軸承振動測量儀振動傳感器的放大電路設(shè)計

王恒迪，趙彪，楊建璽，鄧四二，鄧凱文

(河南科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

通常，軸承振動測量儀通過加速度型振動傳感器，采用雙面6點測量的方法采集振動信號并送入計算機處理，根據(jù)低、中、高3個頻段分別計算相應(yīng)的有效值，并通過與國家標(biāo)準(zhǔn)的比較判斷軸承的優(yōu)劣[1]。但是由于外界的干擾，采集到的信號往往幅值較小、噪聲干擾較大、信噪比較小，不利于后續(xù)信號的分析，因此需要設(shè)計一個放大電路改善初始信號的幅值、減小噪聲干擾、提高信噪比，以達(dá)到所要求的信號強度[2]。

根據(jù)JB/T 5314—2013《滾動軸承 振動(加速度)測量方法》，被測軸承振動信號的處理頻率范圍分為50～300 Hz的低頻帶信號、300～1 800 Hz的中頻帶信號、1 800～10 000 Hz的高頻帶信號。放大電路對不同頻率信號的頻率響應(yīng)不小于理論放大倍數(shù)的0.707倍為不失真。因此，后續(xù)采集的信號要求頻率范圍為0～10 kHz，放大倍數(shù)設(shè)計為1 000倍。振動信號放大電路需具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、噪聲干擾低、信號放大能力強、低溫漂、輸出頻帶范圍寬等優(yōu)點，以滿足后續(xù)信號采樣的要求。

1 整體電路設(shè)計

設(shè)計的放大電路包括一級放大電路、二級放大電路、低通濾波電路3個部分，如圖1所示。

1.1 放大電路

放大部分的核心是TL061C和TL062C這2個集成運算放大器，具有高輸入阻抗、低輸入偏置電流和低輸入失調(diào)電流等優(yōu)點，而且具有電源電壓范圍較寬、靜態(tài)功耗較小、價格低等特點，更符合試驗要求。

對于放大部分而言：單級放大電路的放大倍數(shù)比較有限，一般不超過100倍，放大倍數(shù)如果過大，會導(dǎo)致負(fù)反饋較淺，穩(wěn)定性較差，由于本電路設(shè)計要求信號放大1 000倍，所以采取多級放大的方案。但假如放大級數(shù)過多，陷入自激振蕩的可能性就會增加(特別是超過3級)，而且隨著級數(shù)的增加，在放大過程中產(chǎn)生的噪聲也會增加，頻率響應(yīng)也會受到影響，故采取2級放大最為合理[3]。

設(shè)計的放大電路如圖2所示，由2級運算放大器組成，均屬于電壓串聯(lián)負(fù)反饋。第1級增益Au1=1+R3/R1=50，第2級增益Au2=1+R5/R4=20，則電路的總放大倍數(shù)Au=Au1×Au2=1 000。

圖2 放大電路

1.2 濾波電路

軸承檢測處于一個復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中，伴隨著信號的采集，各種干擾信號也會混入采集的信號中，2級集成運放在信號放大過程中也會產(chǎn)生噪聲干擾，影響正常信號的提取，所以需要設(shè)計一個濾波器加以抑制[4]。

常見低通濾波器有Butterworth， Chebyshev和Bessel濾波器。在相同階數(shù)時，Butterworth濾波器通帶最為平坦，阻帶下降緩慢；Chebyshev濾波器在通帶內(nèi)頻率響應(yīng)的幅頻特性不如Butterworth平坦，但在過渡帶比Butterworth衰減得快，雖然Chebyshev在通帶內(nèi)的幅頻特性曲線和理想曲線誤差最小，但是卻存在幅值波動；而Bessel濾波器在阻帶范圍內(nèi)下降的最慢，其幅頻特性的選頻特性是三者中最差的[5]。

本試驗要求信號頻率在0～10 kHz范圍內(nèi)的幅頻特性曲線平坦無波動，因此電路設(shè)計采取有源二階Butterworth低通濾波器，該濾波器不僅體積小、成本低、濾波效果好，而且能夠在前后級之間相互獨立設(shè)計，濾波電路如圖3所示。

圖3 濾波電路

假設(shè)R1=R2=R，C1=C2=C，則

由于引腳7與6相連接，相當(dāng)于一個電壓跟隨器，放大倍數(shù)為1，在電路中起阻抗變換的作用，提高了帶負(fù)載能力，即U3(s)=U4(s)。則

因此，幅頻特性曲線在頻率遠(yuǎn)大于截止頻率時按照-40 dB/dec下降，相比于一階濾波電路(在此情形下按照-20 dB/dec下降)，其幅頻特性曲線在過渡帶衰減得更快，濾波效果更加理想。

取R1=R2=22 kΩ，C1=220 pF，C2=100 pF，則計算截止頻率時的等效電容為

又因為Rf=R1=R2=22 kΩ，則截止頻率為

根據(jù)以上計算結(jié)果，該放大電路的截止頻率大于10 kHz,大約等于試驗要求頻率上限的5倍，符合工業(yè)濾波的設(shè)計需要[6]，而且在0～10 kHz頻率范圍內(nèi)幅值衰減小，滿足設(shè)計要求。

2 試驗驗證與分析

在實驗室先用信號發(fā)生器輸入頻率不等、幅值相同且都等于1.5 mV的正弦波，通過放大電路后由示波器測量，其相關(guān)數(shù)據(jù)見表1；將振動傳感器采集到的振動信號經(jīng)過放大電路，然后通過計算機測量輸出的放大信號，結(jié)果見表2。

表1 放大電路試驗數(shù)據(jù)

表2 現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)

對表中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知：試驗數(shù)據(jù)符合國家標(biāo)準(zhǔn)，放大電路在規(guī)定頻帶范圍內(nèi)的放大倍數(shù)在970倍左右浮動，約等于1 000倍，誤差在國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定頻率響應(yīng)的允許范圍之內(nèi)。隨著輸入信號頻率的變化，輸出信號的增益和理想范圍并沒有太大差距，衰減同樣在誤差允許范圍內(nèi)。通過示波器可以看出輸入信號和輸出信號的頻率一致，經(jīng)過放大和濾波處理之后，信號頻率并沒有發(fā)生變化，輸出信號中沒有摻雜其他頻率的信號。

3 結(jié)束語

通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，該放大電路的放大倍數(shù)約等于1 000倍，濾波效果良好，頻率響應(yīng)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，電路設(shè)計合理、嚴(yán)謹(jǐn)，調(diào)試方便、效果良好，可以很好地應(yīng)用在軸承振動測量儀中。