编辑的选择


状态监测系统的信号链实现

2021年11月24日编辑的选择模拟,混合信号,LSI

条件监测的核心值是节省长期成本。通过降低预测维护和消除预防性维护的预测性维护和取消计划的生产停机时间来实现成本节约。这种价值的实现依赖于条件监测系统准确检测和识别开发的早期阶段的故障条件的能力。

与开发后期的灾难性故障不同,在开发早期阶段的故障检测可能只会导致资产的正常运行行为发生非常轻微的偏差。灾难性故障通常很明显,也很容易检测到。这种偏差也可能是暂时的。早期故障特征的正确检测和分类通常需要使用不同感知方式的高性能传感器作为整体监控解决方案的一部分。这些传感器需要与匹配性能的DAQ信号链适当接口,以充分利用其传感能力。然后,可以使用专门的算法对数据进行组合和处理,以确定被监控资产的总体状况。

与所有系统设计一样,在设计状态监控系统时有许多选择。这些选择中的每一个都有各种权衡,并且可以大大改变DAQ信号链设计。

系统级的注意事项

系统架构

对于条件监视(CM)系统,要考虑的第一个层次是系统架构。基于传感器和DAQ信号链之间的相对位置,有几种常见的CM系统架构选项,每一种都有一定的优势。

DAQ集中

典型的DAQ集中系统将多个数据采集通道捆绑在集中位置,通常以框/机架仪器的形式。传感器远程定位并使用模拟电缆连接到DAQ系统。

DAQ集中式架构被许多现有测量解决方案广泛使用。大多数台式振动监测仪表以及工业模拟输入模块采用此架构。例如,当在电机和泵中将CM能力集成CM能力时,它也非常适合设计具有内置CM功能的资产。

这种架构的一些关键优势包括:

•低布线成本。低成本同轴和双绞线电缆通常用于在长距离内携带传感器和DAQ之间的信号。

•强大的接口。有许多标准的接口协议,如IEPE和 4到20 mA电流回路,旨在确保传感器接口在噪声环境下的鲁棒性。

•灵活的传感器支持。同一DAQ系统可以根据测量要求设计支持多种传感器类型。

•支持恶劣的操作环境。传感器和DAQ信号链的物理分离允许某些传感器在通常不受电子元件支撑的条件下操作,例如具有极高/低操作温度。

•更高效的DAQ信号链实现。信号链设计可以共享更常见的块以提高效率并降低成本。

具有DAQ集中式架构的CM系统的典型数据采集信号链设计要求是:

•性能。大多数DAQ集中系统被设计为支持多种传感器类型。其中一些具有双重功能,也被用作通用DAQ工具。这些需求提高了DAQ信号链的性能要求和指标要求,如宽动态范围、可调带宽、交流线性和直流精度。

•输入保护。由于DAQ集中式系统的输入端通常暴露在外部访问中,它们易于损坏误操作,信号过度范围和ESD。通常需要额外的保护电路来帮助保护DAQ输入。

•混叠被拒绝。利用DAQ集中式架构的系统供应商并不总是控制要与系统一起使用的传感器和输入信号。因此,这些系统需要稳健地抵抗在兴趣的测量带外的信号和噪声的混叠。许多这些系统要求DAQ充分抑制所有带外信号。

•功率和面积。与其他系统架构相比,DAQ集中式架构对DAQ信号链的功耗和解决方案大小的约束更少。然而,一些较新的系统正在推动更高的通道密度,因此DAQ信号链解决方案的尺寸和热密度在设计考虑中扮演着更重要的角色。

边缘节点

与DAQ集中架构相比,边缘节点架构在解决方案集成级别上处于光谱的另一端。在基于边缘节点的系统中,传感器、DAQ信号链和信号处理单元都位于很近的位置。在边缘处对信号进行感知、采集和处理。处理后的数据通过有线或无线通信链路发送到主机。

许多电池供电的智能状态监测系统采用边缘节点架构,这种架构具有安装容易等优点,特别是对于无线系统,因为安装边缘节点系统需要更少的努力来路由传感节点之间可能很长的电缆。由于整个系统更加明确和独立,因此更容易设计出优化的信号链。

