電氣自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）傳感器在機(jī)車車軸檢測(cè)中的應(yīng)用

1、天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 傳感器在機(jī)車車軸檢測(cè)中的應(yīng)用傳感器在機(jī)車車軸檢測(cè)中的應(yīng)用 系 別:電氣工程系 專 業(yè):電氣自動(dòng)化 班 級(jí): 08-2 學(xué)生姓名: 指導(dǎo)教師: 2011 年 5 月 9 日 i 摘要 機(jī)車車軸扭力檢測(cè)裝置由應(yīng)變式電阻傳感器、集成功率放大器、電壓比較 器、報(bào)警裝置及其信號(hào)傳輸路線組成，為機(jī)車車軸軸承的監(jiān)視和檢修提供重要 依據(jù)，以保障機(jī)車運(yùn)行安全及工作人員人身安全，對(duì)機(jī)務(wù)部門實(shí)行狀態(tài)維修起 到重要作用。隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，高速機(jī)車作為當(dāng)今世界高新技術(shù)的一項(xiàng) 重要成就，以其工作速度快、能源消耗低、環(huán)境污染低、經(jīng)濟(jì)效益好等不可相 比的優(yōu)越性成為安全可靠的現(xiàn)代化設(shè)備。因而

2、對(duì)機(jī)車車軸進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)和故障 檢測(cè)是確保高速機(jī)車安全運(yùn)行的重要手段。因此對(duì)機(jī)車車軸進(jìn)行必要的檢測(cè)是 必不可少的。該文在檢測(cè)裝置系統(tǒng)中，利用應(yīng)變式電阻傳感器將被測(cè)的非電量 轉(zhuǎn)換為電量（電壓或電流），通常這些單一的電信號(hào)通過(guò)放大并與參考信號(hào)進(jìn) 行比較判斷是否應(yīng)該對(duì)所監(jiān)測(cè)裝置或設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行顯示或報(bào)警并進(jìn)行必要的 控制。 關(guān)鍵詞：機(jī)車車軸，應(yīng)變片電阻傳感器，放大器，電壓比較器，報(bào)警系統(tǒng) ii 目錄 摘要.i 1 應(yīng)變片電阻傳感器.1 1.1 彈性敏感元件 .1 1.1.1 彈性敏感元件的特性參數(shù).1 1.12 彈性敏感元件的分類 .2 1.2 應(yīng)變式電阻傳感器原理及測(cè)量電路 .3 1.2.1 電阻應(yīng)

3、變片的結(jié)構(gòu)及工作原理.3 1.2.2 測(cè)量轉(zhuǎn)換電路.4 1.3 應(yīng)變片電阻傳感器的使用注意事項(xiàng) .5 1.31 應(yīng)變片的粘貼 .5 1.3.2 實(shí)際應(yīng)用中電橋電路的凋零電路 .6 1.3.3 傳感器的溫度補(bǔ)償 .7 2 集成功率放大器 .8 2.1 功率放大電路的定義.8 2.2 功率放大器的原理及其參數(shù).8 3 電壓比較器 .10 3.1 電壓比較器的功能.10 3.2 電壓比較器的原理及作用.10 4 報(bào)警系統(tǒng).14 4.1 報(bào)警系統(tǒng)的概述 .14 4.2 報(bào)警器 .15 5 總結(jié).16 參考文獻(xiàn).17 1 1 應(yīng)變片電阻傳感器 應(yīng)變片電阻傳感器是根據(jù)電阻的應(yīng)變效應(yīng)工作的，主要用來(lái)測(cè)量力、

