專利名稱：用對數放大器處理振動分析中遇到的寬動態范圍信號的系統和方法
技術領域：
本發明涉及在振動分析中遇到的具有寬動態范圍的信號測量。
背景技術：
振動分析器經常被用于監視機械，以及進行預示性機械維護。機械振動可以用傳 感器如加速計，速度感傳器，或者位移傳感器進行監視，以測量要被分析的振動。該要被分 析的信號通常跨越寬動態范圍，甚至超過100dB。不能處理這種巨大的動態范圍的振動分析 儀器可以具有輸入范圍和增益放大的用戶設置。然而，可能會由于不準確的用戶設置而出 現問題。例如，如果該輸入范圍被設置得過大，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據獲取系統可以包括用于壓縮寬動態范圍信號的對數放 大器。該對數放大器可以替換常規系統中所需的衰減器，增益放大器，和/或增益開關。此 外，更低分辨率的模-數轉換器可以和該對數放大器組合應用。因此，該系統的機座面積， 需用功率，以及系統成本可以被降低。
附圖顯示了可被用于處理振動分析的寬動態范圍信號的對數放大器的實施例。這 些實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放大器處理寬動態范圍信號的系統的實施例。圖2為框圖，其示意了根據本文公開的一個實施例采用對數放大器處理寬動態范 圍信號的系統的實施例。圖3為流程圖，其顯示了根據本文公開的一個實施例用對數放大器處理從振動分 析獲得的寬動態范圍信號的示范性過程。詳細說明振動分析器從振動傳感器如加速計，速度感傳器，或者位移傳感器偵測信號。由加 速計產生的峰對峰信號范圍可以從對應于極低每分鐘轉數(RPM)的機械的微伏水平直至 對應于快速旋轉機械的數十伏。圖1為框圖，其示意了常規的振動分析系統100的實施例。該系統100包括傳感 器110，交流/直流聯結(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-數轉換器(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/直流聯結120。通常，加速計信號將在直流偏倚分量之外具有交流分量。根據信號的強度，該信號從該交流/直流聯結120被發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 濾過信號進入該高分辨率ADC 160進行數字化。由該抗假頻濾波器150去除的信號頻率在 該高分辨率ADC 160運行范圍之上。最后由該微處理器170進一步處理該數字化信號。在此計算了該常規系統100中該ADC 160的分辨率要求，用于和以下采用對數放 大器的系統中ADC的分辨率要求進行對比。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Vpp為峰對峰電壓時，則該系統100要測量的動態范 圍可以計算為20 * Iog10 (20VPP/10 μ Vpp)，等于136dB。該ADC 160測量136dB動態范圍信號 所需的比特數N可以利用以下方程式進行計算20* Iog10 (2n) = 136dB. (1)在此實施例中，N等于22. 59，其上調為23比特。因此，該ADC 160測量136dB動 態范圍信號所需的最小比特數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，其顯示根據本文公開的一個實施例利用對數放大器處 理巨大動態范圍信號的實施例。該系統200包括傳感器210，交流聯結/直流塊220，電壓 電流轉換器230，對數放大器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的輸出被發送至該交流聯結/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換器230轉換為 交流電流信號。交流電流信號裝換可以增加對數放大器240的準確性。對數放大器的輸出額為k乘以輸入電流的對數，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。因此，該對數放大器 240可以對數壓縮該輸入電流信號，以使得輸入對數放大器MO的高動態范圍信號被轉換 為低動態范圍的輸出信號。例如，大于約80dB動態范圍的輸入信號可以由該對數放大器 240轉換為低于約20dB動態范圍的輸出信號。該經過對數壓縮的輸出信號被發送至可去除任何頻帶外信號的抗假頻濾波器 250。然后經過該抗假頻濾波器250過濾的信號被發送至低分辨率ADC 260進行數字化。在 一個實施例中，該抗假頻濾波器250為低-通行過濾器，其不通過該ADC 260運行范圍以上 的頻率。使用對數放大器240來壓縮輸入電流信號的系統200中的ADC 260的分辨率需求 可以比照常用系統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Iref以及針對800 Ω電阻計算出的輸入電流，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。對數放大器240輸出的最小信號幅度為Iogltl (1. 25nA/lnA) = 97mV，對數放大器 240輸出的最大信號幅度為Iogltl 05mA/lnA) = 7. 4V。因此，對數放大器240的輸出端的動 態范圍需求計算為 201og1Q(7. 4Vpp/97mV) = 37. 6dB。ADC260測量具有38dB動態范圍的信號所需的比特數N可以使用下式(3)來計算20*log10(2N) = 38dB(3)因此，N等于6. 3比特并調高為整數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100中對尚未 用對數放大器進行壓縮的信號進行數字化所需的觀比特ADC。由抗鋸齒濾波器250輸出的過濾信號經由ADC260數字化，并發送到微處理器270 用于進一步處理。進一步的處理可以包括但不限于，恢復或解壓縮數字化信號，平均和加窗 操作，輸入信號來自加速計時的數字整合(digital integration)，以及，進行快速傅立葉 變換來確定輸入信號的頻譜成分。在系統200中，對數放大器240取代了衰減器130和增益放大器140級，系統200 所占空間相比常用系統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，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200中去除。進一步地，常用系統100中的每個衰減器130和增益級140都必須 進行初始的和定期的校準來保證精確度。系統200還免除了上述校準所需的時間和儀器。圖3中的流程圖顯示了根據本文公開的一個實施例用對數放大器處理從振動分 析獲得的寬動態范圍信號的示范性過程。