Анализатор воздействия вибраций на человеческий организм

Маркелов М.К.,

АНАЛИЗАТОР ВОЗДЕЙСТВИЯ ВИБРАЦИЙ НА ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ ОРГАНИЗМ

В статье рассматривается разработанный анализатор вибраций, предназначенный для контроля и регистрации низкочастотных вибраций инструментов, машин и оборудования, воздействующих на человеческий организм.

Измерение параметров вибраций и других механических воздействий является одной из актуальных проблем современной техники. Поэтому интерес к аппаратуре для анализа сигналов вибрационного диапазона частот остается неизменно высоким, что способствует появлению на рынке измерительной техники уникальной аппаратуры, построенной с использованием новейших технологий.

Важной сферой применения аппаратуры для анализа вибрации является охрана труда и техника безопасности. Влияние вибрации на человеческий организм различается в зависимости от частотного спектра вибрации, интенсивности и продолжительности воздействия, а также точки контакта. Продолжительное воздействие вибрации на операторов мощных инструментов и транспортных средств может быть опасно.

С целью защиты рабочих международные и российские стандарты определяют минимальные требования охраны здоровья и безопасности для персонала, подвергающегося опасности воздействия вибрации на рабочем месте.

Для получения быстрых и достоверных результатов контроля вибраций, а также последующего снижения воздействия потенциально опасных вибраций и обеспечения соответствия стандартам РФ применяют специализированные анализаторы вибраций.

Особого внимания заслуживают измерительные системы, построенные на базе персонального компьютера (ПК) и связанных с ним внешних устройств. Внешние устройства являются схемами сбора первичной измерительной информации и могут использоваться с различными типа датчиков.

В последние годы все больший интерес у разработчиков вызывают емкостные датчики. Емкостные датчики просты в конструировании и что важно - емкостные элементы легко интегрируются на печатную плату или в интегральную схему (ИС).

Разработанный анализатор вибраций (АВ) предназначен для контроля и регистрации виброускорения, амплитуды, частоты и спектра колебаний различных объектов в диапазоне от 0 до 1500 Гц.

АВ состоит из: ПК, внешнего устройства - измерительная плата и емкостного 3-х координатного

акселерометра в интегральном исполнении. Структурная схема АВ представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема анализатора вибраций.

А - акселерометр; ФНЧ - фильтр низкой частоты; У - усилитель; МК - микроконтроллер; ОТ - оптотранзистор; ПИ - преобразователь интерфейса; ПУ - преобразователь уровня; ИС - интегральный стабилизатор; ПК - персональный компьютер.

Измерительная плата АВ производит сбор данных от датчика и передачу их на ПК. Специализированное программное обеспечение ПК принимает и обрабатывает данные на персональном компьютере типа IBM PC с установленной операционной системой Windows XP или Windows Vista.

В качестве датчика в разработанном АВ был использован недорогой интегральный акселерометр фирмы Freescale Semiconductor [8]. Этот акселерометр 3-х осевой, простой в эксплуатации и позволяет измерять ускорение с установкой четырех диапазонов измерения с разной чувствительностью. Акселерометр является поверхностно-микромеханическим акселерометром интегральной схемы, содержащим в едином корпусе как емкостной датчик, так и специализированную схему формирования сигнала, обеспечивая выходное напряжение высокого уровня, являющееся метрическим соотношением и пропорциональное ускорению.

Для отображения графических результатов измерения устройство подключается к ПК с помощью стандартного интерфейса USB. Поэтому разработанное устройство имеет собственный микропроцессор. В разработке использован один из современных микроконтроллеров фирмы Microchip. В данный микроконтроллер встроены такие аппаратные блоки как интерфейс USB, интерфейс UART и несколько 10-и разрядных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) [9] . АЦП микроконтроллера нам необходимы для дискретизации по времени и квантования по уровню аналогового сигнала акселерометра лежащего в пределах напряжения питания устройства. Также значительно уменьшается стоимость устройства, вследствие не использования дополнительных внешних микросхем АЦП. В микроконтроллер записана программа, в соответствии с которой микроконтроллер осуществляет связь с ПК и производит дискретизацию сигнала с датчика.

