专利名称：用对数放大器处理振动分析中遇到的宽动态范围信号的系统和方法
技术领域：
本发明涉及在振动分析中遇到的具有宽动态范围的信号测量。
背景技术：
振动分析器经常被用于监视机械，以及进行预示性机械维护。机械振动可以用传 感器如加速计，速度感传器，或者位移传感器进行监视，以测量要被分析的振动。该要被分 析的信号通常跨越宽动态范围，甚至超过100dB。不能处理这种巨大的动态范围的振动分析 仪器可以具有输入范围和增益放大的用户设置。然而，可能会由于不准确的用户设置而出 现问题。例如，如果该输入范围被设置得过大，该仪器可能不能测量小信号，而如果该输入 范围被设置得过小，该仪器可能因巨大输入信号变得过载。MM用于振动分析信号的数据获取系统可以包括用于压缩宽动态范围信号的对数放 大器。该对数放大器可以替换常规系统中所需的衰减器，增益放大器，和/或增益开关。此 外，更低分辨率的模-数转换器可以和该对数放大器组合应用。因此，该系统的机座面积， 需用功率，以及系统成本可以被降低。
附图显示了可被用于处理振动分析的宽动态范围信号的对数放大器的实施例。这 些实施例和附图是说明性的而非限制性的。图1为框图，其示意了不采用对数放大器处理宽动态范围信号的系统的实施例。图2为框图，其示意了根据本文公开的一个实施例采用对数放大器处理宽动态范 围信号的系统的实施例。图3为流程图，其显示了根据本文公开的一个实施例用对数放大器处理从振动分 析获得的宽动态范围信号的示范性过程。详细说明振动分析器从振动传感器如加速计，速度感传器，或者位移传感器侦测信号。由加 速计产生的峰对峰信号范围可以从对应于极低每分钟转数(RPM)的机械的微伏水平直至 对应于快速旋转机械的数十伏。图1为框图，其示意了常规的振动分析系统100的实施例。该系统100包括传感 器110，交流/直流联结(coupling) 120，一个或多个衰减器130，一个或多个增益放大器级(stages) 140，抗假频滤波器150，高分辨率模-数转换器(ADC) 160，以及微处理器170。该传感器110检测振动，用于振动监视和分析。电源(未示出)可被连接至该传 感器并向该传感器供电。该传感器110将其输出发送至该耦合交流电(AC)和/或直流电 (DC)电压信号的交流/直流联结120。通常，加速计信号将在直流偏倚分量之外具有交流分量。根据信号的强度，该信号从该交流/直流联结120被发送至一个或多个衰减器130 和/或一个或多个增益放大器140级。该增益放大器140的输出通过抗假频滤波器150被 发送，该抗假频滤波器150从该被增幅的信号去除频带外的(out-of-band)信号。然后，该 滤过信号进入该高分辨率ADC 160进行数字化。由该抗假频滤波器150去除的信号频率在 该高分辨率ADC 160运行范围之上。最后由该微处理器170进一步处理该数字化信号。在此计算了该常规系统100中该ADC 160的分辨率要求，用于和以下采用对数放 大器的系统中ADC的分辨率要求进行对比。例如，如果要被测量的最小信号幅度是10 μ Vpp， 且要被测量的最大信号幅度是20VPP，当Vpp为峰对峰电压时，则该系统100要测量的动态范 围可以计算为20 * Iog10 (20VPP/10 μ Vpp)，等于136dB。该ADC 160测量136dB动态范围信号 所需的比特数N可以利用以下方程式进行计算20* Iog10 (2n) = 136dB. (1)在此实施例中，N等于22. 59，其上调为23比特。因此，该ADC 160测量136dB动 态范围信号所需的最小比特数N约为23比特。此外，为了保证来自该ADC 160的23比特 无噪声，可能需要使用至少比特的ADC，该比特ADC通常被认为是非常高分辨率的 ADC。与此相对照，图2为框图，其显示根据本文公开的一个实施例利用对数放大器处 理巨大动态范围信号的实施例。该系统200包括传感器210，交流联结/直流块220，电压 电流转换器230，对数放大器M0，抗假频滤波器250，低分辨率ADC260，和微处理器270。类似于系统100的传感器110，该传感器210还检测振动并需要电源。来自该传感 器210的输出被发送至该交流联结/直流块220，其去除任何可能存在于来自该传感器210 中的直流偏压而传送交流电压分量。然后该交流电压分量由该电压电流转换器230转换为 交流电流信号。交流电流信号装换可以增加对数放大器240的准确性。对数放大器的输出额为k乘以输入电流的对数，如以下方程式⑵所示Vout = k* Iog10(lin/lref), (2)其中k是比例因子，Iin是输入电流信号，Iref是归一化常数。因此，该对数放大器 240可以对数压缩该输入电流信号，以使得输入对数放大器MO的高动态范围信号被转换 为低动态范围的输出信号。例如，大于约80dB动态范围的输入信号可以由该对数放大器 240转换为低于约20dB动态范围的输出信号。