CN108955862B - 一种基于并联同步开关电感技术的新型振动频率传感器 - Google Patents

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Abstract

一种基于并联同步开关电感技术的新型振动频率传感器，由压电能量采集器和信号调理电路组成。通过压电能量采集器直接检测正弦振动，并将该振动转化为相应输出电压；通过信号调理电路对所述输出电压进行处理，得到一个反映振动频率大小的输出电压信号。另外，该传感器相对比较简单，而且可以直接测量正弦振动频率。

Description

一种基于并联同步开关电感技术的新型振动频率传感器
技术领域
本发明属于传感器领域，特别涉及到一种基于并联同步开关电感技术的新型振动频率传感器。
背景技术
机械振动现象普遍存在于生产、生活的方方面面，人们期望控制机械振动以更好地服务于人类的生产、生活。但是大多数情况下，机械振动是有害的，例如振动现象会导致机械故障，甚至破坏整个生产系统，造成经济损失、人员伤亡、环境污染等严重后果。为减少机械振动的危害，保证机械设备安全可靠运行，机械振动的实时监测和机械故障的早期诊断是十分重要的。目前，常用的机械振动实时监测和分析方法包括：振动测量和分析、油样分析、探伤检验、噪声检测等，在上述方法中振动测量和分析是一种比较有效的方法。
近年来，市面上出现了多种振动传感器，大体上可分为两类：非接触式传感器系统和接触式传感器系统。其中非接触式传感器系统多由电容、电感、光学元件等组成，在某种程度上取得了一定的效果。但是基于电容和电感的传感器系统抗电磁干扰性能较差，基于光学元件的传感器系统容易受粗糙表面、不透明气体、灰尘等因素的影响，而且非接触式传感器系统结构比较复杂、成本较高。接触式传感器系统则是采用一些传感器如加速度计或探针测量物体表面的振动，与非接触式传感器系统相比，接触式传感器系统相对比较简单、成本较低、同样可以获得较好的效果。
然而，现有的振动频率传感器系统，无论是接触式还是非接触式，都存在以下缺陷：
（1）振动传感器系统大多数直接测量振动的位移、速度和加速度，而无法直接反映振动频率的大小；
（2）为了从这些常见的传感器系统获得频率信息，必须增加额外的转换或处理单元，导致系统更加复杂、冗余，增加了使用成本。
发明内容
针对现有振动频率传感器存在的问题，本发明一种基于并联同步开关电感技术的新型振动频率传感器，由压电能量采集器和信号调理电路组成。通过压电能量采集器直接检测正弦振动，并将该振动转化为相应输出电压；通过信号调理电路对所述输出电压进行处理，得到一个反映振动频率大小的输出电压信号。另外，该传感器相对比较简单，而且可以直接测量正弦振动频率。
一种基于并联同步开关电感技术的新型振动频率传感器，如图1所示，包括：压电能量采集器和信号调理电路。
所述压电能量采集器采用压电悬臂梁结构，压电能量采集器被夹钳固定在振动台上。函数信号发生器产生一个正弦输出信号，经过功率放大器放大后输入到振动台产生相应的正弦振动，以此方式，振动台为压电悬臂梁提供确定频率下的正弦振动。受输入正弦振动激励的影响，基于压电效应，压电悬臂梁上下两层的压电材料因振动而产生拉伸或压缩形变，形成正弦输出电压。因而，压电能量采集器可以将正弦振动频率转换成对应的正弦输出电压。
所述信号调理电路由并联同步开关电感电路、脉冲整形器和低通滤波器组成，可用于处理压电能量采集器的正弦输出电压，并输出一个与振动频率大小相关的电压信号。
所述并联同步开关电感电路，如图2阴影部分所示。并联同步开关电感电路由一个电感
Figure 583929DEST_PATH_IMAGE001
、两个二极管和MOS开关串联支路组成，其中一路使用PMOS开关，一路使用NMOS开关，电压/>
Figure 801020DEST_PATH_IMAGE002
为MOS开关控制电压。图2中非阴影部分所示电路为压电能量收集器件的等效电路模型。当开关闭合时，其中一条支路导通，电感/>
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和电容/>
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构成高频/>
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谐振回路，同时该
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谐振回路开始振荡；经过/>
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个振荡周期后，电容/>
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上的电压由/>
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翻转成/>
Figure 960026DEST_PATH_IMAGE007
，由于二极管具有单向导通特性，/>
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个振荡周期后流过电感的电流被二极管阻断，因此高频/>
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谐振回路只发生/>
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个振荡周期的谐振。MOS开关控制电压/>
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与压电能量采集器输出电流同相位。一旦压电能量采集器的输出电流/>
Figure 594532DEST_PATH_IMAGE008
经过零点或符号发生变化，并联同步开关电感电路就会工作，因此其输出电压/>
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和电流/>
Figure 255157DEST_PATH_IMAGE008
是同相的。综上所述，并联同步开关电感电路可用于跟踪压电能量采集器输出电流零点并翻转压电能量采集器输出电压极性，以实现振动频率跟踪，同时得到并联同步开关电感电路输出电压/>
Figure 328155DEST_PATH_IMAGE009
。并联同步开关电感电路的传统应用主要针对压电能量采集领域，在压电能量采集过程中可用于减小压电陶瓷电容充、放电过程中的能量损失，以提高压电能量采集器的能量采集功率；而在本发明中，并联同步开关电感电路主要用于跟踪电流零点、翻转电压极性，以实现振动频率的跟踪。
所述脉冲整形器，如图3所示，与并联同步开关电感电路相连接，主要包括：
Figure 109160DEST_PATH_IMAGE010
微分电路、电压比较器、单稳态触发器，三者依次相连。所述/>
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微分电路将并联同步开关电感电压信号/>
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转化成周期性尖脉冲信号/>
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，微分电路中电容和电阻的具体数值由振动频率和/>
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时间常数/>
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决定。/>
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时间常数/>
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和振动周期/>
Figure 813232DEST_PATH_IMAGE013
应满足如下关系：/>
