CN107449507B - 一种适用于工业现场的三轴压电式一体化振动变送器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了传感器领域内的三轴压电式一体化振动变送器，包括方形三维坐标外壳，方形三维坐标外壳上开设有放置敏感组件的凹槽，凹槽内设置有敏感组件；敏感组件包括套设在隔离罩内的基座，基座加工有垂直于基座的支撑板，支撑板上设置有螺栓，螺栓外周套设有衬套，衬套的外周沿螺栓轴向套设有导电片、晶体片、导电片以及质量块，螺栓的端部螺纹连接有限位螺母，隔离罩内位于敏感组件上方还设置有信号调理电路，方形三维坐标外壳上还设置有与信号调理电路相连的连接器，本发明首先通过采用精密积分电路和抗干扰V/I转换设计，将传感器的速度电压信号转换成标准的4‑20mA电流信号，提高输出信号精度，可用于机车上异步电机的实时监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种速度传感器，特别涉及一种三轴压电式速度传感器。
背景技术
工业自动化的核心是传感器，工业生产各个组成环节都需要传感器进行监控，并把数据反馈给控制中心，当出现异常时提前报警，以便及时进行预防和维护，保证工业生产正常进行。
压电式速度传感器是利用压电原理制作的用于测量振动、位移、转速等参数的测量仪器，三轴压电式速度传感器可以同时测量三个方向的振动信号，应用于发电、钢铁、冶金、化工、轨道交通等工业领域内的旋转和往复运动等相关的机械设备的测量。
目前，工业现场使用的三轴速度传感器输出的信号是电压信号，在复杂的工业环境下因为各种工业电气噪音干扰，传感器输出的信号传送到控制中心时往往叠加了各种干扰信号，直接将其送入数据采集终端进行模数转换，实际精度和线性度大受影响；另外，工业现场往往需要将传感器输出的信号通过很长的传输线进行传输，传输线的电阻会产生电压降，那么接受端的信号就会产生误差；还有，工业现场环境复杂，往往出现现场接地不可靠的问题，此时传感器的输出信号就会不稳定，出现偏差。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于工业现场的三轴压电式一体化振动变送器，解决工业现场三轴速度传感器输出电压信号干扰严重、电压信号误差较大、信号传输不稳定的问题，使得检测到的速度数据更加稳定可靠。
本发明的目的是这样实现的：一种适用于工业现场的三轴压电式一体化振动变送器，包括方形三维坐标外壳，所述方形三维坐标外壳上沿X轴、Y轴、Z轴方向分别开设有放置敏感组件的凹槽，所述凹槽内设置有敏感组件，且敏感组件经隔离板封闭在所述凹槽内；所述敏感组件包括套设在隔离罩内的基座，所述基座中心加工有垂直于基座的支撑板，所述支撑板上贯穿设置有螺栓，所述螺栓位于支撑板两侧的部分对称设置，所述螺栓外周套设有衬套，所述衬套的外周沿螺栓轴向从螺栓中部到螺栓两端依次套设有导电片、晶体片、导电片以及质量块，所述螺栓的端部螺纹连接有限位螺母，所述隔离罩内位于敏感组件上方还设置有连接导电片的信号调理电路，方形三维坐标外壳上还设置有与所述信号调理电路相连的连接器。
作为本发明的进一步限定，所述信号调理电路包括：
放大电路，用以将来自敏感组件的高阻抗电信号调理成低阻抗信号，并放大处理；
精密积分转换电路，将放大后的交流加速度信号转化成交流速度信号；
交直流转换电路，将交流速度信号转化为直流速度信号；
归一化调整电路，将直流速度信号进行归一化调整后输出标准的直流速度信号；
电压电流转换电路，将标准的直流速度信号转化为标准的电流信号，最终输出。
作为本发明的进一步限定，所述放大电路将从敏感组件采集到的高阻抗电荷信号调理成低阻抗的电压信号并通过运算放大器放大处理，同时对低频下限频率进行展宽，稳定低频特性，最终输出加速度交流电压信号；所述精密积分转换电路利用电容器的储能特性与运算放大器组成的精密积分器，实现同相积分，将加速度交流电压信号转换成速度交流电压信号输出；所述放大电路和精密积分转换电路中运算放大器共用TLV2262双低压运算放大器，其中，TLV2262的1脚作为放大电路的输出端，经电阻R4、电容C1与TLV2262的6脚相连，TLV2262的2脚经电阻R2接敏感组件的一端，敏感组件的另一端连隔离罩，TLV2262的2脚还通过电阻R3与1脚相连，TLV2262的4脚连接在隔离罩上，TLV2262的6脚还经电阻R5与TLV2262的7脚相连，电阻R4与电容C1之间的电极点经电容C2与TLV2262的7脚相连，TLV2262的7脚作为精密积分转换电路的输出端与交直流转换电路输入端相连。
