CN103323100B - 振动幅值测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振动幅值测量电路，包括顺序连接的积分补偿及调整电路和高精度振幅转换及调整电路；积分补偿及调整电路包括由两个运算放大器分别组成的积分补偿电路部分和调整电路部分；高精度振幅转换及调整电路包括由两个运算放大器分别组成的高精度振幅转换电路部分和调整电路部分。本发明具有很高的测量精度和稳定性，同时可以识别多种类型振动传感器的信号，提高设备的通配性，适用于振动速度传感器、压电式振动传感器、电涡流传感器等多种信号类型的振动传感器。

Description

振动幅值测量电路

技术领域

本发明涉及旋转机械在线监测领域，具体涉及一种用于振动幅值测量的高精度电路，适用于工业旋转机械振动监测保护系列仪表。

背景技术

振动幅值是大中型旋转机械设备如汽轮机、发电机、风机、水泵等的主要监测参数，它直接反映了设备的振动幅度大小，直接关系到设备的安全状况，因此振动幅值的准确性在实际测量中变得非常重要。现有的振动幅值测量方式还是通过传统测量电路来进行，数据精度低、稳定性差，造成显示数据波动厉害等现象。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种振动幅值测量电路，采用高精度振幅转换电路和补偿处理，提高测量的准确性和稳定性，同时可以识别多种类型振动传感器的信号，提高设备的通配性。

本发明的技术方案如下：

一种振动幅值测量电路，包括积分补偿及调整电路和高精度振幅转换及调整电路；

所述积分补偿及调整电路包括第一运算放大器和第二运算放大器；第一运算放大器的反相输入端串联第一电阻和第一电容后作为积分补偿及调整电路的输入端，第二电阻和第二电容并联后连接在第一运算放大器的反相输入端和输出端之间，第一运算放大器的同相输入端连接下拉的第三电阻，第一运算放大器的负电源端连接下拉的第三电容并连接-12V电压，第一运算放大器的正电源端连接下拉的第四电容并连接+12V电压，第一运算放大器的输出端串联第五电容和第四电阻后连接第二运算放大器的反相输入端；第二运算放大器的同相输入端连接下拉的第五电阻，第六电阻连接在第二运算放大器的反相输入端和输出端之间，第二运算放大器的输出端串联第六电容后作为积分补偿及调整电路的输出端；

所述高精度振幅转换及调整电路包括第三运算放大器和第四运算放大器；第三运算放大器的反相输入端串联第七电阻后作为高精度振幅转换及调整电路的输入端，第三运算放大器的同相输入端连接下拉的第八电阻，第一可调电阻的调整端串联第九电阻后连接第三运算放大器的同相输入端，第一可调电阻与稳压二极管并联后的两端分别连接上拉的第十电阻和第十一电阻，第一二极管的正极、负极分别与第三运算放大器的反相输入端、输出端连接，第三运算放大器的输出端串联第二二极管、第十二电阻和第十三电阻后连接第四运算放大器的同相输入端，第十四电阻串联在第一二极管正极与第二二极管的负极之间，第十二电阻和第十三电阻之间连接有下拉的第七电容；第四运算放大器的反相输入端连接有下拉的第十五电阻，第十六电阻与第二可调电阻串联后连接在第四运算放大器的反相输入端和输出端之间，第二可调电阻的调整端与第四运算放大器的输出端连接，第四运算放大器的输出端连接第十七电阻的一端，第十七电阻的另一端连接下拉的第八电容，并作为高精度振幅转换及调整电路的输出端；

所述积分补偿及调整电路的输出端与所述高精度振幅转换及调整电路的输入端相连接。

本发明的有益技术效果是：

本发明所提供的振动幅值测量电路具有很高的测量精度和稳定性，该电路可以适用于多种信号类型的振动传感器，例如振动速度传感器、压电式振动传感器、电涡流传感器等。

本发明附加的优点将在下面具体实施方式部分的描述中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是本发明的积分补偿及调整电路图。

图2是本发明的高精度振幅转换及调整电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本发明包括积分补偿及调整电路（图1）和高精度振幅转换及调整电路（图2）两部分。前者的输出端与后者的输入端是相互连接的，为同一端。

如图1所示，积分补偿及调整电路包括运算放大器LM064A、运算放大器LM064B。运算放大器LM064A的反相输入端串联电阻R1-C和电容C1-C后作为积分补偿及调整电路的输入端Vi-C；电阻R2-C和电容C3-C并联后连接在运算放大器LM064A的反相输入端和输出端之间；运算放大器LM064A的同相输入端连接下拉的电阻R3-C，运算放大器LM064A的负电源端连接下拉的电容C4-C并连接-12V电压，运算放大器LM064A的正电源端连接下拉的电容C5-C并连接+12V电压，运算放大器LM064A的输出端串联电容C6-C和电阻R4-C后连接运算放大器LM064B的反相输入端。运算放大器LM064B的同相输入端连接下拉的电阻R6-C；电阻R7-C连接在运算放大器LM064B的反相输入端和输出端之间；运算放大器LM064B的输出端串联电容C9-C后作为积分补偿及调整电路的输出端Vo-1C。

