对于机电设备管理和维护工作者来说，众多机电设备的工组状态如何，是否需要维修，是一个普遍存在的问题。通常机电设备管理人员采用的方法是不管设备状态如何都定时进行维修。这种策略有很多不利后果。一方面容易造成维修浪费，而且维修过程容易损坏状态良好的机电设备；另一方面部分设备没有到维修时间就已经发生了故障，会造成巨大的损失甚至灾难。因此设计一套系统来检测、管理机电设备的状态，并对故障提供辅助诊断是很有现实意义的。
1 硬件设计
　　系统由便携式数据采集装置和信号分析及故障诊断软件构成。便携式数据采集装置在现场采集数据并做简单诊断。采集完毕后，将带回数据的传送给计算机系统，供信号分析及故障诊断软件进行数据管理和分析诊断。便携式数据采集装置的硬件框图如图1所示。

1．1 传感器单元
　　振动量的测量采用三角剪切式电荷输出加速度传感器。此传感器结构的特点是采用三个压电元件成三角形排列，压电元件只有受到剪切力时才能在圆筒内外表面电极上产生电荷，其他方向的作用力都不会在电极上产生电荷，而且弹簧系统与外壳隔开，所以此种传感器有很好的环境隔离效果，即它的基座应变灵敏度、声灵敏度和瞬变温度灵敏度、磁灵敏度都很小。另外，剪切型加速度传感器具有很高的固有频率，频响范围很宽，特别适用于高频振动的测量，而且横向灵敏度小。
　　值得注意的是，对于某些机电设备的小电机电流信号，采用普通钳形电流变送器精度不够，漏磁不可忽略，需采用高精度钳形电流变送器。该变送器待测定导线的最大直径为8mm，漏磁极少，外形尺寸小巧，使用方便，特别适合机电设备的小电动机交流信号的测量。
1．2 前置放大单元
　　振动信号输入通道采用前置放大单元。前置放大器的作用有两个：(1)把压电加速度传感器的高输出阻抗(约为10⁸ Ω)经阻抗变换变成低输出阻抗，便于后续部分处理。(2)把压电加速度传感器输出的微弱电荷信号放大成电压信号，输出的电压与输入的电荷量成正比。
　　电荷放大器" title="电荷放大器">电荷放大器由一个输入阻抗极高、开环增益也很高的运算放大器AD522和一个由电阻、电容组成的负反馈网络组成，其等效电路如图2所示。图2中，q为加速度传感器产生的电荷，C₁为加速度传感器电容，C₂为电缆电容，C₃为放大器输入电容，C_f为反馈电容，R_f为反馈电阻，E为电荷放大器输出电压。分析等效电路可以发现，电荷放大器的输出电压仅与输出电荷及反馈电容有关，而与加速度传感器与放大器之间连接电缆长度无关。