边缘节点架构的CM系统的典型DAQ信号链设计要求为:

•性能。知道究竟需要连接到DAQ的传感器使得可以根据DAQ信号链设计定制并提高效率。但是,有限的电力预算,特别是在电池供电系统中,可以限制传感器和信号链的性能。

•输入保护。由于系统是自包含的,模拟DAQ信号链不暴露于外部世界。这放宽了模拟DAQ信号链输入保护的要求。

•混叠被拒绝。同样,传感器与DAQ系统之间的距离很短,加上其自身的物理结构,使得边缘节点系统不太可能检测到带外干扰。DAQ系统可能仍然需要一定程度的滤波,以保护它免受来自节点内部的干扰,例如来自传感器时钟伪像、电源和通信链路的干扰,但所需的抑制水平低于DAQ集中系统。

•功率和面积。低功耗和紧凑的解决方案尺寸是边缘节点系统的常见要求。低功耗对于电池供电系统是必不可少的。系统的尺寸会影响系统外壳材料成本,易于安装和在振动传感系统的情况下,传感器的机械特性。

数据收集分布式系统

DAQ分布式架构位于DAQ集中和边缘节点架构之间。在该架构中,DAQ信号链位于传感器侧,具有有限或无数据处理能力。所获取的传感器数据通过数字有线链路传送,例如RS-485或10Base-T1L以太网,用于后处理的集中主机。

DAQ分布式架构的优点包括更标准化的通信接口,更好地集成到更大的工厂自动化系统。DAQ分布式系统的信号链设计注意事项类似于边缘节点系统的系统。

传感器

感知方式

选择要在状态监测系统中使用的传感器取决于几个因素,首先是支持的传感方式。就像医生会监测患者的多个重要症状以便更好地诊断他/她的健康状况,监测资产的多个参数可以提高故障检测的准确性。

例如,振动监测已被证明是一种可靠的方法,用于检测开发的早期阶段的机械故障。温度是厘米的另一个重要互补参数,因为许多故障类型都可以产生热量。用于CM的其他常见感测模式包括声音,功率质量,应变,扭矩和位移。给定CM系统所需的感测模式的确切组合也取决于正在监视的资产类型以及要检测的故障类型。

传感器类型

对于相同的感测模式,还可以选择多种传感器类型。不同类型的传感器可以具有不同的特性和接口要求,并且没有适合所有CM系统的人。

以振动监测为例。常见的振动传感器类型包括MEMS、压电式(压电)和压阻式(动态应变片)。MEMS加速度计功耗低、重量轻、体积小,非常适合边缘节点架构的系统。压电加速度计可以支持非常宽的带宽和高动态范围。具有IEPE接口的压电传感器与许多振动监测仪器兼容,可以一起使用以DAQ集中架构构建CM系统。

这两种类型的传感器的接口要求也有很大的不同。一些MEMS加速度计有数字输出,可以直接连接到微处理器上。大多数高性能MEMS加速度计都有模拟输出,需要一个数据采集信号链。MEMS传感器通常可以由单端3,3 V到5 V供电;与DAQ信号链共享供应。相比之下,具有IEPE接口的压电加速度计通常由~4 mA供电;24 V恒定电流源;通过2线电缆供电,传感器输出是直流偏置电压上的交流信号(通常是8 V;到10 V),通常需要进行缓冲、衰减和电平移位,然后才能被ADC获取。

渠道计数

另一个传感器相关的考虑因素是要使用的传感器的数量,可以直接影响所需的DAQ通道的数量。CM系统可以在多个位置部署相同的传感器类型,以提供资产条件的更完整的图像。例如,一对振动传感器可以正交地放置,以提供关于资产振动的大小的更准确的信息。3轴振动传感器可以安装任何角度位置,并且仍然在所有方向上具有完全灵敏度。

某些故障诊断方法也依靠多个信号之间的相位差来三角定位故障。这要求CM系统同时从多个相同类型的传感器获取信号,这转化为DAQ信号链的同步采样、相位匹配和通道采样同步要求。

