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钢球振动测量仪电气系统的设计 测量仪技术指标

时间:2020-07-30    来源:仪多多仪器网    作者:仪多多商城     
摘要:介绍了钢球振动测量仪的电气系统设计,采用集成状态变量滤波器、集成化真有效值、对数转换器和集成函数发生器等集成化器件,使其电气测量系统的测量精度高,工作稳定可靠。
关键词:钢球;振动测试仪器;集成电路;状态变量;滤波器

随着微电子技术的发展,出现了许多功能强大的集成电路芯片,这些芯片往往可以将一个完整功能的电路集成到一个芯片上,或将几个相关功能的电路甚至整套的测控电路集成到一个芯片上。在现代仪器的开发设计中,应尽可能地采用集成化器件。钢球振动测量仪的电气系统设计,充分采用了高集成度的芯片去简化电路或电路设计,利用了集成状态变量滤波器;集成化真有效值、对数转换器;集成函数发生器等,提高了仪器电气系统的性能,降低了成本。

1 工作原理

被测钢球通过不同胎具固定在高精度主轴上旋转,加速度传感器与被测钢球表面接触,并拾取钢球表面因波纹而产生的微弱振动信号。此信号经电荷放大器放大后,通过170~400Hz或400~800Hz带通滤波器,再送至有效值、对数电路,最后经表头指示出被测钢球的波纹振动值,其振动值的大小用分贝值度量。该仪器设有自校电路,其电路产生260Hz与520Hz正弦波信号,用于随时校准。电气系统的测量原理如图1所示。


图1 电气系统的测量原理框图

2 主要单元电路的设计

2.1 前置放大电路

钢球振动测量仪的拾振器为压电式加速度型传感器。该类传感器的结构形式有3种:周边压缩式、中心压缩式及剪切式。从性能和经济的角度考虑,选用YD-12型中心压缩式传感器。该型传感器的压电片和质量块与外壳隔离,对基座应变引起的误差和横向灵敏度均较小,比周边压缩式传感器的抗环境干扰能力强。

与压电元件配套的测量电路的前置放大器电路有两种形式:一是用电阻反馈的电压放大器,其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比;另一种是带电容反馈的电荷放大器,其输出电压与输入电荷成正比。电压放大器与电荷放大器相比,电路简单,但易受外界干扰影响,并且电缆分布电容对传感器测量精度影响很大,而电缆的分布电容量则与导线种类和长度有关,在测量中如果更换电缆,则必须对前置放大器的倍率重新进行调整;电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比,对电缆长度变化的影响几乎可以忽略不计,所以在此测量系统中采用电荷放大器作为前置放大电路。电荷放大器是一个高增益的电容反馈放大器,其基本电路如图2所示,虚线框内为传感器等效电路。


图2 电荷放大器基本电路框图

输出幅值

式中 
Q-传感器电荷量
Ca-传感器电容量
Ra-传感器阻值
Cf-电荷放大器反馈电容
Rf-电荷放大器反馈电阻
A-运算放大器的增益

输出电压取决于Q和Cf。为了得到必要的测量精度,要求Cf的温度和时间稳定性要好。

幅频特性

式中 
ω-角频率
Gf-Rf的电导

低频时电荷放大的频率响应仅决定于反馈电路参数Rf和Cf。反馈电阻Rf还有提供直流反馈、减小零漂、使电荷放大器工作稳定的作用。

2.2 滤波器

传统钢球振动测量仪中的滤波电路采用RC有源滤波器。这类滤波器由运算放大器外接电阻、电容构成的。滤波频率由电阻、电容参数决定,选配困难,调试不便。为了方便测量系统的调试与维修,减小滤波器的温漂与时漂,采用了集成状态变量滤波器。

