信号调理隔离模块在教学实验中的设计与应用

李峥 孙通 孙力

[摘 要] 针对研究生课程“机械振动”“转子动力学”的实验教学改革，动力学课题组设计了一套振动采集设备，为了满足各个设备相匹配，研制了信号调理模块，通过对模块的总体方案的设计、实物的展示及实验标定，结果满足了实验设计要求，为研究生课程今后的实验教学及科研工作提供了理论及实验验证。

[关键词] 教学改革;信号调理;实验

一、引言

“机械振动”“转子动力学”课程是清华大学研究生专业选修课程，其针对研究生的振动实验环节是理论巩固与实际工程结合能力培养的重要环节[1-4]。目前，大部分院校开设的振动实验，基本上是购买国内外成熟的采集及分析系统，利用自带分析软件直接分析得到相关结果，其相对的不能培养研究生的真正能力，因此动力学课题组根据实验室现有设备，自行设计搭接了一套硬件采集系统，学生通过自行采集数据，查阅相关资料，编写程序分析结果。由于其国内外的传感器输出电压有差别，因此在设计采集系统的中间，增加了一套信号调理模块，模块的应用，使国外的电涡流传感器能与国内的采集卡的输入电压相匹配，从而完成设计了采集系统。本文根据设计的信号调理模块，针对某一型号板材记录了测量标记，为今后研究生的教学实验及科研工作打下了实验基础。

二、总体方案设计

由于实验应用到的为美国GE电涡流传感器型号为Bently_3300XL，其输入电压为-24V。前置放大器输出电压范围为-17V～-1V，在电路连接方面，由于传感器的输出电压范围与采集系统的输入范围不匹配，所以需要一个中间模块进行线性转换。此模块应具有频响范围大、线性误差小、抗干扰能力强等性能。采集模块容许的输入信号电压区间为-10V～+10V，为确保采集模块正常工作，需将前置放大器输出线性电压调理至-5V～+5V，其信号隔离模块主要技术指标及原理图、实物图如下。

1.隔离模块技术指标：输入信号：-17V～-1V;输出信号：-5V～+5V;电源：直流24V;输入阻抗：三100K欧姆;精度：0.2%;线性度：0.1%;响应频率：<2000HZ。

2.其原理图、实物图如图1（a）、图1（b）。

3.根据上述参数，最终实物信号调理模块，其原理图及实物图见图2（a）、图2（b）所示。

三、电涡流传感器标定

为了验证调理模块的可靠性，这里利用实验室现有的水轮机模式进行标定测试，其为获得更大的线性测量范围，并且检测信号调理模块对本特利电涡流传感器的综合影响，通过实验进行电涡流传感器针对“水轮机”材料的灵敏度的标定。材料实验进行标定前，在实验用的水轮机模型下环固定了一片工具钢，用于测试经过调理后的电涡流传感器进行位移的标定和采集，实验中设备的移动利用了螺旋测微仪，为了检测位置移动的准确性，检测设备还增加了一套激光位移传感器用于检测螺旋测微仪的准确性，保证实验的可信度。其标定设备实验测试接线示意图、水轮机标定实验模拟题、电涡流传感器标定实物装置如图3（a）、图3（b）、图3（c）所示。

四、标定方法

试验中水轮机模型位置固定在螺旋测微仪上，经过调理的电涡流传感器固定于移动设备上，通过旋转螺旋手柄可以实现移动设备（电涡流传感器）与被测物轴向运动。用于检测位移装置的激光位移传感器也要位置固定，用来记录标定移动设备的决定位移量。通过调理后的电涡流传感器输出电压值可以通过示波器进行显示，已被采集系统采集记录。其移动设备的绝对位移由激光位移传感器的控制器显示屏显示出来，与螺旋测微仪进行比对分析。

五、标定过程

1.首先通过旋转手柄把水轮机模型远离电涡流传感器的方式，将移动设备调整到合适位置。

2.移动垫块，使固定上的工具钢表面与电涡流传感器表面接触。

3.实验中通过调整激光位移传感器的位置，使其与移动平台距离在传感器工作区域中心附近，然后固定激光位移傳感器，并通过控制器将此刻位置下的传感器示数置零，已显示运动后的相对移动位移值。

4.旋转螺旋手柄，使移动设备远离水轮机模型大约0.05mm，同时记录激光位移传感器位移值与示波器幅值示数。

5.重复步骤4至示波器幅值示数不再有任何变化。下图4为最终调理模块的标定结果。

通过以上的操作步骤获得的试验数据中，线性较好的部分如图4所示，采用线性关系拟合该部分数据，得出电涡流传感器针对水轮机模拟台的输出特性为：Vs =-4.715（v/mm） Ds+5.909v （1）

其中，Vs和Ds分别为经过调理的电涡流传感器电压示数和电涡流传感器探头到工具钢表面的距离，4.715v/mm为电涡流传感器针对水轮机模拟台的灵敏度。此外，图4中数据还显示，传感器最佳安装位置为1.0mm，且水轮机模型振幅应小于0.8mm。才能达到实验数据的准确性，且实验中不会破坏传感器探头。同理，我们把实验的四个模块都进行了以上步骤的测量，电压输出均正常，其偏差不大于±0.05V，因此我们设计的调理模块不论在设计上以及在实用上都能达到很好的线性度，为今后的研究生实验及科研打下了基础。

六、结语

信号调理模块的设计与应用，很好地解决了“振动理论”课程实验信号输入的问题，目前设备已经用于研究生的课程实验及相关的科研工作中。设备应用有效地解决了信号输入与输出的问题，为今后其相关振动测试打下了实验基础[5-9]。

参考文献

[1]徐岚，陶涛.高水平研究生教育是“双一流”的突出特征——“研究生教育和世界一流大学建设”国际学术研讨会综述[J].高等教育研究，2016（07）.

[2]刘晓黎，张莉，刘磊.研究生教育国际化支撑“双一流”建设的对策研究[J].研究生教育研究，2016（04）.

[3]杨柳.我国研究生创新人才培养机制改革研究[J].研究生教育研究，2017（06）.

[4]王鲁云，张明君，等.实验课教学过程管理模式的改革与实践[J].实验技术与管理，2013（06）.

[5]管国锋，吴松强.基于学科交叉研究生创新能力培养机制研究[J].江苏高教，2017（05）.

[6]姜文凤，张永策，等.“双一流”建设中实验教学平台构建及应用研究[J].实验技术与管理，2019，36（06）：16-20.

[7]吕念玲，袁炎成，等.实验教学重在过程[J].实验技术与管理，2017（06）.

[8]于歆杰.以学生为中心的教与学[M].北京：高等教育出版社，2017.

[9]宫毅敏.对中国特色“双一流”建设的新思考[J].教育探索，2018（02）.