4、氣 體（液體）壓力。在力的測(cè)量過(guò)程中，要借助于力敏元件（也叫彈性元件） ，將 力變換成易于測(cè)量的位移或應(yīng)變（變形） ，然后利用轉(zhuǎn)換元件將力變換成電參量。 圖 1.1 為力傳感器的測(cè)量示意圖。 彈性敏感元件轉(zhuǎn)換元件測(cè)量轉(zhuǎn)換電路 圖圖 1.1 力傳感器的測(cè)量示意圖力傳感器的測(cè)量示意圖 1.1 彈性敏感元件 所謂彈性敏感元件，是一種在力的作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)力消失后能夠恢復(fù) 原來(lái)狀態(tài)的元件。彈性敏感元件是一種非常重要的傳感器部件，應(yīng)具有良好的 彈性、足夠的精度，以及良好的穩(wěn)定性和抗腐蝕性。常用的材料有彈性鋼、合 金等。 1.1.1 彈性敏感元件的特性參數(shù) （1）剛度。剛度是彈性敏感元件在外力作用下變形

5、大小的量度，一般用 k 表示，即 k=d f/d x 式中，f 為作用在彈性敏感元件上的外力；x 為彈性敏感元件的變形量。 （2）靈敏度。靈敏度是指彈性敏感元件在單位力的作用下產(chǎn)生變形的大小， 它為剛度的倒數(shù)，用 s 表示，即 s=d x/d f （3）彈性滯后。彈性元件的加載特性曲線與卸載特性曲線的不重合程度， 稱為彈性滯后。它是應(yīng)變傳感器測(cè)量誤差之一。這主要是由于彈性元件分子間 存在內(nèi)摩擦造成的。 2 （4）彈性后效。當(dāng)負(fù)載從一數(shù)值變化到另一數(shù)值時(shí)，彈性元件的變形不是 立即完成的，而是經(jīng)一定的時(shí)間間隔后逐漸完成變形的，這種現(xiàn)象稱為彈性后 效。由于彈性后效的存在，彈性敏感元件的變形始終不能迅

6、速地跟上力的變化， 在動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)將引起測(cè)量誤差。造成這一現(xiàn)象的原因是彈性敏感元件的分子間 存在內(nèi)摩擦。 （5）固有頻率。彈性敏感元件都有自己的固有振蕩頻率，它將影響傳感器 的動(dòng)態(tài)特性。傳感器的工作頻率應(yīng)避開彈性敏感元件的固有振蕩頻率，一般希 望固有振蕩頻率越高越好。 實(shí)際選用或設(shè)計(jì)彈性敏感元件時(shí)，若遇到上述特性矛盾的情況，應(yīng)根據(jù)測(cè) 量的對(duì)象和要求綜合考慮。 1.12 彈性敏感元件的分類 彈性敏感元件在形式上可分為兩大類：將力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變或位移的彈性敏感 元件，將壓力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變或位移的彈性敏感元件。 1 變換力的彈性敏感元件 變換力的彈性敏感元件大都采用等截面柱式、等截面薄板、懸臂梁及軸狀 等結(jié)構(gòu)

7、。圖 1.2 為幾種常見的變換力的彈性敏感元件結(jié)構(gòu)。 圖圖 1.2 常見的變換力的彈性敏感元件常見的變換力的彈性敏感元件 2 變換壓力的彈性敏感元件 常見變換壓力的彈性敏感元件有彈簧管、波紋管和薄壁圓筒等，它可以把 流體產(chǎn)生的壓力變換成位移量輸出。 3 1.2 應(yīng)變式電阻傳感器原理及測(cè)量電路 應(yīng)變式電阻傳感器借助于彈性敏感元件將力的變化轉(zhuǎn)化為變形，然后利用 導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)將力轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，最終利用測(cè)量電路得到被測(cè)量（力） 的電信號(hào)。應(yīng)變式電阻傳感器主要包括彈性元件、電阻應(yīng)變片及測(cè)量電路。 1.2.1 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)及工作原理 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)如圖 2.1 所示。由合金電阻絲呈曲折形狀（

