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1、 第?卷 第?期?年 ?月机 械 科 学 与 技 术 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 林建辉实验研究机车车辆滚动试验台测试系统的综合抗干扰技术研究林建辉 陈建政?西南交通大学牵引动力国家重点实验室 成都 ?摘 要 在机车车辆滚振模拟试验中?动态应变测试系统是最重要也是最常见的本文以动态应变测试系统的工频干扰现象及屏蔽方法为实例?探讨本测试系统的综合抗干扰措施关键词 机车车辆滚振试验台 测试系统 抗干扰技术中图号 ? ?引 言对于滚振模拟测试系统的工作环境而言?干扰是相当大的?由于工作时四台?的电机及二万伏的高压输变线的存在?使得在其空间内存在
2、着很强的电场!磁场!交变电磁场?这些因素的存在将引起很强的工频干扰?它轻则使测试系统产生测量误差?重则使测试系统无法工作甚至损坏因此?如何屏蔽或减少这些干扰?对该测试系统的影响就显得十分重要在滚振模拟试验中?动态应变测试系统是最重要也是最常见的?例如测力轮对的应变测量?构架应力测量?应变式加速度传感器的加速度测量?应变式振动传感器的拉压力测量等都离不开应变测试系统本文拟以动态应变测试系统的工频干扰现象及屏蔽方法为实例?探讨本测试系统的综合抗干扰措施? 系统的组成及其特点该系统由三部分组成?第一部分是传感器其组成是?电阻丝应变片由传输线连至电桥盒上?桥盒内有三个电阻?与组成等臂电桥第二部分是前置
3、放大器? ?它由两个放大器及直流供电电源组成经前置放大器放大的应变信号再经过传输电缆送往第三部分?即磁带机?把记录下来的应变信号再做进一步分析处理由于被测物体的工作环境所限?不允许操作人员靠近?前置放大器所在的第二部分距离被测物体间一般有? ?米?两部分之间用电缆连接?第三部分距离第二部分约有? ?米在该系统中被测信号转换成电压后在几? 到? 之间?频率由几? ?到几百? ? ?的工频干扰信号的幅值也在这一范围内?致使有用信号淹没在干扰信号之中原测试系统的具体接线图如图?所示应变电桥的供电电源是? ?内部直流稳压电源?经过双芯屏蔽线给电桥供电?其余的信号全部使用同轴电缆的芯线连接?同轴电缆的外
4、层全部连到一起?集中在点?点接在什么地方视具体情况而定?多数情况下是在测试线附近接地图? 系统原接线图? 系统干扰信号的大小及其频谱? 干扰现象的测试为了分析该系统原始状态干扰信号的大小及其频谱?取相隔三个月的两组实测信号作为比较的基础每组数据分成三种情况?第一种是加标准信号测试?第二种是被测物体不运动?即所谓/零信号输入0状态?此时放大器的输出信号完全是干扰信号?第三种是被测物体运动起来?即有被测信号输入?这时放大器的的输出是有用信号和干扰信号的总和用磁带机分别记录下这三种情况下放大器的输出信号?再把磁带机记录下的信号进行频谱分析?得到不同情况下的谱图收稿日期?_表? 原系统第一次实测信号频
5、谱峰值输入输出峰值峰值频率? ? ? ? ? ? ?标准信号电平? ? 零输入电平? ? 输入信号电平? ?表?中列出了其中第一组在三种情况下频谱图中峰值信号的频率及电平图?为第一组数据中零信号输入时输出的谱图从表?中的第一行看到?虽然这时系统加入的是? ?的单一频率的标准信号?但是?其输出信号中除了? ?信号的幅值较大外? ?还有? ?等频率的信号输出?可见这些频率的信号是干扰信号从图?和表?的第二行可见?本来这时工件不振动!系统没有信号输入?不应该有信号输出?但是?实际上系统有信号输出?这显然是干扰所致输出信号的频率组成除了没有? ?以外?其余和加标准信号时基本相同?幅值也相差不多从表?中
6、的第三行可见?此时系统加有被测的振动信号?其频率组成的峰值除了和表?中的第一!二行相同者外?还会有?!?和? ?等峰值从表?的第三行还可以看出?其中?和? ?干扰信号的电平远大于被测信号电平?说明测量受工频及其谐波的干扰是相当严重的如果不滤除工频干扰?它将严重地歪曲测量结果图? 第一组数据中零信号输入时输出的谱图第二组实测数据三种情况的峰值和第一 组 相 比 发现?两 组 数 据中系统的干扰信号其频率组成和电平基本相同这说明该测量系统中干扰源比较稳定?虽 然 两 次测量相隔三个月 之 久?产 生干扰的原因是相同的?这给消除干扰!减小测量误差提供了较好的条件? 对工频电网进行频率分析为了找到干扰
7、电源?把工频电网电压在不同时间采样?用磁带机记录?并做频率分析其频谱的主峰值如表?所示比较表?和表?可以发现?系统中?及? ?的干扰信号来自工频电网电压?这为消除系统所受干扰提供了可靠的依据表? 工频电网电压频率组成采样次数峰值 电平峰值频率 ? ? ? ? ? ? ? ?第一次电平 ? ? ?第二次电平 ? ? ? 干扰信号途径的分析为了找到干扰信号进入被干扰系统的途径?测试了放大器本身的噪声电压把? ?型放大器的输入电缆短路?用? ?测量放大器的输出?该谱图中峰值频率的数值表如表?所示由表中可以看到?来自放大器内部的噪声引起的干扰的频率组成和电网电压的频率组成区别很大放大器中噪声的频率中只
8、有? ?和? ?和电网的频率组成相同?但是?其幅值也大大低于表?中给出的数值这说明系统的干扰信号主要是由放大器前面的电路部分进入测量系统的因此?对该系统屏蔽保护的重点是在放大器的前面部分表? 放大器噪声信号峰值频率数值表噪声峰值 频率? ? ? ? ? ?峰值电 平? ? 干扰源的分析根据上面的实验分析和系统的具体情况?可以认为该系统工频干扰的来源有如下四个? 共模干扰系统的被测信号距测量仪器比较远?二者的/地0不等电位?两/地0点之间的电位差是系统的共模干扰源?系统的前置放大器是有双层屏蔽的放大器?它有较强的抑制共模干扰的能力但是由于原系统的接线方法不当?没有充分发挥它抑制共模干扰的能力?