作为本发明的进一步限定，所述交直流转换电路将速度交流电压信号经过LTC1967CMS8精密扩展带宽交直流转换器以及外围电路组成的转换模块转换成速度直流电压信号输出；LTC1967CMS8的1脚与8脚相连接在隔离罩上，LTC1967CMS8的2脚作为交直流转换电路的输入端，经电容C3接TLV2262的7脚，LTC1967CMS8的3脚经电容C5接LTC1967CMS8的6脚，LTC1967CMS8的5脚经电容C4接LTC1967CMS8的6脚，LTC1967CMS8的3脚和5脚还作为交直流转换电路的输出端。
作为本发明的进一步限定，所述归一化调整电路将速度直流电压信号通过TLV2231低压运算放大器以及外围电路组成的调整电路进行归一化调整后输出标准的直流电压信号；TLV2231的1脚作为归一化调整电路的输入端经电阻R9接LTC1967CMS8的5脚，TLV2231的3脚也作为归一化调整电路的输入端经电阻R8接电容C5的一端同时与LTC1967CMS8的6脚相连，TLV2231的1脚还经电容C6连隔离罩，TLV2231的2脚连隔离罩，TLV2231的4脚作为归一化调整电路的输出端一路经电阻R12接TLV2231的3脚，另一路经电阻R13接电压电流转换电路。
作为本发明的进一步限定，所述电压电流转换电路将标准的直流电压信号通过XTR115提供精确的电流缩放和输出电流极限函数的电流环路发射机与外围电路组成的转换电路转换成标准的4-20mA抗干扰直流电流信号；XTR115的1脚分别经电阻R1接TLV2262的3脚、经电阻R6接TLV2262的5脚、经电阻R7接LTC1967CMS8的2脚、经电容C5接LTC1967CMS8的3脚，XTR115的2脚作为电压电流转换电路的输入端连接电阻R13，XTR115的3脚连隔离罩，XTR115的4脚作为输出端输出标准的4-20mA抗干扰直流电流信号， XTR115的5脚、6脚、7脚接三极管，XTR115的7脚作为电源输入端经二极管D1接电源，XTR115的8脚作为电源输出端分别接TLV2231的5脚、LTC1967CMS8的7脚、TLV2262的8脚，XTR115的8脚还经串联的电阻R10、R11接TLV2231的3脚，XTR115的4脚与7脚之间短接有电容C7，所述二极管D1的正极接电源，负极接XTR115的7脚，二极管的正极还通过串联的电容C8、电容C9接XTR115的4脚，电容C8、电容C9的连接点接外壳下地。
作为本发明的进一步限定，所述质量块外周沿螺栓轴向两侧延伸，形成包裹导电片、晶体片以及限位螺母的包边。
作为本发明的进一步限定，所述凹槽的底部设置有隔离片，所述敏感组件设置在隔离片上。
作为本发明的进一步限定，所述方形三维坐标外壳分成四块小方形结构，所述X轴、Y轴、Z轴三个方向的凹槽分别开设在所述四块小方形结构中的三块上，另一块小方形结构上设置连接器，所述凹槽内开设有与连接器相连接的布线通道。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于： 本发明首先通过采用精密积分电路和抗干扰V/I转换设计，将传感器的速度电压信号转换成标准的4-20mA电流信号，与传统产品输出电压信号相比抗干扰能力强，适合工业现场远距离传输，传输数百米不会因为线路损耗影响精度，采用三个独立的敏感件组件将三轴独立开，组件上加隔离罩解决X、Y、Z三轴之间信号相互干扰的问题，在信号调理电路中增加了限幅电路，采用阻容吸收（即过冲信号通过电容C8、电容C9释放到外壳下地），改善系统的阻尼系数，解决信号过冲的问题；通过控制敏感件组件的绝缘，组件上加隔离罩、双层隔离（即在凹槽的顶部和底部分别设置隔离板和隔离片）设计，调整信号调理电路的分布电容，输出电缆采用双绞屏蔽电缆等方法来增强变送器的抗电磁干扰能力；在信号调理电路中增加了地干扰对地短路虚拟通道（即隔离罩），抑制了现场接地不可靠而引起的干扰影响；本发明采用精密积分信号调理电路，提高输出信号精度。本发明可用于机车上异步电机的实时监测。
