陳 浩 賈 然 王立勇 徐小力

（北京信息科技大學(xué)現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京）

往復(fù)機(jī)械具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作條件惡劣、運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定的特點(diǎn)，在往復(fù)機(jī)械故障診斷中，曲軸轉(zhuǎn)速是最基本的參考信息，精確的測(cè)量曲軸轉(zhuǎn)速對(duì)往復(fù)機(jī)械曲軸相位鑒別具有非常重要的指導(dǎo)意義。對(duì)往復(fù)機(jī)械轉(zhuǎn)速測(cè)量方法和轉(zhuǎn)速測(cè)量中的脈沖調(diào)理電路進(jìn)行研究，旨在提高傳感器調(diào)理電路在復(fù)雜環(huán)境下的抗干擾能力。為后續(xù)的轉(zhuǎn)速采集系統(tǒng)提供可靠的曲軸轉(zhuǎn)速信號(hào)。

一、轉(zhuǎn)速測(cè)量原理

現(xiàn)有的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法主要包括基于霍爾型傳感器轉(zhuǎn)速測(cè)量方法、基于加速度計(jì)的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法和基于振動(dòng)信號(hào)的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法?；诨魻栃蛡鞲衅鬓D(zhuǎn)速測(cè)量方法原理為：旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)霍爾傳感器和感應(yīng)器件之間的距離會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致傳感器的磁場(chǎng)密度發(fā)生變化，從而引起霍爾電壓的變化。測(cè)量系統(tǒng)采集到霍爾電壓變化的周期或頻率，進(jìn)而計(jì)算出部件轉(zhuǎn)速。

基于加速度計(jì)的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法原理為：加速度計(jì)測(cè)量旋轉(zhuǎn)部件三維加速度，并計(jì)算得到向心加速度，由a=R（2πn）2得到部件轉(zhuǎn)速。基于振動(dòng)信號(hào)的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法原理為：采用一定的算法從旋轉(zhuǎn)部件振動(dòng)信號(hào)中提取出轉(zhuǎn)速特征信號(hào)進(jìn)而得到轉(zhuǎn)速信息。

二、調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路主要實(shí)現(xiàn)將傳感器輸出的高電壓方波轉(zhuǎn)化為5 V方波，以滿足單片機(jī)的工作電壓，保證單片機(jī)不被損毀，同時(shí)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的濾波處理。以下對(duì)比了3種信號(hào)調(diào)理電路，歸納總結(jié)了各種電路的工作特點(diǎn)。

1.穩(wěn)壓型信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路主要實(shí)現(xiàn)將傳感器輸出的高電壓方波轉(zhuǎn)化為5 V方波，以滿足單片機(jī)的工作電壓，保證單片機(jī)不被損毀，同時(shí)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的濾波處理。穩(wěn)壓型調(diào)理電路原理圖如圖1所示，24 V轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)從電阻左側(cè)輸入，施密特觸發(fā)反向器（SN74HC14D）對(duì)輸入脈沖信號(hào)進(jìn)行整形，并輸出5 V脈沖信號(hào)。

電路工作原理：當(dāng)輸入端電壓為24 V時(shí)，穩(wěn)壓二極管被反向擊穿，二極管負(fù)極電壓穩(wěn)定在4.7 V，此時(shí)芯片1管腳電平為高，經(jīng)過(guò)邏輯取反以后，管腳2的電平轉(zhuǎn)化為低電平；當(dāng)輸入端電壓為0 V時(shí)，芯片1管腳電平為低，經(jīng)過(guò)邏輯取反以后，管腳2的電平轉(zhuǎn)化為高電平。如此，當(dāng)輸入端輸入不同頻率的24 V脈沖時(shí)，輸出端輸出相應(yīng)頻率的5 V脈沖。

電路特點(diǎn)：（1）該電路阻抗不為無(wú)窮大。（2）基于電路可靠性方面的考慮，當(dāng)二極管發(fā)生損毀時(shí)，24 V電壓會(huì)直接輸入至施密特觸發(fā)器，造成芯片的損壞。（3）二極管反向偏置時(shí)存在的勢(shì)壘電容，影響了系統(tǒng)的高頻響應(yīng)。

圖1 穩(wěn)壓型調(diào)理電路

2.上拉型信號(hào)調(diào)理電路

上拉型調(diào)理電路原理圖如圖2所示，24 V轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)從二極管負(fù)極輸入，經(jīng)過(guò)上拉電阻和RC低通濾波器濾波進(jìn)入施密特觸發(fā)反向器（SN54HC14D）。芯片對(duì)輸入脈沖信號(hào)進(jìn)行整形，經(jīng)過(guò)整形的信號(hào)再次通過(guò)RC低通濾波器濾波對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，最終輸出5 V脈沖信號(hào)。

