ИЗМЕРИТЕЛЬ ВИБРАЦИИ
VIBRATION METER

Измеритель вибрации относится к информационно-измерительной технике и может быть использован в контрольно-сигнальной аппаратуре для измерения виброускорения.
Известен пассивный линейный детектор эффективных значений Боуке (см. Л.И. Волгин «Линейные электрические преобразователи для измерительных приборов и систем», М., Сов. Радио, 1971, с. 166, рис. 3.15б), содержащий диодный мост, входы которого подключены к источнику сигнала, а выходы к резистивному делителю, состоящему из неравных сопротивлений, к выходу которого подключен конденсатор. При известных соотношениях резисторов 4:1 выполняется функция определения эффективного или среднеквадратического (СКЗ) значения.
Недостатками известного линейного детектора эффективных значений являются:
- выполнение только функции детектора эффективных значений, что ограничивает его функциональные возможности по измерению вибрации, т.к. отсутствует функция пикового детектора;
- отсутствие регулируемого усилителя с высоким входным сопротивлением, полосового фильтра;
- работа с высоковольтными сигналами (имеет низкую чувствительность), т.к. потери напряжения на двух диодах моста равны 1,5 В;
- наличие высокой погрешности из-за некомпенсированной температурной зависимости характеристик диодов.
Известен фильтр второго порядка Саллена-Ки на повторителе напряжения (см. П. Гарет «Аналоговые устройства для микропроцессоров и микро ЭВМ», М. Мир, 1981, с. 71, рис. 3.16а), содержащий операционный усилитель, неинвертирующий вход которого подключен через два последовательно соединенных резистора с равными сопротивлениями к источнику сигнала, точка объединения резисторов подключена к выходу операционного усилителя через конденсатор, неинвертирующий вход операционного усилителя (ОУ) через другой конденсатор подключен к общей шине. Фильтр обеспечивает высокое входное сопротивление до частоты среза.
Недостатками известного фильтра нижних частот являются:
- выполнение только функции фильтрации нижних частот, что ограничивает его функциональные возможности по измерению вибрации. Фильтр не имеет возможности выбора коэффициента усиления напряжения при сохранении требований к равенству резисторов и соотношениях конденсаторов 2:1;
- фильтр не является детектором, порядок фильтра 2 за счет включения другого конденсатора к выходу ОУ, а для измерения вибрации должно быть 3, не выполняет функцию полосового фильтра на одном операционном усилителе.
Известен измеритель вибрации (см. В.П. Максимов и др. «Измерение, обработка и анализ быстропеременных процессов в машинах», М. Машиностроение, 1987, стр. 47, рис. 1.15 а), б)), содержащий вибропреобразователь, подключенный к последовательно соединенным каскадам: согласующему усилителю напряжения, полосовому фильтру, детектору и усредняющему устройству.
Недостатками известного измерителя вибрации являются сложность и громоздкость за счет наличия большого числа последовательно соединенных каскадов, каждый из которых содержит один или два операционных усилителя и накапливающуюся погрешность по мере роста числа последовательных каскадов.
Известен измеритель вибрации (Р. Граф «Электронные схемы. 1300 примеров», М. Мир, 1989, стр. 88, рис. 9.4), содержащий вибропреобразователь выход которого подключен через первый резистивный делитель к общей шине и подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя, выход которого подключен через второй резистивный делитель к средней точке первого резистивного делителя. Средняя точка второго резистивного делителя подключена через параллельную RC-цепь к инвертирующему входу операционного усилителя.
Недостатками известного измерителя вибрации являются ограниченные функциональные возможности по измерению вибрации из-за отсутствия функций полосового фильтра и детектора эффективных или пиковых значений, т.к. при согласовании с вибропреобразователем выполняется только функция обеспечения высокого входного сопротивления и усиления напряжения неинвертирующим усилителем.
