CN112379124A - Icp传感器及其多参量信号提取电路模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种ICP传感器及其多参量信号提取电路模块，包括ICP传感器、恒流恒压源、信号分离电路、减法器电路、全波整流电路、包络解调电路、低通滤波电路和2个一次积分电路，多参量信号提取电路经由连接器JK1、屏蔽双绞线、连接器JK2组成的信号连接组件与到安装于被监测对象之上的ICP传感器连接。本发明的有益效果是：传感器采用量线制恒流源工作方式，信号提取电路采用恒压源工作方式，可提取被监测对象运行中的振动加速度、振动速度、振动位移、冲击、温度等5个参量，解决了机电设备运行状态监测中被监测对象安装空间受限的问题，有效抑制机电设备运行工况下的复杂电磁干扰，进而优化监测系统结构以提高稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种大型机电设备运行状态监测的传感器和检测电路，尤其涉及一种ICP传感器及其多参量信号提取电路模块。
背景技术
传感器技术作为信息技术的三大基础之一，是当前各发达国家竞相发展的高技术。传感器类似于人类为了获取外界信息所必须借助的感觉器官，是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，是实现自动检测和自动控制的首要环节。一般来说一个传感器只能测量一个物理量，为了能准确全面的认识对象和环境，以进一步进行监测或控制，往往需要多个传感器来同时测量多个物理量，使得系统结构庞大而复杂，降低其可靠性和稳定性。
ICP(Integrated Circuits Piezoelectric)传感器就是指内置的压电传感器。它采用现代集成电路技术将传统的电荷放大器置于传感器中，所有高阻抗电路都密封在传感器内，并以低阻抗电压方式输出，输出电压幅值与加速度成正比。ICP传感器是一种新型的加速度传感器，它的输出信号不能直接被AD采集电路获取，必须经恒流源电路为其供电，并将其信号调理为监测系统所需的形式。ICP传感器具有以下优点：（1）不需要连接电荷放大器，使用方便、灵活、特别适用于现场测试及在线监测；（2）精度高，不易受现场干扰，由于ICP传感器输出的是放大后的信号，所以干扰对其影响小，信噪比高。即使在恶劣的工厂环境下，ICP加速度传感器也可以利用普通的同轴电缆对电压信号进行远距离的传输；这就是ICP加速度传感器被广泛应用的原因，但其需要恒流源为其供电。
压电加速度在振动与冲击中应用最为广泛，但由于压电传感器的压敏元件具有很高阻抗，需要一个前置将传感器的高阻抗输出信号转换为低阻抗信号。外置的前置放大器可分为电压放大器与电荷放大器两种，电压放大器虽然结构简单、线性度和稳定性好，但它的灵敏度受分布电容的影响，当连接电缆长度发生变化时，电压灵敏度也会随之发生变化。电荷放大器的灵敏度虽然受电缆分布电容的影响很小，但电缆受到振动和弯曲时，电缆芯线和绝缘体之间、绝缘体和金属屏蔽层之间由于相对摩擦产生静电荷，会造成电缆噪声；这些都给测试工作带来了麻烦。ICP传感器与外置前置放大器的压电传感器相比，它可以克服以上缺点。
大型机电设备运行工况复杂、工作环境恶劣、干扰因素繁多，常易受到冲击、摩擦等外部作用，这是状态监测传感器的设计与制作中难以解决的问题。在大型机电设备运行状态监测中，每一关键零部件的运行参量都需要进行监测，如果采用单参量传感器，则传感器数量过多，会导致安装困难、监测系统结构复杂、信息采集分散、信号传输过程易受干扰，这就给大型机电设备的状态监测和故障诊断带来了一定的困难。现有大型机电设备状态监测方法主要有：温度监测、振动冲击监测、温度与振动综合监测三种方法。基于温度升高是某些部件出现故障后并临近引起事故的一种外在特征表现，如我国旅客列车大都采用了列车轴温监测报警装置；但并不是所有的故障都必然导致温度升高（如齿轮故障、踏面故障和部分的轴承工作面损伤），因此，对于大型机电设备通常采用温度与振动综合监测的方法。实践表明，单独的温度监测报警是不全面的、也是不完备的，虽然通过温度与振动综合监测的方法使监测效果得到一定的改善，但还存在一些问题：振动冲击监测传感器会因强烈电磁干扰影响而导致误诊误判，同时避免不了因敏感元件失效而造成的误诊或漏诊。为此，希望尽可能把几种敏感元器件制作在一起，使一个多参量传感器能同时测量几个参数、具有多种功能，不但便于大型机电设备状态监测系统的安装与维护，同时也提高了监测系统的稳定性和可靠性。
