適用于工業(yè)現(xiàn)場的三軸壓電式一體化振動變送器的原理及設計

今天為大家介紹一項國家發(fā)明授權專利——一種適用于工業(yè)現(xiàn)場的三軸壓電式一體化振動變送器。該專利由揚州熙源電子科技有限公司申請，并于2017年12月8日獲得授權公告。

內(nèi)容說明

本發(fā)明涉及一種速度傳感器，特別涉及一種三軸壓電式速度傳感器。

發(fā)明背景

工業(yè)自動化的核心是傳感器，工業(yè)生產(chǎn)各個組成環(huán)節(jié)都需要傳感器進行監(jiān)控，并把數(shù)據(jù)反饋給控制中心，當出現(xiàn)異常時提前報警，以便及時進行預防和維護，保證工業(yè)生產(chǎn)正常進行。

壓電式速度傳感器是利用壓電原理制作的用于測量振動、位移、轉速等參數(shù)的測量儀器，三軸壓電式速度傳感器可以同時測量三個方向的振動信號，應用于發(fā)電、鋼鐵、冶金、化工、軌道交通等工業(yè)領域內(nèi)的旋轉和往復運動等相關的機械設備的測量。

目前，工業(yè)現(xiàn)場使用的三軸速度傳感器輸出的信號是電壓信號，在復雜的工業(yè)環(huán)境下因為各種工業(yè)電氣噪音干擾，傳感器輸出的信號傳送到控制中心時往往疊加了各種干擾信號，直接將其送入數(shù)據(jù)采集終端進行模數(shù)轉換，實際精度和線性度大受影響；另外，工業(yè)現(xiàn)場往往需要將傳感器輸出的信號通過很長的傳輸線進行傳輸，傳輸線的電阻會產(chǎn)生電壓降，那么接受端的信號就會產(chǎn)生誤差；還有，工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境復雜，往往出現(xiàn)現(xiàn)場接地不可靠的問題，此時傳感器的輸出信號就會不穩(wěn)定，出現(xiàn)偏差。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種適用于工業(yè)現(xiàn)場的三軸壓電式一體化振動變送器，解決工業(yè)現(xiàn)場三軸速度傳感器輸出電壓信號干擾嚴重、電壓信號誤差較大、信號傳輸不穩(wěn)定的問題，使得檢測到的速度數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定可靠。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：一種適用于工業(yè)現(xiàn)場的三軸壓電式一體化振動變送器，包括方形三維坐標外殼，方形三維坐標外殼上沿X軸、Y軸、Z軸方向分別開設有放置敏感組件的凹槽，凹槽內(nèi)設置有敏感組件，且敏感組件經(jīng)隔離板封閉在凹槽內(nèi)；敏感組件包括套設在隔離罩內(nèi)的基座，基座中心加工有垂直于基座的支撐板，支撐板上貫穿設置有螺栓，螺栓位于支撐板兩側的部分對稱設置，螺栓外周套設有襯套，襯套的外周沿螺栓軸向從螺栓中部到螺栓兩端依次套設有導電片、晶體片、導電片以及質量塊，螺栓的端部螺紋連接有限位螺母，隔離罩內(nèi)位于敏感組件上方還設置有連接導電片的信號調理電路，方形三維坐標外殼上還設置有與信號調理電路相連的連接器。

作為本發(fā)明的進一步限定，信號調理電路包括：放大電路，用以將來自敏感組件的高阻抗電信號調理成低阻抗信號，并放大處理；精密積分轉換電路，將放大后的交流加速度信號轉化成交流速度信號；交直流轉換電路，將交流速度信號轉化為直流速度信號；歸一化調整電路，將直流速度信號進行歸一化調整后輸出標準的直流速度信號；電壓電流轉換電路，將標準的直流速度信號轉化為標準的電流信號，最終輸出。

作為本發(fā)明的進一步限定，放大電路將從敏感組件采集到的高阻抗電荷信號調理成低阻抗的電壓信號并通過運算放大器放大處理，同時對低頻下限頻率進行展寬，穩(wěn)定低頻特性，最終輸出加速度交流電壓信號；精密積分轉換電路利用電容器的儲能特性與運算放大器組成的精密積分器，實現(xiàn)同相積分，將加速度交流電壓信號轉換成速度交流電壓信號輸出；放大電路和精密積分轉換電路中運算放大器共用TLV2262雙低壓運算放大器，其中，TLV2262的1腳作為放大電路的輸出端，經(jīng)電阻R4、電容C1與TLV2262的6腳相連，TLV2262的2腳經(jīng)電阻R2接敏感組件的一端，敏感組件的另一端連隔離罩，TLV2262的2腳還通過電阻R3與1腳相連，TLV2262的4腳連接在隔離罩上，TLV2262的6腳還經(jīng)電阻R5與TLV2262的7腳相連，電阻R4與電容C1之間的電極點經(jīng)電容C2與TLV2262的7腳相連，TLV2262的7腳作為精密積分轉換電路的輸出端與交直流轉換電路輸入端相連。