Известен измеритель вибрации (см. патент РФ №2536097 «Измеритель вибрации», авторы A.M. Гутников, Н.Н. Дубровских), содержащий вибропреобразователь, параллельную RC-цепь, первый операционный усилитель, первый и второй резистивные делители, второй операционный усилитель, первый, второй и третий конденсаторы, последовательную RC-цепь, резистор, первый, второй и третий диоды, схему встречно-параллельно включенных диодов, интегрирующую цепь. Вход параллельной RC-цепи соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с первым выводом первого резистивного делителя. Общий вывод интегрирующей цепи соединен с общей шиной. Общая шина соединена с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, через последовательную RC-цепь с инвертирующим входом первого операционного усилителя, через первый конденсатор с первым выводом первого резистивного делителя, через резистор со вторым выводом первого резистивного делителя и с первым выводом вибропреобразователя. Второй вывод вибропреобразователя через второй конденсатор соединен со вторым выводом первого резистивного делителя, средняя точка которого через третий конденсатор соединена с входом параллельной RC-цепи. Выход параллельной RC-цепи соединен с первыми выводами второго резистивного делителя и схемы встречно-параллельно включенных диодов. Второй вывод схемы встречно-параллельно включенных диодов соединен с выходом первого операционного усилителя и с анодом первого диода. Катод первого диода соединен с входом интегрирующей цепи, вторым выводом второго резистивного делителя и катодом второго диода. Анод второго диода соединен с катодом третьего диода и выходом второго операционного усилителя. Инвертирующий вход второго операционного усилителя соединен с анодом третьего диода 14 и средней точкой второго резистивного делителя. Интегрирующая цепь может быть выполнена на интегрирующей RC-цепи, при этом измеряется эффективное (среднеквадратическое СКЗ) значение вибрации. Интегрирующая цепь может быть выполнена на конденсаторе (например, путем закорачивания выводов резистора интегрирующей RC-цепи или его исключения), при этом измеряется только пиковое значение вибрации.
В известном устройстве расширены функциональные возможности до уровня измерителя эффективных или пиковых значений вибрации (попеременно) при минимизации числа последовательно соединенных каскадов. Это обеспечено за счет совмещения известной функции неинвертирующего усилителя с высоким входным сопротивлением с новой функцией: полосового фильтра и линейного детектора эффективных или пиковых значений (попеременно).
Недостатками известного измерителя вибрации являются ограниченный динамический диапазон по измерению среднеквадратического значения вибрации из-за отсутствия автоматического или ручного управления коэффициентом усиления, в зависимости от уровня сигнала, так как измеритель вибрации не может выполнять указанные функции. Ограничен динамический диапазон при измерении пикового значения вибрации из-за общего со среднеквадратическим (СКЗ) детектором высокого коэффициента усиления.
Технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является создание измерителя вибрации с ограниченным динамическим диапазоном по измерению среднеквадратического и пикового значения вибрации.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в расширении динамического диапазона по измерению среднеквадратического и пикового значения вибрации.
Данный технический результат, достигается тем, что в измерителе вибрации, содержащем вибропреобразователь, первый вывод которого через первый конденсатор соединен с первыми выводами первого резистора и первого резистивного делителя напряжения, второй вывод которого соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя и через второй конденсатор с общей шиной, а выход через третий конденсатор соединен с входом параллельной RC-цепи, инвертирующим входом первого операционного усилителя и через последовательную RC-цепь с общей шиной, к которой подключены неинвертирующий вход второго операционного усилителя и вторые выводы вибропреобразователя и первого резистора, выход параллельной RC-цепи соединен с первыми выводами второго резистивного делителя напряжения и схемы встречно-параллельно включенных диодов, второй вывод которой соединен с выходом первого операционного усилителя и анодом первого диода, катод которого соединен со вторым выводом второго резистивного делителя напряжения, входом первой интегрирующей RC-цепи и с катодом второго диода, анод которого соединен с катодом третьего диода и выходом второго операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с анодом третьего диода и выходом второго резистивного делителя напряжения, выход первой интегрирующей RC-цепи является первым выходом измерителя вибрации, новым является то, что дополнительно введены второй резистор, аналоговый ключ, вторая интегрирующая RC-цепь, пиковый детектор, последовательно соединенные схема выделения максимального напряжения и двухпороговый компаратор однополярных напряжений, выход которого соединен с управляющим входом аналогового ключа, выход которого через второй резистор подключен к точке объединения резистора и конденсатора последовательной RC-цепи и входу второй интегрирующей RC-цепи, выход которой соединен с входом пикового детектора, выход которого является вторым выходом измерителя вибрации, при этом выход первой интегрирующей RC-цепи соединен с первым входом схемы выделения максимального напряжения, второй вход которой соединен с управляющей шиной, а вход канала аналогового ключа подключен к общей шине.
Двухпороговый компаратор однополярных напряжений (ДКОН), (инвертирующий с гистерезисом) может быть выполнен на ОУ, инвертирующий вход которого является входом ДКОН, неинвертирующий вход ОУ через последовательно соединенные первый резистор и диод подключен к выходу ОУ, и является выходом ДКОН, шина напряжения питания ДКОН через второй резистор подключена к неинвертирующему входу ОУ (возможны и другие варианты выполнения ДКОН).
Схема выделения максимального значения напряжения может быть выполнена на двух диодах с общим катодом, анод первого диода является первым входом, а другой вход подключен к шине (ручного) управления коэффициентом усиления, общий катод диодов подключен через резистор к общей шине, он же является выходом схемы выделения максимального значения напряжения.
Расширение динамического диапазона по измерению среднеквадратического и пикового значения вибрации обеспечивается за счет разделения функций измерения среднеквадратического значения и пикового значения вибрации по каналам с разным усилением с соответствующими первому каналу первым выходом измерителя вибрации, являющимся выходом первой интегрирующей RC-цепи и соответствующими второму каналу вторым выходом измерителя вибрации, являющимся выходом пикового детектора, но с сохранением единой полосы пропускания сигнала за счет ввода второй интегрирующей RC-цепи и введения автоматического или ручного изменения коэффициента усиления в среднеквадратичном канале и неизменяемого коэффициента усиления в пиковом канале. Это обеспечивается введением второго резистора, аналогового ключа с управляющим входом, второй интегрирующей RC-цепи, пикового детектора, схемы выделения максимального напряжения, двухпорогового компаратора однополярных напряжений и соответствующих выше указанных связей.
На фиг.1 представлен пример реализации измерителя вибрации, на фиг.2 приведена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) его полосового фильтра. На фиг.3 приведены диаграммы напряжений на выходе среднеквадратичного (СКЗ) детектора измерителя вибрации и выходе двухпорогового компаратора однополярных напряжений.
Измеритель вибрации (фиг.1) содержит вибропреобразователь 1, параллельную RC-цепь 2, первый ОУ 3, первый 4 и второй 5 резистивные делители напряжения, второй ОУ 6, первый 8, второй 9 и третий 10 конденсаторы, первый резистор 11, первый 12, второй 13 и третий 14 диоды, схему 15 встречно-параллельно включенных диодов, первую интегрирующую RC-цепь 16, ДКОН 17. пиковый детектор 18, аналоговый ключ 19, схему 20 выделения максимального напряжения, вторую интегрирующую RC-цепь 21, второй резистор 22, управляющую шину 23.
Первый вывод вибропреобразователя 1 через первый конденсатор 8 соединен с первыми выводами первого резистора 11 и первого резистивного делителя напряжения 4. Второй вывод первого резистивного делителя напряжения 4 соединен с неинвертирующим входом первого ОУ 3 и через второй конденсатор 9 с общей шиной, а выход через третий конденсатор 10 соединен с входом параллельной RC-цепи 2, инвертирующим входом первого ОУ 3 и через последовательную RC-цепь 7 с общей шиной. К общей шине подключены неинвертирующий вход второго ОУ 6 и вторые выводы вибропреобразователя 1 и первого резистора 11. Выход параллельной RC-цепи 2 соединен с первыми выводами второго резистивного делителя напряжения 5 и схемы 15 встречно-параллельно включенных диодов. Второй вывод схемы 15 встречно-параллельно включенных диодов соединен с выходом первого ОУ 3 и анодом первого диода 12. Катод первого диода 12 соединен со вторым выводом второго резистивного делителя напряжения 5. входом первой интегрирующей RC-цепи 16 и с катодом второго диода 13. Анод второго диода 13 соединен с катодом третьего диода 14 и выходом второго ОУ 6. Инвертирующий вход второго ОУ 6 соединен с анодом третьего диода 14 и выходом второго резистивного делителя напряжения 5. Выход первой интегрирующей RC-цепи 16 является первым выходом измерителя вибрации. Схема 20 выделения максимального напряжения и ДКОН 17 последовательно соединены. Выход ДКОН 17 соединен с управляющим входом аналогового ключа 19, выход которого через второй резистор 22 подключен к точке объединения резистора и конденсатора последовательной RC-цепи 7 и входу второй интегрирующей RC-цепи 21. Выход второй интегрирующей RC-цепи 21 соединен с входом пикового детектора 18, выход которого является вторым выходом измерителя вибрации. Выход первой интегрирующей RC-цепи 16 соединен с первым входом схемы 20 выделения максимального напряжения, второй вход которой соединен с управляющей шиной 23, а вход канала аналогового ключа 19 подключен к общей шине.
