信號調理隔離模塊在教學實驗中的設計與應用

李崢 孫通 孫力

[摘 要] 針對研究生課程“機械振動”“轉子動力學”的實驗教學改革，動力學課題組設計了一套振動采集設備，為了滿足各個設備相匹配，研制了信號調理模塊，通過對模塊的總體方案的設計、實物的展示及實驗標定，結果滿足了實驗設計要求，為研究生課程今后的實驗教學及科研工作提供了理論及實驗驗證。

[關鍵詞] 教學改革;信號調理;實驗

一、引言

“機械振動”“轉子動力學”課程是清華大學研究生專業選修課程，其針對研究生的振動實驗環節是理論鞏固與實際工程結合能力培養的重要環節[1-4]。目前，大部分院校開設的振動實驗，基本上是購買國內外成熟的采集及分析系統，利用自帶分析軟件直接分析得到相關結果，其相對的不能培養研究生的真正能力，因此動力學課題組根據實驗室現有設備，自行設計搭接了一套硬件采集系統，學生通過自行采集數據，查閱相關資料，編寫程序分析結果。由于其國內外的傳感器輸出電壓有差別，因此在設計采集系統的中間，增加了一套信號調理模塊，模塊的應用，使國外的電渦流傳感器能與國內的采集卡的輸入電壓相匹配，從而完成設計了采集系統。本文根據設計的信號調理模塊，針對某一型號板材記錄了測量標記，為今后研究生的教學實驗及科研工作打下了實驗基礎。

二、總體方案設計

由于實驗應用到的為美國GE電渦流傳感器型號為Bently_3300XL，其輸入電壓為-24V。前置放大器輸出電壓范圍為-17V～-1V，在電路連接方面，由于傳感器的輸出電壓范圍與采集系統的輸入范圍不匹配，所以需要一個中間模塊進行線性轉換。此模塊應具有頻響范圍大、線性誤差小、抗干擾能力強等性能。采集模塊容許的輸入信號電壓區間為-10V～+10V，為確保采集模塊正常工作，需將前置放大器輸出線性電壓調理至-5V～+5V，其信號隔離模塊主要技術指標及原理圖、實物圖如下。

1.隔離模塊技術指標：輸入信號：-17V～-1V;輸出信號：-5V～+5V;電源：直流24V;輸入阻抗：三100K歐姆;精度：0.2%;線性度：0.1%;響應頻率：<2000HZ。

2.其原理圖、實物圖如圖1（a）、圖1（b）。

3.根據上述參數，最終實物信號調理模塊，其原理圖及實物圖見圖2（a）、圖2（b）所示。

三、電渦流傳感器標定

為了驗證調理模塊的可靠性，這里利用實驗室現有的水輪機模式進行標定測試，其為獲得更大的線性測量范圍，并且檢測信號調理模塊對本特利電渦流傳感器的綜合影響，通過實驗進行電渦流傳感器針對“水輪機”材料的靈敏度的標定。材料實驗進行標定前，在實驗用的水輪機模型下環固定了一片工具鋼，用于測試經過調理后的電渦流傳感器進行位移的標定和采集，實驗中設備的移動利用了螺旋測微儀，為了檢測位置移動的準確性，檢測設備還增加了一套激光位移傳感器用于檢測螺旋測微儀的準確性，保證實驗的可信度。其標定設備實驗測試接線示意圖、水輪機標定實驗模擬題、電渦流傳感器標定實物裝置如圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）所示。

四、標定方法

試驗中水輪機模型位置固定在螺旋測微儀上，經過調理的電渦流傳感器固定于移動設備上，通過旋轉螺旋手柄可以實現移動設備（電渦流傳感器）與被測物軸向運動。用于檢測位移裝置的激光位移傳感器也要位置固定，用來記錄標定移動設備的決定位移量。通過調理后的電渦流傳感器輸出電壓值可以通過示波器進行顯示，已被采集系統采集記錄。其移動設備的絕對位移由激光位移傳感器的控制器顯示屏顯示出來，與螺旋測微儀進行比對分析。

五、標定過程

1.首先通過旋轉手柄把水輪機模型遠離電渦流傳感器的方式，將移動設備調整到合適位置。

2.移動墊塊，使固定上的工具鋼表面與電渦流傳感器表面接觸。

3.實驗中通過調整激光位移傳感器的位置，使其與移動平臺距離在傳感器工作區域中心附近，然后固定激光位移傳感器，并通過控制器將此刻位置下的傳感器示數置零，已顯示運動后的相對移動位移值。

4.旋轉螺旋手柄，使移動設備遠離水輪機模型大約0.05mm，同時記錄激光位移傳感器位移值與示波器幅值示數。

5.重復步驟4至示波器幅值示數不再有任何變化。下圖4為最終調理模塊的標定結果。

通過以上的操作步驟獲得的試驗數據中，線性較好的部分如圖4所示，采用線性關系擬合該部分數據，得出電渦流傳感器針對水輪機模擬臺的輸出特性為：Vs =-4.715（v/mm） Ds+5.909v （1）

其中，Vs和Ds分別為經過調理的電渦流傳感器電壓示數和電渦流傳感器探頭到工具鋼表面的距離，4.715v/mm為電渦流傳感器針對水輪機模擬臺的靈敏度。此外，圖4中數據還顯示，傳感器最佳安裝位置為1.0mm，且水輪機模型振幅應小于0.8mm。才能達到實驗數據的準確性，且實驗中不會破壞傳感器探頭。同理，我們把實驗的四個模塊都進行了以上步驟的測量，電壓輸出均正常，其偏差不大于±0.05V，因此我們設計的調理模塊不論在設計上以及在實用上都能達到很好的線性度，為今后的研究生實驗及科研打下了基礎。

六、結語

信號調理模塊的設計與應用，很好地解決了“振動理論”課程實驗信號輸入的問題，目前設備已經用于研究生的課程實驗及相關的科研工作中。設備應用有效地解決了信號輸入與輸出的問題，為今后其相關振動測試打下了實驗基礎[5-9]。

參考文獻

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