专利名称：数字式冲击振动记录分析仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种可对设备在运输、储存和工作过程中所经受的碰撞、跌落、撞击、滑动、翻滚等冲击和振动事件进行监测的记录仪，特别是该记录仪可随设备长时间独立工作，将设备所经受的所有冲击和振动事件的波形和时间进行实时记录，并可通过数据接口将记录数据上传到台式计算机进行后期处理和分析。
背景技术：
冲击和振动是导致设备故障或损坏的主要因素之一，尤其是超过设备承受能力的冲击和振动事件更是如此。通过监测设备所承受的冲击和振动可尽早避免或发现设备所受的损伤；揭示设备由于冲击或振动而导致损坏的机理，以改进操作规程或控制环境从而降低设备故障率，提高设备可靠性；如果发生事故，可据此确定事故原因、责任单位和责任人；更可据此改进设备的设计和制作，从根本上提高设备的可靠性和环境适应性。
目前，现场使用的冲击振动记录仪有机械式记录仪和电子式记录仪两种，它们各有其不足，难以满足复杂的现场记录要求。
机械式记录仪采用机械式过载传感器、机械式过载信息传递装置、记录纸和针式记录方式，在应用中存在如下不足敏感冲击和振动事件的能力有限。机械式传感器敏感的振动频率一般不超过70赫兹，相对误差难以小于10％，同时不能提供事件发生的时间信息。
机械式记录仪的体积和重量较大，安装和使用不便。
由于机械装置的固有特点，机械式记录仪长时间使用的可靠性较低。
机械式记录仪受记录方式和记录纸长度的限制，可记录信息极为有限。
电子式记录仪多采用压电传感器和专用电荷放大器，放大后的信号再经计算机处理，以全数字方式进行记录和存储，但由于整个设备无法一体化，导致使用上存在如下不足由于传感器必须直接安装在设备上，而记录仪的处理部分又独立存在，两部分用信号线连接，安装和使用极为不便。
设备能耗较大，长时间工作必须有外部电源供电，无法长时间独立工作。
现有的记录仪仅能记录冲击或振动事件的幅值，不能记录事件发生的方向、时间长度和频率特性等指标。
容易损坏。记录仪分开安装，连线极易损坏，从而导致整个记录仪失效。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种可长时间独立工作的数字式冲击振动记录分析仪，其内置有微处理器，可长时间独立工作，并可以完整记录被监测对象发生的冲击振动事件的发生时间、方位、幅值、频率、持续时间等特征，从而较好地克服上述机械式冲击振动记录仪和电子式冲击振动记录仪的不足。
为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案一种数字式冲击振动记录分析仪，包括串行通信接口电平转换电路、日历时钟电路、冲击振动数据采集模拟输入部分、微处理器、存储器；所述冲击振动数据采集模拟输入部分包括Z轴传感器、Y轴传感器、X轴传感器，该三轴传感器的电路结构相同，每一轴传感器由冲击振动电子传感器、运算放大器、模拟电平匹配电路组成；冲击振动电子传感器的输出端与运算放大器的输入端连接，运算放大器的输出端与模拟电平匹配电路的输入端连接；微处理器由单片机和外围电路组成；所述三轴传感器的模拟电平匹配电路的三个输出端分别与单片机的三个输入/输出端口连接；单片机的输入/输出端口与存储器连接；单片机的串行信号端口与日历时钟电路连接；单片机的输入/输出端口经过串行通信接口电平转换电路与串行通信接口连接。
所述单片机的四个输入/输出端口分别与存储器的主入从出信号端口SO、主出从入信号端口SI、时钟信号输入端口SCK、片选信号输入端口CS连接；单片机的串行时钟信号端口与日历时钟电路的端口SCL连接，单片机的串行数据信号端口与日历时钟电路的端口SDA连接；单片机的两个输入/输出端口分别与串行通信接口电平转换电路的端口T1IN和端口R1OUT连接，串行通信接口电平转换电路的端口T1OUT、R1IN与串行通信接口RS232C连接。
本实用新型采用以上技术方案后，具有如下优点
可以完整记录被监测对象发生的冲击振动事件的发生时间、方位、幅值、频率、持续时间等特征。
可长时间独立工作200天甚至更长。
记录数据的精度高、噪声小。
记录仪体积小、重量轻，可通过螺栓进行紧固连接，也可将其直接放入被监测环境中，对外部无其它任何要求，安装和使用极为方便。
记录数据可永久保存(即使在断电或掉电情况下)。
通过通信接口可将数据传至计算机进行图形化显示和分析。
