钢球振动测量仪电气系统的设计

随着微电子技术的发展，出现了许多功能强大的集成电路芯片，这些芯片往往可以将一个完整功能的电路集成到一个芯片上，或将几个相关功能的电路甚至整套的测控电路集成到一个芯片上。在现代仪器的开发设计中，应尽可能地采用集成化器件。钢球振动测量仪的电气系统设计，充分采用了高集成度的芯片去简化电路或电路设计，利用了集成状态变量滤波器；集成化真有效值、对数转换器；集成函数发生器等，提高了仪器电气系统的性能，降低了成本。

1　工作原理

被测钢球通过不同胎具固定在高精度主轴上旋转，加速度传感器与被测钢球表面接触，并拾取钢球表面因波纹而产生的微弱振动信号。此信号经电荷放大器放大后，通过170～400Hz或400～800Hz带通滤波器，再送至有效值、对数电路，最后经表头指示出被测钢球的波纹振动值，其振动值的大小用分贝值度量。该仪器设有自校电路，其电路产生260Hz与520Hz正弦波信号，用于随时校准。电气系统的测量原理如图1所示。

图1　电气系统的测量原理框图

2　主要单元电路的设计

2.1　前置放大电路

钢球振动测量仪的拾振器为压电式加速度型传感器。该类传感器的结构形式有3种：周边压缩式、中心压缩式及剪切式。从性能和经济的角度考虑，选用ＹＤ-12型中心压缩式传感器。该型传感器的压电片和质量块与外壳隔离，对基座应变引起的误差和横向灵敏度均较小，比周边压缩式传感器的抗环境干扰能力强。

与压电元件配套的测量电路的前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比；另一种是带电容反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。电压放大器与电荷放大器相比，电路简单，但易受外界干扰影响，并且电缆分布电容对传感器测量精度影响很大，而电缆的分布电容量则与导线种类和长度有关，在测量中如果更换电缆，则必须对前置放大器的倍率重新进行调整；电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比，对电缆长度变化的影响几乎可以忽略不计，所以在此测量系统中采用电荷放大器作为前置放大电路。电荷放大器是一个高增益的电容反馈放大器，其基本电路如图2所示，虚线框内为传感器等效电路。

图2　电荷放大器基本电路框图

输出幅值

式中　
Ｑ-传感器电荷量
Ｃａ-传感器电容量
Ｒａ-传感器阻值
Ｃｆ-电荷放大器反馈电容
Ｒｆ-电荷放大器反馈电阻
Ａ-运算放大器的增益

输出电压取决于Ｑ和Ｃｆ。为了得到必要的测量精度，要求Ｃｆ的温度和时间稳定性要好。 [p]

幅频特性

当

式中　
ω-角频率
Ｇｆ-Ｒｆ的电导

低频时电荷放大的频率响应仅决定于反馈电路参数Ｒｆ和Ｃｆ。反馈电阻Ｒｆ还有提供直流反馈、减小零漂、使电荷放大器工作稳定的作用。

2.2　滤波器

传统钢球振动测量仪中的滤波电路采用ＲＣ有源滤波器。这类滤波器由运算放大器外接电阻、电容构成的。滤波频率由电阻、电容参数决定，选配困难，调试不便。为了方便测量系统的调试与维修，减小滤波器的温漂与时漂，采用了集成状态变量滤波器。

所谓状态变量滤波器就是用状态变量法解二阶微分方程并致力于用模拟电子线路来获得的一种滤波电路。它是一种有源的模拟滤波器，是时间连续的滤波，与开关电容滤波器相比，噪声较小，动态性能优良。状态变量滤波器便于集成化，外接几个电阻便可构成低通、高通、带通带阻等各种类型的滤波器。集成化的状态变量滤波器基本单元是一个二阶环节，通过级联可实现四阶或八阶滤波器。这种滤波器的误差灵敏度低，即外接电阻参数稍有变化时，对传输特性的影响不大。

集中状态变量滤波器MAX274包含四个二阶环节，最高可构成一个八阶滤波器。图3是利用MAX274设计的400～800Hz带通滤波器，其频率特性满足《ＪＢ/Ｔ8075-1996　滚动轴承钢球振动测量仪的技术标准》中的要求。

图3　带通滤波器

2.3　有效值、对数电路

交流电压通常是以有效值来度量的，测量交流电压的电路有平均值转换器和真有效值转换器。平均值转换器电路简单，成本低，广泛应用于低精度的仪器仪表中，但由于采用平均值的电压表头是按正弦有效值进行刻度的，所以，只有在测仅包含正弦波的电压信号时，所显示的结果才是正确的。现代高精度仪器仪表很少再采用平均值转换器，代之发展并广为采用的是真有效值转换器。真有效值转换器可以实现周期性交流电压的有效值测量。其输出的直流电压，线性地正比于被测各种波形交流信号的有效值，不受输出波形失真度的影响。

有效值测量集成电路视其测量范围和精度要求有多种规格可选，较通用的有AD536、AD636、AD637、AD736及AD737Ｄ等。我们选用AD637，该集成器件是按有效值隐含运算而设计的，其精度优于0 1%，波峰因数≤10，相对稳定时间快，是当前集成真有效值转换器性能较好的一种。AD637由绝对值电路、平方/除法器、低通滤波/放大器和缓冲放大器等组成。AD637还设有对数输出口，通过外接电路设置对数电路零点，AD637测量有效值的输出值经过差动对数放大器后就得到所测量有效值的ｄＢ值。

2.4　校准信号源

采用集成函数发生器ICL8038和外接阻容元件构成信号发生器，输出260Hz与520Hz两种正弦波信号，用于电气系统进行自校。ICL8038的内部电路主要有矩形波、三角波发生电路和三角波变正弦波电路。该信号源的失真度≤1%，频率、波形调整方便。

3　抗干扰问题

制作性能稳定而可靠的测量电路，不仅需要正确设计电路、合理选择元器件，而且应从工艺上采取措施以抑制干扰和噪声。

由于电荷放大器为一种高阻抗测量电路，因此在实测中干扰及噪声的影响就显得十分严重，必须加以注意。钢球振动测量仪电气系统测试的信号范围为几微伏到几十毫伏，动态范围大，信号微弱。电气系统的基础噪声叠加到被测钢球的振动信号上，会影响到仪器的示值线形误差。因此，在该宽动态弱信号测量系统的设计过程中，抗干扰是要多加考虑的重要问题。

在该电气系统中，除了选用低噪声的元器件，还着重采取了以下一些抗干扰措施：将接地和屏蔽正确结合起来使用；对电源加以处理以防止干扰或低频自激；印制电路板上元器件的布局与信号走线、电气系统的装配工艺均要符合抗干扰的设计要求。

实践证明，该电气测量系统的测量精度高，基础噪声低，工作稳定可靠，且操作简单，调试、维修方便。

参考文献：
[1]　强锡富.传感器[M].北京：机械工业出版社，1998.
[2]　何书林，陈　晶，何华斌.实用模拟电路原理与设计速成[M].福州：福建科学技术出版社，2002.
[3]　康华光.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，1993.
[4]　Maxim Integrated Products公司. Maxim产品数据手册[Z].2002.