宋先進(jìn)，王 志

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安徽省計(jì)量科學(xué)研究院，安徽 合肥 230051)

振動(dòng)是自然界普遍存在的現(xiàn)象，尤其是在工業(yè)生產(chǎn)中，振動(dòng)測(cè)試主要從振動(dòng)頻率、振動(dòng)強(qiáng)度、振源尋找等方面著手[1]，準(zhǔn)確地獲得振動(dòng)參數(shù)對(duì)我們優(yōu)化工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)和合理安排工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)具有重大意義。壓電式加速度傳感器因?yàn)榫哂畜w積小、重量輕、測(cè)量頻率范圍寬和易于安裝等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于振動(dòng)測(cè)試中[2]。但壓電式加速度傳感器存在內(nèi)部壓電晶體產(chǎn)生的電信號(hào)微弱、易受干擾等問(wèn)題[3]；IEPE加速度傳感器是一種內(nèi)置放大電路的壓電式加速度傳感器，能減少周圍環(huán)境對(duì)信號(hào)傳輸?shù)母蓴_；因此具有高靈敏度、抗干擾等特點(diǎn)，所以其在振動(dòng)測(cè)試方面有著廣泛的應(yīng)用。文章基于IEPE加速度傳感器設(shè)計(jì)了一套振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括IEPE加速度傳感器、傳感器驅(qū)動(dòng)及信號(hào)調(diào)理電路、高速數(shù)據(jù)采集卡及l(fā)abview2010軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。并對(duì)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果表明該振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)振動(dòng)測(cè)量最大誤差1Hz，精度較高，基本滿足實(shí)驗(yàn)要求。

1 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)組成

振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)包括IEPE加速度傳感器、傳感器驅(qū)動(dòng)及信號(hào)調(diào)理電路、高速數(shù)據(jù)采集卡及l(fā)abview2010軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

1.1 IEPE加速度傳感器介紹

IEPE加速度傳感器分為電荷輸出型和電壓輸出型，電壓輸出型又包括兩線制和三線制，兩線制即兩根線中一根是信號(hào)/電源線，一根是地線；三線制即三根線分別是信號(hào)線、地線、電源線。本文選用的是兩線制的電壓輸出型IEPE傳感器，采用東華測(cè)試有限公司生產(chǎn)的IEPE壓電式加速度傳感器型號(hào)1A315E，其基本參數(shù)有：靈敏度x向1000mV/g、y向1042mV/g、z向1032mV/g、，量程±5g，頻率響應(yīng)范圍1.5～5000Hz，工作電壓為12～30V，工作電流為恒流2～20mA，直流偏置電壓10V。

IEPE加速度傳感器是一種基于壓電效應(yīng)的壓電式加速度傳感器，它是對(duì)普通壓電式加速度傳感器的改進(jìn)。普通壓電式加速度傳感器由于內(nèi)部壓電晶體產(chǎn)生的電量信號(hào)很微小，必須外接電荷或者電壓放大器使用，但微小的電信號(hào)在長(zhǎng)距離傳輸時(shí)容易受干擾，這就降低了傳感器的測(cè)量精度和穩(wěn)定性。IEPE加速度傳感器是一種自帶電荷放大器或電壓放大器的加速度傳感器，它把放大電路內(nèi)置于傳感器中。

1.2 驅(qū)動(dòng)及信號(hào)調(diào)理電路構(gòu)成

IEPE加速度傳感器的驅(qū)動(dòng)及信號(hào)調(diào)理電路包括恒流源電路、偏置電路、電壓基準(zhǔn)電路、穩(wěn)壓電路，電源隔離模塊。

1.2.1 恒流源設(shè)計(jì)

IEPE加速度傳感器驅(qū)動(dòng)電路的核心部分是恒流源電路，為了抑制傳感器輸出信號(hào)的溫度漂移，獲得良好的溫度特性，IEPE加速度傳感器需要精密的恒流源[4]。本文中的恒流源是基于LM334設(shè)計(jì)的[5]，其用到的器件較少，可以提高恒流源的穩(wěn)定性和可靠性，其基本電路如圖2所示，其中Rset為恒流源設(shè)置電阻。

流經(jīng)LM334的總電流ISET等于流過(guò)LM334的偏置電流IBIAS和流過(guò)設(shè)置電阻Rset的電流IR之和，電流IBIAS和ISET的比例關(guān)系曲線如圖3所示。

圖2 恒流源電路

圖3 電流ISET——IBIAS比例關(guān)系曲線圖

在1uA～4mA的電流范圍內(nèi)，比例的典型值是18，即：

(1)