Последовательная RC-цепь 7 выполнена на последовательно соединенных конденсаторе 24 и резисторе 25. Вторая интегрирующая RC-цепь 21 выполнена на резисторе 26 и конденсаторе 27.
ДКОН 17 (инвертирующий с гистерезисом) выполнен на ОУ 28, инвертирующий вход которого является входом ДКОН 17, неинвертирующий вход ОУ 28 через последовательно соединенные первый резистор 29 и диод 30 подключен к выходу ОУ 28, и является выходом ДКОН 17, шина напряжения питания ДКОН 17 через второй резистор 33 подключена к неинвертирующему входу ОУ 28 (возможны и другие варианты выполнения ДКОН).
Схема 20 выделения максимального значения напряжения выполнена на двух диодах 34 с общим катодом, анод первого диода 34 является первым входом, а другой вход подключен к шине 23 ручного управления коэффициентом усиления, общий катод диодов 34 подключен через резистор 35 к общей шине, он же является выходом схемы 20 выделения максимального значения напряжения.
BX
На фиг.2 представлены АЧХ среднеквадратичного канала (смотри выход U16 первой интегрирующей RC-цепи 16), выход которого описывается формулой  на середине полосы пропускания при максимальном коэффициенте усиления  когда резисторы 22 и 25 запараллелены. Тот же выход описывается формулой  на середине полосы пропускания при минимальном коэффициенте усиления  когда резистор 22 отключен ключом 19 от общей шины. U18 - напряжение на выходе пикового детектора 18, описывается формулой  на середине полосы пропускания при неизменном коэффициенте усиления равном единице. U - напряжение на выходе вибропреобразователя 1. Из фиг.2 следует, что пиковый и среднеквадратичный детекторы имеют общую полосу пропускания в границах от  до  и равные крутизны спада за пределами указанных границ за счет введения второй интегрирующей RC-цепи 21, что важно при достоверном анализе вибрации.
На фиг.3 приведена амплитудно-временная диаграмма на выходе U16 первой интегрирующей RC-цепи 16 среднеквадратичного детектора, с разными коэффициентами усиления 32 единицы (максимальное значение) и 16 единиц (минимальное значение), переключаемыми автоматически при достижении верхнего и нижнего пороговых уровнен  двухпороговым компаратором 17 однополярных напряжений.
На фиг.3 приведена амплитудно-временная диаграмма на выходе U17 ДКОН 17 в виде логического уровня Лог1 при  - при максимальном коэффициенте усиления равным 32 и в виде логического уровня Лог0 при  - при минимальном коэффициенте усиления равным 16. Логические уровни индицируют величину коэффициентов усиления.