分析方法

分析方法的选择在DAQ信号链设计决策中也起着关键作用。

频域分析

频域分析是一种常用的运动机械监测方法。旋转机械基频倍数的谐波可以通过传感形式(如振动、声音和电能质量)来检测。确定这些谐波的振幅和频率是分析机器运行状况的第一个基本步骤。

利用快速傅里叶变换(FFT)对时域样本进行变换,得到频域信息。频率分析需要考虑的DAQ信号链设计参数包括:

•兴趣带宽。感兴趣的测量频段取决于所监测的资产的属性以及故障覆盖的类型。监控变速箱轴承所需的振动监测带宽可以显着高于监测风塔的结构摆动。整体监控信号链应具有足够的带宽来涵盖感兴趣的最高频率分量。

•幅度平坦度。通常需要对频率分析的平面幅度响应 - 即频率分析 - 即,增益应保持恒定恒定。频率的幅度响应变化可以来自传感器响应和DAQ信号链内部滤波的响应。通过选择具有在感兴趣的乐队和设计过滤器具有平坦的通路响应的传感器,可以通过选择具有平坦响应的传感器来实现良好的平坦度。

•带外信号抑制。感兴趣乐队之外的信号对于CM系统而言,并且可以节省珍贵的处理能力甚至污染感兴趣的信号。最适合DAQ信号链以删除感兴趣乐队外的所有信号。

•噪音。就像信号平坦度一样,测量系统也需要在感兴趣的波段上有一个均匀平坦的噪声谱密度(NSD)。噪声底面应低于感兴趣的最小信号振幅。FFT过程还有一个额外的好处:由于处理增益,可以降低频域输出的总体噪声底值。一个简单的解释是,被处理的样本越多,容器的尺寸就越窄,每个容器内的功率噪声就越低。这允许测量系统人为地增加其测量动态范围(仅在频域内),以检查信号,否则将在噪声底板下。处理增益的限制是它需要大的内存和较长的处理时间。测量信号链的无杂散动态范围(SDFR)也可以设置被测信号的最小有意义幅度。

•动态线性。低谐波失真是频域谐波分析的重要内容。测量信号链的非线性引起的附加谐波可以掩盖故障条件引起的真实谐波信号的偏差。

时域分析

频域分析仅限于监测周期性信号,例如通过旋转机械本质上产生的信号。对于以非周期性方式运行的监测资产 - 例如,具有线性和往复运动,以及基于特定时间运行的资产,例如液压/气动气缸 - 时域分析。即使对于监控旋转机械,某些分析方法如冲击脉冲方法也依赖于时域中的数据分析。

可以通过简单地分析采样的数据波形来获得时域信息。考虑时间分析的关键DAQ信号链设计参数包括:

•兴趣带宽。测量信号链的带宽应足够宽,在感兴趣的最高频率下不会扭曲信号波形。测量带宽的要求通常不是瞬态事件发生的频率,而是由瞬态事件产生的信号的振荡频率。在某些情况下,如使用冲击脉冲法监测,瞬态事件诱导信号振荡是由传感器的谐振频率设置的。

•采样率。与频率分析——有效信号采样率,原则上,不需要高于最高频率的两倍要监视组件——时域分析的采样率要求可能需要远高于输入信号频率最高的利益。这是由于所监视的信号具有瞬时性质。对瞬态信号进行过采样可以很容易地分析信号波形的剖面,包括其峰谷值和变化率。可以推导出最大的误差-峰值比 从1 - cos(π/ OS),其中OS是超采样比率,其等于输入信号频率上的有效采样速率。瞬态信号振荡频率的过采样10倍可以将峰值检测精度限制为小于±5%。

•噪音。由于每个样品中包含的噪声可以直接影响时域波形的幅度检测精度,因此在时域分析中重要的总RMS噪声值。噪声光谱密度的平整度并不重要,只要有效噪声带宽上的总集成噪声满足所需的测量精度即可。在时域分析中,噪声提高DSP技术如FFT过程收益,不再可用。

