CN108955863A - 一种基于电压倍增器的新型振动频率传感器系统 - Google Patents
一种基于电压倍增器的新型振动频率传感器系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108955863A CN108955863A CN201710360082.4A CN201710360082A CN108955863A CN 108955863 A CN108955863 A CN 108955863A CN 201710360082 A CN201710360082 A CN 201710360082A CN 108955863 A CN108955863 A CN 108955863A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- voltage
- vibration frequency
- voltage multiplier
- sensor system
- piezoelectric energy
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 claims abstract description 14
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 6
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 2
- 241000282414 Homo sapiens Species 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 238000013399 early diagnosis Methods 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H11/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
- G01H11/06—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
- G01H11/08—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means using piezoelectric devices
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
一种基于电压倍增器的新型振动频率传感器系统，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；利用电压倍增器、脉冲整形器和低通滤波器搭建信号调理电路；通过信号调理电路对压电能量采集器的输出电压进行处理，得到一个反映振动频率大小的输出电压信号；以实现正弦振动频率的直接测量，同时简化振动传感器系统结构，降低使用成本。
Description
技术领域
本发明属于传感器领域，特别涉及到一种基于电压倍增器的新型振动频率传感器系统。
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，机械振动是无法控制的，而且是有害的，例如：机械轴承的摩擦或偏心将会导致高速精密主轴产生振动，进而影响精密加工的精度；机械共振会加剧机器和旋转部件的振动，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，市面上出现了多种形式的振动传感器，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。但是仍有诸多问题需要解决，例如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；另外，非接触式传感器系统结构比较复杂、成本较高。相对而言，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）为了从这些常见的振动传感器系统中获取频率信息，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系统存在的问题，发明了一种基于电压倍增器的新型振动频率传感器系统，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；利用电压倍增器、脉冲整形器和低通滤波器搭建信号调理电路；通过信号调理电路对压电能量采集器的输出电压进行处理，得到一个反映振动频率大小的输出电压信号；以实现正弦振动频率的直接测量，同时简化振动传感器系统结构，降低使用成本。
一种基于电压倍增器的新型振动频率传感器系统，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电压倍增器、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。
所述电压倍增器，如图2所示，由两个二极管组成，其中一个和压电能量采集器并联，另外一个与压电能量采集器串联。当压电能量采集器的输出电流为负时，与其并联的二极管开启，这段时间内电压的数值为；当压电能量采集器的输出电流变为正时，与其串联的二极管开启，此时电压的数值为。即一旦压电能量采集器的输出电流经过零点或符号发生变化，电压倍增器的输出电压就会从变为或者从变为，而且与压电能量采集器的输出电流是同相的。因此，电压倍增器可用于跟踪压电能量采集器输出电流的零点，以实现振动频率跟踪，同时得到电压。
所述脉冲整形器，如图3所示，与电压倍增器相连接，主要包括：微分电路、电压比较器、单稳态触发器，三者依次相连。所述微分电路将电压倍增器输出电压信号转化成周期性尖脉冲信号，微分电路中电容和电阻的具体数值由振动频率和时间常数决定。时间常数和振动周期应满足如下关系：，这样在电压倍增器信号的上升和下降沿，微分电路的输出电压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，与微分电路相连，通过比较尖脉冲和直流参考电压，可将尖脉冲转化成矩形脉冲，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转化成脉宽固定的矩形脉冲，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电压倍增器的输出电压转换为脉宽和高电平固定的矩形脉冲。
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中的交流分量以提取其直流分量，进而获得振动频率的具体数值。
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：
其中，表示脉冲宽度，表示周期，为输出电压高电平。函数的傅里叶级数形式可表示为：
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、周期、输出电压高电平有关。在振动过程中，若能保证和不变，则直流分量仅仅与周期有关，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：
其中，为一阶RC滤波器的截止频率，为二阶Sallen-Key滤波器的截止频率，为衰减系数。取值为0.707，以获得最大的通带频率响应；和的取值可为振动频率的，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，通过直流分量计算振动频率的方法如下：
一种基于电压倍增器的新型振动频率传感器系统，其结构相对比较简单；使用成本较低；而且无需增加额外的转换或处理单元就可以直接测量正弦振动频率；同时该传感器系统在较宽的频率范围内获得比较理想的测量结果。
附图说明
图1是本发明基于电压倍增器的新型振动频率传感器系统结构示意图；
图2是本发明所述电压倍增器原理示意图；
