專利名稱：用對數(shù)放大器處理振動分析中遇到的寬動態(tài)范圍信號的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在振動分析中遇到的具有寬動態(tài)范圍的信號測量。
背景技術(shù)：
振動分析器經(jīng)常被用于監(jiān)視機(jī)械，以及進(jìn)行預(yù)示性機(jī)械維護(hù)。機(jī)械振動可以用傳 感器如加速計(jì)，速度感傳器，或者位移傳感器進(jìn)行監(jiān)視，以測量要被分析的振動。該要被分 析的信號通?？缭綄拕討B(tài)范圍，甚至超過100dB。不能處理這種巨大的動態(tài)范圍的振動分析 儀器可以具有輸入范圍和增益放大的用戶設(shè)置。然而，可能會由于不準(zhǔn)確的用戶設(shè)置而出 現(xiàn)問題。例如，如果該輸入范圍被設(shè)置得過大，該儀器可能不能測量小信號，而如果該輸入 范圍被設(shè)置得過小，該儀器可能因巨大輸入信號變得過載。MM用于振動分析信號的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)可以包括用于壓縮寬動態(tài)范圍信號的對數(shù)放 大器。該對數(shù)放大器可以替換常規(guī)系統(tǒng)中所需的衰減器，增益放大器，和/或增益開關(guān)。此 外，更低分辨率的模-數(shù)轉(zhuǎn)換器可以和該對數(shù)放大器組合應(yīng)用。因此，該系統(tǒng)的機(jī)座面積， 需用功率，以及系統(tǒng)成本可以被降低。


附圖顯示了可被用于處理振動分析的寬動態(tài)范圍信號的對數(shù)放大器的實(shí)施例。這 些實(shí)施例和附圖是說明性的而非限制性的。圖1為框圖，其示意了不采用對數(shù)放大器處理寬動態(tài)范圍信號的系統(tǒng)的實(shí)施例。圖2為框圖，其示意了根據(jù)本文公開的一個實(shí)施例采用對數(shù)放大器處理寬動態(tài)范 圍信號的系統(tǒng)的實(shí)施例。圖3為流程圖，其顯示了根據(jù)本文公開的一個實(shí)施例用對數(shù)放大器處理從振動分 析獲得的寬動態(tài)范圍信號的示范性過程。詳細(xì)說明振動分析器從振動傳感器如加速計(jì)，速度感傳器，或者位移傳感器偵測信號。由加 速計(jì)產(chǎn)生的峰對峰信號范圍可以從對應(yīng)于極低每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)的機(jī)械的微伏水平直至 對應(yīng)于快速旋轉(zhuǎn)機(jī)械的數(shù)十伏。圖1為框圖，其示意了常規(guī)的振動分析系統(tǒng)100的實(shí)施例。該系統(tǒng)100包括傳感 器110，交流/直流聯(lián)結(jié)(coupling) 120，一個或多個衰減器130，一個或多個增益放大器級(stages) 140，抗假頻濾波器150，高分辨率模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 160，以及微處理器170。該傳感器110檢測振動，用于振動監(jiān)視和分析。電源(未示出)可被連接至該傳 感器并向該傳感器供電。該傳感器110將其輸出發(fā)送至該耦合交流電(AC)和/或直流電 (DC)電壓信號的交流/直流聯(lián)結(jié)120。通常，加速計(jì)信號將在直流偏倚分量之外具有交流分量。根據(jù)信號的強(qiáng)度，該信號從該交流/直流聯(lián)結(jié)120被發(fā)送至一個或多個衰減器130 和/或一個或多個增益放大器140級。該增益放大器140的輸出通過抗假頻濾波器150被 發(fā)送，該抗假頻濾波器150從該被增幅的信號去除頻帶外的(out-of-band)信號。然后，該 濾過信號進(jìn)入該高分辨率ADC 160進(jìn)行數(shù)字化。由該抗假頻濾波器150去除的信號頻率在 該高分辨率ADC 160運(yùn)行范圍之上。最后由該微處理器170進(jìn)一步處理該數(shù)字化信號。在此計(jì)算了該常規(guī)系統(tǒng)100中該ADC 160的分辨率要求，用于和以下采用對數(shù)放 大器的系統(tǒng)中ADC的分辨率要求進(jìn)行對比。