如图2所示，高精度振幅转换及调整电路包括运算放大器LM064C和运算放大器LM064D。运算放大器LM064C的反相输入端串联电阻R8-C后作为高精度振幅转换及调整电路的输入端Vo-1C（即图1的输出端Vo-1C），运算放大器LM064C的同相输入端连接下拉的电阻R9-C；可调电阻W1-C的调整端串联电阻R10-C后连接运算放大器LM064C的同相输入端，可调电阻W1-C与稳压二极管DW1-C并联后的两端分别连接上拉的电阻R11-C和电阻R12-C；二极管D1-C的正极、负极分别与运算放大器LM064C的反相输入端、输出端连接；运算放大器LM064C的输出端串联二极管D2-C、电阻R14-C和电阻R15-C后连接运算放大器LM064C的同相输入端；电阻R13-C串联在二极管D1-C正极与二极管D2-C的负极之间；电阻R14-C和电阻R15-C之间连接有下拉的电容C10-C。运算放大器LM064C的反相输入端连接有下拉的电阻R16-C；电阻R17-C与可调电阻W12-C串联后连接在运算放大器LM064C的反相输入端和输出端之间，可调电阻W12-C的调整端与运算放大器LM064C的输出端连接；运算放大器LM064C的输出端连接电阻R20-C的一端，电阻R20-C的另一端连接下拉的电容C9-B，并作为高精度振幅转换及调整电路的输出端Vo-C。

本发明的工作原理如下：

由振动速度传感器原理可知振动速度传感器输出的电压Ui正比于振动速度v，而振动位移D与振动速度v的关系是：公式v=(2πf/1000)*D，因此要取得振动位移（振幅）成正比的信号，速度传感器输出电压信号必须经过积分处理。但纯积分由于对放大器本身的失调电压、失调电流进行积分，其输出可能处于完全饱和状态，导致直流漂移。因此需要在积分电容C3-C上并联一个电阻R2-C，可以产生支流反馈，减少运放的直流漂移，并对失调进行补偿。电阻R2-C阻值不能取太大，否则对抑制直流漂移不够，影响精度；取的太小，则会降低积分的输入电阻，实施例电路中取100K。电容C3-C一般不超过1μF，实施例电路中取0.33μF。积分补偿电路如图1中左半部分所示。图1中，

$i_{R1}\≈i_{C3},i_{R1}=\frac{\mathrm{Ui}}{R1}$

$i_{C3}=-C\frac{\mathrm{dUo}}{\mathrm{dt}}$

$\mathrm{Uo}=-\frac{1}{C}{\∫}_0^1{i}_{c3}\mathrm{dt}$

$=-\frac{1}{C}{\∫}_0^1\frac{\mathrm{Ui}}{R1}\mathrm{dt}$

$=-\frac{1}{R1C}{\∫}_0^1\mathrm{Uidt}$

若Ui为阶跃电压时，则有

此外，积分电路后面需要加一个耦合电容C6-C，进行隔直处理。然后把信号通过运算放大器进行调整，再隔直处理。调整电路如图1中右半部分所示。图2中的放大器为反相放大器，调整电压增益为：

$A_{\mathrm{VF}}=-\frac{R_{7-C}}{R_{4-C}}.$

然后，需要把积分处理出来的交流信号转换成需要的峰值对应的直流电压信号。因此，需要用高精度振幅转换电路把前面处理的信号进行转换。高精度振幅转换电路如图2中左半部分所示。图2中的电路是反相型振幅转换电路。运放LM064C组成一个差动放大电路，对输入信号进行放大及调整。D2-C为半波检波二极管，C10-C为存储电容，电阻R8-C和R13-C组成反馈电路。运放LM064C对输入信号进行反相放大，当二极管D2-C导通，二极管D1-C截止时，被运放LM064C放大的输出电压通过二极管D2-C对电容C10-C充电，使Uo跟随Ui；当二极管D1-C导通，二极管D2-C截止时，电容C10-C与运放LM064C隔离，Uo保持Ui的峰值电压。因此，只要输出与输入电压不等，负反馈的作用是不断的对输出电压进行校正，直到两者相等为止。所以二极管D2-C的导通电阻、运放LM064C的失调和漂移、共模误差等因素对精度的影响被大大削弱，是输出电压随输入电压而变化，这就是该振幅转换电路具有高精度的原因。电路非线性失真D可表示为：

$D=-\frac{D^{\′}}{1+K1F},$

式中，D’为二极管检波器的非线性失真；K1为运放LM064C的放大倍数，K1=-R_D1/R_8-C；F为反馈系数；RD1为二极管D1-C的反相电阻的值。

当二极管D1-C工作于结温70℃、反向电压为10V时，从特性曲线可求得RD1=150MΩ。

$K1=-\frac{R_{D1}}{R_{8-C}}=-\frac{150000}{30}=-5000$

反馈系数F可表示为：

$F\≈-\frac{R_{8-C}}{R_{13-C}}=-\frac{30}{62}=-0.48$

则非线性失真为：

$D\≈-\frac{D^{\′}}{1+K1F}=\frac{D^{\′}}{1+5000\×0.48}\≈\frac{D^{\′}}{2400}$

可见，由于检波二极管接入反馈回路中，是非线性失真下降为原来的1/2400。

还要指出，一般的简单二极管检波器，当信号电压小于0.6V时（硅二极管压降）无法进行检波。而这种检波器允许的最小检波电压缩小K1倍，即最小检波电压Umin为：

$U_{\min }=\frac{0.6}{\left|K1\right|}=\frac{0.6}{5000}\text{=0.12}\left(\mathrm{mV}\right)$

