CN106153981A - Iepe型智能加速度传感器及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种IEPE型智能加速度传感器及其工作方法，包括压电晶体模块1，用于将加速度转换为电荷信号；前置放大器模块2，用于对电荷信号进行放大后转换为电压信号进行输出等。本发明可以对传感器进行现场校验，从而对传感器的质量状态进行合理的判断。同时，本发明还具有传感器电子数据表窗口功能，通过通信方式读取传感器的重要信息，实现传感器的现场追踪及现场灵敏度校准值设置，同时可现场改写传感器的内置灵敏度等信息。

Description

IEPE型智能加速度传感器及其工作方法
技术领域
本发明属于加速度传感器技术领域，具体涉及一种IEPE型智能加速度传感器及其工作方法。
背景技术
加速度传感器广泛应用于故障诊断、振动测试等领域，通过采集加速度信号，对设备的故障状态或设备的振级进行确认。显然，加速度传感器自身的状态对采集的信号有直接的影响。例如，传感器的灵敏度发生飘移、传感器的频响发生变化、传感器的线路发生断路、短路、或绝缘下降、采集的信号显然会失真，如果不能及时发现并排除传感器故障，对分析的结果将产生严重的影响，导致错误的结论，从而对设备的状态造成误判。但在一些测试现场，经常采用的是图2所示的传统加速度传感器，不具备自校验及传感器电子数据表窗口功能，由于传感器的布置数量及布置范围较大，如果将所有的传感器都取下来送到计量中心计量，或者现场采用便携式设备现场校验，其工作量将非常大，将会耗费大量的人力物力，并且由于一些传感器布置在狭小的空间内，现场校验难以开展。此外，传感器经过计量后，每个加速度传感器的灵敏度校准值均不同，当现场的传感器的数量较多时，如果采用普通传感器，采集系统定位传感器的安装位置及设定相应的灵敏度校准值，会非常费时费力且容易出错。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述不足提供一种IEPE型智能加速度传感器及其工作方法。
本发明IEPE型智能加速度传感器，包括压电晶体模块1，用于将加速度转换为电荷信号；前置放大器模块2，用于对电荷信号进行放大后转换为电压信号进行输出；还包括：
微控制器模块3，用于对通信指令进行解析、存储及控制，负责与采集装置13通信并执行相应的功能；
通信电平转换模块4，用于在与内部模块通信时采用TTL电平，在与外部通信时采用485电平，从而完成电平的转换，提高通信的可靠性；
恒流监测模块5，用于监测供电恒流的大小和方向，及时将模式切换信号发送至微控制器模块3；
储能模块6，用于将采集装置13电能存储起来，为恒压源模块7提供电能供给；
恒压源模块7，用于将储能模块6的电能转化成恒压电源的方式输出，为传感器内部的其它模块提供电能；
充电模块8，将采集装置13提供的部分恒流电流转化为供电电流，对储能模块6进行充电；
精密信号发生电路模块9，用于发生一定频率及幅度的交流信号，提供对前置放大器模块2进行校验的信号；
标准电容模块10，用于将精密信号发生电路模块9产生的校验信号转换为电荷信号，并耦合到前置放大器模块2后输出标准校验信号；
信号源切换控制模块11，用于根据指令在压电晶体模块1的电荷信号、精密信号发生电路模块9的信号及前置放大器模块2的输入接地三者之间进行切换；
供电通信切换控制模块12，用于根据指令将系统在供电模式与通信模式之间进行切换。
进一步，所述微控制器模块3是本发明的核心，内部集成EEPROM，具有完备的控制及存储功能，对通信指令进行解析，负责与采集装置通信并执行相应的功能，所述微控制器模块3执行相应的功能包括：根据采集装置13的指令将传感器的有关信息上传；根据采集装置13的指令存储改写信息；根据采集装置13的指令对信号源进行切换，校验模式时切换至精密信号发生电路模块9，正常工作模式时切换至压电晶体模块1，充电模式是将前置放大器模块2的输入接地；根据采集装置13指令，控制精密信号发生电路模块9发出频率及幅度一定的信号，对前置放大进行校验；负责电源电路的充电管理；根据采集装置13指令控制供电通信切换控制模块12，在通信模式与供电模式之间直接进行切换。
所述的IEPE型智能加速度传感器的工作方法包括以下步骤：
步骤1：初次使用时，采集装置13正常供电后，传感器首先通过充电模块8对储能模块6进行充电，为传感器正常工作积蓄电能；
步骤2：经过采集装置13预设的时间后，如果传感器系统正常，当传感器储能模块6的供电电压超过设定的电压阈值上限时，此时恒压源模块7开始工作，系统自动唤醒；
步骤3：自动唤醒后，系统将信号源切换控制模块11的开关位置设为校验模式，输出校验信号，此时恒流源一方面给前置放大器模块2供电，另一方面可继续为储能模块6充电；此时采集装置13可对传感器进行校验，同时也表明传感器已经正常工作；如果采集装置13未收到校验信号，表明传感器系统不正常，将该传感器标记为故障传感器；
步骤4：此时采集装置13可切断恒流源进入通信模式，传感器中的恒流监测模块5会监测到线路中电流的大小及方向，自动判断是供电模式还是通信模式，如果是通信模式，立即通知微控制器模块3转入通信模式，此时双方可按事先约定的协议进行握手通信，采集装置13可以向传感器发送命令，读写传感器的信息、通知传感器切换工作模式；
步骤5：如果在通信模式下，传感器电能即将耗完，微控制器模块3会监测到电压低于阈值下限，此时会向采集装置13发出充电请求，采集装置13立即转换为供电模式，传感器的恒流监测模块5会监测到恒流信号，也立即切换为充电模式，并将前置放大器模块2的输入信号接地，将前置放大器模块2模块输出置零并自动转入步骤2，充电完成后继续完成余下的工作；如果在通信模式下电能充足，则继续进行通信；
步骤6：采集装置13收集完信息并进行正确的设置后，控制传感器开始正常工作。
本发明可以对传感器进行现场校验，从而对传感器的质量状态进行合理的判断。同时，本发明还具有传感器电子数据表窗口功能，通过通信方式读取传感器的重要信息，实现传感器的现场追踪及现场灵敏度校准值设置，同时可现场改写传感器的内置灵敏度等信息。
附图说明
图1是本发明IEPE型智能加速度传感器结构示意图。
图2是传统加速度传感器结构示意图。
图3是IEPE型智能加速度传感器的工作方法流程示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步的说明：
本发明IEPE型智能加速度传感器，包括压电晶体模块1，用于将加速度转换为电荷信号；前置放大器模块2，用于对电荷信号进行放大后转换为电压信号进行输出；还包括：微控制器模块3，用于对通信指令进行解析、存储及控制，负责与采集装置13通信并执行相应的功能；通信电平转换模块4，用于在与内部模块通信时采用TTL电平，在与外部通信时采用485电平，从而完成电平的转换，提高通信的可靠性；恒流监测模块5，用于监测供电恒流的大小和方向，及时将模式切换信号发送至微控制器模块3；储能模块6，用于将采集装置13电能存储起来，为恒压源模块7提供电能供给；恒压源模块7，用于将储能模块6的电能转化成恒压电源的方式输出，为传感器内部的其它模块提供电能；充电模块8，将采集装置13提供的部分恒流电流转化为供电电流，对储能模块6进行充电；精密信号发生电路模块9，用于发生一定频率及幅度的交流信号，提供对前置放大器模块2进行校验的信号；标准电容模块10，用于将精密信号发生电路模块9产生的校验信号转换为电荷信号，并耦合到前置放大器模块2后输出标准校验信号；信号源切换控制模块11，用于根据指令在压电晶体模块1的电荷信号、精密信号发生电路模块9的信号及前置放大器模块2的输入接地三者之间进行切换；供电通信切换控制模块12，用于根据指令将系统在供电模式与通信模式之间进行切换。
所述微控制器模块3内部集成EEPROM，所述微控制器模块3执行相应的功能包括：根据采集装置13的指令将传感器的有关信息上传；根据采集装置13的指令存储改写信息；根据采集装置13的指令对信号源进行切换，校验模式时切换至精密信号发生电路模块9，正常工作模式时切换至压电晶体模块1，充电模式是将前置放大器模块2的输入接地；根据采集装置13指令，控制精密信号发生电路模块9发出频率及幅度一定的信号，对前置放大进行校验；负责电源电路的充电管理；根据采集装置13指令控制12，在通信模式与供电模式之间直接进行切换。
所述的IEPE型智能加速度传感器的工作方法包括以下步骤：
步骤1：初次使用时，采集装置13正常供电后，传感器首先通过充电模块8对储能模块6进行充电，为传感器正常工作积蓄电能；
步骤2：经过采集装置13预设的时间后，如果传感器系统正常，当传感器储能模块6的供电电压超过设定的电压阈值上限时，此时恒压源模块7开始工作，系统自动唤醒；
步骤3：自动唤醒后，系统将信号源切换控制模块11的开关位置设为校验模式，输出校验信号，此时恒流源一方面给前置放大器模块2供电，另一方面可继续为储能模块6充电；此时采集装置13可对传感器进行校验，同时也表明传感器已经正常工作；如果采集装置13未收到校验信号，表明传感器系统不正常，将该传感器标记为故障传感器；
步骤4：此时采集装置13可切断恒流源进入通信模式，传感器中的恒流监测模块5会监测到线路中电流的大小及方向，自动判断是供电模式还是通信模式，如果是通信模式，立即通知微控制器模块3转入通信模式，此时双方可按事先约定的协议进行握手通信，采集装置13可以向传感器发送命令，读写传感器的信息、通知传感器切换工作模式；
步骤5：如果在通信模式下，传感器电能即将耗完，微控制器模块3会监测到电压低于阈值下限，此时会向采集装置13发出充电请求，采集装置13立即转换为供电模式，传感器的恒流监测模块5会监测到恒流信号，也立即切换为充电模式，并将前置放大器模块2的输入信号接地，将前置放大器模块2模块输出置零并自动转入步骤2，充电完成后继续完成余下的工作；如果在通信模式下电能充足，则继续进行通信；
步骤6：采集装置13收集完信息并进行正确的设置后，控制传感器开始正常工作。
本发明的元件均采用微功耗器件，降低整个传感器的功耗，以延长智能传感器在通信状态时的工作时间。发明智能传感器仍然采用两线制，不增加线路成本及布线的难度，通信与模拟信号的传输采用分时复用的方式实现。
本发明智能传感器以微控制器模块3为核心，完成整个传感器任务的调度，其它配合的模块在微控制器的调度下实现各自的功能。
本发明智能传感器主要具有自校验功能及传感器电子数据表窗口功能。研究表明，加速度传感器的故障主要出现在前置放大器上，占传感器故障的90％以上。因此，本发明主要校验传感器的前置放大器。当需要对传感器进行现场校验时，采集装置13通过通信方式对传感器发出指令，微控制器模块3收到指令后，根据采集装置13的指令对信号发生电路进行控制，发出所需要的频率及幅度信号，因此可以对传感器进行现场校验，从而对传感器的质量状态进行合理的判断。同时，本发明智能传感器还具有传感器电子数据表窗口功能，通过通信方式读取传感器的重要信息，实现传感器的现场追踪及现场灵敏度校准值设置，同时可现场改写传感器的内置灵敏度等信息。

Claims (3)

1.一种IEPE型智能加速度传感器，包括压电晶体模块(1)，用于将加速度转换为电荷信号；前置放大器模块(2)，用于对电荷信号进行放大后转换为电压信号进行输出；其特征在于还包括：
微控制器模块(3)，用于对通信指令进行解析、存储及控制，负责与采集装置(13)通信并执行相应的功能；
通信电平转换模块(4)，用于在与内部模块通信时采用TTL电平，在与外部通信时采用485电平，从而完成电平的转换，提高通信的可靠性；
恒流监测模块(5)，用于监测供电恒流的大小和方向，及时将模式切换信号发送至微控制器模块(3)；
储能模块(6)，用于将采集装置(13)电能存储起来，为恒压源模块(7)提供电能供给；
恒压源模块(7)，用于将储能模块(6)的电能转化成恒压电源的方式输出，为传感器内部的其它模块提供电能；
充电模块(8)，将采集装置(13)提供的部分恒流电流转化为供电电流，对储能模块(6)进行充电；
精密信号发生电路模块(9)，用于发生一定频率及幅度的交流信号，提供对前置放大器模块(2)进行校验的信号；
标准电容模块(10)，用于将精密信号发生电路模块(9)产生的校验信号转换为电荷信号，并耦合到前置放大器模块(2)后输出标准校验信号；
信号源切换控制模块(11)，用于根据指令在压电晶体模块(1)的电荷信号、精密信号发生电路模块(9)的信号及前置放大器模块(2)的输入接地三者之间进行切换；
供电通信切换控制模块(12)，用于根据指令将系统在供电模式与通信模式之间进行切换。
2.根据权利要求1所述的IEPE型智能加速度传感器，其特征在于：所述微控制器模块(3)内部集成EEPROM，所述微控制器模块(3)执行相应的功能包括：根据采集装置(13)的指令将传感器的有关信息上传；根据采集装置(13)的指令存储改写信息；根据采集装置(13)的指令对信号源进行切换，校验模式时切换至精密信号发生电路模块(9)，正常工作模式时切换至压电晶体模块(1)，充电模式是将前置放大器模块(2)的输入接地；根据采集装置(13)指令，控制精密信号发生电路模块(9)发出频率及幅度一定的信号，对前置放大进行校验；负责电源电路的充电管理；根据采集装置(13)指令控制供电通信切换控制模块(12)，在通信模式与供电模式之间直接进行切换。
3.根据权利要求2所述的IEPE型智能加速度传感器，其工作方法包括以下步骤：
步骤1：初次使用时，采集装置(13)正常供电后，传感器首先通过充电模块(8)对储能模块(6)进行充电，为传感器正常工作积蓄电能；
步骤2：经过采集装置(13)预设的时间后，如果传感器系统正常，当传感器储能模块(6)的供电电压超过设定的电压阈值上限时，此时恒压源模块(7)开始工作，系统自动唤醒；
步骤3：自动唤醒后，系统将信号源切换控制模块(11)的开关位置设为校验模式，输出校验信号，此时恒流源一方面给前置放大器模块(2)供电，另一方面可继续为储能模块(6)充电；此时采集装置(13)可对传感器进行校验，同时也表明传感器已经正常工作；如果采集装置(13)未收到校验信号，表明传感器系统不正常，将该传感器标记为故障传感器；
步骤4：此时采集装置(13)可切断恒流源进入通信模式，传感器中的恒流监测模块(5)会监测到线路中电流的大小及方向，自动判断是供电模式还是通信模式，如果是通信模式，立即通知微控制器模块(3)转入通信模式，此时双方可按事先约定的协议进行握手通信，采集装置(13)可以向传感器发送命令，读写传感器的信息、通知传感器切换工作模式；
步骤5：如果在通信模式下，传感器电能即将耗完，微控制器模块(3)会监测到电压低于阈值下限，此时会向采集装置(13)发出充电请求，采集装置(13)立即转换为供电模式，传感器的恒流监测模块(5)会监测到恒流信号，也立即切换为充电模式，并将前置放大器模块(2)的输入信号接地，将前置放大器模块(2)模块输出置零并自动转入步骤2，充电完成后继续完成余下的工作；如果在通信模式下电能充足，则继续进行通信；
步骤6：采集装置(13)收集完信息并进行正确的设置后，控制传感器开始正常工作。
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