一种加速度信号隔离分路装置的设计*

王占友　何　琳　陈景兵　吴　倩

(海军工程大学振动与噪声研究所船舶振动噪声重点实验室　武汉　430033)



一种加速度信号隔离分路装置的设计*

王占友何琳陈景兵吴倩

(海军工程大学振动与噪声研究所船舶振动噪声重点实验室武汉430033)

加速度传感器广泛应用于故障诊断、振动测试等领域，但有时需要多个数据采集设备同时采集同一个恒流供电的加速度传感器的信号，此时会产生两方面的问题：一方面多个数据采集设备可能同时对外供电造成冲突，另一方面多个数据采集设备并联采集同一个加速度传感器信号存在信号串扰问题。为此，论文设计了一种加速度信号隔离分路装置，将信号分为主、副两路并物理隔离，接入主路的数据采集装置提供加速度传感器的电源，接入副路的数据采集装置的电源及信号被物理隔离，同时实现加速度信号的无损隔离传输，有效避免两路信号相互串扰，从而较好地解决了多个数据采集设备同时采集一路加速度传感器信号的难题。

加速度信号;隔离;分路装置;数据采集装置

Class NumberTP23

1　引言

加速度传感器广泛应用于故障诊断、振动测试、振动监测等领域[1～6]，对于加速度信号的采集、分析与处理是确定设备工作状态的重要依据，通过对该信号的分析可以提取故障特征、了解设备的固有特征、观察设备的振级趋势等[7～12]。但在一些测试现场，由于测试目的不同，同时避免重复布置加速度传感器，有时需要多个数据采集设备同时采集同一个恒流供电的加速度传感器的信号，此时会产生两方面的问题：一方面两个数据采集设备可能同时对外供电造成冲突，因为有些数据采集设备供电方式是固定的，不能通过软件等方式设置更改；另一方面多个数据采集设备并联采集同一个加速度传感器信号存在信号串扰问题，造成采集信号失真，影响后续数据的分析处理。因此，有必要设计一种信号隔离分路装置，使多个数据采集装置可以同时、不失真地采集同一加速度信号，有效避免多路装置同时为加速度传感器供电的冲突及采集同一信号所存在的串扰。

2　方案设计

该装置的原理如图1所示，该装置包括有源高通模块、隔离模块、有源低通模块、副路电源处理模块。工作时，加速度传感器由接入主路的数据采集装置提供恒流供电电源，保证加速度传感器正常工作，加速度传感器输出的交流信号一路输出给接入主路的数据采集装置，另一路输出给隔离分路装置。信号进入隔离分路装置后，首先经过高通模块将加速度信号中的直流成分去掉，然后通过隔离模块输出给低通模块，最后通过副路电源处理模块将信号输出给接入副路的数据采集装置。隔离模块主要作用是将主副两路实现物理隔离，有效避免两路加速度传感器电源及信号的冲突及串扰，低通模块的拐点根据副路数据采集装置的采样频率配置，实现抗混叠滤波；副路电源处理模块主要是模拟副路电源供电时产生的直流偏置，将该偏置叠加到加速度传感器的交流信号上，模拟还原加速度传感器信号。

图1　方案原理图

3　高通、低通滤波模块设计

高通与低通滤波模块均采用巴特沃斯型滤波电路设计。巴特沃斯型滤波电路具有通带幅度响应平坦的特性，同时具有脉冲响应好、衰减速度快的特点[13]。高通及低通设计为4阶巴特沃斯滤波器，高通滤波器的截止频率为1Hz，低通滤波器的截止频率为10kHz，其电路拓扑如图2和图3所示。设计滤波器时，电阻采用E192系列精密电阻，电容采用E24系列精密电容，同时注意选择的电阻和电容的标称值应综合考虑电路性能及元件的易购性。例如，适合做滤波器的电容标称值不能过大，否则市场上买不到，此时可综合调整电路的电阻及电容的数值，将电容的标称值降低到合理的范围；同时电阻的标称值不能过大，否则源于电阻的噪声会过大。

图2　四阶巴特沃斯高通滤波电路

图3　四阶巴特沃斯低通滤波电路

4　隔离模块设计

采用宽频带精密隔离放大器设计。隔离放大器原理如图4所示。加速度传感器信号经过高通滤波隔直通交后，只有交流信号，可经过隔离放大器进行传输。由于将主路的电源地、信号地与副路的电源地、信号地在物理上完全隔离，因此能够有效避免两个系统之间的相互冲突及干扰。采用的隔离放大器参数为：隔离电压1500Vrms，非线性误差小于0.02%，带宽范围50KHz。

图4　隔离放大器原理图

5　副路供电电源的处理

副路采集通道可能供电，也可能不供电。为此将副路输出对地串接2.4K电阻，接入副路的数据采集装置的对外恒流供电电流为3mA～5mA，因此可以将该电流转化为7.2V～12V的直流偏置电压，再将加速度传感器的交流输出叠加在该直流偏置上，对加速度传感器信号进行还原。

6　实验验证

为验证装置的有效性，将加速度传感器安装于标准振动台上，由标准振动台产生频率及幅度变化的振动信号，加速度传感器的输出接于本隔离分路装置上，主路及副路各由一台B&K采集装置进行采集，主路及副路均提供直流恒流。测试分三种频率、三种幅值进行，对比两种测试结果的误差。表1为测试结果，由测试数据可知，最大误差0.15dB，误差较小、精度较高。

表1　主副两路测试对比结果

7　结语

本文针对多个数据采集设备同时采集同一个恒流供电的加速度传感器信号的实际情况，设计了一种加速度信号隔离分路装置，给出了详细设计方案并进行了实际验证。实验结果表明，采用本装置隔离分路，有效避免了多路信号相互串扰的问题，一路信号分为多路信号后偏差小，较好地满足了实际需要，证明了本方案的可行性。

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Design of An Insulation Splitter Device for Accelerometer Signal

WANG ZhanyouHE LinCHEN JingbingWU Qian

(National Key Laboratory on Ship Vibration and Noise,Institute of Noise and Vibration,Naval University of Engineering,Wuhan430033)

The accelerometers have been applied in many fields,such as fault diagnosis,vibration test.Sometimes many data acquisition devices will collect the same accelerometer signal simultaneously.Thus two problems will arise.One is power supply conflict,the other is signal interference.For this reason,an insulation splitter device for accelerometer signal is designed in this paper.This device splits signal into two paths which are isolated:one is master path,the other is secondary path.The data acquisition device related with master path powers accelerometers,at the same time,the accelerometer signal will be transferred by lossless isolated way.Thus the conflict of two paths is avoided.As a result,the problem that many data acquisition devices collect the same accelerometer signal simultaneously is solved satisfactorily.

accelerometer signal,isolation,splitter device,data acquisition device

2016年3月13日,

2016年4月27日

王占友,男,博士后,工程师，研究方向：检测与控制。何琳,男,硕士,教授,博士生导师,研究方向：振动与噪声控制。陈景兵,男,硕士,助理研究员,研究方向：振动与噪声控制。吴倩,女,硕士,助理研究员,研究方向：振动与噪声控制。

TP23DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.030