例如，如果要被測量的最小信號幅度是10 μ Vpp， 且要被測量的最大信號幅度是20VPP，當(dāng)Vpp為峰對峰電壓時，則該系統(tǒng)100要測量的動態(tài)范 圍可以計(jì)算為20 * Iog10 (20VPP/10 μ Vpp)，等于136dB。該ADC 160測量136dB動態(tài)范圍信號 所需的比特?cái)?shù)N可以利用以下方程式進(jìn)行計(jì)算20* Iog10 (2n) = 136dB. (1)在此實(shí)施例中，N等于22. 59，其上調(diào)為23比特。因此，該ADC 160測量136dB動 態(tài)范圍信號所需的最小比特?cái)?shù)N約為23比特。此外，為了保證來自該ADC 160的23比特 無噪聲，可能需要使用至少比特的ADC，該比特ADC通常被認(rèn)為是非常高分辨率的 ADC。與此相對照，圖2為框圖，其顯示根據(jù)本文公開的一個實(shí)施例利用對數(shù)放大器處 理巨大動態(tài)范圍信號的實(shí)施例。該系統(tǒng)200包括傳感器210，交流聯(lián)結(jié)/直流塊220，電壓 電流轉(zhuǎn)換器230，對數(shù)放大器M0，抗假頻濾波器250，低分辨率ADC260，和微處理器270。類似于系統(tǒng)100的傳感器110，該傳感器210還檢測振動并需要電源。來自該傳感 器210的輸出被發(fā)送至該交流聯(lián)結(jié)/直流塊220，其去除任何可能存在于來自該傳感器210 中的直流偏壓而傳送交流電壓分量。然后該交流電壓分量由該電壓電流轉(zhuǎn)換器230轉(zhuǎn)換為 交流電流信號。交流電流信號裝換可以增加對數(shù)放大器240的準(zhǔn)確性。對數(shù)放大器的輸出額為k乘以輸入電流的對數(shù)，如以下方程式⑵所示Vout = k* Iog10(lin/lref), (2)其中k是比例因子，Iin是輸入電流信號，Iref是歸一化常數(shù)。因此，該對數(shù)放大器 240可以對數(shù)壓縮該輸入電流信號，以使得輸入對數(shù)放大器MO的高動態(tài)范圍信號被轉(zhuǎn)換 為低動態(tài)范圍的輸出信號。例如，大于約80dB動態(tài)范圍的輸入信號可以由該對數(shù)放大器 240轉(zhuǎn)換為低于約20dB動態(tài)范圍的輸出信號。該經(jīng)過對數(shù)壓縮的輸出信號被發(fā)送至可去除任何頻帶外信號的抗假頻濾波器 250。然后經(jīng)過該抗假頻濾波器250過濾的信號被發(fā)送至低分辨率ADC 260進(jìn)行數(shù)字化。在 一個實(shí)施例中，該抗假頻濾波器250為低-通行過濾器，其不通過該ADC 260運(yùn)行范圍以上 的頻率。使用對數(shù)放大器240來壓縮輸入電流信號的系統(tǒng)200中的ADC 260的分辨率需求 可以比照常用系統(tǒng)100中使用的ADC160。使用與滿足上述ADC169的分辨率需求相同的信號范圍，其中待測的最小信號幅度約為10 μ Vpp而待測的最大信號幅度約為20Vpp，還使用等 于1的比例因子k、等于InA的歸一化常數(shù)Iref以及針對800 Ω電阻計(jì)算出的輸入電流，最小 電流信號幅度Iin,min = 10μ Vpp/800 Ω = 1. 25ηΑ，最大的電流信號幅度Iin,max = 20Vpp/800 Ω =25mA。對數(shù)放大器240輸出的最小信號幅度為Iogltl (1. 25nA/lnA) = 97mV，對數(shù)放大器 240輸出的最大信號幅度為Iogltl 05mA/lnA) = 7. 4V。因此，對數(shù)放大器240的輸出端的動 態(tài)范圍需求計(jì)算為 201og1Q(7. 4Vpp/97mV) = 37. 6dB。ADC260測量具有38dB動態(tài)范圍的信號所需的比特?cái)?shù)N可以使用下式(3)來計(jì)算20*log10(2N) = 38dB(3)因此，N等于6. 3比特并調(diào)高為整數(shù)7比特。