[发明专利]一种振动信号微分电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种振动信号微分电路，具体地说，是涉及一种将振动位移信号转化成速度信号，或者将振动速度信号转化成加速度信号的微分电路。

背景技术

位移、速度和加速度是表征结构振动的三个基本物理量。在结构振动试验中，由于信号测试的便捷性，加速度应用最为广泛，目前多数振动试验标准均采用加速度来定义相关的试验条件和规范。加速度信号一般采用接触式的测量方法，在结构上固定安装加速度传感器来直接获取振动信号。在某些无法或不允许将传感器直接固定在结构上的场合，如旋转轴、轻小结构件等，则需要采用非接触式的测量方法，如使用电涡流位移传感器、激光测振仪等非接触式传感器测试振动位移信号或速度信号。为了使非接触测试的位移信号或速度信号应用于加速度定义的振动试验，必须将位移信号或者速度信号在时域中进行微分运算转换成加速度信号。

实现信号时域微分运算的关键是设计模拟微分电路。模拟微分电路可分为无源和有源两种形式。最简单的无源微分电路由电容器C和电阻R串联组成，称为RC微分电路。有源微分电路由运算放大器、输入电容和反馈电阻组成。由于振动信号具有频带宽、动态范围大等特点,受实际电容和电阻元器件性能以及参数的影响，RC微分电路不适用于宽频带振动信号的微分变换，对振动信号进行微分变换需使用以运算放大器为核心的有源微分电路。有源微分电路对振动信号进行微分变换时存在如下两个主要技术问题：（1）微分电路的输出电压与输入电压的时间导数成比例关系，但在相位上与理论的微分运算结果相差180度，使微分后的信号失去物理意义；（2）微分电路输出电压与输入信号的电压和频率成正比，高频段时运算放大器容易出现输出饱和现象，电路失去微分运算功能，导致输出信号失真。本发明在理想有源微分电路的基础上，针对上述存在的技术问题设计外围辅助电路，以满足实际工程应用中对振动信号进行微分运算的需求。

发明内容

本发明提供一种振动信号微分电路，第一发明目的是解决上述背景技术中振动信号经过有源微分电路微分运算后相位相差180度的问题，第二发明目的是通过监测有源微分电路的输出电压保证微分电路在高频段时不因运算放大器饱和导致微分信号失真。

本发明为实现上述第一发明目的所采取的技术方案是：一种振动信号微分电路，包括设备电源装置、微分运算模块和反相变换模块，设备电源装置为微分运算模块和反相变换模块提供所需的正负电压，微分运算模块的输出端连接反相变换模块的输入端。振动信号经过微分运算模块进行微分运算，输入到反相变换模块进行反相变换，反相变换模块输出端输出的信后作为微分后的信号输出。

为了实现上述第二发明目的，所述振动信号微分电路还包括电压监测模块，电压监测模块的输入端连接微分运算模块的输出端。

所述设备电源装置由直流电源和双电源供电电路组成，所述双电源供电电路由运算放大器、分压电阻和滤波电容组成，将直流电源提供的单极性直流电压转换成对称的正负电压。

所述微分运算模块由集成运算放大器、微分电容和反馈电阻组成，微分电容一端连接输入的振动信号，一端连接集成运算放大器的反相输入端，集成运算放大器输出电压经反馈电阻送回反相端形成负反馈，集成运算放大器同相端经过平衡电阻接地。

所述反相变换模块由集成运算放大器、输入电阻和反馈电阻组成，输入电阻一端连接微分运算模块的输出端，另一端连接集成运算放大器的反相输入端，集成运算放大器输出电压经反馈电阻送回反相端形成负反馈，集成运算放大器同相端经过平衡电阻接地。

所述电压监测模块由电压比较器、分压电阻和发光二极管组成，两只分压电阻串联形成分压电路，将设备电源装置中提供的正极电压进行分压，得到合适的参考电压输入电压比较器的反相端，电压比较器的同相端接微分运算模块的输出端，输出端通过限流电阻与发光二极管相连。当微分运算模块的输出电压高于参考电压时，发光二极管被点亮，表示微分电路将临近饱和状态。

所述电源装置中的直流电源可以为线性稳压直流电源适配器。

在实际使用中，所述微分运算模块、反相变换模块和电压监测模块可以多组联合，对多路振动信号进行同步微分运算，形成多通道的振动信号微分电路。