При подключении устройства к интерфейсу USB ПК становится возможным реализация питания устройства от шины питания компьютера. Но, в этом случае возникают некоторые проблемы. Во-первых, напряжение питания акселерометра лежит в пределах от 2,2 до 3,6 В, а напряжение питания интерфейса USB определяется стандартом интерфейса и лежит в диапазонах от 4,4 до 5,5 В [4], в зависимости от реализации производителем комплектующих. Во-вторых, прибор должен удовлетворять требованиям безопасности и минимизировать шумы от ПК по шине USB. Для этого электрическую схему устройства необходимо полностью гальванически развязать от электрической схемы ПК. Для решения этих вопросов были использованы интегральный преобразователь уровня и интегральный стабилизатор с малым падением напряжения. Данная схема обеспечивает устойчивое напряжение питания устройства и полную гальваническую развязку по шинам питания и общей шине.

Также необходимо обеспечить гальваническую развязку по интерфейсным шинам данных USB. Данный интерфейс является двунаправленным, поэтому реализация гальванической развязки по его шинам данных сложно схемотехнически и значительно увеличит стоимость устройства. Вследствие этого было решено отказаться от использования аппаратного USB микроконтроллера и использовать интерфейс UART микроконтроллера. Для этого потребовалась микросхема преобразователь интерфейсов UART USB и оптотранзисторы для гальванической развязки шин данных интерфейса UART.

Для устранения искажений вызванных наложением спектра при аналого-цифровом преобразовании, а также подавления внутренней частоты синхронизации акселерометра в схему были добавлены фильтры антиналожения, в виде RC-цепочки установленной на каждый канал.

Для проведения измерений датчик должен устанавливаться на некотором расстоянии от измерительного блока. Данное устройство работает с датчиком расположенном на расстоянии до 1,5 м от измерительного блока. Но микросхема интегрального акселерометра конструктивно должна располагаться рядом с АЦП микроконтроллера. Поэтому для преодоления данного недостатка на отдельной плате, где расположен датчик, располагаются малошумящие высокоточные операционные усилители, подключенные на каждый выходной канал датчика. Операционные усилители предназначены для усиления сигнала с датчика, а также согласования.

Хотя возможности акселерометра позволяют измерять частоты до 1500 Гц, в настоящей реализации прибора диапазон частот программно ограничен до 50 Гц.

Для работы с измерительной схемой, сбора и обработки данных, отображения графиков осциллограмм и спектра на ПК была разработана программа Sensor 1.2. на языке высокого уровня Microsoft Visual C++.

Программа работает на IBM PC совместимых компьютерах под управлением операционных систем Windows ХР SP2 и Windows Vista. Основное окно программы представлено на рисунке 2.

Рисунок 2. Основное окно программы.

Коротко поясним алгоритм работы программы. После приема и накопления соответствующего количе-за отсчетов данных вычисляем ускорение по формуле

g =-

D'URef + - G.5 • Vdd

ка,

где D m -

Sens

десятичный эквивалент двоичного кода на выходе АЦП,

Vdd

напряжение питания датчи-

количество разрядов АЦП, URef+ - уровень положительного опорного напряжения, Sens -чувствительность измерения ускорения на выбранном диапазоне в В/g.

При ориентации датчика в пространстве к показаниям примешивается ускорение свободного падения

- д=9,8 м/с2. При анализе спектра подобная компонента помеха, поэтому ее фильтруем специальным

фильтром. Для анализа положения в пространстве компонента полезная и ее можно использовать. Для удаления данной компоненты программно реализовано включение цифрового дифференцирующего фильтра по необходимой координате. Дифференцирующая цепочка имеет структуру, описываемую рекурсивными формулами

Z = к • S _!

Y = X,. - Z:

где К =----------или (------) , X. -

256 512 і

входной поток чисел,

У; -

выходной поток,

- бесконечный сумма-

тор.

Далее вычисляем спектральные составляющие сигнала, используя непосредственно алгоритм дискретного преобразования Фурье (ДПФ). Как известно последовательность коэффициентов образующих ДПФ рассматриваемого сигнала и позволяющего пересчитать совокупность временных отсчетов в комплексный дискретный спектр вычисляется по формуле [1]

N-1 -'2'Я-к •/

е N ,

^ 1=0

к - номер гармонической составляющей спектра анализируемой реализации, I - номер времен-

С =

где

ного отсчета,

с,

к

коэффициенты спектра амплитуд анализируемой реализации, N

количество от-

счетов.