為了保證這7個比特沒有噪聲，可以 使用至少14比特的ADC，其一般被視為低分辨率ADC，且小于如圖1中的系統(tǒng)100中對尚未 用對數(shù)放大器進(jìn)行壓縮的信號進(jìn)行數(shù)字化所需的觀比特ADC。由抗鋸齒濾波器250輸出的過濾信號經(jīng)由ADC260數(shù)字化，并發(fā)送到微處理器270 用于進(jìn)一步處理。進(jìn)一步的處理可以包括但不限于，恢復(fù)或解壓縮數(shù)字化信號，平均和加窗 操作，輸入信號來自加速計(jì)時的數(shù)字整合(digital integration)，以及，進(jìn)行快速傅立葉 變換來確定輸入信號的頻譜成分。在系統(tǒng)200中，對數(shù)放大器240取代了衰減器130和增益放大器140級，系統(tǒng)200 所占空間相比常用系統(tǒng)100有所減小。另外，圖1未示出的用于在不同增益放大級之間切 換的模擬開關(guān)，以及用于控制在不同增益放大器之間切換的軟件控制電路(圖1中未示出) 也被從系統(tǒng)200中去除。進(jìn)一步地，常用系統(tǒng)100中的每個衰減器130和增益級140都必須 進(jìn)行初始的和定期的校準(zhǔn)來保證精確度。系統(tǒng)200還免除了上述校準(zhǔn)所需的時間和儀器。圖3中的流程圖顯示了根據(jù)本文公開的一個實(shí)施例用對數(shù)放大器處理從振動分 析獲得的寬動態(tài)范圍信號的示范性過程。在框310中，使用傳感器例如加速計(jì)、速度計(jì)或位移計(jì)來檢測振動。加速計(jì)的輸出 一般帶有直流偏置電壓和交流成分或?qū)拕討B(tài)范圍的雙極電壓信號。傳感器信號中存在的任何直流偏置電壓都在框320中使用交流連接器或隔直流 組件。該交流連接器或隔直流組件可以包括電容來阻隔信號中的直流成分，同時使信號中 的交流成分通過。在框330中，交流電壓信號被轉(zhuǎn)換為交流電流信號。在一個實(shí)施例中，使用一個負(fù) 反饋的運(yùn)算放大器來將電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號。通常，在輸入端接收電流信號的對數(shù)放 大器所實(shí)現(xiàn)的精確性好于在輸入端接收電壓信號的對數(shù)放大器。這或許是因?yàn)閷?shù)放大器 的輸入部分可以具有一個在反饋回路中包括晶體管的運(yùn)算放大器。系統(tǒng)因輸入晶體管的集 電極電流而產(chǎn)生對數(shù)性能，且對數(shù)放大器的性能由上式( 描述，優(yōu)選地，輸入端輸入電流 信號。輸入到對數(shù)放大器的電壓信號在電壓源具有較低的輸入阻抗時可以表現(xiàn)良好。接著，在框340中，對交流電流信號進(jìn)行呈對數(shù)級的壓縮，使得壓縮后的輸出信號 與輸入電流信號的對數(shù)成比例。在電流信號被壓縮為對數(shù)級別之后，在框350中，從該信號中將超出ADC范圍的較 高頻率部分移除。在一個實(shí)施例中，可以使用抗鋸齒濾波器例如低通濾波器來移除不需要 的信號。在框360中，由抗鋸齒濾波器輸出的信號可以由具有適當(dāng)采樣頻率的低分辨率ADC來數(shù)字化。接著，在框370中，來自ADC的數(shù)字化的信號被發(fā)送給處理器用于后續(xù)處理。 該過程結(jié)束于框399。除非上下文清楚地要求，否則遍及說明書和權(quán)利要求書，“包括”及相似的表達(dá)應(yīng) 被解釋為包含的意義，而與排他或詳盡的意義相反；也就是說，解釋為“包括但不局限于”的 意義。如在此所使用的，術(shù)語"連接"，“耦合"及其變形，表示兩個或多個元件之間的直 接或間接的連接或耦合；元件間的連接或耦合可以是物理的、邏輯的或二者的組合。另外， 文字“在此”、“以上”、“以下”和相似的含義的文字當(dāng)用于本專利申請時，應(yīng)指的是本專利申 請整體，而不是本專利申請任何特定的部分。在上下文允許的情況下，在以上具體描述中使 用單數(shù)或復(fù)數(shù)數(shù)字的文字也可分別相應(yīng)地包括復(fù)數(shù)或單數(shù)數(shù)字。當(dāng)“或”被用于一列兩個 或兩個以上的項(xiàng)時，其意義涵蓋以下的所有解釋該列中的任一項(xiàng)、該列中的所有項(xiàng)、和該 列中的項(xiàng)的任一組合。