存储电容C10-C应选用泄漏电阻大的电容，如聚苯乙烯、聚丙烯、云母电容器。

电容C10-C的数值的选取也很重要。过小时，充电速度快，但因运放LM064C和反馈回路速度跟不上，引起超前误差，同时放电也很快，引起维持误差；而过大时，上面两种误差将减少，但往往不能充电到最高电压，或者电容的放电速度不能完全跟随输入信号幅度的包络变化，这都将带来新的误差。因而电容量的选择应根据实际情况而确定，实施例电路中取47μF电解电容。

输入信号的频率上限值由运算放大器的带宽和上升速度决定，在用于高频时，应选用增益带宽积和上升速度较大的运算放大器。

若检波信号是正极性电压时，只要把电路的两个二极管同时反接即可。

最后，把处理好的振动位移（振幅）对应的直流信号经运算放大器LM064D进行调整，及整流滤波，得到可供A/D模块采样的信号。调整电路如图2中右半部分所示。

以上所述的元器件均为市售商品，实施例中的元器件型号可参见下表：

图1、图2中主要元器件表：

序号	元器件代号	元器件类型	元器件参数或型号
				1	LM064A	运算放大器
2	LM064B	运算放大器
				3	LM064C	运算放大器
4	LM064D	运算放大器
				5	R2-C	电阻	100K
6	C3-C	电容	0.33μF
				7	D1-C、D2-C	二极管
8	C10-C	电容	47μF电解电容

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的基本构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种振动幅值测量电路，其特征在于，包括积分补偿及调整电路（A）和高精度振幅转换及调整电路（B）；

所述积分补偿及调整电路（A）包括第一运算放大器（LM064A）和第二运算放大器（LM064B）；第一运算放大器（LM064A）的反相输入端串联第一电阻（R1-C）和第一电容（C1-C）后作为积分补偿及调整电路的输入端，第二电阻（R2-C）和第二电容（C3-C）并联后连接在第一运算放大器（LM064A）的反相输入端和输出端之间，第一运算放大器（LM064A）的同相输入端连接下拉的第三电阻（R3-C），第一运算放大器（LM064A）的负电源端连接下拉的第三电容（C4-C）并连接-12V电压，第一运算放大器（LM064A）的正电源端连接下拉的第四电容（C5-C）并连接+12V电压，第一运算放大器（LM064A）的输出端串联第五电容（C6-C）和第四电阻（R4-C）后连接第二运算放大器（LM064B）的反相输入端；第二运算放大器（LM064B）的同相输入端连接下拉的第五电阻（R6-C），第六电阻（R7-C）连接在第二运算放大器（LM064B）的反相输入端和输出端之间，第二运算放大器（LM064B）的输出端串联第六电容（C9-C）后作为积分补偿及调整电路的输出端；

所述高精度振幅转换及调整电路（B）包括第三运算放大器（LM064C）和第四运算放大器（LM064D）；第三运算放大器（LM064C）的反相输入端串联第七电阻（R8-C）后作为高精度振幅转换及调整电路的输入端，第三运算放大器（LM064C）的同相输入端连接下拉的第八电阻（R9-C），第一可调电阻（W1-C）的调整端串联第九电阻（R10-C）后连接第三运算放大器（LM064C）的同相输入端，第一可调电阻（W1-C）与稳压二极管（DW1-C）并联后的两端分别连接上拉的第十电阻（R11-C）和第十一电阻（R12-C），第一二极管（D1-C）的正极、负极分别与第三运算放大器（LM064C）的反相输入端、输出端连接，第三运算放大器（LM064C）的输出端串联第二二极管（D2-C）、第十二电阻（R14-C）和第十三电阻（R15-C）后连接第四运算放大器（LM064C）的同相输入端，第十四电阻（R13-C）串联在第一二极管（D1-C）正极与第二二极管（D2-C）的负极之间，第十二电阻（R14-C）和第十三电阻（R15-C）之间连接有下拉的第七电容（C10-C）；第四运算放大器（LM064C）的反相输入端连接有下拉的第十五电阻（R16-C），第十六电阻（R17-C）与第二可调电阻（W12-C）串联后连接在第四运算放大器（LM064C）的反相输入端和输出端之间，第二可调电阻（W12-C）的调整端与第四运算放大器（LM064C）的输出端连接，第四运算放大器（LM064C）的输出端连接第十七电阻（R20-C）的一端，第十七电阻（R20-C）的另一端连接下拉的第八电容（C9-B），并作为高精度振幅转换及调整电路的输出端；

所述积分补偿及调整电路（A）的输出端与所述高精度振幅转换及调整电路（B）的输入端相连接。