附图说明
图1为本发明装配示意图。
图2为本发明中敏感组件结构示意图。
图3为本发明中信号调理电路电路原理图。
其中，1隔离板，2a、2b隔离片，3敏感组件，3a基座，3b隔离罩，3c限位螺母，3d螺栓，3e质量块，3f导电片，3g衬套，3h晶体片，3i支撑板，3j信号调理电路，4方形三维坐标外壳，4a凹槽，4b布线通道，5连接器。
具体实施方式
如图1-3所示的一种适用于工业现场的三轴压电式一体化振动变送器，包括方形三维坐标外壳4，方形三维坐标外壳4上沿X轴、Y轴、Z轴方向分别开设有放置敏感组件3的凹槽4a，凹槽4a的底部设置有隔离片2b，凹槽4a内隔离片2b上设置有敏感组件3，且敏感组件3经隔离板1封闭在凹槽4a内；敏感组件3包括套设在隔离罩3b内的基座3a，隔离罩3b的顶部经隔离片2a封闭，基座3a中心加工有垂直于基座3a的支撑板3i，支撑板3i上贯穿设置有螺栓3d，螺栓3d位于支撑板3i两侧的部分对称设置，螺栓3d外周套设有衬套3g，衬套3g的外周沿螺栓3d轴向从螺栓3d中部到螺栓3d两端依次套设有导电片3f、晶体片3h、导电片3f以及质量块3e，螺栓3d的端部螺纹连接有限位螺母3c，质量块3e外周沿螺栓3d轴向两侧延伸，形成包裹导电片3f、晶体片3h以及限位螺母3c的包边，隔离罩3b内位于敏感组件3上方还设置有连接导电片3f的信号调理电路3j，方形三维坐标外壳4上还设置有与信号调理电路3j相连的连接器5，方形三维坐标外壳4分成四块小方形结构，X轴、Y轴、Z轴三个方向的凹槽4a分别开设在四块小方形结构中的三块上，另一块小方形结构上设置连接器5，凹槽4a内开设有与连接器5相连接的不信啊通道4b；
信号调理电路3j包括：
放大电路，用以将来自敏感组件3的高阻抗电信号调理成低阻抗信号，并放大处理；精密积分转换电路，将放大后的交流加速度信号转化成交流速度信号；放大电路将从敏感组件3采集到的高阻抗电荷信号调理成低阻抗的电压信号并通过运算放大器放大处理，同时对低频下限频率进行展宽，稳定低频特性，最终输出加速度交流电压信号；精密积分转换电路利用电容器的储能特性与运算放大器组成的精密积分器，实现同相积分，将加速度交流电压信号转换成速度交流电压信号输出；放大电路和精密积分转换电路中运算放大器共用TLV2262双低压运算放大器，其中，TLV2262的1脚作为放大电路的输出端，经电阻R4、电容C1与TLV2262的6脚相连，TLV2262的2脚经电阻R2接敏感组件3的一端，敏感组件3的另一端连隔离罩3b，TLV2262的2脚还通过电阻R3与1脚相连，TLV2262的4脚连接在隔离罩3b上，TLV2262的6脚还经电阻R5与TLV2262的7脚相连，电阻R4与电容C1之间的电极点经电容C2与TLV2262的7脚相连，TLV2262的7脚作为精密积分转换电路的输出端与交直流转换电路输入端相连；
交直流转换电路，将交流速度信号转化为直流速度信号，交直流转换电路将速度交流电压信号经过LTC1967CMS8精密扩展带宽交直流转换器以及外围电路组成的转换模块转换成速度直流电压信号输出；LTC1967CMS8的1脚与8脚相连接在隔离罩3b上，LTC1967CMS8的2脚作为交直流转换电路的输入端，经电容C3接TLV2262的7脚，LTC1967CMS8的3脚经电容C5接LTC1967CMS8的6脚，LTC1967CMS8的5脚经电容C4接LTC1967CMS8的6脚，LTC1967CMS8的3脚和5脚还作为交直流转换电路的输出端；
归一化调整电路，将直流速度信号进行归一化调整后输出标准的直流速度信号，归一化调整电路将速度直流电压信号通过TLV2231低压运算放大器以及外围电路组成的调整电路进行归一化调整后输出标准的直流电压信号；TLV2231的1脚作为归一化调整电路的输入端经电阻R9接LTC1967CMS8的5脚，TLV2231的3脚也作为归一化调整电路的输入端经电阻R8接电容C5的一端同时与LTC1967CMS8的6脚相连，TLV2231的1脚还经电容C6连隔离罩3b，TLV2231的2脚连隔离罩3b，TLV2231的4脚作为归一化调整电路的输出端一路经电阻R12接TLV2231的3脚，另一路经电阻R13接电压电流转换电路；