以上本發(fā)明實(shí)施例的詳細(xì)說明并不具有排除性，也不是為了將本發(fā)明的教導(dǎo)限制 于以上公開的精確形式。本說明書中的"具體實(shí)施例"或"實(shí)施例"表示與該實(shí)施例相關(guān) 聯(lián)地介紹的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性包含在本發(fā)明公開的至少一個實(shí)施例中。如相關(guān)領(lǐng)域的 技術(shù)人員所能認(rèn)識到的，以上本發(fā)明公開的特定的實(shí)施例和示例的描述是以說明為目的， 在本發(fā)明公開的范圍內(nèi)可能有各種等同地變型。例如，當(dāng)過程或框以給定的順序呈現(xiàn)時，作 為替代方式的實(shí)施例可以執(zhí)行包括不同順序的步驟的過程，或?qū)崿F(xiàn)包括不同順序的框的系 統(tǒng)，并且其中某些過程或框可以被刪除、移動、增加、細(xì)分、合并和/或修改來產(chǎn)生新的替代 方式或子組合。這些過程或框中的每個可以通過多種不同的方法來實(shí)現(xiàn)。此外，盡管過程 或框是以順序執(zhí)行的方式示出的，這些過程或框也可以并行執(zhí)行，或在不同的時間執(zhí)行。另 外，在此提到的任何具體數(shù)字都只是例子，作為替代方式的實(shí)現(xiàn)可以使用其它數(shù)值或范圍。本發(fā)明在此提供的教導(dǎo)可以被用于其它系統(tǒng)，而不一定是上述的系統(tǒng)。上述的各 種實(shí)施例的要素與舉措可以被進(jìn)一步結(jié)合以提供進(jìn)一步的實(shí)施例。雖然上述說明描述了本發(fā)明的某些實(shí)施例，并描述了預(yù)期的最佳方式，無論上述 內(nèi)容在文中顯得如何詳細(xì)，本發(fā)明都可以用許多方式實(shí)施。該系統(tǒng)的履行細(xì)節(jié)可以極大地 變化，而仍然由此處公開的本發(fā)明包括在內(nèi)。如上所述，當(dāng)描述本發(fā)明的某些特征或者方面 時，所使用的特定術(shù)語不應(yīng)被認(rèn)為表示該術(shù)語在此處被再定義，以將其限定為該術(shù)語相關(guān) 的任何本發(fā)明的特定特性，特征，方面。通常，以下權(quán)利要求中所采用的術(shù)語不應(yīng)當(dāng)被解釋 為將本發(fā)明限定至說明書終公開的特定實(shí)施例，除非上述詳細(xì)說明部分明確定義了此種術(shù) 語。相應(yīng)地，本發(fā)明的實(shí)際范圍不僅包括所公開的實(shí)施例，還包括權(quán)利要求之下實(shí)現(xiàn)或者實(shí) 施本發(fā)明的全部等價方式。
權(quán)利要求
1.一種用于采集振動上的數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，包括 傳感器，配置為，響應(yīng)對振動的檢測，輸出振動信號；連接器，配置為，從所述振動信號中移除直流偏置電壓，并輸出交流電壓信號；轉(zhuǎn)換器，配置為，將所述交流電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號；對數(shù)放大器，配置為，壓縮所述電流信號的動態(tài)范圍，并輸出輸出信號。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，配置為，將所述輸出信號數(shù)字化并輸出數(shù)字信號。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器包括低分辨率模擬-數(shù)字轉(zhuǎn) 換器。
4.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨率約為14比特或更低。
5.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，還包括抗鋸齒濾波器，配置為，減弱頻率處于所述模 擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的工作頻率范圍之外的信號。
