信號調(diào)理隔離模塊在教學(xué)實驗中的設(shè)計與應(yīng)用

李崢 孫通 孫力

[摘 要] 針對研究生課程“機械振動”“轉(zhuǎn)子動力學(xué)”的實驗教學(xué)改革，動力學(xué)課題組設(shè)計了一套振動采集設(shè)備，為了滿足各個設(shè)備相匹配，研制了信號調(diào)理模塊，通過對模塊的總體方案的設(shè)計、實物的展示及實驗標(biāo)定，結(jié)果滿足了實驗設(shè)計要求，為研究生課程今后的實驗教學(xué)及科研工作提供了理論及實驗驗證。

[關(guān)鍵詞] 教學(xué)改革;信號調(diào)理;實驗

一、引言

“機械振動”“轉(zhuǎn)子動力學(xué)”課程是清華大學(xué)研究生專業(yè)選修課程，其針對研究生的振動實驗環(huán)節(jié)是理論鞏固與實際工程結(jié)合能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)[1-4]。目前，大部分院校開設(shè)的振動實驗，基本上是購買國內(nèi)外成熟的采集及分析系統(tǒng)，利用自帶分析軟件直接分析得到相關(guān)結(jié)果，其相對的不能培養(yǎng)研究生的真正能力，因此動力學(xué)課題組根據(jù)實驗室現(xiàn)有設(shè)備，自行設(shè)計搭接了一套硬件采集系統(tǒng)，學(xué)生通過自行采集數(shù)據(jù)，查閱相關(guān)資料，編寫程序分析結(jié)果。由于其國內(nèi)外的傳感器輸出電壓有差別，因此在設(shè)計采集系統(tǒng)的中間，增加了一套信號調(diào)理模塊，模塊的應(yīng)用，使國外的電渦流傳感器能與國內(nèi)的采集卡的輸入電壓相匹配，從而完成設(shè)計了采集系統(tǒng)。本文根據(jù)設(shè)計的信號調(diào)理模塊，針對某一型號板材記錄了測量標(biāo)記，為今后研究生的教學(xué)實驗及科研工作打下了實驗基礎(chǔ)。

二、總體方案設(shè)計

由于實驗應(yīng)用到的為美國GE電渦流傳感器型號為Bently_3300XL，其輸入電壓為-24V。前置放大器輸出電壓范圍為-17V～-1V，在電路連接方面，由于傳感器的輸出電壓范圍與采集系統(tǒng)的輸入范圍不匹配，所以需要一個中間模塊進行線性轉(zhuǎn)換。此模塊應(yīng)具有頻響范圍大、線性誤差小、抗干擾能力強等性能。采集模塊容許的輸入信號電壓區(qū)間為-10V～+10V，為確保采集模塊正常工作，需將前置放大器輸出線性電壓調(diào)理至-5V～+5V，其信號隔離模塊主要技術(shù)指標(biāo)及原理圖、實物圖如下。

1.隔離模塊技術(shù)指標(biāo)：輸入信號：-17V～-1V;輸出信號：-5V～+5V;電源：直流24V;輸入阻抗：三100K歐姆;精度：0.2%;線性度：0.1%;響應(yīng)頻率：<2000HZ。

2.其原理圖、實物圖如圖1（a）、圖1（b）。

3.根據(jù)上述參數(shù)，最終實物信號調(diào)理模塊，其原理圖及實物圖見圖2（a）、圖2（b）所示。

三、電渦流傳感器標(biāo)定

為了驗證調(diào)理模塊的可靠性，這里利用實驗室現(xiàn)有的水輪機模式進行標(biāo)定測試，其為獲得更大的線性測量范圍，并且檢測信號調(diào)理模塊對本特利電渦流傳感器的綜合影響，通過實驗進行電渦流傳感器針對“水輪機”材料的靈敏度的標(biāo)定。材料實驗進行標(biāo)定前，在實驗用的水輪機模型下環(huán)固定了一片工具鋼，用于測試經(jīng)過調(diào)理后的電渦流傳感器進行位移的標(biāo)定和采集，實驗中設(shè)備的移動利用了螺旋測微儀，為了檢測位置移動的準(zhǔn)確性，檢測設(shè)備還增加了一套激光位移傳感器用于檢測螺旋測微儀的準(zhǔn)確性，保證實驗的可信度。其標(biāo)定設(shè)備實驗測試接線示意圖、水輪機標(biāo)定實驗?zāi)M題、電渦流傳感器標(biāo)定實物裝置如圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）所示。