•阶跃响应。测量信号链需要有良好的阶跃响应,以便正确地复制瞬态信号输入的剖面。这影响了DAQ信号链中滤波器的设计和选择。

DAQ信号链设计示例

在本节中,我们将使用两个CM系统DAQ信号链的例子来展示如何将系统需求转化为信号链设计。

示例1

系统要求

•3  v;到3.6 V电池供电系统的边缘节点架构。

•单轴振动传感,±50g范围。

•支持高达10 kHz的频率分析;(平)带宽。

动态范围>80分贝超过10 kHz;带宽。

•支持时域分析,包括冲击脉冲方法,采样率为128 ksps。

•在满量程范围内等于或小于0,1%的动态非线性。

•能够在嘈杂的环境中运行并能够拒绝电磁干扰(EMI)。

传感器选择

采用ADXL1002 MEMS加速度计进行振动传感。它满足关键性能标准,具有低功耗和小形状因子,非常适合边缘节点系统。

ADXL1002具有11 kHz的平坦响应带宽,这是对感兴趣的10kHz带宽的频率分析的理想选择。传感器的谐振频率为21 kHz。可以针对此频率的信号过采样以支持时域分析方法,例如冲击脉冲方法。

传感器的噪声密度为25&NBSPμg/√Hz,高达10 kHz。如果总RMS噪声超过10 kHz带宽是 25×√(10e3)= 2,5 mg rms,输入范围为±50g,传感器的动态范围可以通过以下计算:

ADXL1002的输出是一个缓冲的电压信号,其幅值与感应到的加速度和传感器的供电电压成比例。输出信号偏置在直流电压上,直流电压等于传感器供电电压的一半。与一个5  v;ADXL1002的灵敏度为40 mV/G。使用3,3 V电源,传感器输出信号在±50g输入范围的最大摆动为 ±50 × 40e-3/5 × 3,3 =±1,32 V以:

DAQ要求

与ADXL1002传感器接口的DAQ信号链需要满足以下要求:

•支持传感器的全输出电压范围。

•有平坦的频率响应超过11 kHz。

•能够对共振频率进行至少5倍的采样。

•让传感器主导整体交流和直流性能。

•提供足够的混叠拒绝对兴趣乐队之外的信号。

• 低电量。

•溶液体积小。

所提出的解决方案如图7所示。它包括单通道精密Sigma-Delta ADC AD7768-1和ADC驱动放大器ADA4805-1。

ADC选择

AD7768-1是一种多功能精密ADC,具有多种操作模式,可以在功率、带宽和噪声之间进行权衡。可编程数字滤波器是必不可少的混叠抑制和不同类型的滤波器可以用来支持频域和时域分析。

在这种设计中,我们选择使用以下配置操作设备:

•在REF +输入上启用集成的参考缓冲区。

•低功耗模式。

•具有32 kSPS ODR(过滤器选项A)的低纹波宽带滤波器。

•Sinc5过滤器128 kSps ODR(过滤器选项B)。

集成参考缓冲区允许一个非常紧凑的设计,并消除需要一个额外的缓冲放大器。这个设计需要的优势比率计ADXL1002的输出的电源电压之间的关系以及AD7768-1参考缓冲区支持轨到轨操作,通过共享3,3 V蓄电池电源之间使用相同的电压传感器和ADC和ADC的参考电压。这不仅消除了为DAQ信号链生成专用参考电压的需要,还消除了由于电源电压变化(如电池放电随时间变化)而产生的任何测量信号大小变化。

低功耗模式操作最小化了ADC的功耗,从而使电池寿命最大化。在低功耗模式下,AD7768-1可以支持砖墙式的低纹波宽带滤波器,在32 kSps的ODR下13 kHz平坦带宽(-0,1 dB)(滤波器选项a),这非常适合覆盖ADXL1002的11kHz平坦带宽来执行频率分析。

砖墙过滤器具有近乎理想的过滤器曲线,并且对于频率分析非常适合,但是高阶滤波器使得不太希望执行时域分析。因此,SINC5过滤器具有很大的步骤响应,可用于满足时域分析的需求。