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，这样在并联同步开关电感信号的上升和下降沿，微分电路的输出电压/>
Figure 422516DEST_PATH_IMAGE011
就会出现较高的脉冲尖峰，从而有利于后级电压比较器处理；所述电压比较器，与/>
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微分电路相连，通过比较尖脉冲/>
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和直流参考电压/>
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，可将尖脉冲/>
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转化成矩形脉冲/>
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，该矩形脉冲的脉宽随振动频率发生变化，为了获得较好的转换效果，直流参考电压/>
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应小于50mV；所述单稳态触发器，与电压比较器相连，位于脉冲整形器的末端，可将脉宽变化的矩形脉冲/>
Figure 166547DEST_PATH_IMAGE016
转化成脉宽固定的矩形脉冲/>
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，利用该单稳态触发器可以得到脉宽和高电平固定不变的周期性矩形脉冲。综上所述，通过脉冲整形器可以将并联同步开关电感电路的输出电压/>
Figure 48232DEST_PATH_IMAGE009
转换为脉宽和高电平固定的矩形脉冲/>
Figure 8711DEST_PATH_IMAGE017
。
所述低通滤波器，如图4所示，位于信号调制电路的末端，由一阶
Figure 88793DEST_PATH_IMAGE010
滤波器和二阶Sallen-Key低通滤波器组成。低通滤波器可用于滤除脉宽和高电平固定的矩形脉冲/>
Figure 22114DEST_PATH_IMAGE017
中的交流分量以提取其直流分量/>
Figure 487731DEST_PATH_IMAGE018
，进而获得振动频率的具体数值/>
Figure 825302DEST_PATH_IMAGE019
。
从理论上分析，正弦振动频率的获取过程如下：
脉宽和高电平固定的周期性矩形脉冲具体数学表达式为：
Figure 376369DEST_PATH_IMAGE020
其中，
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表示脉冲宽度，/>
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表示周期，/>
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为输出电压高电平。函数/>
Figure 874948DEST_PATH_IMAGE023
的傅里叶级数形式可表示为：
Figure 477967DEST_PATH_IMAGE024
从上式可以看出脉宽和高电平固定的周期性矩形脉冲的直流分量与脉冲宽度
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、周期/>
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、输出电压高电平/>
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有关。在振动过程中，若能保证/>
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和/>
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不变，则直流分量仅仅与周期/>
Figure 704604DEST_PATH_IMAGE013
有关，这样振动频率就可由直流分量确定。
三阶Sallen-Key低通滤波器传递函数的具体形式为：
Figure 983139DEST_PATH_IMAGE025
其中，
Figure 741010DEST_PATH_IMAGE026
为一阶RC滤波器的截止频率，/>
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为二阶Sallen-Key滤波器的截止频率，
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为衰减系数。/>
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取值为0.707，以获得最大的通带频率响应；/>
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和/>
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的取值可为振动频率的/>
Figure 668830DEST_PATH_IMAGE029
，以获得较好的滤波效果。
如上所述，低通滤波器可以提取直流分量
Figure 656378DEST_PATH_IMAGE018
，通过直流分量/>
Figure 693735DEST_PATH_IMAGE018
计算振动频率
Figure 83128DEST_PATH_IMAGE019
的方法如下：
Figure 177599DEST_PATH_IMAGE030
一种基于并联同步开关电感技术的新型振动频率传感器可以直接测量正弦振动频率，而且该系统相对比较简单、成本较低、在较宽的频率范围内具有比较准确的测量结果。
附图说明
图1是本发明基于并联同步开关电感技术的新型振动频率传感器结构示意图；
图2是本发明所述并联同步开关电感电路原理示意图；
图3是本发明所述脉冲整形器原理示意图；
图4是本发明所述低通滤波器原理示意图；
图5是实验装置结构示意图。
具体实施方式
所述具体实施例的实验装置如图5所示，包括：数字示波器、函数信号发生器、信号调理电路、功率放大器、压电能量采集器、振动台、驱动电源等。其中压电能量采集器通过夹钳固定在振动台上。
所述具体实施例中振动频率的最小值为200Hz，截止频率
Figure 386863DEST_PATH_IMAGE026
和/>
Figure 227911DEST_PATH_IMAGE027
的取值为10Hz。
所述压电能量采集器通过夹钳固定在振动台上。
所述信号调理电路包括并联同步开关电感电路、脉冲整形器和低通滤波器。
所述函数信号发生器用于产生正弦信号，其中一路作为开关脉冲输入到信号调理电路，另外一路通过功率放大器作用于振动台，为压电能量采集器提供稳定的正弦振动。
所述数字示波器用于测量和显示信号调理电路的输出电压
Figure 409494DEST_PATH_IMAGE018
，鉴于振动频率
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与输出电压/>
Figure 639935DEST_PATH_IMAGE018
成比例关系，所以根据输出电压可以直接得到振动频率。
具体实施方式如下：
函数信号发生器产生标准的正弦信号，经功率放大器放大后，作用于振动台；振动台会进行规律的正弦振动；固定于振动台上的压电能量采集器受正弦振动的影响，基于压电效应，压电悬臂梁上下两层的压电材料因振动而产生拉伸或压缩形变，形成正弦输出电流。此输出电流首先通过并联同步开关电感电路，当电流通过零点或符号发生变化时，并联同步开关电感电路的输出电压会发生变化，以实现对振动频率的跟踪。并联同步开关电感电路的输出电压经脉冲整形器和低通滤波器，进行脉宽固定和滤波处理，得到能够反映振动频率大小的直流分量，并在数字示波器上显示。