其中根據(jù)其特性VR一般是214μV/K，其特性是和溫度有關(guān)的。為了對(duì)溫度特性進(jìn)行補(bǔ)償，使電流在一定溫度范圍內(nèi)恒定，下面對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)，其電路如圖4所示。

根據(jù)LM334工作原理，另外在添加一只電阻和一只硅二極管，其分析過(guò)程如下：設(shè)定電路各支路的電流分別為I1、I2和IBIAS；

圖4 零溫度系數(shù)的恒流源電路

則有：

ISET=I1+I2+IBIAS

(2)

式(2)中：I1=VR/R1；I2=(VR+VD)/R2；IBIAS很小，可以忽略不計(jì)。

單位溫度變化所引起的電流變化即電流溫度系數(shù)，可以求電流對(duì)溫度求導(dǎo)。即：

(3)

(4)

I2=(VR+VD)/R2

(5)

(6)

(7)

(8)

電流值的大小為：

(9)

1.2.2 信號(hào)處理電路及電源電路

IEPE加速度傳感器在工作狀態(tài)下產(chǎn)生的原始信號(hào)由兩部分組成：一是靜態(tài)時(shí)的直流偏置電壓，其大小在傳感器出廠時(shí)就固定下來(lái)；另一部分是動(dòng)態(tài)的振動(dòng)信號(hào)。本文中選用的IEPE加速度傳感器的直流偏置電壓為10V，因此本文中設(shè)計(jì)一個(gè)偏置電路，其目的是使傳感器在初始狀態(tài)下的輸出為0V。偏置電路中需要一個(gè)10V的基準(zhǔn)電壓，基準(zhǔn)電壓的精度很大程度上會(huì)影響測(cè)量系統(tǒng)的精度，所以本文選擇標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)電壓芯片設(shè)計(jì)10V的基準(zhǔn)電壓。

信號(hào)調(diào)理模塊采用單一的5V電壓供電，本文選取電源隔離模塊，它可以實(shí)現(xiàn)5V電壓輸入，±24V電壓輸出；同時(shí)設(shè)計(jì)了±18V穩(wěn)壓電路，為恒流源電路、偏置電路和10V基準(zhǔn)電壓電路供電。

1.3 軟件平臺(tái)

1.3.1 數(shù)據(jù)采集卡

我們采用NI公司生產(chǎn)的USB 6210數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，USB-6210是一款多功能DAQ設(shè)備，可同時(shí)對(duì)16路電壓進(jìn)行采集，16位分辨率，單通道采集速率為250KS/s。

1.3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的功能包括信號(hào)采集、歷史數(shù)據(jù)的讀取記錄、數(shù)字濾波和時(shí)域頻域分析[6]，這些都是通過(guò)直接調(diào)用labview2010軟件中的函數(shù)完成的。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

圖5 軟件設(shè)計(jì)流程圖

2 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)定

描述振動(dòng)信號(hào)的一個(gè)重要參數(shù)是信號(hào)的頻率，絕大多數(shù)的工程振動(dòng)均可分解成一定頻率和幅值的正弦信號(hào)，我們選定振動(dòng)頻率為所要標(biāo)定的測(cè)量參數(shù)。標(biāo)定要用到的裝置有：信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、振動(dòng)臺(tái)、東華測(cè)試公司的測(cè)量系統(tǒng)、本文構(gòu)建的測(cè)試系統(tǒng)等，測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)定示意圖如圖6所示。

圖6 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)定示意圖

標(biāo)定實(shí)驗(yàn)以振動(dòng)臺(tái)作為振源，由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦波激勵(lì)，放大器對(duì)激勵(lì)信號(hào)的振幅進(jìn)行放大，放大后的激勵(lì)信號(hào)加在振動(dòng)臺(tái)上，使振動(dòng)臺(tái)起振；然后分別用基于東華測(cè)試公司標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)調(diào)理模塊的測(cè)試系統(tǒng)和本文中構(gòu)建的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量振源振動(dòng)情況，并進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和分析。

以分析振動(dòng)頻率為例，依次改變信號(hào)發(fā)生器的頻率，然后分別用上文提到的兩種測(cè)量系統(tǒng)對(duì)振源的振動(dòng)頻率進(jìn)行測(cè)量，以東華測(cè)試公司的測(cè)量系統(tǒng)為標(biāo)準(zhǔn)參考，對(duì)本文中自制的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行精度和可靠性評(píng)估。選取一次測(cè)量過(guò)程中的八組數(shù)據(jù)，其結(jié)果見(jiàn)表1和圖7。

表1 兩套系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果比對(duì)(單位：Hz)

圖7 兩種測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

由表1和圖7可得，以東華測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，本文中的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量誤差最大為1Hz，標(biāo)準(zhǔn)差為0.48Hz，證明本文中的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量精度較好，可靠性高。