一種數(shù)字化的壓電式低頻加速度傳感器系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種數(shù)字化的壓電式低頻加速度傳感器系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在以水輪發(fā)電機(jī)組為代表的低轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)行過程中，其主要的機(jī)構(gòu)振動(dòng)頻 率可低達(dá)0.4Hz-0.5Hz，而高頻段主要頻率則不低于180Hz。目前，采用壓電式原理的加速 度傳感器被廣泛用于機(jī)械部件的絕對振動(dòng)測量。針對加速度傳感器的輸出信號(hào)，經(jīng)過硬件 或者軟件積分模塊兩次積分就可以得到被測對象的振動(dòng)位移信號(hào)。因此可以采用壓電式加 速度傳感器實(shí)現(xiàn)對低速旋轉(zhuǎn)機(jī)械的機(jī)構(gòu)振動(dòng)測量。
[0003] 傳統(tǒng)的產(chǎn)品主要采用硬件模擬電路完成對振動(dòng)加速度信號(hào)的兩次積分調(diào)整、濾波 等處理，得到振動(dòng)位移信號(hào)。但該類型傳感器存在參數(shù)調(diào)整困難、抗沖擊性差的缺陷，當(dāng)振 源存在沖擊振動(dòng)信號(hào)時(shí)，傳感器會(huì)輸出長時(shí)延的振蕩異常信號(hào)。如圖1所示的傳統(tǒng)壓電式 低頻加速度傳感器系統(tǒng)，選擇合適的低頻響應(yīng)特性較好的加速度傳感器1，將加速度傳感器 輸出的信號(hào)接入前置處理模塊2,經(jīng)過該前置處理電路，將振動(dòng)加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為恰當(dāng)?shù)恼?動(dòng)位移信號(hào)輸出。其中該前置處理模塊全部采用模擬電路方式實(shí)現(xiàn)。其工作原理如圖2所 示。各環(huán)節(jié)功能說明如下：
[0004] 1)隔直低阻環(huán)節(jié)：這是一個(gè)高通濾波環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)折頻率設(shè)計(jì)在0. 5Hz，用以去除加速 度傳感器輸出的支流信號(hào)分量以及低于0. 5Hz的振動(dòng)信號(hào)；
[0005] 2)低通環(huán)節(jié)：這是一個(gè)低通濾波環(huán)節(jié)，用以去除高于被測對象最高有效振動(dòng)頻率 以上的信號(hào)，此環(huán)節(jié)可以保證系統(tǒng)積分環(huán)節(jié)不受加速度傳感器共振后輸出信號(hào)的影響；
[0006] 3)第一級(jí)積分環(huán)節(jié)：這是一個(gè)慣性積分環(huán)節(jié)，將振動(dòng)加速度信號(hào)積分為振動(dòng)速度 信號(hào)。
[0007] 4)第一級(jí)低阻環(huán)節(jié)及第二級(jí)低阻環(huán)節(jié)：這是一個(gè)高通濾波環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)折頻率設(shè)計(jì)在 0. 5Hz，過濾掉積分環(huán)節(jié)后由于積分器電路噪聲引起的低于0. 5Hz的信號(hào)；
[0008] 5)第二級(jí)積分環(huán)節(jié)：這是一個(gè)慣性積分環(huán)節(jié)，將振動(dòng)速度信號(hào)積分為振動(dòng)位移信 號(hào)。
[0009] 壓電式傳感器是利用壓電晶體的壓電效應(yīng)的原理來工作，傳統(tǒng)的模擬式壓電式低 頻加速度傳感器系統(tǒng)采用模擬電路實(shí)現(xiàn)全部的積分、濾波等前置處理，但是存在抗沖擊性 差、濾波特性差、參數(shù)調(diào)整困難等缺陷。
[0010] 傳統(tǒng)模擬式壓電式加速度傳感器系統(tǒng)具有以下缺陷：
[0011] 1)對于沖擊性振動(dòng)干擾信號(hào)，傳統(tǒng)型壓電式加速度傳感器系統(tǒng)存在超調(diào)大、振蕩 時(shí)間長、穩(wěn)定恢復(fù)慢的問題。沖擊性振動(dòng)信號(hào)來源于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的碰磨、松動(dòng)以及動(dòng)力部分的 擾動(dòng)引起。主要的沖擊性振動(dòng)信號(hào)可以歸結(jié)為脈沖型沖擊信號(hào)和階躍型沖擊信號(hào)。而傳統(tǒng) 型壓電式加速度傳感器系統(tǒng)對上述沖擊信號(hào)的響應(yīng)為振動(dòng)幅值突然急劇變大，然后指數(shù)衰 減，其衰減特性接近于以下模型：