　　后续的程控放大单元则根据键盘输入有选择性地对电压、加速度、速度、位移信号进行放大。
1．3 滤波单元
　　低通滤波器用于ADC之前，以降低高频噪声。滤波单元采用美国MAXIM公司的MAX系列滤波器集成电路，采用的IC转折频率大于10kHz，输入阻抗大于22kΩ。滤波器的阶数必须考虑三个参数：信号的最大频率、噪声的预期幅值和转换器ADC的最低有效位数(LSB)。最常用的滤波器逼近类型有Butterworth、Bessel和Chebyshev。Butterworth滤波器的幅频特性曲线在通带中幅值响应的平坦度最好，转换频带的衰减率好于Bessel， 但是不如Chebyshev滤波器；阻带没有振荡；但在时域上有过冲和振荡，而小于Chebyshev滤波器。Chebyshev低通滤波器转换频带的衰减率比Butterworth和Bessel滤波器的走势要陡。例如，5阶Butterworth的响应才能达到 3阶Chebyshev的转换带宽。Bessel滤波器通带中有平坦幅度响应,过了通带后，转换频带的衰减率比Butterworth或者Chebyshev滤波器的低，且阻带中没有振荡；其阶跃响应是上述所有滤波器中最好的，过冲和振荡都极小。经过试验研究，本系统设计的滤波器为四阶Butterworth滤波器。
1．4 微处理部分
　　(1) A/D转换单元。本系统采用AD574A集成器件。AD574A是12位逐次逼近式转换器，孔径时间为35μs。由模拟芯片和数字芯片混合集成。
　　(2)单片计算机。本系统采用AT89C51单片机。AT89C51带有4KB闪速可编程可擦除存储器(E²PROM)，128B片内RAM，两个16位定时/计数器，6个中断源，带有可编程串行UART通道，直接LED输出驱动。
　　(3)扩展程序存储器。由于AT89C51自带的程序存储器只有4KB，因此需要扩展。本系统采用Intel27512，为64KB的EPROM，16条地址线。
　　(4)扩展数据存储器。由于采集的数据量较大，本系统采用64KB的28512E2 PROM，总共两片。
2 软件设计
2．1 算法设计
　　(1)快速傅立叶变换(FFT)算法。FFT的分析误差很大程度上来自采样窗口和实际波形的同步不严格，造成频谱泄漏。为消除频谱泄漏引起的误差，按照GB/T14549-1993要求，只允许使用矩形窗和汉宁窗。使用矩形窗时窗口间不能有间隔和重叠。为减少信号的混叠和频谱泄漏，本系统采用汉宁窗处理。
　　(2)共振解调算法。故障冲击信息因被常规的振动所掩盖，直接对它作FFT分析得到的低频谱图中，几乎看不到表明故障的冲击特征信息。而故障冲击的共振解调波(包络波)对故障冲击信息进行了放大和展宽并剔除了常规的振动，并且共振解调波与原始的故障冲击信息一一对应，因此共振解调的信号处理过程，具有很好的信噪比。经过共振解调的谱图，就没有了常规振动谱线的干扰，故障冲击的谱线也就清晰可见了。共振解调用Hilbert变换来描述。设是采集离散时间序列数据，其Hilbert变换如下：
　　
　　(3)功率谱" title="功率谱">功率谱的计算。离散信号x(n)的功率谱密度的估计式为：由数据x(n)利用快速傅立叶变换(FFT)计算其幅值谱X(n)，则。
　　(4)自相关函数的计算。离散信号x(n)的自相关函数的估计式为:
　　
　　直接按照上式编排程序计算费时很多。本系统采用快速傅立叶逆变换(IFFT)进行，对做IFFT得。
　　(5)对数谱的计算。离散信号x(n)的对数谱为A(n)=20lgX(n)。许多故障信号往往反映在信号的边频分量和谐波分量上，虽然其变化的量级有的很大，但相对于基频分量(往往是转频)，幅值仍然较小，甚至是相当微弱的。图3是某一实测信号数据的幅值谱，不容易观察到其变化的程度，这时可以采用对数谱。对数谱实际上是加权谱。对强信号给予小的权值，对弱信号给予大的权值，从而可以容易看出故障信号。图4是同一信号数据的对数谱，显然，在整个分析频率内可以观察到除主频之外的其他重要边频。

　　(6)倒频谱的计算。幅值倒频谱C_x(ω)是对功率谱取对数再进行傅立叶逆变换。倒频谱可以分离时域中的卷积信号，可以清楚地检测分离幅值谱中含有的周期分量，包括边频信号和谐波。

2．2 通信模块设计
　　通信模块主要完成计算机与便携式数据采集器之间的数据传递。通信接口采用RS-232标准串行接口" title="串行接口">串行接口。便携式数据采集器利用89C51的串行I/O接口进行全双工方式通信，传输的波特率设置为1.2Kbps，数据采集器的通信程序采用汇编语言设计。89C51单片机串行接口的输入输出电平均为TTL电平，因此在片外连接了RS-232电平转换电路，采用集成芯片MAX232来实现。
　　计算机一般有两个串行接口COM1和COM2，符合RS-232标准的异步通信接口。如果没有串行接口，可以通过USB/串行接口转换线来连接。
　　计算机的通信程序采用与界面设计相同的语言Visual BasicVB来设计。用VB设计串行通信程序有二种方法：调用Windows的API函数和Visual Basic的通信控件。VB通信控件包含在VB套装软件中，文件名为MSCOMM.VBX。本系统用Visual Basic设计一个程序用来发送数据传送指令，通过MSComm控件来实现。MSComm控件有两种处理通信的方式：事件驱动方式和查询方式。本系统采用事件驱动方式。利用MSComm控件的OnComm事件捕捉处理通信，OnComm事件的发生由CommEvent属性值的变化引起。
2．3 界面模块设计
　　界面采用Visual Basic设计。将峰值频率以及峰值都标注在频谱图旁边，将频谱、波形、数据文件和子相关、时域诊断、波形分析、幅值谱、功率谱、对数谱、倒频谱功能都集中在“波形浏览及分析”一个窗口中，并将峰值和峰值频率标注在界面中，使用很方便，如图5所示。