力强，信噪比高，使用方便，特别适于装卸频繁而环境污染比较严重的发动机台架车时的振动测量。 该类传感器在国内外的发动机生产和修理厂的试车台均被广泛地使用。
3 频率测量
如图 2 所示，由传感器输出的信号经过放大、滤波后，通过电容输入到比较器 MAX921 的同向输入端，比较器反向输入端通过电位器的调节可适应不同环境等要求。 比较器的输出端接光隔， 这时光隔的另一端输出方波频率就与输入的正弦波的频率相同。
图 3 是频压转换电路， 正弦波信号经过比较器和光隔后得到的方波信号通过电容送入频压转换电路。 频率电压转换芯片采用 LM331，LM331 是美国 NS 公司生产的性价比高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器用。 LM331 采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到 4.0V 电源电压下都有极高的精度。同时它动态范围宽，可达 100dB;线性度好，最大非线性失真小于 0.01%， 工作频率低到 0.1Hz 时尚有较好的线性;变换精度高，数字分辨率可达 12 位;外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成 V/F 或 F/V 等变换电路，并且容易保证转换精度。 经过 LM331 F/V 变换之后获得的电压值， 送与 A/D 采集芯片 ADS7809，A/D 采集芯片选用的是ADS7809，ADS7809 具有 16 位精度， 采样速率可达 100kHz，最后将采集到电压值信号输入到单片机处理。
4 速度测量
如图 4 所示，传感器输入的正弦波信号经放大滤波后，通过AD536 得到振动速度的有效值。 AD536 是一种计算直流或交流电压信号均方根 RMS 值的芯片，该芯片具有实时转换，转换信号频率范围宽并且外接电路简单的特点，使用该芯片，避免了单片机中计算有效值对单片机程序运行时间和空间的限制，大大提高了电路可靠性，简化了设计，也提高了稳定性。 并经过 A/D 采集芯片 ADS7809 送与单片机进行数据处理。
5 软件设计
在软件设计中，单片机对速度和频率 A/D 采集要同步测量，这样才能保证测得的频率值和速度值有效。 双路 A/D 采集到的速度有效值和频率值进行数字惯性滤波处理。 惯性滤波公式：
Yn=a*Xn+(1-a)*Yn-1(2)
式中 Xn为本次采集的值，Yn-1为上次滤波输出值，Yn为本次滤波输出值，a 为滤波系数，一般小于 1。 由上式可以看出，本次滤波的输出值主要取决于上次滤波的输出值， 本次采样值对滤波输出的贡献是比较小的， 但有修正作用，有助于有效的消除噪声。 这种算法模拟了具有较大惯性的低通滤波器功能。 最后进行数据拟合：先由公式(1)求出位移的峰峰值。 而峰峰值与有效值间相差常系数 k 倍， 由此即可得到位移的有效值。 软件流程如图 5 所示。
6 数据测量及分析
根据对振动测量仪的规格要求，对于某些已定的频率和速度情况下， 位移值应该为 80μm。对此实验验证的数据如表 1 所示。从表 1 中可以看出，本振动测量仪误差率低于 0.3%，符合设计要求。 并且笔者在进行多次重复性实验后，本振动测量仪依旧表现出良好的稳定性。 重复性误差低于 0.15%。
7 结束语
本振动仪采用 RMS 均方根电路测量速度，频压转换电路测量频率，双路 A/D 采集。 并通过公式计算得出位移值。 最终的数据精确，重复精度高，也表明这种设计是可行的。
参考文献
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