基于电涡流传感器的机床振动测试系统设计

　　概述

　　机械振动是各种机器工作过程中经常发生的现象，是机械工程领域一个十分重要的研究课题。工程实践中复杂的振动现象并非都能通过理论分析得出准确的结论, 往往需要借助真实的测试手段。[1]。不仅如此, 理论分析结果的正确性也需要通过实践来验证，可见振动测试在振动研究中占有十分重要的地位，振动测试的内容包括：测出被测对象某些点的位移、速度和加速度, 在时域中测出振动信号，通过频谱分析估计振动的振型，进一步对设备实施故障诊断。

　　1 系统总体设计

　　系统由传感器的选取、信号调理电路、数据采集板卡、通信模块、上位机软测试系统软件组成。其中传感器是电涡流式振动位移传感器;信号调理电路是通过电量放电调理电路将传感器输出的微弱信号放大到与采集卡匹配且以低阻抗输出的电压信号，此信号被数据采集卡转化为数字量信号由通信模块送至上位机软件系统出，实现最终的测试显示;

　　2 系统硬件设计

　　2.1 传感器原理及选择

　　涡流检测是以电磁感应理论作为基础的。一个简单的涡流检测系统包括一个高频的交变电压发生器、一个检测线圈和一个指示器。高频的交变电压发生器或称为振荡器供给检测线圈以激励电流，从而在试件周围形成一个激励磁场[2]。这个磁场在试件中感应出涡流，涡流又产生自己的磁场。涡流磁场的作用是削弱和抵消激励磁场的变化，而涡流磁场中就包含了试件的信息。检测线圈用来检测试件中涡流磁场的变化，也就是检测了试件的信息变化。

　　图 1 和图 2 所示为电涡流式振动位移传感器以及测量振动图的原理，图 1 是利用沿轴的轴向并排放置的几个电涡流传感器，分别测量轴各处的振动位移，从而测出轴的振型;图 2 是通过测轴振动时周期性的改变与其与电涡流传感器之间的距离，因而电涡流传感器就输出幅值与轴的振幅成比例、频率与轴振动频率相同的电压。

　　2.2 信号调理电路

　　由于电涡流传感器就输出幅值与轴的振幅成比例、频率与轴振动频率相同的电压。而要把电压放大到数据采集卡能识别的电压，还必须需要经过调理电路[3]。在 A/D 变换前要求得适合于 A/D 输入端的较大信号，被测信号比较小需要放大，而被测信号比较大时又需要衰减。

　　本系统选用一种仪表放大器来完成 AD 前端的信号调理设计，仪表放大器是一种可以得到高精度，高的稳定性，较低的漂移等优秀的放大器，原理图如图 5 所示。这种放大器由 3 个低漂移、低失调运放组成。