鋼球振動測量儀電氣系統(tǒng)的設(shè)計
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幅頻特性
ω-角頻率
Ｇｆ-Ｒｆ的電導(dǎo)
低頻時電荷放大的頻率響應(yīng)僅決定于反饋電路參數(shù)Ｒｆ和Ｃｆ。反饋電阻Ｒｆ還有提供直流反饋、減小零漂、使電荷放大器工作穩(wěn)定的作用。
2.2 濾波器
傳統(tǒng)鋼球振動測量儀中的濾波電路采用ＲＣ有源濾波器。這類濾波器由運算放大器外接電阻、電容構(gòu)成的。濾波頻率由電阻、電容參數(shù)決定，選配困難，調(diào)試不便。為了方便測量系統(tǒng)的調(diào)試與維修，減小濾波器的溫漂與時漂，采用了集成狀態(tài)變量濾波器。
所謂狀態(tài)變量濾波器就是用狀態(tài)變量法解二階微分方程并致力于用模擬電子線路來獲得的一種濾波電路。它是一種有源的模擬濾波器，是時間連續(xù)的濾波，與開關(guān)電容濾波器相比，噪聲較小，動態(tài)性能優(yōu)良。狀態(tài)變量濾波器便于集成化，外接幾個電阻便可構(gòu)成低通、高通、帶通帶阻等各種類型的濾波器。集成化的狀態(tài)變量濾波器基本單元是一個二階環(huán)節(jié)，通過級聯(lián)可實現(xiàn)四階或八階濾波器。這種濾波器的誤差靈敏度低，即外接電阻參數(shù)稍有變化時，對傳輸特性的影響不大。
集中狀態(tài)變量濾波器MAX274包含四個二階環(huán)節(jié)，最高可構(gòu)成一個八階濾波器。圖3是利用MAX274設(shè)計的400～800Hz帶通濾波器，其頻率特性滿足《ＪＢ/Ｔ8075-1996 滾動軸承鋼球振動測量儀的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中的要求。
圖3 帶通濾波器
交流電壓通常是以有效值來度量的，測量交流電壓的電路有平均值轉(zhuǎn)換器和真有效值轉(zhuǎn)換器。平均值轉(zhuǎn)換器電路簡單，成本低，廣泛應(yīng)用于低精度的儀器儀表中，但由于采用平均值的電壓表頭是按正弦有效值進行刻度的，所以，只有在測僅包含正弦波的電壓信號時，所顯示的結(jié)果才是正確的。現(xiàn)代高精度儀器儀表很少再采用平均值轉(zhuǎn)換器，代之發(fā)展并廣為采用的是真有效值轉(zhuǎn)換器。真有效值轉(zhuǎn)換器可以實現(xiàn)周期性交流電壓的有效值測量。其輸出的直流電壓，線性地正比于被測各種波形交流信號的有效值，不受輸出波形失真度的影響。
有效值測量集成電路視其測量范圍和精度要求有多種規(guī)格可選，較通用的有AD536、AD636、AD637、AD736及AD737Ｄ等。我們選用AD637，該集成器件是按有效值隱含運算而設(shè)計的，其精度優(yōu)于0 1%，波峰因數(shù)≤10，相對穩(wěn)定時間快，是當(dāng)前集成真有效值轉(zhuǎn)換器性能較好的一種。AD637由絕對值電路、平方/除法器、低通濾波/放大器和緩沖放大器等組成。AD637還設(shè)有對數(shù)輸出口，通過外接電路設(shè)置對數(shù)電路零點，AD637測量有效值的輸出值經(jīng)過差動對數(shù)放大器后就得到所測量有效值的ｄＢ值。
2.4 校準(zhǔn)信號源
采用集成函數(shù)發(fā)生器ICL8038和外接阻容元件構(gòu)成信號發(fā)生器，輸出260Hz與520Hz兩種正弦波信號，用于電氣系統(tǒng)進行自校。ICL8038的內(nèi)部電路主要有矩形波、三角波發(fā)生電路和三角波變正弦波電路。該信號源的失真度≤1%，頻率、波形調(diào)整方便。
3 抗干擾問題
制作性能穩(wěn)定而可靠的測量電路，不僅需要正確設(shè)計電路、合理選擇元器件，而且應(yīng)從工藝上采取措施以抑制干擾和噪聲。
由于電荷放大器為一種高阻抗測量電路，因此在實測中干擾及噪聲的影響就顯得十分嚴(yán)重，必須加以注意。鋼球振動測量儀電氣系統(tǒng)測試的信號范圍為幾微伏到幾十毫伏，動態(tài)范圍大，信號微弱。電氣系統(tǒng)的基礎(chǔ)噪聲疊加到被測鋼球的振動信號上，會影響到儀器的示值線形誤差。因此，在該寬動態(tài)弱信號測量系統(tǒng)的設(shè)計過程中，抗干擾是要多加考慮的重要問題。
在該電氣系統(tǒng)中，除了選用低噪聲的元器件，還著重采取了以下一些抗干擾措施：將接地和屏蔽正確結(jié)合起來使用；對電源加以處理以防止干擾或低頻自激；印制電路板上元器件的布局與信號走線、電氣系統(tǒng)的裝配工藝均要符合抗干擾的設(shè)計要求。
實踐證明，該電氣測量系統(tǒng)的測量精度高，基礎(chǔ)噪聲低，工作穩(wěn)定可靠，且操作簡單，調(diào)試、維修方便。
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