振动传感器信号放大电路设计

张成研+孙梅

摘要：在电动机故障测试中，为了使控制芯片对电机运行状况有效测试，利用振动传感器作为检测前端，将电机振动情况转换成电信号，中心控制芯片对信号进行处理分析，设计出相应的信号放大滤波电路。设计采用高精度低噪音运算放大芯片OP2177作为信号放大电路的核心，通过模拟电路仿真和实验调试，完成信号处理。

关键词：振动传感器；放大滤波；OP2177；信号处理

中图分类号：TH1333；TH825文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2017.10.011

0引言

测量电机运行状态，采用振动传感器进行测量，采集的振动数据通过中心控制芯片处理，得出判断电机是否正常运转。在实验的过程中，由于振动传感器信号输出参数为6 V基准信号加上振动信号，测试电机所产生的振动信号幅度约为100 mV且主频在100 Hz，超出控制芯片模数转换的量程，需要对振动信号电压进行转换，符合控制芯片STM32F103ZET6的AD输入要求。另外，振动信号很容易受到噪音的影响，需要进行滤波减低高频噪音的影响，放大的过程同时也放大了电压的噪音，放大比例是和反馈电阻有关，电阻也会受到温度影响，采用阻容结合抑制温漂。本文主要采用电压跟随器和电压同向比例放大器，达到滤波和放大作用，符合控制芯片信号接入要求。

1电机振动信号特点及系统设计框架

1.1电机振动特点

测试电机采用风扇电机，属于单相异步电机，接入220 V市电。电机在运作中会形成振动噪音，而振动噪音的形成和电机结构有关，电机主要由定子、转子、机座和轴承等组成，振动的产生也是由上述部分在运作的过程中形成振动。

定子振动主要是由电磁力产生，在电机运行过程中，定子绕组经常受到以下几种力的影响，引起绕组的系统频率或者倍频率振动绕组中的电流与漏磁通的作用力、转子磁拉力、绕组热胀冷缩力[1]。转子的振动和机座的振动则由于质量不均匀等，轴承中的钢珠不能达到每个都完全一致，在旋转过程中因为尺寸不统一形成摩擦振动。

1.2电机频谱分析

电机在正常工作中振动是保持一定规律，通过对振动信号的傅里叶变化，就不难看出，频谱分布呈现主频和次波峰。故障的发生将破坏这种振动平衡，出现其他频率的次波峰。

经过实验测试，测试采用的电机正常工作频率在100 Hz，故障频率分布在1 kHz以内，而且电机0为直流电压信号，设计滤波频率为大于1 kHz和小于05 Hz。

2放大电路的设计

放大电路设计主要包含电压跟随电路、高通滤波以及同向比例运放，在同向比例运放的同时达到低通滤波，最终达到放大振动频段信号，滤去噪音信号，提高信噪比。

2.1电压跟随器

为了实现放大电路和振动传感器检测电路隔离，有效避免前端检测电路对放大电路影响，提高放大电路稳定性。采用集成运放芯片OP1177，具有低噪音、高输入阻抗等特点[2]，振动传感器信号从6号脚输入，通过8号脚输出，输入和输出信号保持一致（如图1所示）。

2.2高通滤波电路

由于振动传感器输出信号是直流信号和振动信号叠加，信号中不仅有振动信号同时包含大量的直流或低频信号。这不仅会对后续的放大电路产生影响，而且直接影响短时傅里叶变化结果，因此设计二阶巴特沃斯高通滤波器来滤除直流和低频信号[3]。高通滤波截至频率设定为0.5 Hz，如图2所示。通过仿真图可以得出截至频率为0.5 Hz。对输入输出仿真由图3验证频率大于0.5 Hz信号没有衰减。

2.3同向比例运放电路

该电路设计已经滤掉低频信号，但是还未消除高频信号影响，所以低通滤波设计滤除高频信号，同时保留故障频段。由于STM32芯片内部AD模块无法解析交流信号的负电压，提升电压基准值，对于幅度为100 mV的信号可以适度放大，利于提升傅里叶变换后工作频率的幅值。采用同向比例运放Vout=（Vin+1）×0.5×4。C1 、R2 构成RC 低通滤波网络[4]， 其电路截止频率为f =1/2π×R2×C1 =1/2π×15K×0 .01μ=1060 Hz ， 符合设计要求（有用信号頻率范围主要集中在0 ～100 Hz）如图4所示。

3实验测试

将上述3个部分电路联合运行，用直流电压6 V、100 mV的100 Hz和3000 Hz交流信号模拟传感器发出信号，最终仿真输出波形如图5所示。

经过实验分析， 小信号放大电路满足设计的放大量程要求， 保留了振动信号并且放大其幅度，提高了信噪比。并且信号数据输出稳定，为后续的短时傅里叶变换准确性提高奠定基础，实践表明该放大电路可以很好的应用在电机故障测试系统中。

参考文献：

[1]杨俊. 基于LabVIEW的电机噪声振动测试分析系统[D].杭州：浙江大学，2007.

[2]崔利平. 仪表放大器电路设计[J]. 现代电子技术，2009（11）：87.

[3]陈光建，何华平，曾惠彬. 心电信号放大滤波电路的研究与设计[J]. 四川理工学院学报（自然科学版），2009（4）：107.

[4]楼钢，李伟，邓学博. 小信号放大电路设计[J]. 浙江理工大学学报，2007（6）：661.

[5]伍松乐. RC电路的应用[J]. 现代电子技术，2004（14）：99.endprint