低功耗模式下的AD7768-1带有一个sinc5滤波器,支持输出数据速率高达128 kSps和-3 dB频率在26 kHz(滤波器选项B),足以采样传感器的21 kHz谐振频率超过5倍。数字滤波器类型和输出数据速率均通过SPI接口进行寄存器编程,允许根据应用需要动态调整信号带宽。

与将未滤波的过采样数据发送到外部数字主机进行后处理相比,AD7768-1上的集成数字滤波器大大提高了数字处理的功耗效率。AD7768-1的功耗在低功耗模式下,3,3 V AVDD1供应,AVDD2 IOVDD和参考缓冲区启用REF +销,估计10 2 mW sinc5筛选128增殖ODR和12日6兆瓦的宽带低脉动过滤器32增殖ODR。

该配置中的AD7768-1滤波器A的噪声为11.5 μV均方根,滤波器b的噪声为49.5 μV均方根。本设计中ADC的输入信号为±1,32 V的伪微分信号。使用此输入范围和过滤器选项A的ADC的有效动态范围为 20 × log(1,32/√(2)/11,5e - 6) = 98 dB和85,5分贝与滤波器选项b,这两个都足够让传感器主宰整体噪声性能。

安全的设计

虽然ADXL1002有一个缓冲输出,但在ADC的采样频率(2048 MHz)下,它的输出阻抗不够低,不足以在采样期间完全解决ADC的输入。建议使用宽带驱动放大器连接传感器和ADC。基于ada4805具有带宽宽、输出阻抗低、噪声小、体积小、功耗低等特点,本课题选用ada4805。

由于ADC和驱动放大器的组合噪声性能低于传感器,因此不需要对传感器的输出信号进行增益。ADA4805-1有轨到轨输出,但没有轨到轨输入。由于这个原因,驱动被配置为增益为1的反转缓冲区。该驱动器的输出净空被验证满足满量程信号摆动。

AD7768-1的数字滤波器在ADC的采样频率周围的频段也没有抑制。利用ADA4805-1构造了一个主动抗混叠滤波器,以帮助数字滤波器实现充分的频带外信号抑制。该设计是一个二阶低通滤波器,具有多反馈架构和近巴特沃斯响应,在32 Hz时具有-3 dB角,在2 MHz时具有-73 dB抑制。

由于ADA4805-1的输入偏置电流,仔细选择驱动器电路中使用的电阻值以平衡电源消耗,电路噪声,电容器大小和直流偏移误差。

表1中列出了组合信号链的整体性能。

示例2

系统要求

•DAQ模块在DAQ集中架构与通道到通道隔离。

•伪差分输入,最大输入范围±12v。

•支持IEPE接口。

•AC和DC偏置输入选项。

•输入过电压保护高达±60 V.

•1 MΩ输入阻抗。

•支持高达100 kHz(平面)带宽的频率分析。

动态范围>105 dB超过100 kHz带宽。

•别名自由(能够拒绝-105 dB范围外的所有信号)。

•支持时域分析,包括冲击脉冲法。

•总谐波失真≤- 115db与1khz全尺寸输入。

•直流精度高。

•支持可编程过滤器带宽和输出数据速率。

建议的解决方案如图10所示。它使用相同的24位、精度σ -delta ADC (AD7768-1)作为示例1。模拟前端包括ADG5421F输入保护开关、LT3092恒流源(提供IEPE传感器供电电流)、ADA4610-1精确JFET缓冲放大器、ADA4945-1全差分放大器(用于ADC驱动)和抗混叠滤波器的构造。在ADA4528-1精度运算放大器作为参考缓冲器的帮助下,ADR444精度参考源为ADC提供参考。

传感器供应

IEPE接口是两线接口,传感器输出信号(电压)和传感器电源(电流)共享同一线。LT3092用于构造一个低噪声的2,5 mA电流源,通过30 V电源为传感器供电。为了支持更长的电缆长度/更高的电缆电容,电流值可以通过电阻值编程。

一些IEPE传感器不是个案隔离的,这意味着它们的OUT端子可能连接到当地的地面。如果传感器接口DAQ也没有隔离,那么DAQ也需要接地参考。在这个设计中,DAQ通道是隔离的。这有助于消除接地和电源水平的限制,允许DAQ设计与双极电源,以支持更对称的双极输入信号。