6.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，還包括處理器，配置為處理所述數(shù)字信號。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述處理器配置為對所述數(shù)字信號進(jìn)行解壓縮，同 時關(guān)于所述數(shù)字信號的頻率信息。
8.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述處理器配置為對所述數(shù)字信號進(jìn)行平均、加窗。
9.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述處理器配置為進(jìn)行快速傅立葉變換。
10.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器包括加速計(jì)。
11.一種振動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括振動傳感器；和對數(shù)放大器，配置為，對來自所述振動傳感器的信號的動態(tài)范圍進(jìn)行壓縮。
12.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，還包括交流連接器，配置為使來自所述振動傳感器的 信號中的交流電壓成分通過，并移除來自所述振動傳感器的所述信號中的直流偏置電壓成 分。
13.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，還包括電壓-電流轉(zhuǎn)換器，配置為將來自所述振動傳感 器的信號由電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號。
14.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述對數(shù)放大器配置為接收所述電流信號。
15.一種用于采集振動上的數(shù)據(jù)的方法，包括 檢測振動并基于所述振動生成信號； 壓縮所述信號的動態(tài)范圍。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括移除所述信號中的任何直流偏置電壓。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括將所述信號從電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，其中壓縮所述信號的動態(tài)范圍產(chǎn)生壓縮信號。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，還包括數(shù)字化所述壓縮信號。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，還包括在數(shù)字化所述壓縮信號之前，從所述壓縮信號 中移除頻率。
全文摘要
本發(fā)明涉及用對數(shù)放大器處理振動分析中遇到的寬動態(tài)范圍信號的系統(tǒng)和方法。一種用于振動分析信號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括用于壓縮具有較寬動態(tài)范圍的信號。該對數(shù)放大器代替了傳統(tǒng)系統(tǒng)中常用的衰減器、增益放大器和增益開關(guān)。此外，只需要一個低比特?cái)?shù)的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器來配合該對數(shù)放大器。因此，該系統(tǒng)所占空間及該系統(tǒng)的成本都得以降低。
文檔編號H03F3/00GK102055413SQ20101051963
公開日2011年5月11日 申請日期2010年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月26日
發(fā)明者V·S·S·庫瑪·維羅樂康汀, 拉梅什·巴布·斯里尼瓦薩 申請人:福祿克公司