该经过对数压缩的输出信号被发送至可去除任何频带外信号的抗假频滤波器 250。然后经过该抗假频滤波器250过滤的信号被发送至低分辨率ADC 260进行数字化。在 一个实施例中，该抗假频滤波器250为低-通行过滤器，其不通过该ADC 260运行范围以上 的频率。使用对数放大器240来压缩输入电流信号的系统200中的ADC 260的分辨率需求 可以比照常用系统100中使用的ADC160。使用与满足上述ADC169的分辨率需求相同的信号范围，其中待测的最小信号幅度约为10 μ Vpp而待测的最大信号幅度约为20Vpp，还使用等 于1的比例因子k、等于InA的归一化常数Iref以及针对800 Ω电阻计算出的输入电流，最小 电流信号幅度Iin,min = 10μ Vpp/800 Ω = 1. 25ηΑ，最大的电流信号幅度Iin,max = 20Vpp/800 Ω =25mA。对数放大器240输出的最小信号幅度为Iogltl (1. 25nA/lnA) = 97mV，对数放大器 240输出的最大信号幅度为Iogltl 05mA/lnA) = 7. 4V。因此，对数放大器240的输出端的动 态范围需求计算为 201og1Q(7. 4Vpp/97mV) = 37. 6dB。ADC260测量具有38dB动态范围的信号所需的比特数N可以使用下式(3)来计算20*log10(2N) = 38dB(3)因此，N等于6. 3比特并调高为整数7比特。为了保证这7个比特没有噪声，可以 使用至少14比特的ADC，其一般被视为低分辨率ADC，且小于如图1中的系统100中对尚未 用对数放大器进行压缩的信号进行数字化所需的观比特ADC。由抗锯齿滤波器250输出的过滤信号经由ADC260数字化，并发送到微处理器270 用于进一步处理。进一步的处理可以包括但不限于，恢复或解压缩数字化信号，平均和加窗 操作，输入信号来自加速计时的数字整合(digital integration)，以及，进行快速傅立叶 变换来确定输入信号的频谱成分。在系统200中，对数放大器240取代了衰减器130和增益放大器140级，系统200 所占空间相比常用系统100有所减小。另外，图1未示出的用于在不同增益放大级之间切 换的模拟开关，以及用于控制在不同增益放大器之间切换的软件控制电路(图1中未示出) 也被从系统200中去除。进一步地，常用系统100中的每个衰减器130和增益级140都必须 进行初始的和定期的校准来保证精确度。系统200还免除了上述校准所需的时间和仪器。图3中的流程图显示了根据本文公开的一个实施例用对数放大器处理从振动分 析获得的宽动态范围信号的示范性过程。在框310中，使用传感器例如加速计、速度计或位移计来检测振动。加速计的输出 一般带有直流偏置电压和交流成分或宽动态范围的双极电压信号。传感器信号中存在的任何直流偏置电压都在框320中使用交流连接器或隔直流 组件。该交流连接器或隔直流组件可以包括电容来阻隔信号中的直流成分，同时使信号中 的交流成分通过。在框330中，交流电压信号被转换为交流电流信号。在一个实施例中，使用一个负 反馈的运算放大器来将电压信号转换为电流信号。通常，在输入端接收电流信号的对数放 大器所实现的精确性好于在输入端接收电压信号的对数放大器。这或许是因为对数放大器 的输入部分可以具有一个在反馈回路中包括晶体管的运算放大器。系统因输入晶体管的集 电极电流而产生对数性能，且对数放大器的性能由上式( 描述，优选地，输入端输入电流 信号。输入到对数放大器的电压信号在电压源具有较低的输入阻抗时可以表现良好。接着，在框340中，对交流电流信号进行呈对数级的压缩，使得压缩后的输出信号 与输入电流信号的对数成比例。在电流信号被压缩为对数级别之后，在框350中，从该信号中将超出ADC范围的较 高频率部分移除。在一个实施例中，可以使用抗锯齿滤波器例如低通滤波器来移除不需要 的信号。在框360中，由抗锯齿滤波器输出的信号可以由具有适当采样频率的低分辨率ADC来数字化。接着，在框370中，来自ADC的数字化的信号被发送给处理器用于后续处理。 该过程结束于框399。除非上下文清楚地要求，否则遍及说明书和权利要求书，“包括”及相似的表达应 被解释为包含的意义，而与排他或详尽的意义相反；也就是说，解释为“包括但不局限于”的 意义。如在此所使用的，术语"连接"，“耦合"及其变形，表示两个或多个元件之间的直 接或间接的连接或耦合；元件间的连接或耦合可以是物理的、逻辑的或二者的组合。另外， 文字“在此”、“以上”、“以下”和相似的含义的文字当用于本专利申请时，应指的是本专利申 请整体，而不是本专利申请任何特定的部分。在上下文允许的情况下，在以上具体描述中使 用单数或复数数字的文字也可分别相应地包括复数或单数数字。当“或”被用于一列两个 或两个以上的项时，其意义涵盖以下的所有解释该列中的任一项、该列中的所有项、和该 列中的项的任一组合。