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(shè)計

今天為大家介紹一項國家發(fā)明授權(quán)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(quán)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(jìn)行監(jiān)控，并把數(shù)據(jù)反饋給控制中心，當(dāng)出現(xiàn)異常時提前報警，以便及時進(jìn)行預(yù)防和維護(hù)，保證工業(yè)生產(chǎn)正常進(jìn)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(zhuǎn)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(yīng)用于發(fā)電、鋼鐵、冶金、化工、軌道交通等工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運動等相關(guān)的機(jī)械設(shè)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(fù)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(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)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(jìn)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(fù)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(yán)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(biāo)外殼，方形三維坐標(biāo)外殼上沿X軸、Y軸、Z軸方向分別開設(shè)有放置敏感組件的凹槽，凹槽內(nèi)設(shè)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(shè)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(shè)置有螺栓，螺栓位于支撐板兩側(cè)的部分對稱設(shè)置，螺栓外周套設(shè)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(shè)有導(dǎo)電片、晶體片、導(dǎo)電片以及質(zhì)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(shè)置有連接導(dǎo)電片的信號調(diào)理電路，方形三維坐標(biāo)外殼上還設(shè)置有與信號調(diào)理電路相連的連接器。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步限定，信號調(diào)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(diào)理成低阻抗信號，并放大處理；精密積分轉(zhuǎn)換電路，將放大后的交流加速度信號轉(zhuǎn)化成交流速度信號；交直流轉(zhuǎn)換電路，將交流速度信號轉(zhuǎn)化為直流速度信號；歸一化調(diào)整電路，將直流速度信號進(jìn)行歸一化調(diào)整后輸出標(biāo)準(zhǔn)的直流速度信號；電壓電流轉(zhuǎn)換電路，將標(biāo)準(zhǔn)的直流速度信號轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的電流信號，最終輸出。

作為本發(fā)明的進(jìn)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(diào)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(jìn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換成速度交流電壓信號輸出；放大電路和精密積分轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路的輸出端與交直流轉(zhuǎn)換電路輸入端相連。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步限定，交直流轉(zhuǎn)換電路將速度交流電壓信號經(jīng)過LTC1967CMS8精密擴(kuò)展帶寬交直流轉(zhuǎn)換器以及外圍電路組成的轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路的輸出端。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步限定，歸一化調(diào)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(diào)整電路進(jìn)行歸一化調(diào)整后輸出標(biāo)準(zhǔn)的直流電壓信號；TLV2231的1腳作為歸一化調(diào)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(diào)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(diào)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(zhuǎn)換電路。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步限定，電壓電流轉(zhuǎn)換電路將標(biāo)準(zhǔn)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(jī)與外圍電路組成的轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(jìn)一步限定，質(zhì)量塊外周沿螺栓軸向兩側(cè)延伸，形成包裹導(dǎo)電片、晶體片以及限位螺母的包邊。作為本發(fā)明的進(jìn)一步限定，凹槽的底部設(shè)置有隔離片，敏感組件設(shè)置在隔離片上。作為本發(fā)明的進(jìn)一步限定，方形三維坐標(biāo)外殼分成四塊小方形結(jié)構(gòu)，XCN 107449507 A軸、Y軸、Z軸三個方向的凹槽分別開設(shè)在四塊小方形結(jié)構(gòu)中的三塊上，另一塊小方形結(jié)構(gòu)上設(shè)置連接器，凹槽內(nèi)開設(shè)有與連接器相連接的布線通道。

與現(xiàn)有技術(shù)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(zhuǎn)換設(shè)計，將傳感器的速度電壓信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)，適合工業(yè)現(xiàn)場遠(yuǎn)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(diào)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(shè)置隔離板和隔離片）設(shè)計，調(diào)整信號調(diào)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(qiáng)變送器的抗電磁干擾能力；在信號調(diào)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(diào)理電路，提高輸出信號精度。本發(fā)明可用于機(jī)車上異步電機(jī)的實時監(jiān)測。