可通过计算机对记录分析仪的工作参数进行设定，对其精度进行校准。
图1为本实用新型一实施例的电路原理图；图2是图1中冲击振动电子传感器、运算放大器、模拟电平匹配电路的电路原理图；图3是图1中微处理器、存储器、日历时钟电路的电路原理图；图4是图1中串行通信接口电平转换电路的电路原理图；图5是图1中电源电路的电路原理图；图6是图1中启动记录按钮和状态指示灯电路的电路原理图。
具体实施方式
请参照图1，本实用新型是一种可长时间独立工作的数字式冲击振动记录分析仪，包括冲击振动数据采集模拟输入部分、电源电路、启动记录按钮和状态指示灯电路、微处理器、存储器、日历时钟电路、串行通信接口电平转换电路。
本实用新型的电路结构如下请参照图2，所述冲击振动数据采集模拟输入部分包括Z轴传感器、Y轴传感器、X轴传感器，该三轴传感器的电路结构相同，每一轴传感器由冲击振动电子传感器、运算放大器、模拟电平匹配电路组成；冲击振动电子传感器的输出端与运算放大器的输入端连接，运算放大器的输出端与模拟电平匹配电路的输入端连接。
所述冲击振动电子传感器由ADXL150型号的集成电路芯片U5构成，运算放大器由OPA349型号的集成电路芯片U2构成，模拟电平匹配电路由电阻R27、R28构成，冲击振动电子传感器U5的输出端Vout经过电容C27、电阻R26与运算放大器U2反相输入端连接，运算放大器U2的输出端经过电阻R19与运算放大器U2反相输入端连接，运算放大器U2的输出端经过电阻R27、电阻R28接地电位，电阻R27、电阻R28之间的接点为模拟电平匹配电路的输出端。
请参照图3，微处理器由单片机和外围电路组成；所述三轴传感器的模拟电平匹配电路的三个输出端分别与单片机的模拟信号输入端口P1.2、P1.1、P1.0连接。
单片机的输入/输出端口P0.4、P0.3、P0.2分别与存储器的主入从出信号端口SO、主出从入信号端口SI、时钟信号输入端口SCK连接；单片机的输入/输出接口P3.0与存储器的片选信号输入端CS连接。
单片机的串行时钟信号端口P0.7与日历时钟电路的端口SCL连接，单片机的串行数据信号端口P0.6与日历时钟电路的端口SDA连接。
所述微处理器由C 8051F124型号的单片机U6及其外部复位电路、晶振电路构成，复位电路由电阻R3、电阻R4、电容C5、电容C6组成，电阻R4的一端与电源VCC连接，电阻R4的另一端串联电容C5后与地电位连接，电阻R3的一端连接在电阻R4与电容C5之间的接点上，电阻R3的另一端经过开关RESET地电位连接，电容C6与开关RESET并联，单片机U6的复位端RST连接；晶振电路由晶振CRY2、电容C29、电容C30构成，电容C29连接在单片机U6的振荡信号输入端XTAL1与地电位之间，电容C30连接在单片机U6的振荡信号输入端XTAL2与地电位之间，晶振CRY2跨接在单片机U6的振荡信号输入端XTAL1和XTAL2之间。
所述存储器由AT45DB081型号的集成电路芯片U9构成。
所述日历时钟电路由S3530A型号的集成电路芯片构成U11及其外部晶振电路构成，晶振电路由晶振CRY1、电容C35构成；晶振CRY1跨接在U11的振荡信号输入端XIN和Xout之间，电容C35连接在U11的振荡信号输入端XIN与地电位之间。
请参照图3和图4，单片机的输入/输出端口P0.0与串行通信接口电平转换电路的端口T1IN连接，单片机的输入/输出端口P0.1与串行通信接口电平转换电路的端口R1OUT连接，串行通信接口电平转换电路的端口T1OUT、R1IN与串行通信接口RS232C连接。
请参照图5，所述电源电路由LP2980-3.0型号的集成电路芯片U1、LP2980-5.0型号的集成电路芯片U4及电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C25、电容C24组成，集成电路芯片U1的信号输入端IN经过开关POWER_SW与电池的正极连接，集成电路芯片U1的接地端VSS与地电位连接；电容C1跨接在集成电路芯片U1的信号输入端IN与接地端VSS之间；电容C2跨接在集成电路芯片U1的信号输出端OUT与接地端VSS之间；电容C4与电容C2并联；集成电路芯片U1的信号输出端OUT分别与微处理器的电源端口VDD、存储器的电源端口VCC、日历时钟电路的电源端口Vdd连接。