8、柵形）用黏 接劑粘貼在絕緣基片上，兩端通過(guò)引線引出。絲柵上面再粘貼一層絕緣保護(hù)膜。 把應(yīng)變片貼于被測(cè)變形物體上，敏感柵隨被測(cè)物體表面的變形而使電阻改變， 只要測(cè)出電阻的變化就可以得知變形量的大小。電阻應(yīng)變片主要分為金屬應(yīng)變 片和半導(dǎo)體應(yīng)變片。常見的金屬應(yīng)變片有絲式、箔式和薄膜式三種，半導(dǎo)體應(yīng) 變片是在硅上利用擴(kuò)散技術(shù)形成電阻。 圖圖 2.1 應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)應(yīng)變片的結(jié)構(gòu) 由于電阻應(yīng)變片具有體積小、靈敏度高、使用簡(jiǎn)便，可進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè) 量等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛用于力、壓力、位移和加速度的測(cè)量。隨著新工藝、新材 料的使用，高靈敏度的電阻應(yīng)變片不斷出現(xiàn)，電阻應(yīng)變式傳感器測(cè)量范圍不斷 擴(kuò)大，廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工

9、、石油化工等興業(yè)的不同部位中。 應(yīng)變效應(yīng) 導(dǎo)體或半導(dǎo)體在受到外力作用變形時(shí)，其電阻值也將隨之變化，這種現(xiàn)象 稱為“應(yīng)變效應(yīng)” 。設(shè)有一個(gè)金屬導(dǎo)體，長(zhǎng)度為 l，截面積為 a，電阻率為 p， 則該導(dǎo)體的電阻 r 為 r=pl/a 4 當(dāng)金屬導(dǎo)體受到拉力 f 作用時(shí)，長(zhǎng)度將增加l，截面積將縮小a，從而 導(dǎo)致電阻增加r，導(dǎo)體的電阻變?yōu)?r+r。通過(guò)推導(dǎo)，可以得出導(dǎo)體電阻的相 對(duì)變化量為 r/rsl/lsx （1-1） 式中，x為縱向應(yīng)變，s 為金屬導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏度。 金屬應(yīng)變片的靈敏度主要與導(dǎo)體的幾何尺寸有關(guān)，靈敏度近似等于 2。如 果沒有特別說(shuō)明，一般 s=2。半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度主要與半導(dǎo)體材料有

10、關(guān)， 并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于金屬應(yīng)變片的靈敏度。 1.2.2 測(cè)量轉(zhuǎn)換電路 為了檢測(cè)應(yīng)變片電阻的微小變化，需通過(guò)轉(zhuǎn)換電路把電阻變化轉(zhuǎn)換為電信 號(hào)(電壓、電流或頻率)，由儀表顯示數(shù)據(jù)。在應(yīng)變式電阻傳感器中最常用的轉(zhuǎn) 換電路是橋式電路。按電源的性質(zhì)不同，橋式電路可分為交流電橋和直流電橋 兩類。大多數(shù)情況下，采用的是直流電橋電路。以直流電橋?yàn)槔治銎涔ぷ髟?理及特性。 圖 1.2 是直流電橋的基本電路示意圖。在未施加作用力時(shí)，應(yīng)變?yōu)榱?，?時(shí)橋路輸出電壓 u0也為零，即橋路平衡。由橋路平衡的條件可知，應(yīng)使四個(gè)橋 臂的初始電阻 r1,r2,r3和 r4滿足 r1/r2=r3/r4，通常取 r1=r2=r3=r4

11、,即全臂形式。 圖圖 1.2 直流電橋電路直流電橋電路 橋路工作時(shí)輸入電壓 ui保持恒定不變。當(dāng)四個(gè)橋臂電阻的變化值r 遠(yuǎn)小 5 于初始電阻，且電橋負(fù)載為無(wú)窮大時(shí)，電橋的輸出電壓 u0可用如下式表達(dá)： u0r1r2/(r1+r2)2r1/r1-r2/r2+r3/r3-r4/r4ui （1-2） 由于 r1=r2=r3=r4,故上式可變?yōu)椋?u0ui/4r1/r1-r2/r2+r3/r3-r4/r4 （1-3） 由式（1-1）可知，ri/ri=sixi，其中 si 為各個(gè)電阻應(yīng)變片的靈敏度； xi為各個(gè)電阻應(yīng)變片的應(yīng)變。在應(yīng)變片電阻傳感器中，各個(gè)電阻應(yīng)變片 的靈敏度保持相同，故 s1=s2=s3

