ИЗМЕРИТЕЛЬ ВИБРАЦИИ
VIBRATION METER

Измеритель вибрации относится к информационно-измерительной технике и может быть использован в контрольно-сигнальной аппаратуре для измерения виброускорения и виброскорости.
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 значения.
Недостатками известного линейного детектора эффективных значений являются:
- выполнение только функции линейного 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 (ФНЧ) 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.1.15а), 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.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является 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.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в расширении функциональных возможностей до уровня измерителя эффективных или пиковых значений вибрации 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.
Для достижения технического результата в измерителе вибрации, содержащем вибропреобразователь, параллельную RC-цепь, вход которой соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с первым выводом первого резистивного делителя, второй резистивный делитель, новым является то, что дополнительно введены последовательная RC-цепь, второй операционный усилитель, первый, второй и третий конденсаторы, резистор, первый, второй и третий диоды, схема встречно-параллельно включенных диодов, интегрирующая цепь, общий вывод которой соединен с общей шиной, которая 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 которого через второй конденсатор соединен со вторым выводом первого резистивного делителя, средняя точка которого через резистор соединена с входом параллельной RC-цепи, выход которой соединен с первыми выводами второго резистивного делителя и схемы встречно-параллельно включенных диодов, второй вывод которой соединен с выходом первого операционного усилителя и с анодом первого диода, катод которого соединен с входом интегрирующей цепи, вторым выводом второго резистивного делителя и катодом второго диода, анод которого соединен с катодом третьего диода и выходом второго операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с анодом третьего диода и средней точкой второго резистивного делителя.
Интегрирующая цепь выполнена на интегрирующей RC-цепи, при этом измеряется эффективное значение вибрации.
Интегрирующая цепь выполнена на конденсаторе (например, путем закорачивания выводов резистора интегрирующей RC-цепи или его исключения), при этом измеряется пиковое значение вибрации.
Расширенные функциональные возможности измерителя вибрации обеспечиваются дополнительно введенными элементами и связями, за счет которых совмещена известная функция неинвертирующего операционного усилителя (высокое входное сопротивление и регулируемое усиление на одном операционном усилителе) с новой функцией: полосового фильтра и линейного детектора эффективных или пиковых значений. Причем крутизна спада верхних частот полосового фильтра измерителя вибрации соответствует ФНЧ третьего порядка (у второго аналога ФНЧ второго порядка) за счет нового места подключения выхода параллельной RC-цепи в дополнение к первому и третьего конденсаторам. Крутизна спада нижних частот полосового фильтра соответствует фильтру высоких частот (ФВЧ) второго порядка за счет совместного действия новых последовательной RC-цепи и второго конденсаторов. Второй вывод схемы встречно-параллельно включенных диодов полосового фильтра на первом операционном усилителе обеспечивает интегрирующую цепь (усредняющее устройство) линейного детектора эффективных или пиковых значений на первом и втором операционном усилителях с его диодами нужными напряжениями исключает потери и погрешность пассивных диодов. Характеристика первого операционного усилителя со схемой встречно-параллельно включенных диодов обеспечивает компенсацию прямого падения напряжения на первом диоде, высокую чувствительность и точность, т.к. противоположна характеристике первого диода.
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 вибропреобразователя и на входе и выходе интегрирующей цепи.
Измеритель вибрации (фиг.1) содержит вибропреобразователь 1, параллельную RC-цепь 2, первый операционный усилитель 3, первый 4 и второй 5 резистивные делители, второй операционный усилитель 6, первый 7, второй 8 и третий 9 конденсаторы, последовательную RC-цепь 10, резистор 11, первый 12, второй 13 и третий 14 диоды, схему 15 встречно-параллельно включенных диодов, интегрирующую цепь 16.