输入保护

采用ADG5421F保护开关为电路提供输入过电压保护。当输入电压超过电源范围以保护DAQ信号链的其余部分时,内部开关打开。ADG5421F可以承受最多±60 V的输入电压及其低,稳定的RON对于最小化信号失真至关重要。

在这种设计中,此开关还用于向信号链输入配置提供可编程选项。基于开关配置,信号链输入可以配置为AC或DC耦合,电流源可以独立切换出来。

一个额外的TVS被添加一个小的(10 Ω)系列电阻,以帮助改善输入节点的ESD保护。

ADC选择

通道隔离需求推动了对单通道DAQ解决方案的需求。

这两个例子展示了AD7768-1的多功能性。当在全功率模式下工作时,该ADC能够通过砖墙数字滤波器实现110khz的平坦带宽 (ODR = 256 ksps)同时仍然实现108 dB的动态范围(参考电压为4,096 V)。它还支持sinc5滤波器的时域波形捕捉与最大输出数据速率为1,024 MSps。

AD7768-1还具有业界领先的动态线性和直流性能。这包括典型的THD为-120 dB, 1 kHz近全尺寸正弦输入信号,300 nV/°C偏移误差漂移和0.25 ppm增益误差漂移。

对于不需要信道隔离的多通道DAQ系统,可以使用Quad(AD7768-4)或八进制(AD7768)版本的相同ADC。

安全的设计

输入信号需要进行缓冲以获得所需的阻抗。缓冲放大器需要低输入偏置电流、低噪声、良好的动态线性度、高直流精度和足够的带宽。ADA4610-1 JFET运算放大器是基于这些要求选择的。它被配置为单位增益缓冲器,需要±15 V电源。

然后,信号需要衰减和电平移位,以适应ADC的输入范围。希望将伪微分信号转换为全微分信号。该转换将测量动态范围提高了6 dB,并大大降低了二次谐波失真。然后,需要对信号进行滤波以拒绝混叠,并使用高带宽和低输出阻抗ADC驱动放大器进行缓冲,以确保ADC输入的正确设置。幸运的是,所有这些功能都可以通过一个电路设计来实现,使用单个ADA4945-1全差分ADC驱动放大器,以最小的失真和附加噪声,同时保持优秀的直流精度。

在这个电路中,信号衰减为0,33,这允许一个 ±4096 /0,33 =±12,41 v全尺寸输入摆幅,4,096 V ADC参考。信号转换为完全差分,振幅为±4096 V,电平移至2,5 V(中间电源)共模电压,使FDA输出和ADC输入都满意。

如例1所述,AD7768-1的数字滤波器在ADC的采样频率周围的频段也没有抑制。在全功率模式下,ADC的有效采样频率为16384 MHz。利用ADA4945-1构造了一个主动抗混叠滤波器,以帮助数字滤波器实现充分的频带外信号抑制。该设计是一个三阶低通滤波器,具有多反馈结构和近似巴特沃斯响应。

在ADA4610-1缓冲放大器前面的RC电路中增加另一个低通极点,以帮助进一步提高满量程时的混叠抑制。整个信号链频率响应在440 kHz有一个-3 dB角,以最小化带内响应的幅值和相位失真。100khz的抗锯齿滤波器造成的幅值下降小于10mdb。16,3 MHz的幅值响应大约是-108 dB。这与AD7768-1的砖墙数字滤波器相结合,产生一个无混叠信号链,能够排除所有带外信号至少105 dB。

隔离和电源管理

这里不会详细讨论数字和电源隔离和电源管理解决方案。诸如ADP1031等解决方案可以提供跨隔离的SPI接口加±15 V和5 V电源电压。ADUM140D高速数字隔离器可用于在跨通道样本同步的隔离中提供MCLK和SYNC_IN信号。

概括

综上所述,本文详细阐述了系统架构、传感器类型和分析方法的选择对状态监测系统中DAQ信号链设计的影响。这里讨论的设计注意事项,以及示例参考设计,有望帮助系统设计人员为其状态监视系统做出最佳的设计选择。

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