电压电流转换电路，将标准的直流速度信号转化为标准的电流信号，最终输出，电压电流转换电路将标准的直流电压信号通过XTR115提供精确的电流缩放和输出电流极限函数的电流环路发射机与外围电路组成的转换电路转换成标准的4-20mA抗干扰直流电流信号；XTR115的1脚分别经电阻R1接TLV2262的3脚、经电阻R6接TLV2262的5脚、经电阻R7接LTC1967CMS8的2脚、经电容C5接LTC1967CMS8的3脚，XTR115的2脚作为电压电流转换电路的输入端连接电阻R13，XTR115的3脚连隔离罩3b，XTR115的4脚作为输出端输出标准的4-20mA抗干扰直流电流信号， XTR115的5脚、6脚、7脚接三极管，XTR115的7脚作为电源输入端经二极管D1接电源，XTR115的8脚作为电源输出端分别接TLV2231的5脚、LTC1967CMS8的7脚、TLV2262的8脚，XTR115的8脚还经串联的电阻R10、R11接TLV2231的3脚，XTR115的4脚与7脚之间短接有电容C7，二极管D1的正极接电源，负极接XTR115的7脚，二极管的正极还通过串联的电容C8、电容C9接XTR115的4脚，电容C8、电容C9的连接点接外壳下地。
本发明工作时，当本发明固定安装在被测量物体上感受到振动时，三个传感器敏感件组件产生的电荷信号，分别经过放大电路、精密积分转换电路、交直流转换电路、归一化调整电路以及电压电流转换电路，将传感器感受到的振动转换成三个标准的4-20mA电流信号并输出；本发明感受到振动时，根据压电效应原理，X轴、Y轴、Z轴的敏感组件3产生电荷，通过信号调理电路3j，在①处取电压信号输入，经过放大处理后输出②,再经过精密积分转换电路将加速度信号转换成速度信号③，再进入交直流转换器将交变信号转换成直流信号输出④，再经过归一化调整后输出⑤，最后，经过抗干扰电压电流转换器转换成抗干扰的4-20mA电流信号输出⑥。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种适用于工业现场的三轴压电式一体化振动变送器，其特征在于，包括方形三维坐标外壳，所述方形三维坐标外壳上沿X轴、Y轴、Z轴方向分别开设有放置敏感组件的凹槽，所述凹槽内设置有敏感组件，且敏感组件经隔离板封闭在所述凹槽内；所述敏感组件包括套设在隔离罩内的基座，所述基座中心加工有垂直于基座的支撑板，所述支撑板上贯穿设置有螺栓，所述螺栓位于支撑板两侧的部分对称设置，所述螺栓外周套设有衬套，所述衬套的外周沿螺栓轴向从螺栓中部到螺栓两端依次套设有导电片、晶体片、导电片以及质量块，所述螺栓的端部螺纹连接有限位螺母，所述隔离罩内位于敏感组件上方还设置有连接敏感组件的信号调理电路，方形三维坐标外壳上还设置有与所述信号调理电路相连的连接器。
2.根据权利要求1所述的一种适用于工业现场的三轴压电式一体化振动变送器，其特征在于，所述信号调理电路包括：
放大电路，用以将来自敏感组件的高阻抗电信号调理成低阻抗信号，并放大处理；
精密积分转换电路，将放大后的交流加速度信号转化成交流速度信号；
交直流转换电路，将交流速度信号转化为直流速度信号；
归一化调整电路，将直流速度信号进行归一化调整后输出标准的直流速度信号；
电压电流转换电路，将标准的直流速度信号转化为标准的电流信号，最终输出。
3.根据权利要求2所述的一种适用于工业现场的三轴压电式一体化振动变送器，其特征在于，所述放大电路将从敏感组件采集到的高阻抗电荷信号调理成低阻抗的电压信号并通过运算放大器放大处理，同时对低频下限频率进行展宽，稳定低频特性，最终输出加速度交流电压信号；所述精密积分转换电路利用电容器的储能特性与运算放大器组成的精密积分器，实现同相积分，将加速度交流电压信号转换成速度交流电压信号输出；所述放大电路和精密积分转换电路中运算放大器共用TLV2262双低压运算放大器，其中，TLV2262的1脚作为放大电路的输出端，经电阻R4、电容C1与TLV2262的6脚相连，TLV2262的2脚经电阻R2接敏感组件的一端，敏感组件的另一端连隔离罩，TLV2262的2脚还通过电阻R3与1脚相连，TLV2262的4脚连接在隔离罩上，TLV2262的6脚还经电阻R5与TLV2262的7脚相连，电阻R4与电容C1之间的电极点经电容C2与TLV2262的7脚相连，TLV2262的7脚作为精密积分转换电路的输出端与交直流转换电路输入端相连。