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。
所述具体实施例中振动频率范围是200Hz到500Hz，根据频率最小值，截止频率和的优选取值为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电压倍增器、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，鉴于振动频率与输出电压成比例关系，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电压倍增器，当电流通过零点或符号发生变化时，电压倍增器的输出电压会发生变化，以实现对振动频率的跟踪。电压倍增器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 (5)
1.一种基于电压倍增器的新型振动频率传感器系统，其特征在于：包括：压电能量采集器和信号调理电路。
2.根据权利要求1所述一种基于电压倍增器的新型振动频率传感器系统，其特征在于：所述信号调理电路由电压倍增器、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。
3.根据权利要求2所述一种基于电压倍增器的新型振动频率传感器系统，其特征在于：所述电压倍增器，由两个二极管组成，其中一个和压电能量采集器并联，另外一个与压电能量采集器串联，用于跟踪压电能量采集器输出电流的零点，以实现振动频率跟踪，同时得到电压。
4.根据权利要求2所述一种基于电压倍增器的新型振动频率传感器系统，其特征在于：所述脉冲整形器，与电压倍增器相连接，主要包括：微分电路、电压比较器、单稳态触发器，三者依次相连；可以将电压倍增器的输出电压转换为脉宽和高电平固定的矩形脉冲。
5.根据权利要求4所述一种基于电压倍增器的新型振动频率传感器系统，其特征在于：所述微分电路将电压倍增器输出电压信号转化成周期性尖脉冲信号，微分电路中电容和电阻的具体数值由振动频率和时间常数决定；所述电压比较器，与微分电路相连，通过比较尖脉冲和直流参考电压，可将尖脉冲转化成矩形脉冲，矩形脉冲的脉宽随振动频率发生变化，直流参考电压应小于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转化成脉宽固定的矩形脉冲，可以得到脉宽和高电平固定不变的周期性矩形脉冲。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710360082.4A CN108955863B (zh) | 2017-05-20 | 2017-05-20 | 一种基于电压倍增器的新型振动频率传感器系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710360082.4A CN108955863B (zh) | 2017-05-20 | 2017-05-20 | 一种基于电压倍增器的新型振动频率传感器系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108955863A true CN108955863A (zh) | 2018-12-07 |
| CN108955863B CN108955863B (zh) | 2023-11-07 |
Family
ID=64462944
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710360082.4A Active CN108955863B (zh) | 2017-05-20 | 2017-05-20 | 一种基于电压倍增器的新型振动频率传感器系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108955863B (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108955865A (zh) * | 2017-05-20 | 2018-12-07 | 天津大学（青岛）海洋工程研究院有限公司 | 一种基于开关电容技术的新型振动频率传感器系统 |
| CN112327130A (zh) * | 2020-09-07 | 2021-02-05 | 珠海格力电器股份有限公司 | 一种开关管工作结温实时测量装置及方法 |
| CN112510997A (zh) * | 2020-11-17 | 2021-03-16 | 华中科技大学 | 一种用于能量收集系统的混合型升压电路及控制方法 |
| CN112994633A (zh) * | 2021-02-25 | 2021-06-18 | 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 | 用于风洞弹道靶自由飞模型探测的光电感应电路及装置 |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN201421365Y (zh) * | 2009-04-07 | 2010-03-10 | 安徽省电力科学研究院 | 一种便携式振动测量分析仪 |
| CN102331231A (zh) * | 2010-05-31 | 2012-01-25 | 诺沃皮尼奥内有限公司 | 间隙分析器装置和方法 |
| CN103644963A (zh) * | 2013-11-28 | 2014-03-19 | 陕西千山航空电子有限责任公司 | 一种振动信号采集处理模块及处理方法 |
| CN103868583A (zh) * | 2014-03-28 | 2014-06-18 | 江南大学 | 带有自供电功能的Zigbee无线加速度传感器 |
| CN104539028A (zh) * | 2014-11-12 | 2015-04-22 | 江苏省东方世纪网络信息有限公司 | 电磁场能量采集装置及通信装置 |
| CN204330124U (zh) * | 2014-12-18 | 2015-05-13 | 歌尔声学股份有限公司 | 振动检测装置 |
| US20150311824A1 (en) * | 2014-04-24 | 2015-10-29 | King Saud University | Self power sshi circuit for piezoelectric energy harvester |
| CN105444875A (zh) * | 2015-11-19 | 2016-03-30 | 天津工业大学 | 一种自供能式无线变压器振动监测装置 |
| CN106052844A (zh) * | 2016-05-19 | 2016-10-26 | 杭州电子科技大学 | 一种基于外部中断的振动信号调理电路 |
| CN205991836U (zh) * | 2016-07-25 | 2017-03-01 | 中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东分公司 | 一种旋转机械振动信号采集分析系统 |
-
2017
- 2017-05-20 CN CN201710360082.4A patent/CN108955863B/zh active Active
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN201421365Y (zh) * | 2009-04-07 | 2010-03-10 | 安徽省电力科学研究院 | 一种便携式振动测量分析仪 |
| CN102331231A (zh) * | 2010-05-31 | 2012-01-25 | 诺沃皮尼奥内有限公司 | 间隙分析器装置和方法 |
| CN103644963A (zh) * | 2013-11-28 | 2014-03-19 | 陕西千山航空电子有限责任公司 | 一种振动信号采集处理模块及处理方法 |