12、=s4=s。式（2-3）可寫成： u0uis/4(1-2-3-4) （1-4） 根據(jù)應(yīng)用要求的不同，直流電橋電路可接入不同數(shù)目的電阻應(yīng)變片，一般 有以下幾種形式： 1 雙臂半橋形式電橋電路 r1與 r2為應(yīng)變片，r3與 r4為普通電阻（其不受應(yīng)變，阻值也不變化，即 r3=r3=0）,則（1-4）變?yōu)?u0ui/4r1/r1-r2/r2= uis/4(1-2) 2單臂半橋形式電橋電路 r1 為應(yīng)變片，其余各橋臂均為普通電阻，則式（1-4）變?yōu)?u0uir /4 r1 由于單臂半橋形式電橋電路受溫度影響較大，在實(shí)際應(yīng)用中為了消除溫度 的變化對(duì)橋路輸出的影響，往往把固定電阻 r2 換成應(yīng)變片，實(shí)際上

13、就成了雙臂 半橋形式。 3全橋式電橋電路 此電橋的四個(gè)橋臂都為應(yīng)變片，則輸出電壓公式就是式（1-4） 。 在實(shí)際應(yīng)用中，往往使相鄰兩個(gè)應(yīng)變片處于差動(dòng)工作狀態(tài)，即一片感受拉 應(yīng)變，另一片感受壓應(yīng)變，此時(shí)可以增加傳感器的輸出值，減小非線性誤差。 以上三種電橋形式中，全橋形式的傳感器靈敏度最高，也是最常用的一種 形式。本檢測(cè)系統(tǒng)采用全橋式電橋電路對(duì)機(jī)車車軸進(jìn)行測(cè)量轉(zhuǎn)換。 1.3 應(yīng)變片電阻傳感器的使用注意事項(xiàng) 6 1.31 應(yīng)變片的粘貼 應(yīng)變片只有與試件一同伸縮，才能較好地反映試件的應(yīng)變，因此應(yīng)變片必 須通過(guò)黏合劑粘貼在試件上。為了獲得較好的粘貼質(zhì)量，保證傳感器較高的測(cè) 量精度，在應(yīng)變片電阻式傳感器

14、的使用中應(yīng)注重應(yīng)變片粘貼的各個(gè)工藝過(guò)程。 （1）黏合劑種類的選用。選用黏合劑時(shí)，要根據(jù)應(yīng)變片基片材料、工作溫 度、潮濕程度、穩(wěn)定性要求、有無(wú)化學(xué)腐蝕、是否加溫加壓固化、粘貼時(shí)間長(zhǎng) 短等多種因素合理選擇黏合劑。 （2）試件的表面處理。為了保證一定得黏合強(qiáng)度，必須將試件的表面處理 理干凈，清理雜質(zhì)、油污及表面氧化層等。粘貼表面應(yīng)保持平整、光滑，最好 在表面打光后，采用噴沙處理。處理面積約為應(yīng)變片的 35 倍。 （3）粘貼位置的確定。在應(yīng)變片上標(biāo)出敏感柵的縱、橫向中心線，在試件 上按照測(cè)量要求劃出中心線。精密的傳感器可以用光學(xué)投影的方法來(lái)確定粘貼 位置。 （4）應(yīng)變片的粘貼。首先用溶劑清洗試件表面，

