轴承振动测量仪振动传感器的放大电路设计

王恒迪，赵彪，杨建玺，邓四二，邓凯文

(河南科技大学 机电工程学院，河南 洛阳 471003)

通常，轴承振动测量仪通过加速度型振动传感器，采用双面6点测量的方法采集振动信号并送入计算机处理，根据低、中、高3个频段分别计算相应的有效值，并通过与国家标准的比较判断轴承的优劣[1]。但是由于外界的干扰，采集到的信号往往幅值较小、噪声干扰较大、信噪比较小，不利于后续信号的分析，因此需要设计一个放大电路改善初始信号的幅值、减小噪声干扰、提高信噪比，以达到所要求的信号强度[2]。

根据JB/T 5314—2013《滚动轴承 振动(加速度)测量方法》，被测轴承振动信号的处理频率范围分为50～300 Hz的低频带信号、300～1 800 Hz的中频带信号、1 800～10 000 Hz的高频带信号。放大电路对不同频率信号的频率响应不小于理论放大倍数的0.707倍为不失真。因此，后续采集的信号要求频率范围为0～10 kHz，放大倍数设计为1 000倍。振动信号放大电路需具有高输入阻抗、低输出阻抗、噪声干扰低、信号放大能力强、低温漂、输出频带范围宽等优点，以满足后续信号采样的要求。

1 整体电路设计

设计的放大电路包括一级放大电路、二级放大电路、低通滤波电路3个部分，如图1所示。

1.1 放大电路

放大部分的核心是TL061C和TL062C这2个集成运算放大器，具有高输入阻抗、低输入偏置电流和低输入失调电流等优点，而且具有电源电压范围较宽、静态功耗较小、价格低等特点，更符合试验要求。

对于放大部分而言：单级放大电路的放大倍数比较有限，一般不超过100倍，放大倍数如果过大，会导致负反馈较浅，稳定性较差，由于本电路设计要求信号放大1 000倍，所以采取多级放大的方案。但假如放大级数过多，陷入自激振荡的可能性就会增加(特别是超过3级)，而且随着级数的增加，在放大过程中产生的噪声也会增加，频率响应也会受到影响，故采取2级放大最为合理[3]。

设计的放大电路如图2所示，由2级运算放大器组成，均属于电压串联负反馈。第1级增益Au1=1+R3/R1=50，第2级增益Au2=1+R5/R4=20，则电路的总放大倍数Au=Au1×Au2=1 000。

图2 放大电路

1.2 滤波电路

轴承检测处于一个复杂的工业环境中，伴随着信号的采集，各种干扰信号也会混入采集的信号中，2级集成运放在信号放大过程中也会产生噪声干扰，影响正常信号的提取，所以需要设计一个滤波器加以抑制[4]。

常见低通滤波器有Butterworth， Chebyshev和Bessel滤波器。在相同阶数时，Butterworth滤波器通带最为平坦，阻带下降缓慢；Chebyshev滤波器在通带内频率响应的幅频特性不如Butterworth平坦，但在过渡带比Butterworth衰减得快，虽然Chebyshev在通带内的幅频特性曲线和理想曲线误差最小，但是却存在幅值波动；而Bessel滤波器在阻带范围内下降的最慢，其幅频特性的选频特性是三者中最差的[5]。

本试验要求信号频率在0～10 kHz范围内的幅频特性曲线平坦无波动，因此电路设计采取有源二阶Butterworth低通滤波器，该滤波器不仅体积小、成本低、滤波效果好，而且能够在前后级之间相互独立设计，滤波电路如图3所示。

图3 滤波电路

假设R1=R2=R，C1=C2=C，则

由于引脚7与6相连接，相当于一个电压跟随器，放大倍数为1，在电路中起阻抗变换的作用，提高了带负载能力，即U3(s)=U4(s)。则

因此，幅频特性曲线在频率远大于截止频率时按照-40 dB/dec下降，相比于一阶滤波电路(在此情形下按照-20 dB/dec下降)，其幅频特性曲线在过渡带衰减得更快，滤波效果更加理想。

取R1=R2=22 kΩ，C1=220 pF，C2=100 pF，则计算截止频率时的等效电容为

又因为Rf=R1=R2=22 kΩ，则截止频率为

根据以上计算结果，该放大电路的截止频率大于10 kHz,大约等于试验要求频率上限的5倍，符合工业滤波的设计需要[6]，而且在0～10 kHz频率范围内幅值衰减小，满足设计要求。

2 试验验证与分析

在实验室先用信号发生器输入频率不等、幅值相同且都等于1.5 mV的正弦波，通过放大电路后由示波器测量，其相关数据见表1；将振动传感器采集到的振动信号经过放大电路，然后通过计算机测量输出的放大信号，结果见表2。

表1 放大电路试验数据

表2 现场实测数据

对表中数据进行分析可知：试验数据符合国家标准，放大电路在规定频带范围内的放大倍数在970倍左右浮动，约等于1 000倍，误差在国家标准规定频率响应的允许范围之内。随着输入信号频率的变化，输出信号的增益和理想范围并没有太大差距，衰减同样在误差允许范围内。通过示波器可以看出输入信号和输出信号的频率一致，经过放大和滤波处理之后，信号频率并没有发生变化，输出信号中没有掺杂其他频率的信号。

3 结束语

通过对试验数据的分析，该放大电路的放大倍数约等于1 000倍，滤波效果良好，频率响应满足国家标准的规定，电路设计合理、严谨，调试方便、效果良好，可以很好地应用在轴承振动测量仪中。