[0012]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種數(shù)字化的壓電式低頻加速度傳感器系統(tǒng)，其特征在于，包括： 加速度傳感器輸出振動(dòng)加速度信號(hào)； 所述振動(dòng)加速度信號(hào)經(jīng)高通濾波和數(shù)字化后傳輸至沖擊信號(hào)檢測單元和沖擊信號(hào)抑 制單元，所述沖擊信號(hào)檢測單元和沖擊信號(hào)抑制單元根據(jù)數(shù)字化信號(hào)的微分值的大小判斷 傳感器系統(tǒng)中是否產(chǎn)生沖擊信號(hào)，若檢測到產(chǎn)生沖擊信號(hào)，則將該數(shù)字化信號(hào)乘以該時(shí)刻 的沖擊信號(hào)抑制增益得到處理后的信號(hào)； 所述處理后的信號(hào)經(jīng)第一級(jí)數(shù)字積分單元和第二級(jí)數(shù)字積分單元及濾波后再以模擬 信號(hào)的形式輸出； 其中，所述沖擊信號(hào)抑制增益的計(jì)算方法如下：
其中，g(t)為沖擊信號(hào)抑制增益函數(shù)，t為當(dāng)前時(shí)刻，h為檢測到?jīng)_擊信號(hào)的時(shí)間，ω d 為阻尼頻率，T為衰減周期。
2. 如權(quán)利要求1所述的數(shù)字化的壓電式低頻加速度傳感器系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)所述 數(shù)字化信號(hào)的微分值大于754g/s時(shí)，則判斷產(chǎn)生沖擊信號(hào)，其中g(shù) = 9. 8m/s2。
3. 如權(quán)利要求2所述的數(shù)字化的壓電式低頻加速度傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述加 速度傳感器與所述沖擊信號(hào)檢測單元和沖擊信號(hào)抑制單元之間設(shè)置有模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器將接收到的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字化信號(hào)。
4. 如權(quán)利要求3所述的數(shù)字化的壓電式低頻加速度傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述加 速度傳感器與所述模/數(shù)轉(zhuǎn)換器之間設(shè)置有隔直放大器，所述隔直放大器的轉(zhuǎn)折頻率為 0. 4-1. OHz。
5. 如權(quán)利要求2所述的數(shù)字化的壓電式低頻加速度傳感器系統(tǒng)，其特征在于，經(jīng)第一 級(jí)數(shù)字積分單元和第二級(jí)數(shù)字積分單元及濾波后的信號(hào)再經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)換為模擬信 號(hào)后輸出。
6. 如權(quán)利要求5所述的數(shù)字化的壓電式低頻加速度傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述第 一級(jí)數(shù)字積分單元和第二級(jí)數(shù)字積分單元與所述數(shù)/模轉(zhuǎn)化器之間還連接有數(shù)字帶通濾 波器。
7. 如權(quán)利要求6所述的數(shù)字化的壓電式低頻加速度傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù) 字帶通濾波器包括4階數(shù)字橢圓形濾波器和16階線性相位濾波器，所述4階數(shù)字橢圓形濾 波器的轉(zhuǎn)折頻率為0. 4Hz-l. 0Hz，所述16階線性相位濾波器的轉(zhuǎn)折頻率為180Hz-350Hz。
8. 如權(quán)利要求5所述的數(shù)字化的壓電式低頻加速度傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)/ 模轉(zhuǎn)換器還連接有輸出信號(hào)放大器，經(jīng)所述數(shù)/模轉(zhuǎn)換器得到的模擬信號(hào)再經(jīng)所述輸出信 號(hào)放大器放大后輸出。
【專利摘要】本發(fā)明涉及傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種數(shù)字化的壓電式低頻加速度傳感器系統(tǒng)，包括：加速度傳感器輸出振動(dòng)加速度信號(hào)；振動(dòng)加速度信號(hào)經(jīng)高通濾波和數(shù)字化后傳輸至沖擊信號(hào)檢測單元和沖擊信號(hào)抑制單元，沖擊信號(hào)檢測單元和沖擊信號(hào)抑制單元根據(jù)數(shù)字化信號(hào)的微分值的大小判斷傳感器系統(tǒng)中是否產(chǎn)生沖擊信號(hào)，若檢測到產(chǎn)生沖擊信號(hào)，則將該數(shù)字化信號(hào)乘以該時(shí)刻的沖擊信號(hào)抑制增益得到處理后的信號(hào)；處理后的信號(hào)經(jīng)第一級(jí)數(shù)字積分單元和第二級(jí)數(shù)字積分單元及濾波后再以模擬信號(hào)的形式輸出。本發(fā)明有效抑制了突發(fā)的振動(dòng)沖擊造成加速度傳感器輸出信號(hào)的突變和振動(dòng)，提高了整體傳感器系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性，采用高階數(shù)字帶通濾波器優(yōu)化了濾波器的特性。
【IPC分類】G01H11-08
【公開號(hào)】CN104729669
【申請?zhí)枴緾N201510102777
【發(fā)明人】汪洋, 崔悅, 任繼順, 蘇疆東, 張民威
【申請人】北京中元瑞訊科技有限公司
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年3月9日