15、有條件時(shí)采用超聲清洗更 好。應(yīng)變片的底面也要用溶劑清洗干凈，然后在試件表面和應(yīng)變片的底面各涂 一層薄而均勻的黏合劑，將應(yīng)變片貼在劃線位置處。貼片后，在應(yīng)變片上蓋一 張聚乙烯塑料薄膜并加壓，將多余的膠水和氣泡排出。加壓時(shí)應(yīng)注意防止應(yīng)變 片錯(cuò)位。 (5)固化。應(yīng)變片粘貼好后，根據(jù)所使用的黏合劑的固化工藝要求進(jìn)行固化 處理。 （6）粘貼質(zhì)量的檢查。檢查粘貼位置是否正確，粘貼層是否有氣泡和漏貼， 敏感柵是否有短路或短路現(xiàn)象，敏感柵的絕緣性是否良好等。 （7）引線的焊接與防護(hù)。檢查合格后即可焊接引出線。引出線要適當(dāng)?shù)丶?以固定，以防止導(dǎo)線擺動(dòng)時(shí)折斷應(yīng)變片的引出線。然后在應(yīng)變片上涂一層防護(hù) 膠，以防止大氣

16、對(duì)應(yīng)變片的侵蝕，保證應(yīng)變片長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性。 1.3.2 實(shí)際應(yīng)用中電橋電路的凋零電路 即使是相同型號(hào)的電阻應(yīng)變片，其阻值也有細(xì)小的差別，因此在測(cè)量前，電橋的四個(gè) 橋臂電阻不完全相同，橋路可能不平衡（即有輸出電壓） ，這必然會(huì)造成測(cè)量誤差。針對(duì)這 種情況，在應(yīng)變式電阻傳感器的實(shí)際應(yīng)用中，總采用在原基本電路上加調(diào)零電路的方法盡 7 量減少測(cè)量誤差。圖 1.3 為電橋電路的調(diào)零電路。該調(diào)零電路中 ra 即為調(diào)零電阻，調(diào)節(jié) ra 的大小即可實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量電路進(jìn)行調(diào)試，減小測(cè)量誤差。 圖圖 1.3 直流電橋調(diào)零電路直流電橋調(diào)零電路 1.3.3 傳感器的溫度補(bǔ)償 在應(yīng)變式電阻傳感器的實(shí)際應(yīng)用中，如果不采取一

17、些措施，則溫度變化對(duì) 傳感器輸出值的影響比較大，將產(chǎn)生較大的誤差。減小、消除這種誤差，或?qū)?它進(jìn)行修正，以求出僅由應(yīng)變引起的電橋輸出的措施，稱為溫度補(bǔ)償。在應(yīng)變 式電阻傳感器中常采用橋路自補(bǔ)償法。 當(dāng)橋路是雙臂半橋或全橋形式時(shí)，電橋相鄰兩臂的電阻隨溫度變化幅度和 方向均相同，相互抵消，從而達(dá)到橋路溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹＿@種補(bǔ)償方式就稱 為橋路自補(bǔ)償法。橋路自補(bǔ)償法可分為串聯(lián)補(bǔ)償和并聯(lián)補(bǔ)償。圖 1.4 中（a）為 串聯(lián)補(bǔ)償電路;（b）為并聯(lián)補(bǔ)償電路。 圖 1.4 （a）串聯(lián)補(bǔ)償電路 （b）并聯(lián)補(bǔ)償電路 8 2 集成功率放大器 由于傳感器檢測(cè)后輸出的電信號(hào)非常小不足以觸發(fā)元器件正常工作，因此 需要用放

18、大器對(duì)此微小信號(hào)進(jìn)行必要的放大，在該系統(tǒng)中采用集成功率放大器。 隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，作為低頻功率放大電路的集成電路也越來(lái)越多。 集成功率放大器（簡(jiǎn)稱集成功放）與分立元件的功放相比有許多突出的優(yōu)點(diǎn)， 它的性能好、體積小、功耗低、可靠性高、價(jià)格便宜。除此之外，還由于集成 功放把所有三極管制作在一塊硅片上，三極管的對(duì)稱性和靜態(tài)電流都處于最佳 狀態(tài)，所以失真度小，穩(wěn)定性好。目前，集成功率放大器的品種繁多，輸出功 率從幾瓦、幾十瓦至幾百瓦都有，已廣泛用于各種電子儀器、通信設(shè)備、試聽 電器產(chǎn)品等，成為通用的模擬集成電路的重要組成部分。 2.1 功率放大電路的定義 功率放大電路是最常用的一種放大電路。常

19、用的電子電路和電子設(shè)備中的 放大電路通常由輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí)組成的多級(jí)放大器來(lái)構(gòu)成的。由于負(fù) 載可以是不同類型的裝置。這就要求連接負(fù)載的輸出級(jí)要提供足夠的驅(qū)動(dòng)負(fù)載 的能力。由于輸出級(jí)要求有一定的信號(hào)功率輸出，所以一般由向負(fù)載提供功率 放大的電路來(lái)構(gòu)成。這類主要用于向負(fù)載提供功率的放大電路稱為功率放大電 路。 2.2 功率放大器的原理及其參數(shù) 從電路結(jié)構(gòu)看，集成功效是由集成運(yùn)放發(fā)展而來(lái)的，它包括前置級(jí)、中間 級(jí)和功率輸出級(jí)及輔助電路（如穩(wěn)壓電路、過(guò)流過(guò)壓保護(hù)電路、靜噪電路等）。 如圖 2.1 所示為 shm1150ii 型集成功率放大器的內(nèi)部電路圖。 9 圖圖 2.1 shm1150ii 型

20、集成功率放大器內(nèi)部電路圖型集成功率放大器內(nèi)部電路圖 由圖可見，集成功放由 vt1 和 vt2 組成差分形式的輸入級(jí)；vt4 和 r8 構(gòu) 成電壓跟隨器；vt5 以電源流 i2 作為有源負(fù)載構(gòu)成高增益的中間放大級(jí)，同時(shí) 完成將 vt1 和 vt2 上的輸出信號(hào)傳遞到后級(jí)；vt7 和 vt8 為互補(bǔ)對(duì)稱電路， 用于驅(qū)動(dòng) vmos 管 vt9 和 vt10，作為最后的輸出級(jí)。整個(gè)電路類似于 ocl 工作狀態(tài)，同時(shí)電路中采取了很多提高電路性能的措施，如：適當(dāng)正偏以減小 交越失真，vt6、r9、r10 組成 ube 擴(kuò)大電路，其作用是為 vt7、vt8 提供適 當(dāng)?shù)闹绷髌谩Ｕ麄€(gè)電路依靠 rf 和 r2

21、 引入負(fù)反饋來(lái)穩(wěn)定增益和靜態(tài)工作點(diǎn)。 集成功率放大電路是較為先進(jìn)的功率放大電路，由于其輸出級(jí)采用 vmos 管，是輸出級(jí)功率得到了很大的提高。 它的特點(diǎn)是，輸出功率大、效率高，應(yīng)用十分方便，接上電源即可作為雙 電源功率放大電路直接使用。該應(yīng)用電路簡(jiǎn)單，可在12v15v 電壓下工作， 電路最大輸出功率可達(dá) 150w。圖 2.2 為 shm1150ii 型集成功率放大器的外部接 線圖。 圖圖 2.22.2 shm1150iishm1150ii 型集成功率放大器外部接線圖。型集成功率放大器外部接線圖。 10 3 電壓比較器 由于機(jī)車車軸在一些正常情況下，如機(jī)車啟動(dòng)或停機(jī)也會(huì)照成車軸的晃動(dòng) 而也產(chǎn)生微

22、小的電信號(hào)但此信號(hào)非常微小不足以照成車軸的損壞因此需要一個(gè) 參考電信號(hào)與車軸變形所產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行比較判斷是否需要報(bào)警并對(duì)機(jī)車做 必要的控制。電壓比較器即是將此信號(hào)電壓和參考電壓進(jìn)行比較的必要環(huán)節(jié)， 在兩者幅度相等時(shí)，輸出電壓產(chǎn)生跳變，借以判別輸出信號(hào)電壓的相對(duì)大小。 進(jìn)行信號(hào)幅度比較時(shí)，輸入信號(hào)是連續(xù)變化的模擬量，但輸出電壓只有兩種狀 態(tài)：整的最大值和負(fù)的最大值。 3.1 電壓比較器的功能. 比較兩個(gè)電壓的大小(用輸出電壓的高或低電平，表示兩個(gè)輸入電壓的大小 關(guān)系)：當(dāng)”輸入端電壓高于”輸入端時(shí)，電壓比較器輸出為高電 平；當(dāng)”輸入端電壓低于”輸入端時(shí)，電壓比較器輸出為低電平。 3.2 電壓比

23、較器的原理及作用 它可用作模擬電路和數(shù)字電路的接口，還可以用作波形產(chǎn)生和變換電路等。 利用簡(jiǎn)單電壓比較器可將正弦波變?yōu)橥l率的方波或矩形波。 簡(jiǎn)單的電壓比較器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，但是抗干擾能力差，因此我們就 要對(duì)它進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的電壓比較器有：滯回比較器和窗口比較器。 運(yùn)放，是通過(guò)反饋回路和輸入回路的確定“運(yùn)算參數(shù)”，比如放大倍數(shù)， 反饋量可以是輸出的電流或電壓的部分或全部。而比較器則不需要反饋，直接 比較兩個(gè)輸入端的量，如果同相輸入大于反相，則輸出高電平，否則輸出低電 平。電壓比較器輸入是線性量，而輸出是開關(guān)（高低電平）量。一般應(yīng)用中， 有時(shí)也可以用線性運(yùn)算放大器，在不加負(fù)反饋的情況下，構(gòu)

24、成電壓比較器來(lái)使 用。 簡(jiǎn)單地說(shuō)，電壓比較器是對(duì)兩個(gè)模擬電壓比較其大?。ㄒ灿袃蓚€(gè)數(shù)字電壓 比較的，這里不介紹），并判斷出其中哪一個(gè)電壓高，如圖 1 所示。圖 1（a） 11 是比較器，它有兩個(gè)輸入端：同相輸入端（“+”端）及反相輸入端（“-”端） ，有一個(gè)輸出端 vout（輸出電平信號(hào)）。另外有電源 v+及地（這是個(gè)單電源比 較器），同相端輸入電壓 va，反相端輸入 vb。va 和 vb 的變化如圖 1（b）所示。 在時(shí)間 0t1 時(shí)，vavb；在 t1t2 時(shí)，vbva；在 t2t3 時(shí)， vavb。在這種情況下，vout 的輸出如圖 1（c）所示：vavb 時(shí)，vout 輸出高電平（飽和輸

25、出）；vbva 時(shí)，vout 輸出低電平。根據(jù)輸出電平的高 低便可知道哪個(gè)電壓大。 如果把 va 輸入到反相端，vb 輸入到同相端，va 及 vb 的電壓變化仍然如圖 1（b）所示，則 vout 輸出如圖 1（d）所示。與圖 1（c）比較，其輸出電平倒 了一下。輸出電平變化與 va、vb 的輸入端有關(guān)。圖 2（a）是雙電源（正負(fù)電 源）供電的比較器。如果它的 va、vb 輸入電壓如圖 1（b）那樣，它的輸出特 性如圖 2（b）所示。vbva 時(shí)，vout 輸出飽和負(fù)電壓。 12 如果輸入電壓 va 與某一個(gè)固定不變的電壓 vb 相比較，如圖 3（a）所示。 此 vb 稱為參考電壓、基準(zhǔn)電壓或閾

26、值電壓。如果這參考電壓是 0v（地電平）， 如圖 3（b）所示，它一般用作過(guò)零檢測(cè)。 比較器的工作原理: 比較器是由運(yùn)算放大器發(fā)展而來(lái)的，比較器電路可以看作是運(yùn)算放大器的 一種應(yīng)用電路。由于比較器電路應(yīng)用較為廣泛，所以開發(fā)出了專門的比較器集 成電路。圖 4（a）由運(yùn)算放大器組成的差分放大器電路，輸入電壓 va 經(jīng)分壓 器 r2、r3 分壓后接在同相端，vb 通過(guò)輸入電阻 r1 接在反相端，rf 為反饋電阻， 若不考慮輸入失調(diào)電壓，則其輸出電壓 vout 與 va、vb 及 4 個(gè)電阻的關(guān)系式為： vout=（1+rf/r1）r3/（r2+r3）va-（rf/r1）vb。若 r1=r2，r3=r