在框310中，使用傳感器例如加速計、速度計或位移計來檢測振動。加速計的輸出 一般帶有直流偏置電壓和交流成分或寬動態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，交流電壓信號被轉換為交流電流信號。在一個實施例中，使用一個負 反饋的運算放大器來將電壓信號轉換為電流信號。通常，在輸入端接收電流信號的對數放 大器所實現的精確性好于在輸入端接收電壓信號的對數放大器。這或許是因為對數放大器 的輸入部分可以具有一個在反饋回路中包括晶體管的運算放大器。系統因輸入晶體管的集 電極電流而產生對數性能，且對數放大器的性能由上式( 描述，優選地，輸入端輸入電流 信號。輸入到對數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良好。接著，在框340中，對交流電流信號進行呈對數級的壓縮，使得壓縮后的輸出信號 與輸入電流信號的對數成比例。在電流信號被壓縮為對數級別之后，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采樣頻率的低分辨率ADC來數字化。接著，在框370中，來自ADC的數字化的信號被發送給處理器用于后續處理。 該過程結束于框399。除非上下文清楚地要求，否則遍及說明書和權利要求書，“包括”及相似的表達應 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用于本專利申請時，應指的是本專利申 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 用單數或復數數字的文字也可分別相應地包括復數或單數數字。當“或”被用于一列兩個 或兩個以上的項時，其意義涵蓋以下的所有解釋該列中的任一項、該列中的所有項、和該 列中的項的任一組合。以上本發明實施例的詳細說明并不具有排除性，也不是為了將本發明的教導限制 于以上公開的精確形式。本說明書中的"具體實施例"或"實施例"表示與該實施例相關 聯地介紹的特定特征、結構或特性包含在本發明公開的至少一個實施例中。如相關領域的 技術人員所能認識到的，以上本發明公開的特定的實施例和示例的描述是以說明為目的， 在本發明公開的范圍內可能有各種等同地變型。例如，當過程或框以給定的順序呈現時，作 為替代方式的實施例可以執行包括不同順序的步驟的過程，或實現包括不同順序的框的系 統，并且其中某些過程或框可以被刪除、移動、增加、細分、合并和/或修改來產生新的替代 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現。此外，盡管過程 或框是以順序執行的方式示出的，這些過程或框也可以并行執行，或在不同的時間執行。另 外，在此提到的任何具體數字都只是例子，作為替代方式的實現可以使用其它數值或范圍。本發明在此提供的教導可以被用于其它系統，而不一定是上述的系統。上述的各 種實施例的要素與舉措可以被進一步結合以提供進一步的實施例。雖然上述說明描述了本發明的某些實施例，并描述了預期的最佳方式，無論上述 內容在文中顯得如何詳細，本發明都可以用許多方式實施。該系統的履行細節可以極大地 變化，而仍然由此處公開的本發明包括在內。如上所述，當描述本發明的某些特征或者方面 時，所使用的特定術語不應被認為表示該術語在此處被再定義，以將其限定為該術語相關 的任何本發明的特定特性，特征，方面。通常，以下權利要求中所采用的術語不應當被解釋 為將本發明限定至說明書終公開的特定實施例，除非上述詳細說明部分明確定義了此種術 語。相應地，本發明的實際范圍不僅包括所公開的實施例，還包括權利要求之下實現或者實 施本發明的全部等價方式。
權利要求
1.一種用于采集振動上的數據的系統，包括 傳感器，配置為，響應對振動的檢測，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；轉換器，配置為，將所述交流電壓信號轉換為電流信號；對數放大器，配置為，壓縮所述電流信號的動態范圍，并輸出輸出信號。
2.如權利要求1所述的系統，還包括模擬-數字轉換器，配置為，將所述輸出信號數字化并輸出數字信號。
3.如權利要求2所述的系統，其中所述模擬-數字轉換器包括低分辨率模擬-數字轉 換器。
4.如權利要求2所述的系統，其中所述模擬-數字轉換器的分辨率約為14比特或更低。
5.如權利要求2所述的系統，還包括抗鋸齒濾波器，配置為，減弱頻率處于所述模 擬-數字轉換器的工作頻率范圍之外的信號。
6.如權利要求2所述的系統，還包括處理器，配置為處理所述數字信號。
7.如權利要求6所述的系統，其中所述處理器配置為對所述數字信號進行解壓縮，同 時關于所述數字信號的頻率信息。
8.如權利要求6所述的系統，其中所述處理器配置為對所述數字信號進行平均、加窗。
9.如權利要求6所述的系統，其中所述處理器配置為進行快速傅立葉變換。
10.如權利要求1所述的系統，其中所述傳感器包括加速計。
11.一種振動數據采集系統，包括振動傳感器；和對數放大器，配置為，對來自所述振動傳感器的信號的動態范圍進行壓縮。
12.如權利要求11所述的系統，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.如權利要求11所述的系統，還包括電壓-電流轉換器，配置為將來自所述振動傳感 器的信號由電壓信號轉換為電流信號。
14.如權利要求13所述的系統，其中所述對數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據的方法，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范圍。
16.如權利要求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.如權利要求15所述的方法，還包括將所述信號從電壓信號轉換為電流信號。
18.如權利要求15所述的方法，其中壓縮所述信號的動態范圍產生壓縮信號。
19.如權利要求18所述的方法，還包括數字化所述壓縮信號。
20.如權利要求19所述的方法，還包括在數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
本發明涉及用對數放大器處理振動分析中遇到的寬動態范圍信號的系統和方法。一種用于振動分析信號的數據采集系統，包括用于壓縮具有較寬動態范圍的信號。該對數放大器代替了傳統系統中常用的衰減器、增益放大器和增益開關。此外，只需要一個低比特數的模擬-數字轉換器來配合該對數放大器。因此，該系統所占空間及該系統的成本都得以降低。
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 優先權日2009年10月26日
發明者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