Claims (2)

1.一种基于并联同步开关电感技术的新型振动频率传感器，其特征在于：包括：压电能量采集器和信号调理电路，所述信号调理电路由并联同步开关电感电路、脉冲整形器和低通滤波器组成，可用于处理压电能量采集器的正弦输出电压，并输出一个与振动频率大小相关的电压信号，并联同步开关电感电路，由一个电感
Figure QLYQS_1
、两个二极管和MOS开关串联支路组成，其中一路使用PMOS开关，一路使用NMOS开关，电压/>
Figure QLYQS_2
为MOS开关控制电压；可用于跟踪压电能量采集器输出电流零点并翻转压电能量采集器输出电压极性，以实现振动频率跟踪，同时得到并联同步开关电感电路输出电压/>
Figure QLYQS_3
；
所述脉冲整形器，与并联同步开关电感电路相连接，主要包括：
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微分电路、电压比较器、单稳态触发器，三者依次相连；可以将并联同步开关电感电路的输出电压/>
Figure QLYQS_8
转换为脉宽和高电平固定的矩形脉冲/>
Figure QLYQS_22
；所述低通滤波器，位于信号调制电路的末端，由一阶/>
Figure QLYQS_6
滤波器和二阶Sallen-Key低通滤波器组成；可用于滤除脉宽和高电平固定的矩形脉冲/>
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中的交流分量以提取其直流分量/>
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，进而获得振动频率的具体数值/>
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；所述/>
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微分电路将并联同步开关电感电压信号/>
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转化成周期性尖脉冲信号/>
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，微分电路中电容和电阻的具体数值由振动频率和/>
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决定；所述电压比较器，与/>
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和直流参考电压/>
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，可将尖脉冲/>
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转化成矩形脉冲/>
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；所述单稳态触发器，与电压比较器相连，位于脉冲整形器的末端，可将脉宽变化的矩形脉冲/>
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转化成脉宽固定的矩形脉冲/>
Figure QLYQS_18
，可以得到脉宽和高电平固定不变的周期性矩形脉冲。
2.根据权利要求1所述一种基于并联同步开关电感技术的新型振动频率传感器，其特征在于：所述压电能量采集器采用压电悬臂梁结构，压电能量采集器被夹钳固定在振动台上，振动台为压电悬臂梁提供确定频率下的正弦振动；压电能量采集器可以将正弦振动频率转换成对应的正弦输出电压。
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