Вход параллельной RC-цепи 2 соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя 3, неинвертирующий вход которого соединен с первым выводом первого резистивного делителя 4. Общий вывод интегрирующей цепи 16 соединен с общей шиной. Общая шина соединена с неинвертирующим входом второго операционного усилителя 6, через последовательную RC-цепь 10 с инвертирующим входом первого операционного усилителя 3, через первый конденсатор 7 с первым выводом первого резистивного делителя 4, через резистор 11 со вторым выводом первого резистивного делителя 4 и с первым выводом вибропреобразователя 1. Второй вывод вибропреобразователя 1 через второй конденсатор 8 соединен со вторым выводом первого резистивного делителя 4, средняя точка которого через третий конденсатор 9 соединена с входом параллельной RC-цепи 2. Выход параллельной RC-цепи 2 соединен с первыми выводами второго резистивного делителя 5 и схемы 15 встречно-параллельно включенных диодов. Второй вывод схемы 15 встречно-параллельно включенных диодов соединен с выходом первого операционного усилителя 3 и с анодом первого диода 12. Катод первого диода 12 соединен с входом интегрирующей цепи 16, вторым выводом второго резистивного делителя 5 и катодом второго диода 13. Анод второго диода 13 соединен с катодом третьего диода 14 и выходом второго операционного усилителя 6. Инвертирующий вход второго операционного усилителя 6 соединен с анодом третьего диода 14 и средней точкой второго резистивного делителя 5.
Параллельная RC-цепь 2 выполнена на резисторе 17 и конденсаторе 18.
Интегрирующая цепь 16 может быть выполнена на интегрирующей RC-цепи: конденсаторе 19 и резисторе 20 или на конденсаторе 19 (например, путем закорачивания выводов резистора 20 интегрирующей RC-цепи, см. точки а и b на фиг.1, или его исключением).
Второй резистивный делитель 5 выполнен на последовательно соединенных резисторах 21, 22.
Последовательная RC-цепь выполнена на резисторе 23 и конденсаторе 24.
Измеритель вибрации (см. фиг.1) может быть выполнен выполнен на операционных усилителях 544УД14, 544УД7, прецизионных резисторах Р1-16, прецизионных конденсаторах К10-43в и других конденсаторах типа К53-56.
Измеритель вибрации работает следующим образом.
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>R</mi><mn>17</mn></mrow><mrow><mi>R</mi><mn>23</mn></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
По сути, заявленный измеритель вибрации является фильтроусилительным линейным детектором эффективного или пикового значения, в зависимости от выполнения интегрирующей цепи 16: на интегрирующей RC-цепи (резистор 20, конденсатор 19) или конденсаторе 19 соответственно. Фильтроусилительный линейный детектор эффективного или пикового значения имеет коэффициент усиления 16 дБ. Резистор 17 с сопротивлением R17 и конденсатор 18 являются элементами параллельной RC-цепи 2, резистор 23 имеет сопротивление R23<R17. Коэффициент усиления в полосе пропускания равен
(как у неинвертирующего усилителя).
В исходном статическом состоянии на выходе вибропреобразователя 1 нулевое напряжение, чему соответствует нулевое напряжение на выходе интегрирующей цепи 16 в любом исполнении, 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.
При подаче переменного напряжения от вибропреобразователя 1 (см. U1 на фиг.3) начинается процесс его усиления, выделения заданной полосы, детектирования с усреднением по уровню эффективного значения при выполнении интегрирующей цепи 16 на интегрирующей RC-цепи или по уровню пикового значения при выполнении интегрирующей цепи 16 на конденсаторе 19. 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.
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi></mrow><mi>н</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi></mrow><mi>в</mi></msubsup></mrow>
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>R</mi><mn>17</mn></mrow><mrow><mi>R</mi><mn>23</mn></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
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
до
(см. фиг.2) коэффициент усиления равен
, как у неинвертирующего усилителя. Сопротивление согласования с вибропреобразователем 1 высокое, в полосе пропускания полосового фильтра равно сопротивлению резистора 11 (R11=5 МОм).