四、標(biāo)定方法

試驗中水輪機模型位置固定在螺旋測微儀上，經(jīng)過調(diào)理的電渦流傳感器固定于移動設(shè)備上，通過旋轉(zhuǎn)螺旋手柄可以實現(xiàn)移動設(shè)備（電渦流傳感器）與被測物軸向運動。用于檢測位移裝置的激光位移傳感器也要位置固定，用來記錄標(biāo)定移動設(shè)備的決定位移量。通過調(diào)理后的電渦流傳感器輸出電壓值可以通過示波器進行顯示，已被采集系統(tǒng)采集記錄。其移動設(shè)備的絕對位移由激光位移傳感器的控制器顯示屏顯示出來，與螺旋測微儀進行比對分析。

五、標(biāo)定過程

1.首先通過旋轉(zhuǎn)手柄把水輪機模型遠(yuǎn)離電渦流傳感器的方式，將移動設(shè)備調(diào)整到合適位置。

2.移動墊塊，使固定上的工具鋼表面與電渦流傳感器表面接觸。

3.實驗中通過調(diào)整激光位移傳感器的位置，使其與移動平臺距離在傳感器工作區(qū)域中心附近，然后固定激光位移傳感器，并通過控制器將此刻位置下的傳感器示數(shù)置零，已顯示運動后的相對移動位移值。

4.旋轉(zhuǎn)螺旋手柄，使移動設(shè)備遠(yuǎn)離水輪機模型大約0.05mm，同時記錄激光位移傳感器位移值與示波器幅值示數(shù)。

5.重復(fù)步驟4至示波器幅值示數(shù)不再有任何變化。下圖4為最終調(diào)理模塊的標(biāo)定結(jié)果。

通過以上的操作步驟獲得的試驗數(shù)據(jù)中，線性較好的部分如圖4所示，采用線性關(guān)系擬合該部分?jǐn)?shù)據(jù)，得出電渦流傳感器針對水輪機模擬臺的輸出特性為：Vs =-4.715（v/mm） Ds+5.909v （1）

其中，Vs和Ds分別為經(jīng)過調(diào)理的電渦流傳感器電壓示數(shù)和電渦流傳感器探頭到工具鋼表面的距離，4.715v/mm為電渦流傳感器針對水輪機模擬臺的靈敏度。此外，圖4中數(shù)據(jù)還顯示，傳感器最佳安裝位置為1.0mm，且水輪機模型振幅應(yīng)小于0.8mm。才能達到實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，且實驗中不會破壞傳感器探頭。同理，我們把實驗的四個模塊都進行了以上步驟的測量，電壓輸出均正常，其偏差不大于±0.05V，因此我們設(shè)計的調(diào)理模塊不論在設(shè)計上以及在實用上都能達到很好的線性度，為今后的研究生實驗及科研打下了基礎(chǔ)。

六、結(jié)語

信號調(diào)理模塊的設(shè)計與應(yīng)用，很好地解決了“振動理論”課程實驗信號輸入的問題，目前設(shè)備已經(jīng)用于研究生的課程實驗及相關(guān)的科研工作中。設(shè)備應(yīng)用有效地解決了信號輸入與輸出的問題，為今后其相關(guān)振動測試打下了實驗基礎(chǔ)[5-9]。

參考文獻

[1]徐嵐，陶濤.高水平研究生教育是“雙一流”的突出特征——“研究生教育和世界一流大學(xué)建設(shè)”國際學(xué)術(shù)研討會綜述[J].高等教育研究，2016（07）.

[2]劉曉黎，張莉，劉磊.研究生教育國際化支撐“雙一流”建設(shè)的對策研究[J].研究生教育研究，2016（04）.

[3]楊柳.我國研究生創(chuàng)新人才培養(yǎng)機制改革研究[J].研究生教育研究，2017（06）.

[4]王魯云，張明君，等.實驗課教學(xué)過程管理模式的改革與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2013（06）.

[5]管國鋒，吳松強.基于學(xué)科交叉研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)機制研究[J].江蘇高教，2017（05）.

[6]姜文鳳，張永策，等.“雙一流”建設(shè)中實驗教學(xué)平臺構(gòu)建及應(yīng)用研究[J].實驗技術(shù)與管理，2019，36（06）：16-20.

[7]呂念玲，袁炎成，等.實驗教學(xué)重在過程[J].實驗技術(shù)與管理，2017（06）.

[8]于歆杰.以學(xué)生為中心的教與學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2017.

[9]宮毅敏.對中國特色“雙一流”建設(shè)的新思考[J].教育探索，2018（02）.