| CN103868583A (zh) * | 2014-03-28 | 2014-06-18 | 江南大学 | 带有自供电功能的Zigbee无线加速度传感器 |
| US20150311824A1 (en) * | 2014-04-24 | 2015-10-29 | King Saud University | Self power sshi circuit for piezoelectric energy harvester |
| CN104539028A (zh) * | 2014-11-12 | 2015-04-22 | 江苏省东方世纪网络信息有限公司 | 电磁场能量采集装置及通信装置 |
| CN204330124U (zh) * | 2014-12-18 | 2015-05-13 | 歌尔声学股份有限公司 | 振动检测装置 |
| CN105444875A (zh) * | 2015-11-19 | 2016-03-30 | 天津工业大学 | 一种自供能式无线变压器振动监测装置 |
| CN106052844A (zh) * | 2016-05-19 | 2016-10-26 | 杭州电子科技大学 | 一种基于外部中断的振动信号调理电路 |
| CN205991836U (zh) * | 2016-07-25 | 2017-03-01 | 中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东分公司 | 一种旋转机械振动信号采集分析系统 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| 李政等: "《一种压电能量收集与管理电路》", 《电子器件》 * |
| 李政等: "《一种压电能量收集与管理电路》", 《电子器件》, vol. 38, no. 1, 28 February 2015 (2015-02-28), pages 123 * |
| 赵健英: "《基于Bias-Flip技术调谐频率的压电式能量采集器件的研究》", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技II辑》 * |
| 赵健英: "《基于Bias-Flip技术调谐频率的压电式能量采集器件的研究》", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技II辑》, no. 5, 15 May 2015 (2015-05-15), pages 29 - 30 * |
| 黄继昌等: "《实用单元电路及其应用》", 31 October 2000, pages: 255 - 256 * |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108955865A (zh) * | 2017-05-20 | 2018-12-07 | 天津大学（青岛）海洋工程研究院有限公司 | 一种基于开关电容技术的新型振动频率传感器系统 |
| CN112327130A (zh) * | 2020-09-07 | 2021-02-05 | 珠海格力电器股份有限公司 | 一种开关管工作结温实时测量装置及方法 |
| CN112510997A (zh) * | 2020-11-17 | 2021-03-16 | 华中科技大学 | 一种用于能量收集系统的混合型升压电路及控制方法 |
| CN112510997B (zh) * | 2020-11-17 | 2021-11-02 | 华中科技大学 | 一种用于能量收集系统的混合型升压电路及控制方法 |
| CN112994633A (zh) * | 2021-02-25 | 2021-06-18 | 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 | 用于风洞弹道靶自由飞模型探测的光电感应电路及装置 |
| CN112994633B (zh) * | 2021-02-25 | 2022-06-03 | 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 | 用于风洞弹道靶自由飞模型探测的光电感应电路及装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108955863B (zh) | 2023-11-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108955863A (zh) | 一种基于电压倍增器的新型振动频率传感器系统 | |
| CN105973448B (zh) | 一种旋转叶片振动测量方法与系统 | |
| CN206945129U (zh) | 一种基于开关电容技术的新型振动频率传感器系统 | |
| CN101981442B (zh) | 用于涡电流测量的相敏检测的方法和设备 | |
| CN107505497B (zh) | 一种无源磁电转速传感器信号峰峰值时域测量方法 | |
| CN108955865A (zh) | 一种基于开关电容技术的新型振动频率传感器系统 | |
| Zhao et al. | A novel vibration sensor system for frequency measurement based on Bias Flip technique | |
| CN106918380B (zh) | 一种高灵敏度微质量测试方法及便携式质量测试装置 | |
| Yeack-Scranton | Novel piezoelectric transducers to monitor head-disk interactions | |
| DK2492694T3 (en) | A method and system for a sensor interface having a dynamic automatic gain control depending on the speed | |
| CN103499386B (zh) | 一种精密测量频率的方法和装置 | |
| Li et al. | Use of double correlation techniques for the improvement of rotation speed measurement based on electrostatic sensors | |
| CN108964517A (zh) | 一种基于开关电容技术的自供电振动频率传感器系统 | |
| CN108955866A (zh) | 一种基于偏置翻转电路的压电振动频率传感器系统 | |
| CN112505436A (zh) | 非接触式静电场测试装置及测试方法 | |
| CN108955862A (zh) | 一种基于并联同步开关电感技术的新型振动频率传感器 | |
| CN108955864A (zh) | 一种基于电压倍增器技术的自供电振动频率传感器系统 | |
| CN108964515A (zh) | 一种基于并联同步开关电感技术的自供电振动频率传感器 | |
| JP3498908B2 (ja) | 交流信号の振幅サンプリング方法及び振幅検出回路 | |
| CN208282768U (zh) | 一种实时优化信噪比的电容位移传感器 | |
| CN2337548Y (zh) | 振动与共振解调故障检测仪 | |
| CN108964516A (zh) | 一种基于偏置翻转电路的自供电振动频率传感器系统 | |
| CN209764948U (zh) | 鉴相电路 | |
| Han et al. | Design and experimental research on preamplifier module for PVDF piezoelectric film sensors | |
| Yu et al. | A Portable Proximity Sensing System Based on Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |