CN103197100A - 一种用于icp加速度传感器的信号调理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于ICP加速度传感器的信号调理装置，包括：转换开关；第一电源模块和第二电源模块，分别与转换开关相连；恒流源模块，与转换开关相连，在转换开关的控制下与第一电源模块或第二电源模块接通；传感器接口模块，与ICP加速度传感器相连，ICP加速度传感器在工作时根据恒定电流输出检测信号；交流耦合模块，与传感器接口模块相连；滤波及放大模块，与交流耦合模块相连；信号输出模块，与滤波及放大模块相连；以及集成运放供电模块，与滤波及放大模块相连。本发明能够使一定频率范围内的信号经过滤波后相位变化甚微，从而在转子动平衡中降低由于相移引起的平衡误差，提高了动平衡精度。

Description

一种用于ICP加速度传感器的信号调理装置

技术领域

本发明涉及ICP加速度传感器技术领域，特别涉及一种用于ICP加速度传感器的信号调理装置。

背景技术

ICP加速度传感器是内装微型IC集成电路放大器的压电加速度传感器，它将传统的压电加速度传感器与电荷放大器集于一体，能直接和记录、显示和采集设备连接，简化了测试系统，提高了测试精度和可靠性。ICP加速度传感器由于具有体积小、低频特性好、安装方便、性价比高等特点，被广泛用于航天、航空、车船、机械、桥梁、石油、化工等测量领域。

信号调理器的作用是为传感器提供激励源及对传感器信号进行预处理，ICP加速度传感器由于自身的特点，其信号调理器与其它传感器信号调理器要求和功能不一致，ICP加速度传感器信号调理器的模块及其功能如下：

传感器驱动：ICP加速度传感器需要外界提供18-28V电压2-20mA恒流电源激励其自身电路。

隔离：ICP传感器输出信号中含有8-12V直流偏置电压，而实际测试中需要的是交流信号，因此需要通过交流耦合电路消除直流偏置电压。

滤波：根据奈奎斯特采样定理，采样频率需大于信号中最高频率的2倍，采样后的数字信号才能完整保留原信号的信息。因此，工程中一般采用低通滤波器来避免模拟信号转化为数字信号时发生混叠。

放大：对于较弱的有用电压信号可以通过放大以提高数据采集的精度。

ICP加速度传感器、信号调理器、数据采集仪、电脑及采集分析软件组合后在工业中被广泛用于产品质量测试、设备故障诊断、转子动平衡等。

目前，现有的ICP加速度传感器信号调理器供电基本上都是由220V电压通过降压整流为24V直流，不便于便携式故障诊断仪配套使用。在转子动平衡中，不平衡点相位测量的准确与否关系到动平衡的成败与平衡精度。信号调理器中的滤波电路会使不同频率信号产生相移，从而影响相位测量的准确性，现有的ICP加速度传感器信号调理器对信号相位影响较大，相位测量误差较大，动平衡精度较低。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述的技术问题。

为此，本发明的目的在于提出一种用于ICP加速度传感器的信号调理装置，可保证一定范围内信号通过该信号调理装置后相位变化绝对值小于0.2度，从而在转子动平衡中降低由于相移引起的平衡误差，提高动平衡精度。

为达到上述目的，本发明实施例提出的用于ICP加速度传感器的信号调理装置，包括：转换开关；分别为所述信号调理装置供电的第一电源模块和第二电源模块，所述第一电源模块和所述第二电源模块分别与转换开关相连；用于输出恒定电流的恒流源模块，所述恒流源模块与所述转换开关相连，在所述转换开关的控制下与所述第一电源模块或所述第二电源模块接通；将所述ICP加速度传感器接入所述信号调理装置的传感器接口模块，所述传感器接口模块与所述ICP加速度传感器相连，所述ICP加速度传感器在工作时根据所述恒定电流输出检测信号；将所述ICP加速度传感器输出的所述检测信号进行隔离过滤以生成交流电压信号的交流耦合模块，所述交流耦合模块与所述传感器接口模块相连；将所述交流电压信号进行低通滤波和放大处理的滤波及放大模块，所述滤波及放大模块与所述交流耦合模块相连；用于将低通滤波和放大处理过的交流电压信号进行输出的信号输出模块，所述信号输出模块与所述滤波及放大模块相连；以及为所述滤波及放大模块供电的集成运放供电模块，所述集成运放供电模块与所述滤波及放大模块相连。

根据本发明实施例提出的用于ICP加速度传感器的信号调理装置，可以根据需要设定滤波及放大模块的幅频相频参数，保证一定频率范围内的信号通过该信号调理装置滤波后相位变化绝对值小于0.2度，从而在转子动平衡中降低由于相移引起的平衡误差，提高了动平衡精度。

其中，在本发明的一个实施例中，所述第一电源模块通过电池进行供电，所述第二电源模块通过交流市电进行供电。因此，本发明可以根据实际需要选择由电池供电或220V电源供电，满足用户不同用途需求。

具体地，在本发明的一个实施例中，所述传感器接口模块包括BNC连接器，所述BNC连接器与所述ICP加速度传感器相连。

优选地，在本发明的一个实施例中，所述交流耦合模块为一阶无源高通滤波电路，所述一阶无源高通滤波电路的截止频率的配置范围为0.6-1.2Hz。

优选地，在本发明的一个实施例中，所述滤波及放大模块为四阶Butterworth Sallen-Key有源低通滤波放大电路，根据需要设定所述滤波及放大模块的放大倍数、截止频率和幅频相频参数。

优选地，在本发明的一个实施例中，所述四阶Butterworth Sallen-Key有源低通滤波放大电路的截止频率范围为5-30kHz。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述的用于ICP加速度传感器的信号调理装置还包括：限流保护模块，所述限流保护模块连接在所述恒流源模块和所述传感器接口模块之间，在流过所述限流保护模块的电流超过预设电流时，所述限流保护模块自动断开，其中，所述预设电流可以为20mA。

优选地，在本发明的一个实施例中，所述恒流源模块输出恒定电流的范围为2-20mA。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述集成运放供电模块为所述滤波及放大模块提供±9V双电源。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一电源模块和所述第二电源模块输出的电压范围为18-28V。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的用于ICP加速度传感器的信号调理装置的结构示意图；

图2为根据本发明一个具体实施例的用于ICP加速度传感器的信号调理装置的滤波及放大模块的幅频、相频特性图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

下面参照附图对本发明实施例提出的用于ICP加速度传感器的信号调理装置进行描述。

图1为根据本发明实施例的用于ICP加速度传感器的信号调理装置结构示意图。

如图1所示，该用于ICP加速度传感器的信号调理装置包括：转换开关1、第一电源模块2和第二电源模块3、恒流源模块4、传感器接口模块5、交流耦合模块6、滤波及放大模块7、信号输出模块8以及集成运放供电模块9。

如图1所示，第一电源模块2和第二电源模块3分别与转换开关1相连，通过转换开关1切换可接通其中一路，以便第一电源模块2和第二电源模块3分别为所述信号调理装置供电，第一电源模块2和第二电源模块3输出的电压范围为18-28V，典型值为24V。

其中，在本发明的一个实施例中，第一电源模块2通过电池进行供电，第二电源模块3通过交流市电即220V电源进行供电。因此，本发明可以根据实际需要选择由电池供电或220V电源供电，满足用户不同用途需求。例如，使用电池供电适合与数据采集卡和平板电脑或笔记本电脑构成便捷式故障诊断仪；当需要长期在线监测时，可选择由220V电源供电。

在本发明的实施例中，如图1所示，恒流源模块4与转换开关1相连，在转换开关1的控制下与第一电源模块2或第二电源模块3接通，以便输出恒定电流。

需要说明的是，恒流源模块4中有高精度恒流源器件，通过计算选择一定阻值的电阻，可保证恒流源模块4输出电流值恒定在2-20mA之间某一定值。优选地，在本发明的一个实施例中，恒流源模块4输出恒定电流的范围为2-20mA，典型值为4mA。

在本发明的实施例中，传感器接口模块5与ICP加速度传感器相连，传感器接口模块5将ICP加速度传感器接入所述信号调理装置，ICP加速度传感器在工作时根据恒定电流输出检测信号。具体地，在本发明的一个实施例中，传感器接口模块5包括BNC连接器，BNC连接器与ICP加速度传感器相连。

进一步地，在本发明的一个实施例中，如图1所示，上述的用于ICP加速度传感器的信号调理装置还包括：限流保护模块10，限流保护模块10连接在恒流源模块4和传感器接口模块5之间，在流过限流保护模块10的电流超过预设电流时，限流保护模块10自动断开，从而保护ICP加速度传感器内部IC不被破坏，安全可靠。其中，预设电流可以为20mA。

也就是说，在流过限流保护模块10的电流超过20mA时，限流保护模块10自动断开，例如，限流保护模块10可以为20mA限流保险丝，从而保护ICP加速度传感器内部IC不被破坏，安全可靠。

在本发明的实施例中，如图1所示，交流耦合模块6与传感器接口模块5相连，交流耦合模块6将ICP加速度传感器输出的检测信号进行隔离过滤以生成交流电压信号。

优选地，在本发明的一个实施例中，交流耦合模块6为一阶无源高通滤波电路，一阶无源高通滤波电路的截止频率的配置范围为0.6-1.2Hz，典型值为1Hz，因此，交流耦合模块6能够隔离ICP加速度传感器输出的8-12V直流偏置电压，使需要的交流信号顺利通过以生成交流电压信号。

在本发明的实施例中，如图1所示，滤波及放大模块7与交流耦合模块6相连，滤波及放大模块7将交流电压信号进行低通滤波和放大处理。

优选地，在本发明的一个实施例中，滤波及放大模块7为四阶Butterworth Sallen-Key有源低通滤波放大电路，根据需要设定滤波及放大模块7的放大倍数、截止频率和幅频相频参数。具体地，四阶ButterworthSallen-Key有源低通滤波放大电路滤波特性优良，可以根据需要设计选择电阻、电容值，保证一定的放大倍数、截止频率及幅频相频特性，可使得一定频率范围内的信号经过滤波后相位变化甚微。

如图2所示，是针对转速3000rpm叶轮动平衡设计的信号调理装置运用仿真软件得到的幅频、相频特性图，从图中可以看出，通带平坦、阻带较陡峭，滚降速率每倍频-24dB，相频曲线中频率在46-58Hz的信号通过信号调理装置后相位变化在0.2度之间，50Hz频率信号通过信号调理装置相移0.05度，在转子动平衡中降低了由于相移引起的平衡误差，提高了动平衡精度。

优选地，在本发明的一个实施例中，四阶Butterworth Sallen-Key有源低通滤波放大电路的截止频率范围为5-30kHz，典型值为15kHz。

可以理解的是，上述的用于ICP加速度传感器的信号调理装置可扩展至多个通道，各个通道可有不同的截止频率及不同的幅频相频特性满足不同需要。

在本发明的实施例中，如图1所示，信号输出模块8与滤波及放大模块7相连，以便将低通滤波和放大处理过的交流电压信号进行输出。集成运放供电模块9与滤波及放大模块7相连，为滤波及放大模块7供电。

并且，在本发明的一个实施例中，集成运放供电模块9为滤波及放大模块7提供±9V双电源。具体地，在本发明的一个具体示例中，集成运放供电模块9为单电源转换为双电源电路，采用功放集成芯片接成电压跟随器，为滤波及放大模块7提供±9V双电源供电。

具体而言，上述的用于ICP加速度传感器的信号调理装置的工作过程及原理为：

将ICP加速度传感器固定在待测设备上，另一端通过电缆连接至传感器接口模块5的BNC连接器上，第一电源模块2上安装电池或将第二电源模块3接通220V电源后，拨动转换开关1切换至电池供电或220V电源供电，为电路提供18-28V间直流电源，此时恒流源模块4输出2-20mA恒定电流，流经限流保护模块10至ICP加速度传感器，ICP加速度传感器输出的信号中含有8-12V直流偏压及交流电压信号，信号流经交流耦合模块6后，8-12V直流偏置电压被隔离，只剩下需要的交流电压信号，交流电压信号经过滤波及放大模块7进行信号低通滤波和放大处理后，经信号输出模块8输出给数据采集仪器转换后为数字信号，再由电脑进行处理和显示。集成运放供电模块9为滤波及放大模块7提供±9V双电源。

根据本发明实施例提出的用于ICP加速度传感器的信号调理装置，可以根据需要设定滤波及放大模块的幅频相频参数，保证一定频率范围内的信号通过该信号调理装置滤波后相位变化绝对值小于0.2度，从而在转子动平衡中降低由于相移引起的平衡误差，提高了动平衡精度。此外，本发明可以根据实际需要选择由电池供电或220V电源供电，满足用户不同用途需求。

另外，本发明实施例的用于ICP加速度传感器的信号调理装置失调电压<1mV，等效输入噪声<100μVrms，并且具有限流保护电路，安全可靠。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (10)

1.一种用于ICP加速度传感器的信号调理装置，其特征在于，包括：

转换开关；

分别为所述信号调理装置供电的第一电源模块和第二电源模块，所述第一电源模块和所述第二电源模块分别与转换开关相连；

用于输出恒定电流的恒流源模块，所述恒流源模块与所述转换开关相连，在所述转换开关的控制下与所述第一电源模块或所述第二电源模块接通；

将所述ICP加速度传感器接入所述信号调理装置的传感器接口模块，所述传感器接口模块与所述ICP加速度传感器相连，所述ICP加速度传感器在工作时根据所述恒定电流输出检测信号；

将所述ICP加速度传感器输出的所述检测信号进行隔离过滤以生成交流电压信号的交流耦合模块，所述交流耦合模块与所述传感器接口模块相连；

将所述交流电压信号进行低通滤波和放大处理的滤波及放大模块，所述滤波及放大模块与所述交流耦合模块相连；

用于将低通滤波和放大处理过的交流电压信号进行输出的信号输出模块，所述信号输出模块与所述滤波及放大模块相连；以及

为所述滤波及放大模块供电的集成运放供电模块，所述集成运放供电模块与所述滤波及放大模块相连。

2.如权利要求1所述的用于ICP加速度传感器的信号调理装置，其特征在于，所述第一电源模块通过电池进行供电，所述第二电源模块通过交流市电进行供电。

3.如权利要求1所述的用于ICP加速度传感器的信号调理装置，其特征在于，所述传感器接口模块包括BNC连接器，所述BNC连接器与所述ICP加速度传感器相连。

4.如权利要求1所述的用于ICP加速度传感器的信号调理装置，其特征在于，所述交流耦合模块为一阶无源高通滤波电路，所述一阶无源高通滤波电路的截止频率的配置范围为0.6-1.2Hz。

5.如权利要求1所述的用于ICP加速度传感器的信号调理装置，其特征在于，所述滤波及放大模块为四阶Butterworth Sallen-Key有源低通滤波放大电路，根据需要设定所述滤波及放大模块的放大倍数、截止频率和幅频相频参数。

6.如权利要求5所述的用于ICP加速度传感器的信号调理装置，其特征在于，所述四阶Butterworth Sallen-Key有源低通滤波放大电路的截止频率范围为5-30kHz。

7.如权利要求1所述的用于ICP加速度传感器的信号调理装置，其特征在于，还包括：

限流保护模块，所述限流保护模块连接在所述恒流源模块和所述传感器接口模块之间，在流过所述限流保护模块的电流超过预设电流时，所述限流保护模块自动断开，其中，所述预设电流为20mA。

8.如权利要求7所述的用于ICP加速度传感器的信号调理装置，其特征在于，所述恒流源模块输出恒定电流的范围为2-20mA。

9.如权利要求1所述的用于ICP加速度传感器的信号调理装置，其特征在于，所述集成运放供电模块为所述滤波及放大模块提供±9V双电源。

10.如权利要求2所述的用于ICP加速度传感器的信号调理装置，其特征在于，所述第一电源模块和所述第二电源模块输出的电压范围为18-28V。

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