电测法是最为广泛使用的振动测量方法，也是目前的主要测振手段。本文设计了基于AVR单片机的振动信号测试系统，有效解决了振动信号检测不准确的问题。该方案设计灵活，可很简单地移植到各种振动信号检测系统中。

一、系统总体设计

1.压电传感器振动测试

当压电传感器的压电元件受到外界的作用力时，在压电元件的两个电极表面就会出现与外界作用力成正比的电荷，且两个电极表面聚集的电荷量相等，极性相反。因此，可以把压电传感器看作一个电荷发生器，也就是一个电荷源，而压电元件在这一过程中可以看成是一个电容器。压电传感器也存在与电容传感器相同的问题，即内阻很高和功率很小。要解决这些问题就必须使用特殊的转换电路。由于小功率的存在，压电传感器输出的能量就很微弱，再加上电缆的分布电容和干扰等因素，严重影响压电传感器的输出特性。所以，在压电传感器的测量电路中需要加前置放大器。

2.系统设计

振动测试硬件系统的主要任务是获取振动信号，并对振动信号数据进行分析处理。最原始的振动信号是非电量，依靠压电加速度传感器将非电量的振动信号向电信号转换，即压电加速度传感器构成振动测试硬件系统的最前端。压电加速度传感器直接输出的电信号是极微弱的，不利于处理，因此需要使用信号调理电路对其进行调理。该系统以ATmega128单片机为核心采集调理好的振动电信号，再经过CPU内部建立的数学模型计算出振动大小，实现了数据的存储和传输功能。实际测量中，采用了4个压电加速度传感器，其中3个用来模拟被测物体3个方向的直线振动，另一个用作参考传感器。

二、系统核心硬件电路设计

1.主CPU电路

主CPU采用高性能、低功耗的ATmega128芯片。该芯片自带8路10位ADC、SPI总线、TWI总线等，3.3V低功耗电压，丰富的内部资源减小了系统的体积，方便了系统硬件设计。该CPU采用了精简指令集结构，保证了系统快速地运算计量振动信号并分析处理。

2.振动信号检测模块

目前广泛使用的压电加速度传感器测量电路是电荷放大器，其输出电压正比于输入电荷量。电荷放大器相比其他压电加速度传感器测量电路的最大特点是测量灵敏度和电缆长度无关，这在实际测量应用时显得非常方便。压电加速度传感器输出的高阻电荷信号首先经电荷转换电路转变为低阻抗电压信号，再经过信号调理放大电路归一化后送入滤波器，最后经输出放大电路进行放大后输出。

振动信号的信号调理对精确检测振动大小至关重要。电荷转换电路对运算放大器的要求主要在于低漂移、宽频带、高增益、高输入阻抗。振动信号周围或伴有高温、强压及强震荡而带来的各种噪声，对传感器输出的有用信号进行有效调理相当重要。仪表放大方式是差分信号放大的理想选择，能在噪声以及含有大共模信号的条件下保持极高的直流准确度和增益准确度。系统选用了AD公司的AD8574芯片，该芯片内部集成了4路放大器，超低的失调、漂移和偏置电流特性，具有轨到轨输入和输出摆幅能力，可以满足3.3V单电源工作。将内部3个运放配成仪表放大器形式，既满足了仪表放大器形式又保证了调理电路，具有最小的漂移和足够的准确度。传感器输入的是差分信号，为了避免负电压在单电源运放中出现，电路设计中引入参考电压抬高输入值，从而保证输入和输出都处在运放放大器理想的状态。具体电路如图1所示。

图1  信号调理电路

3.温度测量模块

温度是系统评估振动信号大小的关键性参数，影响着压电传感器输出准确度，同时影响电子元件的运行参数，并且如果测量系统的温度超过工作范围，有可能对系统设备造成不可恢复的破坏。本系统选用的是目前得到广泛运用的美国Dallas半导体公司研制的单总线温度传感器DS18B20，它是单片结构，无需外加A/D即可输出9～12位的数字量。通信采用单总线协议，对DS18B20的各种操作通过一条数据线即可完成，同时该数据线还可兼做电源线，即具有寄生电源模块。温度测量范围为-55℃～+125℃。

4.数据存储电路

数据存储电路选用了ATMEL公司的AT45DB321D芯片。该芯片支持高速SPI串行接口，具有8M字节的容量。如果需要长时间工作可以将多块存储芯片并联使用，保证了系统长时间工作，并将振动信号保存用作后期处理以及分析。

三、系统软件设计

由于本设计的主要任务是将4个振动电信号采集进入处理器，然后经过一定数学模型计算出振动大小，固件程序是振动测试数据采集模块的核心。为了更好地理解和编写程序，整个系统采用了模块化设计。基于这种编程思想，软件编程的总体分主程序、数据采集程序、振动信号处理程序以及上位机通信程序。本设计选用了定时器来启动AD转换，然后再对设备振动信号进行计算，系统具体软件主要流程如图2所示。

图2  软件主流程图

四、振动信号检测系统实验

为了检验系统是否能准确估算振动信号的大小，系统测试平台使用了STI振动试验台DC-1000-15。取一块直角三棱锥粘贴在振动台面上接受激振，直角三棱锥的3个侧面都是直角，其法向构成一个三维直角坐标系。3个传感器分别安装在3个侧面上构成测量坐标系，4号传感器是一个三轴传感器，用于校对振动信号的准确性。此时，振动台所产生的振动方向与3个传感器的敏感轴向均成一定角度。以振幅为3.5g、频率为100Hz的标准正弦信号作为激振信号，测得4个传感器的振动信号。

4个传感器的振动信号幅值分别为A1=1.2g、A2=2.1g、A3=2.2g、A4=3.3g。

传感器1、2、3在振动台轴向上的振动合成与传感器4所测得的值基本吻合，表明该系统测量振动信号准确有效，具有较高的可靠性与很好的实用性。