9、工频电网的容性漏电前置放大器的前面及后面有近十几米的信号电缆露在空间?由图?原系统的接线图可见?同轴电缆的外层导线相当于屏蔽?它们连接在一起?集中在点?但是点并没有很好接地?这样?电网电压产生的容性漏电没能被很好屏蔽而成为干扰源? 工频磁场的感应耦合#?#机 械 科 学 与 技 术第?卷中国科技论文在线_图?所示的测量系统原接线图的连接电缆都不是无定向结构?在布线时只是把两根信号线靠在一起来减小回路面积?因此?对工频磁场感应耦合引起的干扰抑制不利?除了上述三种主要干扰以外? ?放大器本身的噪声输出中也有很大的工频成分?这也是干扰源之一? 屏蔽方法根据屏蔽保护的原则?对该系统中每一干扰源都分别采
10、取屏蔽措施?并要求各种屏蔽措施相互兼容? 共模干扰的屏蔽措施共模干扰的屏蔽采用图?所示的接线?图中连接导线采用双绞屏蔽线图? ? ?的理想接线方法? 工频电网容性漏电的屏蔽措施所有信号连接导线采用屏蔽线?且屏蔽线在适当的接地点接地? 空间工频磁场的屏蔽措施所有信号的连接导线根据它们的具体情况?采用不同类型的无定向结构连接? 电源变压器容性漏电的抑制在电路的适当地方选择接地点?给漏电电流安排适当的通路?使它不流过引起测量误差的敏感部分采用上述四条屏蔽措施后?新的系统接线如图?所示图? 采取屏蔽措施后系统接线图图?中? ?放大器的输入端到传感器的信号线 均采用双绞屏蔽电缆放大器按图?所示的方式连接
11、电缆的屏蔽层在?点处与应变电桥的?点相接传感器与信号地绝缘?绝缘阻抗等于这种接法较好地抑制了共模干扰和工频磁场产生的误差应变电桥的供电电源的负极在电源处接仪器的地?这样?供电电缆形成了无定向结构?消除了磁场感应耦合产生的误差电源负极接地也为稳压电源变压器容性漏电电流提供了通路?使其不流入应变电桥?同时?也等于把双绞屏蔽层在该点接地?给电网电压容性漏电电流安排了一条通路?减小了该项误差 ? ?的输出到磁带机采用同轴电缆连接?屏蔽层在磁带机处接地? ?的输出端不接地?这相当于采用信号浮地仪器接地的方法抑制共模干扰这种接法同轴电缆是无定向结构?对工频磁场有较强的抑制能力又因为其外层在磁带机的低端接地
12、?对工频电网容性漏电和电源变压器的容性漏电也有较强的抑制能力采用该接线方法后?系统在零信号输入时干扰信号输出的幅图如图?所示很显然?从图中可以看出?工频干扰已大幅下降?极大地提高了系统的抗干扰能力图? 采取图?所示的屏蔽措施后零输入时干扰信号谱图? 屏蔽效果的比较为了比较屏蔽的效果?用四种屏蔽方案作屏蔽效果的对比实验四种屏蔽方案均在零输入状态下记录干扰信号的输出?做频谱分析后对比其屏蔽效果第一种是系统的原屏蔽方法?接线图如图?所示?以它作为比较的基础第二种屏蔽方法的特点是用单芯屏蔽电缆?同轴电缆?的芯线作信号传输线?电缆的屏蔽层的?点在应变电桥的?点处不与应变电桥相接? ?的输入端按双屏蔽的方
13、法连接这种屏蔽方法对共模干扰有较好的抑制能力?但对电网容性漏电和对工频磁场感应耦合引起的干扰抑制能力不强第三种屏蔽方案的接线方法与图?所示的屏蔽方法基本相同?二者唯一差别是第三种方案的电缆的屏蔽层?点不与应变片的?点相接?这样?方案?对工频电网电压引起的容性漏电的抑制能力大大下降但是?对共模干扰和对工频磁场引起的干扰均有较强的抑制能力表? 四种屏蔽方案干扰信号幅值比较表屏蔽方案干扰信号输出的 峰2峰值? ?干扰信号 输出的有 效值? ?示波器记录干 扰信号的基 波频率? ?方案一? 方案二? 方案三? 方案四?第四种屏蔽方案是图?所示的比较完善的屏蔽方案#?#第?期林建辉等?机车车辆滚动试验台测试系统的综合抗干扰技术研究中国科技论文在线_其零信号输入时干扰信号输出的谱图如图?所示四种屏蔽方案零信号输入时?用磁带机记录的干扰信号的峰)峰值及有效值如表?所示从表?中可以清楚地看到第四种屏蔽方案是最好的?第二方案比第三方案中干扰信号大?证明了工频磁场产生的干扰是存在的为进一步分析屏蔽效果?比较四种屏蔽方案的谱图本文把四种屏蔽方案干扰信号谱图中的峰值频率!电平!工频电网的频率组成?以及? ?型放大器的噪声谱图中的峰值频率及其电平引入表?表? 四种屏蔽方案零信号输入干扰信号谱图数据表方案峰值 电平峰值频率 ? ?
