便携式油液金属物质直读仪的低噪声设计

　　1　引　　言

　　油液分析作为一种常规的检测手段,在故障诊断和设备保障中得到广泛的应用。准确而快速地进行油液分析,是科学维修和维护设备必不可少的手段。针对目前油液分析的要求,在低噪声设计理论的指导下,研制了一种新型便携式油液金属物质直读仪。该仪器仅需要少量的油样,即可快速准确地测定油液中金属物质的含量。仪器小巧便携,操作简单可靠,灵敏度高,可　　以达到传统的油液分析仪器所不能达到的检测精度(10-6级别)。

　　2　仪器的原理与结构

　　该仪器主要由图1所示的几个主要部分组成。其中,传感器由L1和L2两个线圈组成,L1作为检测线圈,L2作为参考线圈;L1电感略大于L2;L1,L2串联(如图2所示)。A,B两端为输入,C点对地为输出。A,B两点由一定频率和幅值的交流电压源来供电(逆变输出有三个抽头,中间抽头接地,两端抽头供电,供电两端正负电压绝对值相同,极性相反),假设其峰值为Vmin。如果L1=L2,则C点对地的输出电压应为0V;如果L1≠L2,C点对地的输出应为和电源同频率的交流电压信号,其峰值为:

　　(假设L1=L+ΔL,L2=L,L ΔL)。在检测过程中,当待检测的油样进入线圈L1所在的螺线管时,根据油样整体呈顺磁或逆磁性,L1会增大或减小,设增量为ΔL’,即L1=L+ΔL+ΔL’。此时C点输出电压峰值为:

　　即C点输出的交流电压峰值的变化量与油样进入检测线圈引起的电感变化量ΔL′基本呈线性关系。

　　C点输出交流信号峰值的变化极其微弱,必须经过足够的放大并将交流信号的变化转化成直流信号的变化,才可进行转换和显示。图3是信号变化过程图,其中图3(a)是传感器C点输出的交流电压信号;经过前置放大以后得到幅度大得多的交流电压信号,如图3(b)所示;在幅度解调环节中,调制解调器对交流电压信号进行幅度解调,将交流信号解调成与其峰值成一定比例的直流电压信号,如图3(c)所示;之后,末级放大器将直流电压信号再进一步放大,如图3(d);之后再经过信号检出电路,将电压信号送往转换显示模块,最终显示的值即为待检测油样中的金属物质含量(10-6)。

　　3　放大通路的低噪声设计

　　传感器输出的交流信号峰值的变化量非常微弱(1×10-6浓度的油样引起的峰值变化<1μV),必须对放大环节采用低噪声设计,否则放大环节中固有的噪声经过放大之后会使有用信号发生畸变甚至完全淹没有用的信号。主要的噪声包括电阻的热噪声,低频噪声(1/f噪声);晶体管的热噪声,低频噪声,散弹噪声,高频噪声等[1]。

　　噪声系数是目前最常用的噪声性能指标,可根据噪声系数来分析和设计放大通路。弗里斯公式指出:对于级联电路,如果已知每级放大器的噪声系数,其总的噪声系数可根据弗里斯公式计算: