积分电路设计

一个传感器只能测量一种参数



在实际应用中，一个传感器只能测量一种参数； 在某些情况下，振动的某个参数可能不容易测量， 或无法测量； 在振动信号分析处理时，常需要研究振动的三种 参数； 需要利用三个参数间的微积分关系，通过微积分 网络，实现三个参数的转换，以满足分析需要。
加速度、速度和位移的转换
二次积分得位移
三、RC微分电路


输出电压与输入电压的微分成 比例，要求：RC<<T RC电路有多种用途，视RC值和 信号特性而定：
dei eo RC dt
C
I
RC耦合电路 RC滤波电路 RC微积分电路 RC分压电路
ei
R
eo
RC微分电路的频率特性
四、RC积分电路
RC积分电路的频率特性
1 f0 积分器下限频率， 于此点不再是积分器 低 2πR f C R f R1 R2 R1 // R f (一 般 取 20倍 左 右 )

输入信号频率大于f0时为积分器。
传感器的工作频率范围

应变式传感器频率工作范围
低端0.01Hz
积分器低端截止频率的确定


由于传感器输出的最低信号频率为0.01Hz，给 积分器设计带来了困难； 列车车体的最低振动频率一般不低于0.5Hz， 考虑到这一情况，可将积分器的低端频率取为 0.1Hz。
设计要求
积分器低端截止频率 0.01Hz，衰减为-3dB； 高端频率为学号最末三位数，衰减取-25dB；
学号最末三位数
积分网络数目确定


一般要设计多条积分曲线； 第二条积分曲线的截止频率应该为第一条积分曲 线衰减-25dB处的频率，即第二条积分曲线在此 处衰减-3dB； 第三条曲线参照上述处理。
频率对幅度的影响-诺莫图
位 移 加 速
度
交越频率
振动测量参数的选取

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
从反映频率与位称、速度和加速度关系的诺莫图 可知： (1)低频时，测量位移可提高测量精度； (2)中频时，测量速度可提高测量精度； (3)高频时，测量加速度可提高测量精度。 对位移和加速度测量都能达到最大值的频率点称 为交越频率。
积分电路仿真实例
积分电路截止点的仿真结果
加速度
速度 相位相差 π/2
六、二次积分电路设计
二次有源反相积分电路

二次有源反相积分电路：
二次积分电路仿真实例
二次积分电路截止点仿真结果
加速度
位移
相位相差π
位移 速度 加速度 若令 则有 x(t ) A sin(t ) A sin(2πft ) π v(t ) A cos(t ) A sin t 2 a(t ) 2 A sin(t ) 2 A cos(t π) V A , a0 2 A a0 V 2 A
积分电路的对数曲线
典型的积分曲线
速度积分曲线1 速度积分曲线2
积分器的阶跃、方波响应
积分器的正弦波响应

当积分器的输为正 弦波时， 输出为余弦波，相 差为90度，幅度增 大ω倍。
a
V=ωa
相位差为90度
微积分电路的实现

两种微积分电路： (1)无源RC微积电路 无源RC微积分电路衰减大，频率范围较窄，积分 误差大。 一般采用运算放大器先将信号放大，再 通过无源微积分电路； (2)有源微积分电路 电路衰减小，频率范围较宽，积分误差小。
积分电路设计
积分电路是信号调理器实现加速 度信号转换为速度和位移的变换 电路。
一、基本概念
最简单的振动是简谐振动 特点： (1) 参量是时间的谐和函数； (2) 在时域为一正弦波； (3) 在频域为一直线谱(信号的傅立叶变换)。

X(ω) x(t)
0
t 0 ω0 ω
简谐振动的时域参数

振动时域参数间的幅度关系：微积分关系



加速度传感器只能测量振动加速度； 速度和位移通过积分电路实现： (1) 通过一次积分电路输出位移； (2) 通过二次积分电路输出速度。 如果是测量振动位移，则速度和加速度分别通过 一次和二次微分电路来实现。 如如果是测量振动速度，则一次微分为加速度， 一次积分为位移。
横向振动加速度积分得速度
振动时域参数的相位关系

振动时域参数间的幅 度关系： 相位a、v、x依次超 前π/2。
v
x
a ω x、v、a三者的相位关系
二、传感器的动态特性

传感器的动态特性参数比较多，反映能测量参数 的频率线性范围。 (1)频率线性范围： 频率响应曲线，频率对灵敏度的影响； (2)幅度线性范围： 频率对测量幅度的影响(诺莫图)； (3)相位线性范围：频率对相位的影响。
五、基本反相积分电路
差动输入反相积分电路
有源积分电路特点

特点：频率范围宽，误差小
电容上的初始电压
1 输 出 Uo U i dt U C 0 RC 1 截 止 频 率 0 K 0 RC 1 误差 r 2 K 0 RC
有源反相积分电路设计

为限制电路的低频增益，减少失调电压的影响， 一般在反馈电容上并一个电阻。