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi></mrow><mi>н</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi></mrow><mi>в</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi></mrow><mi>в</mi></msubsup></mrow>
На катодах объединенных диодов 12, 13 имеется двухполупериодное выпрямление сигналов (см. U13в на фиг.3) с ненулевым смещением (см. Uсм на фиг.3), подтверждающее функцию детекторов. На выходе интегрирующей RC-цепи 16 (точка объединения резистора 20 и конденсатора 19 на фиг.1) имеется эффективное значение (см. U16эфф=0,707·U13в на фиг.3), 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 интегрирующей цепи 16, выполненной на конденсаторе 19, имеется пиковое значение (см. U16пик=U13в на фиг.3), подтверждающее функцию линейного детектирования по уровню пикового значения без ошибок, благодаря компенсирующей схеме 15 встречно-параллельно включенных диодов, диодам 12, 13. 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 резистором 23 без изменения параметров резистивного делителя 4 и конденсаторов 9, 7 и 18 (плечи резистивного делителя 4 всегда равны, а соотношение конденсаторов 9, 7 равно 2 при любом усилении). Равенство плеч резистивного делителя 4 позволяет использовать цифровые потенциометры для регулировки верхней частоты среза (см.
на фиг.2) с помощью цифрового кода (кодоуправляемый фильтр). Конденсатор 18 параллельной RC-цепи 2 превращает его в ФНЧ третьего порядка. 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.
Первый каскад на операционном усилителе 3 выполняет функции:
- усиления с высоким входным сопротивлением, за счет чего Rвх=R11;
- полосового фильтра;
- компенсирующей цепи 15 детектора положительной полуволны сигнала (компенсируя прямое падение напряжения на диоде 12);
- согласования с резистивным делителем 5 детектора отрицательной полуволны сигнала на инвертирующем операционном усилителе 6 с детектирующим диодом 13.
На катодах диодов 13 и 12 имеется суммарное смещенное относительно уровня нуля (см. Uсм на фиг.3), двухполупериодное выпрямление амплитуд с исключенной встречно-параллельно включенными диодами схемы 15 погрешностью. При выполнении интегрирующей цепи 16 на резисторе 20 и конденсаторе 19 с помощью резистора 22 и инвертирующего входа операционного усилителя 6 осуществляется усреднение по уровню эффективного значения за счет неравенства постоянных времени при заряде конденсатора 19 и его последующем разряде. При выполнении интегрирующей цепи 16 на конденсаторе 19 осуществляется пиковое детектирование.
<mrow><mfrac><mrow><mi>R</mi><mn>20</mn><mo>+</mo><mi>R</mi><mn>22</mn></mrow><mrow><mi>R</mi><mn>20</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>2.5</mn></mrow>
Расширенные функциональные возможности измерителя вибрации обеспечиваются дополнительно введенными элементами и связями, за счет которых совмещена известная функция неинвертирующего операционного усилителя 3 (высокое входное сопротивление и регулируемое усиление на одном операционном усилителе) с новой функцией полосового фильтра и компенсирующей цепи линейного детектора эффективных или пиковых значений. Причем крутизна спада верхних частот полосового фильтра соответствует ФНЧ третьего порядка за счет конденсатора 18 из параллельной RC-цепи 2 и конденсаторов 7, 9. Крутизна спада нижних частот полосового фильтра соответствует ФВЧ второго порядка за счет совместного действия конденсаторов 8, 24. Схема 15 встречно-параллельно включенных диодов обеспечивает интегрирующую цепь 16 нужными напряжениями, исключает потери и погрешность диода 12 и обеспечивает безошибочную работу полосового фильтра. Характеристика первого операционного усилителя 3 со схемой 15 встречно-параллельно включенных диодов противоположна характеристике диода 12, что обеспечивает компенсацию прямого падения напряжения на диоде 12. Диод 14 обеспечивает ненасыщенный режим работы операционного усилителя 6 для положительной полуволны сигнала и участвует в цепи усреднения эффективного значения. Постоянные времени зарядных и разрядных цепей линейного детектора эффективного значения не равны и подобраны таким образом, чтобы постоянная составляющая напряжения на конденсаторе 19 интегрирующей RC-цепи была равна эффективному значению. Например, для синусоидального напряжения и нормального шума отношение
.
За счет этого при градуировке на синусоидальном напряжении и последующем измерении эффективного значения треугольного напряжения, напряжения меандра, вибрации или шума погрешность будет отсутствовать. На конденсаторе 19 выделяется постоянная составляющая, равная эффективному или пиковому значению вибрации при соответствующем исполнении интегрирующей цепи 16.
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°C.