作為本發(fā)明的進一步限定，交直流轉換電路將速度交流電壓信號經(jīng)過LTC1967CMS8精密擴展帶寬交直流轉換器以及外圍電路組成的轉換模塊轉換成速度直流電壓信號輸出；LTC1967CMS8的1腳與8腳相連接在隔離罩上，LTC1967CMS8的2腳作為交直流轉換電路的輸入端，經(jīng)電容C3接TLV2262的7腳，LTC1967CMS8的3腳經(jīng)電容C5接LTC1967CMS8的6腳，LTC1967CMS8的5腳經(jīng)電容C4LTC1967CMS8的6腳，LTC1967CMS8的3腳和5腳還作為交直流轉換電路的輸出端。

作為本發(fā)明的進一步限定，歸一化調整電路將速度直流電壓信號通過TLV2231低壓運算放大器以及外圍電路組成的調整電路進行歸一化調整后輸出標準的直流電壓信號；TLV2231的1腳作為歸一化調整電路的輸入端經(jīng)電阻R9接LTC1967CMS8的5腳，TLV2231的3腳也作為歸一化調整電路的輸入端經(jīng)電阻R 8接電容C 5的一端同時與LTC1967CMS8的6腳相連，TLV2231的1腳還經(jīng)電容C6連隔離罩，TLV2231的2腳連隔離罩，TLV2231的4腳作為歸一化調整電路的輸出端一路經(jīng)電阻R12接TLV2231的3腳，另一路經(jīng)電阻R13接電壓電流轉換電路。

作為本發(fā)明的進一步限定，電壓電流轉換電路將標準的直流電壓信號通過XTR115提供精確的電流縮放和輸出電流極限函數(shù)的電流環(huán)路發(fā)射機與外圍電路組成的轉換電路轉換成標準的4-20mA抗干擾直流電流信號；XTR115的1腳分別經(jīng)電阻R1接TLV2262的3腳、經(jīng)電阻R6接TLV2262的5腳、經(jīng)電阻R7接LTC1967CMS8的2腳、經(jīng)電容C5接LTC1967CMS8的3腳，XTR115的2腳作為電壓電流轉換電路的輸入端連接電阻R13，XTR115的3腳連隔離罩，XTR115的4腳作為輸出端輸出標準的4-20mA抗干擾直流電流信號， XTR115的5腳、6腳、7腳接三極管，XTR115的7腳作為電源輸入端經(jīng)二極管D1接電源，XTR115的8腳作為電源輸出端分別接TLV2231的5腳、LTC1967CMS8的7腳、TLV2262的8腳，XTR115的8腳還經(jīng)串聯(lián)的電阻R10、R11接TLV2231的3腳，XTR115的4腳與7腳之間短接有電容C7，二極管D1的正極接電源，負極接XTR115的7腳，二極管的正極還通過串聯(lián)的電容C8、電容C9接XTR115的4腳，電容C8、電容C9的連接點接外殼下地。

作為本發(fā)明的進一步限定，質量塊外周沿螺栓軸向兩側延伸，形成包裹導電片、晶體片以及限位螺母的包邊。作為本發(fā)明的進一步限定，凹槽的底部設置有隔離片，敏感組件設置在隔離片上。作為本發(fā)明的進一步限定，方形三維坐標外殼分成四塊小方形結構，XCN 107449507 A軸、Y軸、Z軸三個方向的凹槽分別開設在四塊小方形結構中的三塊上，另一塊小方形結構上設置連接器，凹槽內(nèi)開設有與連接器相連接的布線通道。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明首先通過采用精密積分電路和抗干擾V/I轉換設計，將傳感器的速度電壓信號轉換成標準的4-20mA電流信號，與傳統(tǒng)產(chǎn)品輸出電壓信號相比抗干擾能力強，適合工業(yè)現(xiàn)場遠距離傳輸，傳輸數(shù)百米不會因為線路損耗影響精度，采用三個獨立的敏感件組件將三軸獨立開，組件上加隔離罩解決X、Y、Z三軸之間信號相互干擾的問題，在信號調理電路中增加了限幅電路，采用阻容吸收（即過沖信號通過電容C8、電容C9釋放到外殼下地），改善系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，解決信號過沖的問題；通過控制敏感件組件的絕緣，組件上加隔離罩、雙層隔離（即在凹槽的頂部和底部分別設置隔離板和隔離片）設計，調整信號調理電路的分布電容，輸出電纜采用雙絞屏蔽電纜等方法來增強變送器的抗電磁干擾能力；在信號調理電路中增加了地干擾對地短路虛擬通道（即隔離罩），抑制了現(xiàn)場接地不可靠而引起的干擾影響；本發(fā)明采用精密積分信號調理電路，提高輸出信號精度。本發(fā)明可用于機車上異步電機的實時監(jiān)測。