一種加速度信號隔離分路裝置的設(shè)計(jì)*

王占友　何　琳　陳景兵　吳　倩

(海軍工程大學(xué)振動與噪聲研究所船舶振動噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　武漢　430033)

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一種加速度信號隔離分路裝置的設(shè)計(jì)*

王占友何琳陳景兵吳倩

(海軍工程大學(xué)振動與噪聲研究所船舶振動噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室武漢430033)

加速度傳感器廣泛應(yīng)用于故障診斷、振動測試等領(lǐng)域，但有時(shí)需要多個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備同時(shí)采集同一個(gè)恒流供電的加速度傳感器的信號，此時(shí)會產(chǎn)生兩方面的問題：一方面多個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備可能同時(shí)對外供電造成沖突，另一方面多個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備并聯(lián)采集同一個(gè)加速度傳感器信號存在信號串?dāng)_問題。為此，論文設(shè)計(jì)了一種加速度信號隔離分路裝置，將信號分為主、副兩路并物理隔離，接入主路的數(shù)據(jù)采集裝置提供加速度傳感器的電源，接入副路的數(shù)據(jù)采集裝置的電源及信號被物理隔離，同時(shí)實(shí)現(xiàn)加速度信號的無損隔離傳輸，有效避免兩路信號相互串?dāng)_，從而較好地解決了多個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備同時(shí)采集一路加速度傳感器信號的難題。

加速度信號;隔離;分路裝置;數(shù)據(jù)采集裝置

Class NumberTP23

1　引言

加速度傳感器廣泛應(yīng)用于故障診斷、振動測試、振動監(jiān)測等領(lǐng)域[1～6]，對于加速度信號的采集、分析與處理是確定設(shè)備工作狀態(tài)的重要依據(jù)，通過對該信號的分析可以提取故障特征、了解設(shè)備的固有特征、觀察設(shè)備的振級趨勢等[7～12]。但在一些測試現(xiàn)場，由于測試目的不同，同時(shí)避免重復(fù)布置加速度傳感器，有時(shí)需要多個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備同時(shí)采集同一個(gè)恒流供電的加速度傳感器的信號，此時(shí)會產(chǎn)生兩方面的問題：一方面兩個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備可能同時(shí)對外供電造成沖突，因?yàn)橛行?shù)據(jù)采集設(shè)備供電方式是固定的，不能通過軟件等方式設(shè)置更改；另一方面多個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備并聯(lián)采集同一個(gè)加速度傳感器信號存在信號串?dāng)_問題，造成采集信號失真，影響后續(xù)數(shù)據(jù)的分析處理。因此，有必要設(shè)計(jì)一種信號隔離分路裝置，使多個(gè)數(shù)據(jù)采集裝置可以同時(shí)、不失真地采集同一加速度信號，有效避免多路裝置同時(shí)為加速度傳感器供電的沖突及采集同一信號所存在的串?dāng)_。

2　方案設(shè)計(jì)

該裝置的原理如圖1所示，該裝置包括有源高通模塊、隔離模塊、有源低通模塊、副路電源處理模塊。工作時(shí)，加速度傳感器由接入主路的數(shù)據(jù)采集裝置提供恒流供電電源，保證加速度傳感器正常工作，加速度傳感器輸出的交流信號一路輸出給接入主路的數(shù)據(jù)采集裝置，另一路輸出給隔離分路裝置。信號進(jìn)入隔離分路裝置后，首先經(jīng)過高通模塊將加速度信號中的直流成分去掉，然后通過隔離模塊輸出給低通模塊，最后通過副路電源處理模塊將信號輸出給接入副路的數(shù)據(jù)采集裝置。隔離模塊主要作用是將主副兩路實(shí)現(xiàn)物理隔離，有效避免兩路加速度傳感器電源及信號的沖突及串?dāng)_，低通模塊的拐點(diǎn)根據(jù)副路數(shù)據(jù)采集裝置的采樣頻率配置，實(shí)現(xiàn)抗混疊濾波；副路電源處理模塊主要是模擬副路電源供電時(shí)產(chǎn)生的直流偏置，將該偏置疊加到加速度傳感器的交流信號上，模擬還原加速度傳感器信號。

圖1　方案原理圖

3　高通、低通濾波模塊設(shè)計(jì)