集成电路芯片U4的信号输入端IN经过开关POWER_SW与电池的正极连接，集成电路芯片U4的接地端VSS与地电位连接；电容C24跨接在集成电路芯片U4的信号输入端IN与接地端VSS之间；电容C3跨接在集成电路芯片U4的信号输出端OUT与接地端VSS之间；电容C25与电容C3并联；集成电路芯片U4的信号输出端OUT分别与冲击振动电子传感器电源端口、运算放大器的电源端口连接。
请参照图6，启动记录按钮和状态指示灯电路主要由指示灯LED1、指示灯LED2、指示灯LED3、开关KEY、电阻R8、电阻R34、电阻R35、电阻R36组成。启动记录按钮KEY与单片机的输入/输出端口P2.0连接，三个指示灯LED1、LED2、LED3分别与单片机的输入/输出端口P3.7、P3.5、P3.6连接。
本实用新型的电路原理如下如图1所示，本实用新型由冲击振动电子传感器、运算放大器、模拟电平匹配电路、微处理器、存储器、日历时钟电路、串行通信接口电平转换电路、启动记录按钮和状态指示灯电路以及电源电路组成。可通过用螺栓直接固定在被监测对象上或放置在被监测环境中来记录冲击振动事件；壳体上有操作按键、指示灯和通信接口；三个冲击振动电子传感器分别与相应的数据采集模拟电路相连，三个用于数据采集的模拟电平匹配电路与单片机U6的输入/输出端口P1.0、P1.1、P1.2相连，经单片机U6处理的有价值的数据送入存储器U9进行存储。
本实施例是一种三轴冲击振动记录仪，由冲击振动电子传感器、运算放大器和模拟电平匹配电路组成冲击振动数据采集模拟输入部分。冲击振动电子传感器将冲击振动物理量转换成电信号(模拟信号)，送到运算放大器进行放大，经模拟电平匹配电路转换成0-2.4V电平(模拟信号)输入到微处理器，由微处理器内部模数转换器2(ADC2)转换成冲击振动数据。冲击振动数据及其发生的日期、时间由微处理器实时存入存储器(Flash)。冲击振动记录数据经由微处理器的串口、串行通信接口电平转换电路、计算机串口输入到计算机，以对其进行分析处理。日历时钟电路为冲击振动记录提供日期、时间。电源电路为DC-DC电源变换电路，为冲击振动电子传感器、运算放大器、模拟电平匹配电路提供5V电源，为其余部分提供3V电源。
如图2所示，冲击振动电子传感器U5(ADXL150)及其外围元件构成(Z轴)电子传感器电路，冲击振动电子传感器U5将冲击振动物理量转换成模拟电量；U2(OPA349)及其外围元件构成运算放大器，完成对模拟电量的放大、整形，电阻R19、电阻R26决定运算放大器U2放大增益，电容C27为传感器输出端(U5的10脚)与运算放大器U2的输入耦合电容，其决定了模拟通道的带宽；电阻R28、电阻R27组成模拟电平匹配电路，完成将运算放大器模拟输出(U2的1脚)0-5V模拟信号转换为0-2.4V，输入到微处理器即单片机U6(C8051F124)的模拟输入脚34。图2给出了Z轴传感器模拟通道电路图，X、Y轴传感器模拟通道的电路与Z轴完全相同，X、Y轴传感器的模拟输出信号分别接单片机U6模拟输入脚36、35。
如图3所示，微处理器主要由单片机U6(C8051F124)、晶振CRY2、上电复位和手动复位等电路组成。单片机U6是该记录仪的控制核心。片内集成了51单片机内核，具有128K程序存储器、8K数据存储器，还集成了两个模数转换器(ADC1，ADC2)、数模转换器(DAC)、串行外设接口(SPI)、I2C总线、异步串行通信等外部接口。本实施例使用片内8位模数转换器ADC2、SPI、I2C、异步串行通信等资源。电阻R3、电阻R4、电容C5、电容C6等组成复位电路，完成上电复位和人工复位。晶振CRY2、电容C29、电容C30构成外部晶振电路。
存储器由U9(AT45DB081)实现。主要用于存储冲击振动数据。U9为SPI接口的FLASH存储器芯片(1M字节)，直接与单片机U6的SPI接口连接，单片机U6工作在主方式，存储器U9工作在从方式。主要接口连线如图2所示SPI接口的片选信号Flashcs(U9的4脚)、时钟信号SPICLK(U9的5脚)、主出从入信号SPIMOSI(U9的6脚)、主入从出信号SPIMISO(U9的7脚)分别接单片机U6的54、60、58、59脚；存储器U9写保护输入信号FlashProtect(U9的25脚)、复位输入信号FlashReset(U9的24脚)、准备就绪输出信号FlashReady(U9的23脚)分别接U6的53、51、52脚。