以上本发明实施例的详细说明并不具有排除性，也不是为了将本发明的教导限制 于以上公开的精确形式。本说明书中的"具体实施例"或"实施例"表示与该实施例相关 联地介绍的特定特征、结构或特性包含在本发明公开的至少一个实施例中。如相关领域的 技术人员所能认识到的，以上本发明公开的特定的实施例和示例的描述是以说明为目的， 在本发明公开的范围内可能有各种等同地变型。例如，当过程或框以给定的顺序呈现时，作 为替代方式的实施例可以执行包括不同顺序的步骤的过程，或实现包括不同顺序的框的系 统，并且其中某些过程或框可以被删除、移动、增加、细分、合并和/或修改来产生新的替代 方式或子组合。这些过程或框中的每个可以通过多种不同的方法来实现。此外，尽管过程 或框是以顺序执行的方式示出的，这些过程或框也可以并行执行，或在不同的时间执行。另 外，在此提到的任何具体数字都只是例子，作为替代方式的实现可以使用其它数值或范围。本发明在此提供的教导可以被用于其它系统，而不一定是上述的系统。上述的各 种实施例的要素与举措可以被进一步结合以提供进一步的实施例。虽然上述说明描述了本发明的某些实施例，并描述了预期的最佳方式，无论上述 内容在文中显得如何详细，本发明都可以用许多方式实施。该系统的履行细节可以极大地 变化，而仍然由此处公开的本发明包括在内。如上所述，当描述本发明的某些特征或者方面 时，所使用的特定术语不应被认为表示该术语在此处被再定义，以将其限定为该术语相关 的任何本发明的特定特性，特征，方面。通常，以下权利要求中所采用的术语不应当被解释 为将本发明限定至说明书终公开的特定实施例，除非上述详细说明部分明确定义了此种术 语。相应地，本发明的实际范围不仅包括所公开的实施例，还包括权利要求之下实现或者实 施本发明的全部等价方式。
权利要求
1.一种用于采集振动上的数据的系统，包括 传感器，配置为，响应对振动的检测，输出振动信号；连接器，配置为，从所述振动信号中移除直流偏置电压，并输出交流电压信号；转换器，配置为，将所述交流电压信号转换为电流信号；对数放大器，配置为，压缩所述电流信号的动态范围，并输出输出信号。
2.如权利要求1所述的系统，还包括模拟-数字转换器，配置为，将所述输出信号数字化并输出数字信号。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述模拟-数字转换器包括低分辨率模拟-数字转 换器。
4.如权利要求2所述的系统，其中所述模拟-数字转换器的分辨率约为14比特或更低。
5.如权利要求2所述的系统，还包括抗锯齿滤波器，配置为，减弱频率处于所述模 拟-数字转换器的工作频率范围之外的信号。
6.如权利要求2所述的系统，还包括处理器，配置为处理所述数字信号。
7.如权利要求6所述的系统，其中所述处理器配置为对所述数字信号进行解压缩，同 时关于所述数字信号的频率信息。
8.如权利要求6所述的系统，其中所述处理器配置为对所述数字信号进行平均、加窗。
9.如权利要求6所述的系统，其中所述处理器配置为进行快速傅立叶变换。
10.如权利要求1所述的系统，其中所述传感器包括加速计。
11.一种振动数据采集系统，包括振动传感器；和对数放大器，配置为，对来自所述振动传感器的信号的动态范围进行压缩。
12.如权利要求11所述的系统，还包括交流连接器，配置为使来自所述振动传感器的 信号中的交流电压成分通过，并移除来自所述振动传感器的所述信号中的直流偏置电压成 分。
13.如权利要求11所述的系统，还包括电压-电流转换器，配置为将来自所述振动传感 器的信号由电压信号转换为电流信号。
14.如权利要求13所述的系统，其中所述对数放大器配置为接收所述电流信号。
15.一种用于采集振动上的数据的方法，包括 检测振动并基于所述振动生成信号； 压缩所述信号的动态范围。
16.如权利要求15所述的方法，还包括移除所述信号中的任何直流偏置电压。
17.如权利要求15所述的方法，还包括将所述信号从电压信号转换为电流信号。
18.如权利要求15所述的方法，其中压缩所述信号的动态范围产生压缩信号。
19.如权利要求18所述的方法，还包括数字化所述压缩信号。
20.如权利要求19所述的方法，还包括在数字化所述压缩信号之前，从所述压缩信号 中移除频率。
全文摘要
本发明涉及用对数放大器处理振动分析中遇到的宽动态范围信号的系统和方法。一种用于振动分析信号的数据采集系统，包括用于压缩具有较宽动态范围的信号。该对数放大器代替了传统系统中常用的衰减器、增益放大器和增益开关。此外，只需要一个低比特数的模拟-数字转换器来配合该对数放大器。因此，该系统所占空间及该系统的成本都得以降低。
文档编号H03F3/00GK102055413SQ20101051963
公开日2011年5月11日 申请日期2010年10月26日 优先权日2009年10月26日
发明者V·S·S·库玛·维罗乐康汀, 拉梅什·巴布·斯里尼瓦萨 申请人:福禄克公司