王恒迪，趙彪，楊建璽，鄧四二，鄧凱文

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

通常，軸承振動(dòng)測量儀通過加速度型振動(dòng)傳感器，采用雙面6點(diǎn)測量的方法采集振動(dòng)信號(hào)并送入計(jì)算機(jī)處理，根據(jù)低、中、高3個(gè)頻段分別計(jì)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(hào)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(hào)的分析，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)放大電路改善初始信號(hào)的幅值、減小噪聲干擾、提高信噪比，以達(dá)到所要求的信號(hào)強(qiáng)度[2]。

根據(jù)JB/T 5314—2013《滾動(dòng)軸承 振動(dòng)(加速度)測量方法》，被測軸承振動(dòng)信號(hào)的處理頻率范圍分為50～300 Hz的低頻帶信號(hào)、300～1 800 Hz的中頻帶信號(hào)、1 800～10 000 Hz的高頻帶信號(hào)。放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)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(hào)要求頻率范圍為0～10 kHz，放大倍數(shù)設(shè)計(jì)為1 000倍。振動(dòng)信號(hào)放大電路需具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、噪聲干擾低、信號(hào)放大能力強(qiáng)、低溫漂、輸出頻帶范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，以滿足后續(xù)信號(hào)采樣的要求。

1 整體電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的放大電路包括一級(jí)放大電路、二級(jí)放大電路、低通濾波電路3個(gè)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(gè)集成運(yùn)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(diǎn)，而且具有電源電壓范圍較寬、靜態(tài)功耗較小、價(jià)格低等特點(diǎn)，更符合試驗(yàn)要求。

對(duì)于放大部分而言：單級(jí)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(huì)導(dǎo)致負(fù)反饋較淺，穩(wěn)定性較差，由于本電路設(shè)計(jì)要求信號(hào)放大1 000倍，所以采取多級(jí)放大的方案。但假如放大級(jí)數(shù)過多，陷入自激振蕩的可能性就會(huì)增加(特別是超過3級(jí))，而且隨著級(jí)數(shù)的增加，在放大過程中產(chǎn)生的噪聲也會(huì)增加，頻率響應(yīng)也會(huì)受到影響，故采取2級(jí)放大最為合理[3]。

設(shè)計(jì)的放大電路如圖2所示，由2級(jí)運(yùn)算放大器組成，均屬于電壓串聯(lián)負(fù)反饋。第1級(jí)增益Au1=1+R3/R1=50，第2級(jí)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(gè)復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中，伴隨著信號(hào)的采集，各種干擾信號(hào)也會(huì)混入采集的信號(hào)中，2級(jí)集成運(yùn)放在信號(hào)放大過程中也會(huì)產(chǎn)生噪聲干擾，影響正常信號(hào)的提取，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)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(shí)，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(dòng)；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(yàn)要求信號(hào)頻率在0～10 kHz范圍內(nèi)的幅頻特性曲線平坦無波動(dòng)，因此電路設(shè)計(jì)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(jí)之間相互獨(dú)立設(shè)計(jì)，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(gè)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(shí)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(jì)算截止頻率時(shí)的等效電容為

又因?yàn)镽f=R1=R2=22 kΩ，則截止頻率為

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，該放大電路的截止頻率大于10 kHz,大約等于試驗(yàn)要求頻率上限的5倍，符合工業(yè)濾波的設(shè)計(jì)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(jì)要求。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

在實(shí)驗(yàn)室先用信號(hào)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(dòng)傳感器采集到的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過放大電路，然后通過計(jì)算機(jī)測量輸出的放大信號(hào)，結(jié)果見表2。

表1 放大電路試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)

對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知：試驗(yàn)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(dòng)，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(hào)頻率的變化，輸出信號(hào)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(hào)和輸出信號(hào)的頻率一致，經(jīng)過放大和濾波處理之后，信號(hào)頻率并沒有發(fā)生變化，輸出信號(hào)中沒有摻雜其他頻率的信號(hào)。

3 結(jié)束語

通過對(duì)試驗(yàn)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(jì)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(dòng)測量儀中。