4.根据权利要求3所述的一种适用于工业现场的三轴压电式一体化振动变送器，其特征在于，所述交直流转换电路将速度交流电压信号经过LTC1967CMS8精密扩展带宽交直流转换器以及外围电路组成的转换模块转换成速度直流电压信号输出；LTC1967CMS8的1脚与8脚相连接在隔离罩上，LTC1967CMS8的2脚作为交直流转换电路的输入端，经电容C3接TLV2262的7脚，LTC1967CMS8的3脚经电容C5接LTC1967CMS8的6脚，LTC1967CMS8的5脚经电容C4接LTC1967CMS8的6脚，LTC1967CMS8的3脚和5脚还作为交直流转换电路的输出端。
5.根据权利要求4所述的一种适用于工业现场的三轴压电式一体化振动变送器，其特征在于，所述归一化调整电路将速度直流电压信号通过TLV2231低压运算放大器以及外围电路组成的调整电路进行归一化调整后输出标准的直流电压信号；TLV2231的1脚作为归一化调整电路的输入端经电阻R9接LTC1967CMS8的5脚，TLV2231的3脚也作为归一化调整电路的输入端经电阻R8接电容C5的一端同时与LTC1967CMS8的6脚相连，TLV2231的1脚还经电容C6连隔离罩，TLV2231的2脚连隔离罩，TLV2231的4脚作为归一化调整电路的输出端一路经电阻R12接TLV2231的3脚，另一路经电阻R13接电压电流转换电路。
6. 根据权利要求5所述的一种适用于工业现场的三轴压电式一体化振动变送器，其特征在于，所述电压电流转换电路将标准的直流电压信号通过XTR115提供精确的电流缩放和输出电流极限函数的电流环路发射机与外围电路组成的转换电路转换成标准的4-20mA抗干扰直流电流信号；XTR115的1脚分别经电阻R1接TLV2262的3脚、经电阻R6接TLV2262的5脚、经电阻R7接LTC1967CMS8的2脚、经电容C5接LTC1967CMS8的3脚，XTR115的2脚作为电压电流转换电路的输入端连接电阻R13，XTR115的3脚连隔离罩，XTR115的4脚作为输出端输出标准的4-20mA抗干扰直流电流信号， XTR115的5脚、6脚、7脚接三极管，XTR115的7脚作为电源输入端经二极管D1接电源，XTR115的8脚作为电源输出端分别接TLV2231的5脚、LTC1967CMS8的7脚、TLV2262的8脚，XTR115的8脚还经串联的电阻R10、R11接TLV2231的3脚，XTR115的4脚与7脚之间短接有电容C7，所述二极管D1的正极接电源，负极接XTR115的7脚，二极管的正极还通过串联的电容C8、电容C9接XTR115的4脚，电容C8、电容C9的连接点接外壳下地。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种适用于工业现场的三轴压电式一体化振动变送器，其特征在于，所述质量块外周沿螺栓轴向两侧延伸，形成包裹导电片、晶体片以及限位螺母的包边。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的一种适用于工业现场的三轴压电式一体化振动变送器，其特征在于，所述凹槽的底部设置有隔离片，所述敏感组件设置在隔离片上。
9.根据权利要求1-6中任一项所述的一种适用于工业现场的三轴压电式一体化振动变送器，其特征在于，所述方形三维坐标外壳分成四块小方形结构，所述X轴、Y轴、Z轴三个方向的凹槽分别开设在所述四块小方形结构中的三块上，另一块小方形结构上设置连接器，所述凹槽内开设有与连接器相连接的布线通道。
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