圖2 上拉型調(diào)理電路

電路工作原理為：當(dāng)輸入端電壓為0 V時(shí)，二極管正向?qū)?，直? V電壓通過(guò)上拉電阻和二極管接入地，芯片1管腳電平為低，經(jīng)過(guò)邏輯取反后，輸出引腳2的電平轉(zhuǎn)化為高電平；當(dāng)輸入端電壓為24 V時(shí)，二極管反向截止，直流5 V電壓通過(guò)上拉電阻和RC濾波器輸入至芯片的輸入管腳1上，此時(shí)芯片1管腳電平為高，經(jīng)過(guò)邏輯取反以后，輸出管腳2的電平轉(zhuǎn)化為低。如此，當(dāng)輸入端輸入不同頻率的24 V脈沖時(shí)，輸出端輸出相應(yīng)頻率的5 V脈沖。

電路特點(diǎn)：由于二極管正向壓降的作用，當(dāng)輸入端電壓為0 V時(shí)，芯片SN54HC14D輸入管腳的電壓卻不為0 V，而是二極管正向偏置電壓VF，且VF的大小會(huì)受上拉電阻2R1的影響，如圖3所示。

在往復(fù)機(jī)械故障診斷系統(tǒng)中，曲軸轉(zhuǎn)速信號(hào)往往會(huì)被輸入到多種設(shè)備中，各種設(shè)備之間由于阻抗不匹配的問(wèn)題，可能會(huì)造成傳感器輸出的脈沖信號(hào)低電平電壓（VL）大于0，加之上拉型調(diào)理電路中二極管自身的偏置電壓VF，此時(shí)輸入到芯片SN54HC14D第1管腳的低電平電壓變?yōu)榱薞L+VF（圖4描述了二極管正極處的信號(hào)，該信號(hào)低電平電壓為680 mV，其中VL=56 mV，VF=624 mV）。如果VL+VF超過(guò)TTL電路中對(duì)于輸入低電平的定義，那么芯片會(huì)將所有的輸入信號(hào)全部識(shí)別為高電平，輸出信號(hào)全部轉(zhuǎn)換為低電平，導(dǎo)致信號(hào)調(diào)理功能失效。

圖3 二極管偏置電壓VF與上拉電阻的關(guān)系

圖4 二極管正極信號(hào)波形

3.比較器型調(diào)理電路

為了解決傳感器輸出信號(hào)低電平發(fā)生微量偏移造成施密特觸發(fā)反向器無(wú)法識(shí)別低電平的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了比較器型調(diào)理電路。

比較器型調(diào)理電路用電壓比較器替換了上拉型調(diào)理電路中的二極管。該方案提高了電路的輸入阻抗，消除了傳感器輸出低電平電壓VL＞0的現(xiàn)象，同時(shí)避免了二極管的偏置電壓。提高了系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的抗干擾能力。比較器選用的是LM393AN芯片，電路原理圖如圖5所示。

圖5 比較器型調(diào)理電路

工作原理：24 V電壓通過(guò)電阻3R1和3R2分壓后產(chǎn)生2.18 V的參考電壓，輸入至電壓比較器2管腳。當(dāng)脈沖輸入端電壓高于2管腳的參考電壓（2.18 V）時(shí)，電壓比較器1管腳為高阻態(tài)，此時(shí)芯片SN54HC14D的1管腳電壓為5 V；當(dāng)脈沖輸入端電壓低于2管腳的參考電壓（2.18 V）時(shí)，電壓比較器1管腳輸出低電平（0 V），此時(shí)芯片SN54HC14D的1管腳電壓也為0 V。可見(jiàn)該電路去除了傳感器輸出信號(hào)的偏移量。最后信號(hào)經(jīng)施密特反向觸發(fā)器整形后輸出5V脈沖信號(hào)。

為了驗(yàn)證比較器型調(diào)理電路的性能，將傳感器信號(hào)輸入至電路輸入端，由于阻抗不匹配致使傳感器信號(hào)發(fā)生了偏移，信號(hào)低電平偏至1.8V，高電平為24 V，如圖6所示。示波器讀取電路輸出端信號(hào)，如圖7所示?？梢?jiàn)當(dāng)傳感器輸出的脈沖信號(hào)發(fā)生較大幅度的偏移時(shí)，電路仍能輸出正常的脈沖信號(hào)，以確保曲軸轉(zhuǎn)速采集系統(tǒng)能夠采集到正確的轉(zhuǎn)速信號(hào)，提高了復(fù)雜環(huán)境下的抗干擾能力。

圖6 傳感器信號(hào)

圖7 電路輸出波形

三、結(jié)論

針對(duì)霍爾型傳感器轉(zhuǎn)速信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行了研究，通過(guò)采用電壓比較器電路和施密特反向觸發(fā)器電路串聯(lián)的方法，對(duì)傳感器輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行整形，消除了由于阻抗不匹配所造成的傳感器輸出脈沖信號(hào)發(fā)生偏移的現(xiàn)象。為往復(fù)機(jī)械曲軸轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)提供了可靠的轉(zhuǎn)速信號(hào)。

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