所谓状态变量滤波器就是用状态变量法解二阶微分方程并致力于用模拟电子线路来获得的一种滤波电路。它是一种有源的模拟滤波器,是时间连续的滤波,与开关电容滤波器相比,噪声较小,动态性能优良。状态变量滤波器便于集成化,外接几个电阻便可构成低通、高通、带通带阻等各种类型的滤波器。集成化的状态变量滤波器基本单元是一个二阶环节,通过级联可实现四阶或八阶滤波器。这种滤波器的误差灵敏度低,即外接电阻参数稍有变化时,对传输特性的影响不大。

集中状态变量滤波器MAX274包含四个二阶环节,最高可构成一个八阶滤波器。图3是利用MAX274设计的400~800Hz带通滤波器,其频率特性满足《JB/T8075-1996 滚动轴承钢球振动测量仪的技术标准》中的要求。


图3 带通滤波器

2.3 有效值、对数电路

交流电压通常是以有效值来度量的,测量交流电压的电路有平均值转换器和真有效值转换器。平均值转换器电路简单,成本低,广泛应用于低精度的仪器仪表中,但由于采用平均值的电压表头是按正弦有效值进行刻度的,所以,只有在测仅包含正弦波的电压信号时,所显示的结果才是正确的。现代高精度仪器仪表很少再采用平均值转换器,代之发展并广为采用的是真有效值转换器。真有效值转换器可以实现周期性交流电压的有效值测量。其输出的直流电压,线性地正比于被测各种波形交流信号的有效值,不受输出波形失真度的影响。

有效值测量集成电路视其测量范围和精度要求有多种规格可选,较通用的有AD536、AD636、AD637、AD736及AD737D等。我们选用AD637,该集成器件是按有效值隐含运算而设计的,其精度优于0 1%,波峰因数≤10,相对稳定时间快,是当前集成真有效值转换器性能较好的一种。AD637由绝对值电路、平方/除法器、低通滤波/放大器和缓冲放大器等组成。AD637还设有对数输出口,通过外接电路设置对数电路零点,AD637测量有效值的输出值经过差动对数放大器后就得到所测量有效值的dB值。

2.4 校准信号源

采用集成函数发生器ICL8038和外接阻容元件构成信号发生器,输出260Hz与520Hz两种正弦波信号,用于电气系统进行自校。ICL8038的内部电路主要有矩形波、三角波发生电路和三角波变正弦波电路。该信号源的失真度≤1%,频率、波形调整方便。

3 抗干扰问题

制作性能稳定而可靠的测量电路,不仅需要正确设计电路、合理选择元器件,而且应从工艺上采取措施以抑制干扰和噪声。

由于电荷放大器为一种高阻抗测量电路,因此在实测中干扰及噪声的影响就显得十分严重,必须加以注意。钢球振动测量仪电气系统测试的信号范围为几微伏到几十毫伏,动态范围大,信号微弱。电气系统的基础噪声叠加到被测钢球的振动信号上,会影响到仪器的示值线形误差。因此,在该宽动态弱信号测量系统的设计过程中,抗干扰是要多加考虑的重要问题。

在该电气系统中,除了选用低噪声的元器件,还着重采取了以下一些抗干扰措施:将接地和屏蔽正确结合起来使用;对电源加以处理以防止干扰或低频自激;印制电路板上元器件的布局与信号走线、电气系统的装配工艺均要符合抗干扰的设计要求。

实践证明,该电气测量系统的测量精度高,基础噪声低,工作稳定可靠,且操作简单,调试、维修方便。

参考文献:
[1] 强锡富.传感器[M].北京:机械工业出版社,1998.
[2] 何书林,陈 晶,何华斌.实用模拟电路原理与设计速成[M].福州:福建科学技术出版社,2002.
[3] 康华光.电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,1993.
[4] Maxim Integrated Products公司. Maxim产品数据手册[Z].2002.
表面粗糙度测量仪的特点与适用介绍

    表面粗糙度测量仪是评定零件表面质量的台式粗糙度仪。可对多种零件表面的粗糙度进行测量,包括平面、斜面、外圆柱面,内孔表面,深槽表面及轴承滚道等,实现了表面粗糙度的多功能精密测量。

 