日历时钟电路由集成电路芯片U11(S3530A)、晶振(CRY1)、电容(C35)组成，主要功能在记录仪工作时向单片机U6提供日历时钟。U11采用I2C总线接口方式，直接与单片机U6的I2C总线接口。日历时钟电路I2C总线的串行时钟信号I2CSCL(U11的6脚)、串行双向输入输出数据信号I2CSDA(U11的7脚)分别接单片机U6的55、56脚。
如图4所示，串行通信接口电平转换电路由集成电路芯片U3(MAX3221E)及外围元件组成。集成电路芯片U3将单片机U6串行接口的3V电平转换成RS232C电平，反之将RS232C收电平转换成3V电平，完成单片机U6与计算机串行通信接口电平转换，实现记录仪与计算机的通信。串行通信接口的作用通过PC对记录仪进行初始化设置，对记录的数据进行下载。单片机U6串口发信号TXD0(U6的62脚)送U3的11脚，由U3的13脚输出到计算机串行通信接口收端，计算机串行通信接口的发送端输入到U3的8脚，由集成电路芯片U3的9脚输出到单片机U6串口接收端RXD0(U6的61脚)。集成电路芯片U3具有自动监测接收电平功能，当检测到无有效的RS232C接收电平时，自动关断集成电路芯片U3电源，处于低功耗状态。
如图5所示，电源电路主要由集成电路芯片U1(LP2980-3.0)、U4(LP2980-5.0)、电容C1、电容C2、电容C4、电容C24、电容C25、电容C3、电阻R7组成。电容C1、电容C24为电源输入滤波电容，电容C2、电容C4、电容C3、电容C25为电源输出滤波电容。集成电路芯片U4将电池7.2V变换到5V(网络标号VA)，向冲击振动电子传感器、运算放大器和模拟电平转换电路供电，U4的5V输出受单片机U6的44输出脚控制。集成电路芯片U1将7.2V变换到3V(网络标号VCC)，供其余电路使用。
如图6所示，指示灯LED1、LED2、LED3的点亮与熄灭分别由单片机U6的47、49、48输出脚控制；当启动记录按钮KEY按下时，产生低电平信号(KEY_IN)经46脚输入单片机U6，通知单片机U6开始记录。该信号平时为高电平。
权利要求1.一种数字式冲击振动记录分析仪，包括串行通信接口电平转换电路、日历时钟电路，其特征在于它还包括冲击振动数据采集模拟输入部分、微处理器、存储器；所述冲击振动数据采集模拟输入部分包括Z轴传感器、Y轴传感器、X轴传感器，该三轴传感器的电路结构相同，每一轴传感器由冲击振动电子传感器、运算放大器、模拟电平匹配电路组成；冲击振动电子传感器的输出端与运算放大器的输入端连接，运算放大器的输出端与模拟电平匹配电路的输入端连接；微处理器由单片机和外围电路组成；所述三轴传感器的模拟电平匹配电路的三个输出端分别与单片机的三个输入/输出端口连接；单片机的输入/输出端口与存储器连接；单片机的串行信号端口与日历时钟电路连接；单片机的输入/输出端口经过串行通信接口电平转换电路与串行通信接口连接。
2.如权利要求1所述的数字式冲击振动记录分析仪，其特征在于所述单片机的四个输入/输出端口分别与存储器的主入从出信号端口(SO)、主出从入信号端口(SI)、时钟信号输入端口(SCK)、片选信号输入端口(CS)连接；单片机的串行时钟信号端口与日历时钟电路的端口(SCL)连接，单片机的串行数据信号端口与日历时钟电路的端口(SDA)连接；单片机的两个输入/输出端口分别与串行通信接口电平转换电路的端口(T1IN)和端口(R1OUT)连接，串行通信接口电平转换电路的端口(T1OUT)、(R1IN)与串行通信接口(RS232C)连接。
专利摘要本实用新型涉及一种可独立长时间工作的数字式冲击振动记录分析仪，由冲击振动电子传感器、运算放大器、模拟电平匹配电路、微处理器、存储器、日历时钟电路、串行通信接口电平转换电路、启动记录按钮和状态指示灯电路以及电源电路组成。三个冲击振动电子传感器分别与相应的数据采集模拟电路相连，三个用于数据采集的模拟电平匹配电路与单片机相连，由微处理器转换成冲击振动数据。冲击振动数据及其发生的日期、时间由微处理器实时存入存储器，冲击振动记录数据经由微处理器的串口、串行通信接口电平转换电路、计算机串口输入到计算机，对其进行分析处理，日历时钟电路为冲击振动记录提供日期、时间。
文档编号G01M7/00GK2757243SQ20042011559
公开日2006年2月8日 申请日期2004年11月19日 优先权日2004年11月19日
发明者刘立新 申请人:刘立新