При расчете спектральных составляющих используется окно Хемминга, вычисляемое по формуле

окп = 0.54 + 0.46 • ео8(-

2-ж-

N

)

Далее производится усреднение спектра, масштабирование относительно максимальной спектральной составляющей и отображение графиков на экране ПК.

Интерфейс программы интуитивно понятный и стандартный для операционных систем Иіп^-^. Программа обладает достаточно большим количеством функций, такими как: выбор настроек виртуального COM-порта, тестирование внешнего устройства сбора данных,

выбор настроек программы (отображаемые графики, выбор окна ДПФ, настройки фильтров по каждому каналу и т.д.),

отображение графиков в режиме накопления данных, архивирование данных,

отображение графиков в режиме просмотра архива, вывод графиков на печать,

предварительный просмотр графиков перед печатью,

экспорт данных в файл с указанием экспортируемых величин и т.д.

Основное окно программы содержит область меню, из которого осуществляется основное управление программой; область панели инструментов, на которую вынесены наиболее востребованные команды управления; область графиков, а так же область вывода сообщений состояния.

На осциллограммах в области сообщений выводится информация о времени и ускорении в указанной точке, а также смещение фильтра при его использовании. На графиках спектра в области сообщений выводится информация о частоте и нормированной амплитуде указанной спектральной составляющей, а также смещение фильтра и амплитуда, и частота двух максимальных спектральных составляющих.

Включение цифрового фильтра устраняет постоянную составляющую, вызванную ускорением свободного падения. Примеры осциллограмм и спектров до фильтрации и после фильтрации приведены на рисунке 3 и рисунке 4 соответственно.

Рисунок 3. Осциллограмма и спектр сигнала до фильтрации.

ілИїН м Ш   -її м ттНтт і і [ і 1 11

VI д ш а ММ V г Г 11111 ІУI (І і І ] Щ щ / ж і ш у ІУ У ііі і

Рисунок 4. Осциллограмма и спектр сигнала после применения фильтра.

В результате проведенной работы разработан анализатор вибраций с емкостным акселерометром для измерения низкочастотной вибрации и имеющий следующие технические характеристики:

Тип датчика: 3-х осевой акселерометр в интегральном исполнении.

Диапазон измерения ускорения по осям координат: ±1.5g.

Частотный диапазон: от 0 до 25 Гц (с возможностью расширения до 1500 Гц).

Чувствительность ускорения по осям координат: 4 мд.

Разрядность АЦП: 10 разрядов на канал.

Тип интерфейса связи: USB.

Напряжения питания устройства от интерфейса USB: 5 В.

Напряжение питания схемы измерения: 3.3 В.

Частота дискретизации: 100 Гц/канал.

Количество точек накопления (один банк данных): N=1000.

Тип ПК: IBM PC совместимый.

Тип операционной системы: Windows XP или Windows Vista.

Комплекс имеет гальваническую развязку от шины электропитания персонального компьютера. Технические характеристики комплекса удовлетворяют всем необходимым требованиям и сопоставимы с аналогичными приборами. В дальнейшем планируется усовершенствование устройства путем введения новых методов обработки и представления получаемых данных. Для повышения эффективности использования аппаратной части комплекса и ее эргономики рассматривается возможность перехода на беспроводные способы обмена данными между измерительной схемой и ПК. Это позволит избежать неудобств и ограничений кабельного соединения, а также даст возможность отказаться от схемы гальванической развязки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. Изд. 3-е, испр. - М.: Высшая школа. - 2 0 0 0.

- 4 62 с.

2. Иванов В.И., Аксенов А.И., Юшин А.М. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: Справочник.

- М.: Энергоатомиздат. - 1988. - 448 с.

3. Агуров П.В. Интерфейсы USB. Практика использования и программирования. - СПб.: БХВ-

Петербург, 2004. - 576 с.

4. Don Anderson. USB System Architecture (USB 2.0). - MindShare, Inc. - 2001.

5. Новиков Ю.В., Калашников О.А., Гуляев С.Э. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC. - М.: ЭКОМ. - 2000. - 224 с.

6. Бьерн Страуструп Язык программирования С++. - М: Бином-сфера. - 2007. - 1100 с.

7. Холзнер С. Visual C++ 6. Учебный курс. - СПБ.: Питер, - 2007. - 570 с.

8. Document Number: MMA7260QT Rev 5, 03/2008 www.freescale.com

9. DS39632D www.microchip.com