1引言1．1 课题的研究背景及意义振动测试近十多年来发展非常迅速，受到了国内外专家和工业、农业、国防各部门科技工作者的重视。

近代工程技术的飞跃发展，特别是航空航天、海洋工程、电力、化工等技术的发展，必须对振动进行预测、采集、并实时处理在运行过程中的载荷数据的响应数据，对大型结构系统进行振动和噪声分析，对可能产生的过大振动事先加以避免或进行控制以确保安全、经济合理。

因此，振动测试包括振动、冲击、波动、噪声和各种动态技术（包括试验技术、测试分析技术、计算技术、信号和信息处理技术、自动控制技术、检测和故障诊断技术以及试验设备和材料动力性能等方面）的研究，已越来越在国民经济中发挥重要作用[1]。

振动测量的意义主要有以下两个方面：（1）预防事故、保证人身和设备的安全。

预防事故，保证人身和设备的安全是开展设备诊断工作的直接目的和基本任务之一。

我们知道，一些设备，特别是流程大型设备一旦发生故障将会引起链锁反应，造成巨大的经济损失，甚至灾难性的后果。

因此，为了避免设备事故，保障人身和设备的安全，应当积极发展设备振动诊断。

（2）提高经济效益：开展设备诊断所带来的经济效益包括减少可能发生的事故损失和延长检修周期所节约的维修费用，国外一些调查资料显示，开展设备诊断可带来可观的经济效益。

英国曾对2000个工厂作过调查，结果表明，采用设备诊断技术后维修费用每年节约3亿英镑，除去诊断技术的费用0.5亿英镑，净获利2.5亿英镑。

在我国的大型电厂，若出现故障其停机一天造成的损失就达一百多万元。

因此对设备故障进行有效的诊断有着明显的经济效益。

随着电子技术和计算机技术的快速发展,微型计算机技术,尤其是微控制器(单片机)的发展极为迅速,其应用越来越广。

单片机主要应用于控制领域,用以实现各种测试和控制功能。

目前,单片机还广泛应用于工业测控、计算机外围设备、工业智能化仪表、生产过程的自动控制、军事和航空航天等领域。

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域[2]。

而基于MEMS微加速度计的振动测试系统具有尺寸小、功耗低、灵敏度高、使用灵活等优点。

因而在振动测、试倾斜测试惯性导航、智能引信等方面被广泛使用。

在不远的将来随着计算机技术和软件技术的快速发展振动测试系统会在越来越多的行业得到更广泛的应用。

1．2 振动检测技术的研究现状到目前为止，振动数据分析仪器的发展大体可分为四代：模拟类仪器、数字类仪器、智能化仪器和虚拟仪器。

第一代模拟类仪器。

是最早开发的振动分析系统。

主要是由光电矢量瓦特计和测振仪等组成,其基本结构的共同特点是电磁机械式，要借助指针或光点等来显示测试结果；第二代数字类仪器。

这类闪频式动平衡仪可以将模拟信号的测量转化为数字信号量，并以数字显示方式输出测量结果；第三代智能化仪器。

这类仪器内置MCS51系列单片机,集测试、数据处理、平衡计算和图形显示等功能于一体，具有自动化测量仪器的最初特点。

但其功能主要是以硬件(或固化软件)形式存在，不利于二次开发、功能复用和维护。

而且数据存贮量小，处理速度慢，功能比较单一，精度有限；第四代虚拟仪器[3]。

仪器主要功能可由①数据采集②数据测试和分析③结果输出显示等三大部分组成，其中数据分析和结果输出完全可由软件系统来完成，因此只要另外提供一定的数据采集硬件，就可构成新的测量仪器。

目前的振动测量信号可以通过采用加速度传感器采集加速度变化，经过电路处理成为频谱，最终成为人能够直观的看到振动波形。

一般加速度传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。

由于这个变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。

当然，还有很多其它方法来制作加速度传感器，比如电容效应，热气泡效应，光效应，但是其最基本的原理都是由于加速度产生某个介质产生变形，因为振动产生加速度，利用这个特性，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出前一般都采用加速度传感器来测量振动信号。

1．3 论文主要研究内容及安排本篇论文是以AT8C51单片机为控制核心，设计振动测试系统，并根据相应情况提供实时显示和数据存储分析功能。

针对上述研究内容，本论文内容具体安排如下：第1章：阐述了研究本课题的背景及目前的振动检测技术。

第2章：比较并设计了系统的总体方案。

第3章：对系统进行了硬件设计，并对硬件的各个模块及模块电路做了详细的介绍。

第4章：结合时序对系统进行软件总体及子程序的设计，并绘制了流程图，以及给出了ADS774工作时序和C51程序。

第5章：对系统调试过程中容易出现的问题做了阐述。

第6章：对本系统设计做了简要的总结。

2系统总体方案设计2．1 系统总体方案对比与分析振动测试系统的设计方法有多种方式,不同之处主要体现在加速度传感器方面。

加速度是物体运动的速度随时间的变化率，是描述物体运动速度的大小和方向变化的物理量。

加速度传感器都是利用加速度产生某个介质产生变形，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出的原理。