Измеритель вибрации работает следующим образом. По сути, заявленный измеритель вибрации является двухканальным измерителем. Первый канал - фильтро-усилительный линейный детектор среднеквадратического (СКЗ) или эффективного значения, с автоматически переключаемым коэффициентом усиления равным, например, 32 или 16 в зависимости от уровня входного сигнала с вибропреобразователя 1, работающий в полосе пропускания от  до с крутизной спада 18ДБ/окт, что соответствует фильтру третьего порядка. Автоматическое переключение коэффициентов усиления обеспечивает ДКОН 17 с верхним и нижним пороговыми уровнями  и  Второй канал - пиковый детектор 18 с неизменным коэффициентом усиления, например «единица», работающий в той же полосе пропускания с крутизной спада 18ДБ/окт, что соответствует фильтру третьего порядка.. Одна и та же полоса пропускания обеспечивается за счет второй интегрирующей RC-цепи 21, подключенной через разделительный конденсатор 24 к инвертирующему входу ОУ 3. На инвертирующем входе ОУ 3 повторяется сигнал фильтра второго порядка обеспеченного резистивным делителем 4 и конденсаторами 8, 10. Добавление интегрирующей RC-цепи 21 приводит к фильтру третьего порядка с крутизной спада 18ДБ/окт, это отражено на АЧХ по фиг.2.
В исходном статическом состоянии (с t0 до t1) на выходе вибропреобразователя 1 нулевое напряжение, чему соответствует нулевое напряжение на выходе интегрирующей цепи 16, т.к. на первом выводе схемы 15 встречно-параллельно включенных диодов нулевое напряжение за счет включения ее в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя 3. На выходе операционного усилителя 3 напряжение держится на уровне прямого напряжения на встречно-параллельно включенных диодах схемы 15. Оно компенсирует падение напряжения на диоде 12, обеспечивая на его катоде и выходе интегрирующей цепи 16 нулевое напряжение. На катоде диода 13 также нулевое напряжение, как у включенного в цепь отрицательной обратной связи инвертирующего операционного усилителя-повторителя 6 с нулевым напряжением на входе. За счет нулевого напряжения на выходе интегрирующей RC-цепи 16, на входе и выходе схемы выделения максимального напряжения 20 также нулевое напряжение, а на выходе инвертирующего двухпорогового компаратора однополярных напряжений 17 напряжение логической единицы, которой по управляющему входу открыт ключ 19, при лом резистор 22 подключен к общей шине, а коэффициент усиления каскада на ОУ 3 максимален (32 единицы) и определяется как
При подаче переменного напряжения от вибропреобразователя 1 (см. t1 на фиг.3) начинается процесс его усиления, выделения заданной полосы (от  детектирования с усреднением по уровню эффективного значения на интегрирующей RC-цепи и по уровню пикового значения по выходу пикового детектора 18. Схема 15 встречно-параллельно включенных диодов не искажает АЧХ полосового фильтра измерителя вибрации в целом, но обеспечивает детектирование по выходу интегрирующей цепи 16 без ошибок.
АЧХ полосового фильтра, приведенная на фиг.2, подтверждает совмещение функций полосового фильтра с высоким входным сопротивлением, усиления и детектирования, совмещенных в едином устройстве. В полосе пропускания полосового фильтра от  (см. фиг. 2) выходное напряжение равно , как у неинвертирующего усилителя. Сопротивление согласования с вибропреобразователем 1 высокое, в полосе пропускания полосового фильтра равно сопротивлению резистора 11 (R11=5 МОм).
На катодах объединенных диодов 12, 13 имеется двухполупериодное выпрямление сигналов (см. U13B) с ненулевым смещением, подтверждающее функцию детекторов. На выходе интегрирующей RC-цепи 16 имеется эффективное (среднеквадратическое СКЗ) значение U16эфф=0,707⋅U13в, подтверждающее функцию линейного детектирования по уровню эффективного значения без ошибок, благодаря компенсирующей схеме 15 встречно-параллельно включенных диодов, диодам 12, 13 и неравенству величин постоянных времени зарядных и разрядных цепей. При этом с вибропреобразователя 1 (его эквивалента) подавались симметричные центрированные конденсатором 8 сигналы: синусоидальное напряжение, треугольное пилообразное напряжение, меандр, вибрация, шум. На выходе пикового детектора имеется пиковое значение, подтверждающее функцию линейного детектирования по уровню пикового значения. Без параллельной RC-цепи 2 схема полосового фильтра похожа на ФНЧ Саллена-Ки, но сигнал обратной связи снят не с выхода операционного усилителя 3, а с его инвертирующего входа. Это обеспечивает независимую (не изменяет частот среза, см.  на фиг.2) регулировку коэффициента усиления резисторами 33, 25, 22 без изменения параметров резистивного делителя 4 и конденсаторов 10, 8 и 32 (плечи резистивного делителя 4 всегда равны, а соотношение конденсаторов 10, 8 равно 2 при любом усилении). Конденсатор 32 превращает измеритель в ФНЧ третьего порядка по среднеквадратичному выходу U16 измерителя вибрации, а конденсатор 27 с резистором 26 превращает его в эквивалентный ФНЧ третьего порядка по пиковому выходу U18 измерителя вибрации. Вибропреобразователем 1 может быть пьезоакселерометр с нулевым смещением нуля или линейный акселерометр с ненулевым смещением нуля, конденсатор 8 разделительный, исключает постоянную составляющую с вибропреобразователя 1 и нижние частоты сигнала.