高通與低通濾波模塊均采用巴特沃斯型濾波電路設(shè)計(jì)。巴特沃斯型濾波電路具有通帶幅度響應(yīng)平坦的特性，同時(shí)具有脈沖響應(yīng)好、衰減速度快的特點(diǎn)[13]。高通及低通設(shè)計(jì)為4階巴特沃斯濾波器，高通濾波器的截止頻率為1Hz，低通濾波器的截止頻率為10kHz，其電路拓?fù)淙鐖D2和圖3所示。設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，電阻采用E192系列精密電阻，電容采用E24系列精密電容，同時(shí)注意選擇的電阻和電容的標(biāo)稱值應(yīng)綜合考慮電路性能及元件的易購性。例如，適合做濾波器的電容標(biāo)稱值不能過大，否則市場上買不到，此時(shí)可綜合調(diào)整電路的電阻及電容的數(shù)值，將電容的標(biāo)稱值降低到合理的范圍；同時(shí)電阻的標(biāo)稱值不能過大，否則源于電阻的噪聲會過大。

圖2　四階巴特沃斯高通濾波電路

圖3　四階巴特沃斯低通濾波電路

4　隔離模塊設(shè)計(jì)

采用寬頻帶精密隔離放大器設(shè)計(jì)。隔離放大器原理如圖4所示。加速度傳感器信號經(jīng)過高通濾波隔直通交后，只有交流信號，可經(jīng)過隔離放大器進(jìn)行傳輸。由于將主路的電源地、信號地與副路的電源地、信號地在物理上完全隔離，因此能夠有效避免兩個(gè)系統(tǒng)之間的相互沖突及干擾。采用的隔離放大器參數(shù)為：隔離電壓1500Vrms，非線性誤差小于0.02%，帶寬范圍50KHz。

圖4　隔離放大器原理圖

5　副路供電電源的處理

副路采集通道可能供電，也可能不供電。為此將副路輸出對地串接2.4K電阻，接入副路的數(shù)據(jù)采集裝置的對外恒流供電電流為3mA～5mA，因此可以將該電流轉(zhuǎn)化為7.2V～12V的直流偏置電壓，再將加速度傳感器的交流輸出疊加在該直流偏置上，對加速度傳感器信號進(jìn)行還原。

6　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證裝置的有效性，將加速度傳感器安裝于標(biāo)準(zhǔn)振動臺上，由標(biāo)準(zhǔn)振動臺產(chǎn)生頻率及幅度變化的振動信號，加速度傳感器的輸出接于本隔離分路裝置上，主路及副路各由一臺B&K采集裝置進(jìn)行采集，主路及副路均提供直流恒流。測試分三種頻率、三種幅值進(jìn)行，對比兩種測試結(jié)果的誤差。表1為測試結(jié)果，由測試數(shù)據(jù)可知，最大誤差0.15dB，誤差較小、精度較高。

表1　主副兩路測試對比結(jié)果

7　結(jié)語

本文針對多個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備同時(shí)采集同一個(gè)恒流供電的加速度傳感器信號的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一種加速度信號隔離分路裝置，給出了詳細(xì)設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用本裝置隔離分路，有效避免了多路信號相互串?dāng)_的問題，一路信號分為多路信號后偏差小，較好地滿足了實(shí)際需要，證明了本方案的可行性。

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Design of An Insulation Splitter Device for Accelerometer Signal

WANG ZhanyouHE LinCHEN JingbingWU Qian

(National Key Laboratory on Ship Vibration and Noise,Institute of Noise and Vibration,Naval University of Engineering,Wuhan430033)

The accelerometers have been applied in many fields,such as fault diagnosis,vibration test.Sometimes many data acquisition devices will collect the same accelerometer signal simultaneously.Thus two problems will arise.One is power supply conflict,the other is signal interference.For this reason,an insulation splitter device for accelerometer signal is designed in this paper.This device splits signal into two paths which are isolated:one is master path,the other is secondary path.The data acquisition device related with master path powers accelerometers,at the same time,the accelerometer signal will be transferred by lossless isolated way.Thus the conflict of two paths is avoided.As a result,the problem that many data acquisition devices collect the same accelerometer signal simultaneously is solved satisfactorily.

accelerometer signal,isolation,splitter device,data acquisition device

2016年3月13日,

2016年4月27日

王占友,男,博士后,工程師，研究方向：檢測與控制。何琳,男,碩士,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向：振動與噪聲控制。陳景兵,男,碩士,助理研究員,研究方向：振動與噪聲控制。吳倩,女,碩士,助理研究員,研究方向：振動與噪聲控制。

TP23DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.030