27、f，則 vout=rf/r1（va-vb），rf/r1 為放大器的增益。當(dāng) r1=r2=0（相當(dāng)于 r1、r2 短 路），r3=rf=（相當(dāng)于 r3、rf 開路）時(shí)，vout=。增益成為無(wú)窮大，其電 路圖就形成圖 4（b）的樣子，差分放大器處于開環(huán)狀態(tài)，它就是比較器電路。 13 實(shí)際上，運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)時(shí)，其增益并非無(wú)窮大，而 vout 輸出是飽和電壓， 它小于正負(fù)電源電壓，也不可能是無(wú)窮大。 從圖 4 中可以看出，比較器電路就是一個(gè)運(yùn)算放大器電路處于開環(huán)狀態(tài)的 差分放大器電路。同相放大器電路如圖 5 所示。如果圖 5 中 rf=，r1=0 時(shí)， 它就變成與圖 3（b）一樣的比較器電路了。圖

28、5 中的 vin 相當(dāng)于圖 3（b）中的 va。 14 4 報(bào)警系統(tǒng) 經(jīng)電壓比較器比較判斷傳感器檢測(cè)到扭力所轉(zhuǎn)化的電信號(hào)是足夠大并會(huì)對(duì) 車軸造成損壞，如果該車軸所受到的扭力足以對(duì)車軸造成損壞則此時(shí)需要報(bào)警 系統(tǒng)對(duì)此危險(xiǎn)情況進(jìn)行報(bào)警以警示工作人員或安保人員該對(duì)機(jī)車停機(jī)并進(jìn)行必 要的檢修工作，以防止發(fā)生不必要的損壞。 4.1 報(bào)警系統(tǒng)的概述 隨著現(xiàn)代化工業(yè)企業(yè)的發(fā)展，高速機(jī)車作為當(dāng)今世界高新技術(shù)的一項(xiàng)重大 成就，以其安全性能好、速度快、能源消耗低、環(huán)境污染低、經(jīng)濟(jì)效益好等不 可相比的優(yōu)越性成為、安全可靠的現(xiàn)代化設(shè)備。而對(duì)其車軸進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)和故 障診斷 是確保高速機(jī)車安全運(yùn)行的重要手段。 報(bào)警裝置在

29、這整個(gè)環(huán)節(jié)中起 到了關(guān)鍵性的作用，它起到了通知工作人員對(duì)機(jī)車設(shè)備進(jìn)去安全處理的作用。 報(bào)警系統(tǒng)通常由檢測(cè)器、信號(hào)傳輸信道、報(bào)警器、控制器組成，如圖 4-1 所示。 檢測(cè)器信道 控制器 信道報(bào)警中心 圖圖 4-1 報(bào)警系統(tǒng)組成框圖報(bào)警系統(tǒng)組成框圖 （1） 檢測(cè)器 檢測(cè)器的作用是檢測(cè)高速機(jī)車車軸的工作狀態(tài)及其安全性。 （2） 信道 信道是檢測(cè)電信號(hào)的傳輸通道。信道的種類比較多，通常分為有線信道和 無(wú)線信道。 （3） 控制器 報(bào)警控制器是控制和處理信號(hào)的重要環(huán)節(jié)。 （4） 報(bào)警中心 為了實(shí)現(xiàn)區(qū)域性的防范，把幾個(gè)需要防范的區(qū)域連接到一個(gè)報(bào)警中心，稱 為報(bào)警中心。各個(gè)區(qū)域報(bào)警控制器的電信號(hào)，通過(guò)電話線、電纜、光纜或無(wú)線 電波傳到控制