目前单维的加速度传感器的技术比较成熟，基于压电、压阻、光纤等检测机理的各种传感器，市场上都有相应的产品。

然而，物体运动的加速度是一空间矢量。

一方面，要准确了解物体的运动状态，必须测得它的三个坐标轴上的分量;另一个方面，在预先不知道物体运动状况的场合下，只有应用多维加速度传感器来检测相应的加速度信号[4]。

同时，随着科学技术的迅速发展，传统的单维加速度传感器己经不能满足在测量、控制和信息技术等领域对传感信息越来越高的要求。

加速度传感器种类繁多，但从测试原理上可分为压电效应式、电容式、电感式、压阻式等等。

加速度传感器的主要指标有以下几个方面：（1）灵敏度。

（2）频率响应。

（3）测量量程。

（4）精度。

（5）满量程费线性度。

（6）漂移。

（7）横向效应。

（8）抗震性能。

最近十几年来，MEMS（微电子微机械）加速度传感器得到了迅速的发展。

其主要的加速度检测技术有压阻检测、压电检测、热检测、共振检测、电磁检测、光检测、隧道电流检测和电容检测等。

加速度传感器是一种重要的力学量敏感器件，广泛地应用于工业自动控制、科学测量、军事和空间系统等领域。

目前常用的有压电效应、电容效应等原理的加速度传感器。

加速度传感器类型：（1）压电式加速度传感器压电式加速度传感器又称压电加速度计。

它也属于惯性式传感器。

它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。

当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比[5]。

由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。

为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器。

经过阻抗变换以后，方可用于一般的放大、检测电路将信号输给指示仪表或记录器。

目前，制造厂家已有把压电式加速度传感器与前置放大器集成在一起的产品，不仅方便了使用，而且也大大降低了成本。

图2.1 压电式加速度传感器常用的压电式加速度计的结构形式如图2.1所示。

S是弹簧，M是质块，B是基座，P是压电元件，R是夹持环。

图2.1a是中央安装压缩型压电元件—质量块—弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接。

这种结构有很高的共振频率。

然而基座B与测试对象连接时，如果基座B有变形则将直接影响拾振器输出。

此外，测试对象和环境温度变化将影响压电元件，并使预紧力发生变化，容易引起温度漂移。

图2.1c为三角剪切形，压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。

加速度计感受轴向振动时，压电元件承受切应力。

这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。

图2.1b为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。

由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高工作温度受到限制。

上述压电式加速度传感器存在响应频率范围小，机械运动部件容易损坏，传感器质量大造成附加质量大等缺点。

（2）电容式加速度传感器图2.2 电容式加速度传感器原理采用质量块-弹簧-阻尼器系统来感应加速力，其结构如图2.2所示。

图中只画出了一个基本单元。

它是利用比较成熟的硅加工工艺在硅片内形成的立体结构（图2.2只给出其剖面示意图）。

图中的质量块是加速度传感器的执行器，与质量块相连的是可动臂；与可动臂相对的是固定臂。

可动臂和固定臂形成了电容结构，作为微加速度传感器的感应器。

其中的弹簧并非真正的弹簧，而是由硅材料经过立体加工形成的一种力学结构，它在加速度传感器中的质量块左右相当于弹簧。

它实际上是变极距差动电容式位移传感器，配接“m-k-c”系统构成的。

图2.3 “m-k-c”系统原理图电容式加速度传感器的等效原理图如图2.3所示。

图2.3中，右侧标尺表示与大地保持相对静止的运动参考点，称为静基准，x 表示被测振动体2及传感器底座1相对于该参考点的位移，称为绝对位移，y 表示质量块m 相对于传感器底座1的位移，称为相对位移。

x 和y 之间关系可用典型二阶比常系数微分方程描述：22200222dt x d y dt dy dt y d =++ωξω （式2.1）式中：0ω为自振角频率；m k /0=ω；ξ为阻尼系数，mk C 2=ξ；C 为空气阻尼。

而位移x ，速度v ，加速度a 三者之间的关系为： 22dt x d dt dy a == （式2.2） 代入式(2.1)得：a y dtdy dt y d =++200222ωξω （式2.3） 经拉氏变换得“m -k-c”系统得传递函数：200221)()(ωξω++=S S s A s y （式2.4） 令S=jω，可求得质量块相对运动得位移振幅m y 与被测振动体绝对运动得加速度振幅m a 的关系为：)2(/1/1020220ωωξωωω+-=m m a y （式2.5） 式(2.5)具有低通滤波特性。

由此可见，当n ω<0ω时，则：20ωmm a y = （式2.6）传感器壳体2的位移y 与1C ，2C 关系为：2121d y C C C C =+- （式2.7）式中，0d 为不振动时，电容1C 和2C 的初始极距。

若差动电容接入图2.4所示变压器式电桥中，则电桥开路输出电压幅值0U 为：212102*2d y E C C C C E U =+-=（式2.8） 将式(2.7)代入式(2.8)得m a d E U *22000ω= （式2.9） 可见，当ω< <0ω时，输出电压幅值0U 与加速度幅值m a 成正比，测出电压幅值0U ，即可确定加速度幅值m a 。