В исходном статическом состоянии (с t0 до t1) на выходе вибропреобразователя 1 нулевое напряжение, чему соответствует нулевое напряжение на выходе интегрирующей цепи 16 и на выходе пикового детектора 18. За счет нулевого напряжения на выходе интегрирующей RC-цепи 16, на входе и выходе схемы выделения максимального напряжения 20 также пулевое напряжение, а на выходе инвертирующего двухпорогового компаратора однополярных напряжений 17 напряжение логической единицы, которой по управляющему входу открыт ключ 19, при этом резистор 22 подключен к общей шине, а коэффициент усиления каскада на ОУ 3 максимален (32 единицы) и определяется
При подаче переменного напряжения от вибропреобразователя 1 (см. t1 на фиг.3) начинается процесс его усиления, выделения заданной полосы, детектирования с усреднением по уровню эффективного значения на интегрирующей RC-цепи 16 и по уровню пикового значения по выходу пикового детектора 18.
После превышения входным и соответственно выходным сигналом U16 (см. фиг.3) значение верхнего порогового уровня  в момент t2 двухпороговый компаратор однополярных напряжений 17 закрывает ключ 19, резистор 22 исключается из цепи усиления и коэффициент усиления минимален (16 единиц) и определяется формулой  С момента t3 (см. фиг.3) входной сигнал с вибропреобразователя 1 может либо увеличиваться, либо уменьшаться, чему соответствует увеличение до 6 В или соответствующее уменьшение выходного сигнала U16 до нижнего порогового уровня  (см. момент t4) при наступлении которого обеспечивается возврат коэффициента усиления из  Факт изменения коэффициента усиления индицируется, фиксируется по выходу UI 7 двухпорогового компаратора однополярных напряжений в виде уровня логического нуля Лог.0 или логической единицы Лог.1 (см. фиг.3).
Таким образом:
- диапазон выходного напряжения U16 при  занимает уровни от 0 до 5 В, при этом на выходе U17 уровень логической единицы (Лог.1);
- диапазон выходного напряжения U16 при  занимает уровни от 1 до 6 В, при этом на выходе U17 уровень логического нуля (Лог.0);
- при снижении U16 до нижнего порогового уровня  коэффициент усиления возвращается в
- в целом по СКЗ диапазон расширен вдвое
- диапазон па пиковом выходе U18 расширен в 32 раза, за счет передачи в пиковый детектор 18 сигнала с вибропреобразователя без усиления, но с формированием такой же заданной полосы пропускания и крутизны спада фильтра нижних частот.
Кроме автоматического изменения коэффициента усиления обеспечено ручное изменение коэффициентов усиления путем подачи внешнего сигнала, превышающего  на управляющую шину 23.
Расширение динамического диапазона по измерению среднеквадратического и пикового значения вибрации, обеспечивается за счет введения разделения функций измерения среднеквадратического значения и пикового значения вибрации по разным каналам (с разным усилением), но с сохранением единой полосы пропускания сигнала за счет введения второй интегрирующей RC 21 - на входе пикового детектора 18 и автоматического или ручного изменения коэффициента усиления в среднеквадратичном канале.
Испытания макета измерителя вибрации, выполненного на счетверенных операционных усилителях типа 564УД14, и моделирование измерителя вибрации в САПР Micro-Cap 7.1.0, подтвердили его работоспособность и заявленные преимущества в диапазоне рабочих температур от -40 до +50°С