振動(dòng)傳感器信號放大電路設(shè)計(jì)

張成研+孫梅

摘要：在電動(dòng)機(jī)故障測試中，為了使控制芯片對電機(jī)運(yùn)行狀況有效測試，利用振動(dòng)傳感器作為檢測前端，將電機(jī)振動(dòng)情況轉(zhuǎn)換成電信號，中心控制芯片對信號進(jìn)行處理分析，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的信號放大濾波電路。設(shè)計(jì)采用高精度低噪音運(yùn)算放大芯片OP2177作為信號放大電路的核心，通過模擬電路仿真和實(shí)驗(yàn)調(diào)試，完成信號處理。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)傳感器；放大濾波；OP2177；信號處理

中圖分類號：TH1333；TH825文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2017.10.011

0引言

測量電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，采用振動(dòng)傳感器進(jìn)行測量，采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)通過中心控制芯片處理，得出判斷電機(jī)是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在實(shí)驗(yàn)的過程中，由于振動(dòng)傳感器信號輸出參數(shù)為6 V基準(zhǔn)信號加上振動(dòng)信號，測試電機(jī)所產(chǎn)生的振動(dòng)信號幅度約為100 mV且主頻在100 Hz，超出控制芯片模數(shù)轉(zhuǎn)換的量程，需要對振動(dòng)信號電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，符合控制芯片STM32F103ZET6的AD輸入要求。另外，振動(dòng)信號很容易受到噪音的影響，需要進(jìn)行濾波減低高頻噪音的影響，放大的過程同時(shí)也放大了電壓的噪音，放大比例是和反饋電阻有關(guān)，電阻也會(huì)受到溫度影響，采用阻容結(jié)合抑制溫漂。本文主要采用電壓跟隨器和電壓同向比例放大器，達(dá)到濾波和放大作用，符合控制芯片信號接入要求。

1電機(jī)振動(dòng)信號特點(diǎn)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

1.1電機(jī)振動(dòng)特點(diǎn)

測試電機(jī)采用風(fēng)扇電機(jī)，屬于單相異步電機(jī)，接入220 V市電。電機(jī)在運(yùn)作中會(huì)形成振動(dòng)噪音，而振動(dòng)噪音的形成和電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)，電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子、機(jī)座和軸承等組成，振動(dòng)的產(chǎn)生也是由上述部分在運(yùn)作的過程中形成振動(dòng)。

定子振動(dòng)主要是由電磁力產(chǎn)生，在電機(jī)運(yùn)行過程中，定子繞組經(jīng)常受到以下幾種力的影響，引起繞組的系統(tǒng)頻率或者倍頻率振動(dòng)繞組中的電流與漏磁通的作用力、轉(zhuǎn)子磁拉力、繞組熱脹冷縮力[1]。轉(zhuǎn)子的振動(dòng)和機(jī)座的振動(dòng)則由于質(zhì)量不均勻等，軸承中的鋼珠不能達(dá)到每個(gè)都完全一致，在旋轉(zhuǎn)過程中因?yàn)槌叽绮唤y(tǒng)一形成摩擦振動(dòng)。

1.2電機(jī)頻譜分析

電機(jī)在正常工作中振動(dòng)是保持一定規(guī)律，通過對振動(dòng)信號的傅里葉變化，就不難看出，頻譜分布呈現(xiàn)主頻和次波峰。故障的發(fā)生將破壞這種振動(dòng)平衡，出現(xiàn)其他頻率的次波峰。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，測試采用的電機(jī)正常工作頻率在100 Hz，故障頻率分布在1 kHz以內(nèi)，而且電機(jī)0為直流電壓信號，設(shè)計(jì)濾波頻率為大于1 kHz和小于05 Hz。

2放大電路的設(shè)計(jì)

放大電路設(shè)計(jì)主要包含電壓跟隨電路、高通濾波以及同向比例運(yùn)放，在同向比例運(yùn)放的同時(shí)達(dá)到低通濾波，最終達(dá)到放大振動(dòng)頻段信號，濾去噪音信號，提高信噪比。

2.1電壓跟隨器

為了實(shí)現(xiàn)放大電路和振動(dòng)傳感器檢測電路隔離，有效避免前端檢測電路對放大電路影響，提高放大電路穩(wěn)定性。采用集成運(yùn)放芯片OP1177，具有低噪音、高輸入阻抗等特點(diǎn)[2]，振動(dòng)傳感器信號從6號腳輸入，通過8號腳輸出，輸入和輸出信號保持一致（如圖1所示）。

2.2高通濾波電路

由于振動(dòng)傳感器輸出信號是直流信號和振動(dòng)信號疊加，信號中不僅有振動(dòng)信號同時(shí)包含大量的直流或低頻信號。這不僅會(huì)對后續(xù)的放大電路產(chǎn)生影響，而且直接影響短時(shí)傅里葉變化結(jié)果，因此設(shè)計(jì)二階巴特沃斯高通濾波器來濾除直流和低頻信號[3]。高通濾波截至頻率設(shè)定為0.5 Hz，如圖2所示。通過仿真圖可以得出截至頻率為0.5 Hz。對輸入輸出仿真由圖3驗(yàn)證頻率大于0.5 Hz信號沒有衰減。

2.3同向比例運(yùn)放電路

該電路設(shè)計(jì)已經(jīng)濾掉低頻信號，但是還未消除高頻信號影響，所以低通濾波設(shè)計(jì)濾除高頻信號，同時(shí)保留故障頻段。由于STM32芯片內(nèi)部AD模塊無法解析交流信號的負(fù)電壓，提升電壓基準(zhǔn)值，對于幅度為100 mV的信號可以適度放大，利于提升傅里葉變換后工作頻率的幅值。采用同向比例運(yùn)放Vout=（Vin+1）×0.5×4。C1 、R2 構(gòu)成RC 低通濾波網(wǎng)絡(luò)[4]， 其電路截止頻率為f =1/2π×R2×C1 =1/2π×15K×0 .01μ=1060 Hz ， 符合設(shè)計(jì)要求（有用信號頻率范圍主要集中在0 ～100 Hz）如圖4所示。

3實(shí)驗(yàn)測試

將上述3個(gè)部分電路聯(lián)合運(yùn)行，用直流電壓6 V、100 mV的100 Hz和3000 Hz交流信號模擬傳感器發(fā)出信號，最終仿真輸出波形如圖5所示。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析， 小信號放大電路滿足設(shè)計(jì)的放大量程要求， 保留了振動(dòng)信號并且放大其幅度，提高了信噪比。并且信號數(shù)據(jù)輸出穩(wěn)定，為后續(xù)的短時(shí)傅里葉變換準(zhǔn)確性提高奠定基礎(chǔ)，實(shí)踐表明該放大電路可以很好的應(yīng)用在電機(jī)故障測試系統(tǒng)中。

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