    表面粗糙度测量仪包括粗糙度测量系统、直接轮廓测量系统和直线度测量系统,可测量平面、圆柱面、深槽、曲面的表面粗糙度、直接轮廓和直线度参数。

    可测小圆柱外径3mm,小内孔直径6mm。用直线度测量系统,可以测量工件表面微观起伏的高度和宽度。

    表面粗糙度测量仪轻松设置表面粗糙度的测量条件。利用配备的简单输入功能,可按照ISO/JIS粗糙度标准的绘图指令符号进行输入。以往非常麻烦的测量条件设置如今可轻松输入,从菜单上直接选取表面粗糙度的绘图指令符号即可。

    表面粗糙度测量仪特点:

    设计新颖,结构紧凑,经济耐用。

    可用于检测不同形状表面的粗糙度,包括: 平面、外圆、内孔、凹槽及其他较难 测量的表面。

    既可在车间现场使用,也适用于计量室和实验室。

    传感器可在内置或转出至90 °、180 °及270 °进行测量,可轻松满足不同状况下的检测要求。

    仪器可在垂直甚至倒置的状态下进行操作。

    表面粗糙度测量仪测量精度高,垂直分辨力可达0.01μm,测试范围宽,垂直量程最大可达+40/-120μm。性能指标达到国家二级机标准,可广泛适用于各种金属与非金属加工表面的检测。本产品在遵守传统RC滤波器标准(GB6062)的基础上,增加了M1(DIN4777),M2(DIN4776)滤波器,可由用户根据需要选择。克服了原RC滤波器造成的波形失真和相位失真,大幅度地提高了产品的准确性,扩大了测量应用范围,大大提高了仪器整机析性能。

    表面粗糙度测量仪专用于金属与非金属工件表面粗糙度检测的新型智能化无损检测仪器,适用于机械加工制造业、检测、商检等部门多种形状零部件的粗糙度测量;仪器符合国际标准并兼容美国、德国、日本英国等一些工业发达国家的标准。测量结果可以数字和图形方式显示在液晶显示器上,也可以输出到打印机上。

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绝缘电阻测量仪电流漏泄会产生的问题

  绝缘电阻测量仪又叫电气绝缘强度试验仪或叫介质强度测试仪。将一规定交流或直流高压施加在电器带电部分和非带电部分之间以检查电器的绝缘材料所能承受耐压能力的试验。电器在长期工作中,不仅要承受额定工作电压的作用,还要承受操作过程中引起短时间的高于额定工作电压的过电压作用。在这些电压的作用下,电气绝缘材料的内部结构将发生变化。当过电压强度达到某一定值时,就会使材料的绝缘击穿,电器将不能正常运行,操作者就可能触电,危及人身安全。  当电气绝缘出现故障时会发生什么情况?电气绝缘不仅仅是包着电线的塑料聚合物材料,它是由电缆绝缘层、套管绝缘子、线管内空间、马达和通用设备组成的完整系统。一个电气系统就好比一个管道系统,电压好比是液体压力,电流好比是液体的流速,而电气绝缘就好比是管壁。绝缘防止电子从导体发生漏泄――其作用的大小是用绝缘电阻表示的。有效的绝缘电阻系统具有高的电阻值,通常大于几个兆欧。差的绝缘系统具有较低的绝缘电阻。机械压力、污染和温度变化都能造成这些组件随时间而恶化,使电流发生漏泄。电流漏泄会产生以下的几个问题:  1、当电流穿过绝缘层时产生热量,会使绝缘层恶化,直到最终绝缘失效,并会形成火灾隐患。  2、漏泄电流必需返回至源极,它将流经任何可用的导体、线管、管道、水或大地返回到源极。这种不利的电流会产生危险的电压。  3、漏泄电流是没有效率的。经绝缘层漏泄的电流并不能驱动马达、发光或加热,但是仍然会产生消耗。  4、漏泄电流会引起过流保护装置跳闸,使马达和变压器过热。结果就是差的电气绝缘造成设备发生故障、生产线停工。现在,没有哪个工厂能够经受得住计划外的停工。

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