典型的ICP传感器通常采用恒流源供电，供电电缆同时作为信号输出线，输出低阻抗信号。整个系统包括ICP传感器、普通的双芯电缆和一个不间断电源，所有的ICP系统都需要一个不间断电源为ICP传感器提供恒定的电流。为适应大型机电设备在线状态监测，在典型ICP传感器的基础之上增加温度敏感元件以形成一种多参量ICP传感器，再研究用于该多参量ICP传感器的多参量信号提取电路模块，优化了监测系统结构，提高了系统的稳定性和可靠性；一定程度上减少了大型机电设备监测系统的安装成本、人力资源、财力资源，可为监测系统提供大量而且全面的监测数据，使大型机电设备的故障诊断更加准确可靠，对保证大型机电设备运行安全具有重要意义。因此，开发一种ICP传感器及其多参量信号提取电路模块非常必要。
发明内容
针对目前ICP传感器、传感信号提取方面存在的不足，本发明公开了一种ICP传感器及其多参量信号提取电路模块。
本发明采用的技术方案是：一种ICP传感器及其多参量信号提取电路模块， 包括ICP传感器、恒流恒压源、信号分离电路、减法器电路、全波整流电路、包络解调电路、低通滤波电路和两个一次积分电路，多参量信号提取电路经由连接器JK1、屏蔽双绞线、连接器JK2组成的信号连接组件与到安装于被监测对象之上的ICP传感器连接；其特征是：所述的ICP传感器由温度敏感元件、振动冲击敏感元件、检测电路组成，多参量信号提取电路包括恒流恒压源与信号分离电路、低通滤波与积分电路、包络解调电路、全波整流与减法器电路，恒流源用作ICP传感器的工作电源，恒压源用作多参量信号提取电路的工作电源，信号分离电路用于从ICP传感器的电源上分离出去除ICP传感器静态工作电流的直流分量信号VDC、交流分量信号VAC1和VAC2并为后续电路提供信号直流参考电平VREF，交流分量信号VAC2经低通滤波后得到监测信号中的振动加速度信号Vout1、振动加速度信号Vout1经一次积分后得到振动速度信号Vout2、振动速度信号Vout2再经一次积分后得到振动位移信号Vout3，交流分量信号VAC2经包络解调后监测信号中的冲击信号Vout4，直流分量信号VDC经减法器减去交流分量信号VAC1经全波整流电路后的振动冲击直流分量而得到被监测对象的温度信号Vout5，解决了机电设备运行状态监测中被监测对象安装空间受限的问题，有效抑制机电设备运行工况下的复杂电磁干扰，进而优化监测系统结构以提高稳定性和可靠性。
在本发明中，所述的ICP传感器内置有温度敏感元件Rt、振动冲击敏感元件YDP和检测电路，温度敏感元件Rt为Pt系列铂热电阻，振动冲击敏感元件YDP为压电陶瓷晶体，测电路由双运放IC1、电阻R1~R7、电容C1~C6组成；振动冲击敏感元件YDP的正极连接至由运放IC1B、电阻R1、电容C1组成的电荷放大器，振动冲击敏感元件YDP的负极连接至由运放IC1A、电阻R2、电容C2组成的电荷放大器，连接在两个电荷放大器输出端的电阻R6为振动冲击取样电阻，C5、C6为电源退耦电容，电阻R3、R4、R5与电容C3、C4一起为两个电荷放大器提供信号直流参考电压，实现对振动冲击敏感元件YDP拾取信号的差分式电荷放大并电流取样，取R1=R2=R3=R、C1=C2=C3=C，监测对象振动、冲击变化引起振动冲击敏感元件YDP两端的电荷变化量为Q，则经过电阻R6的电流Id=2Q/(C*R6)；温度敏感元件Rt与限流电阻R7串联后并接在恒流源供电端与传感器地GND之间，ICP传感器静态工作电流为Iq，通过温度敏感元件Rt的电流为It，则传感器工作电流Iin=Iq+It+Id是变化的，ICP传感器采用两线对绞连接方式，以有效抑制信号传输过程中的复杂电磁干扰。
在本发明中，所述的恒流恒压源与信号分离电路包括由恒流芯片WD1、二极管D1、电阻R18~R19、电容C8~C9组成的恒流源，由恒压芯片WD2、电容C10~C13组成的恒压源，由运放IC2B、电阻R11~R12组成的直流参考电平VREF产生电路，由运放IC2C和IC2D、电阻R17、电容C7组成的交流分量信号VAC1和VAC2的分离电路，由运放IC2A、电阻R8~R10、电阻R13~R16组成的直流分量信号VDC的分离电路；ICP传感器经信号连接组件连接到连接器JK2上，恒流源经采样电阻R8向ICP传感器提供变化的工作电流Iin，则采样电阻R8上的电压是随被监测对象的温度、振动、冲击变化而变化的；被监测对象的振动、冲击信号是连续变量，经电容C7交流耦合到运放IC2C、IC2D构成的缓冲器后得到交流分量信号VAC1和VAC2，被监测对象的温度信号是过程变量且叠加有传感器电路静态电流Iq、振动冲击信号直流分量，直流耦合到直流分量信号VDC的分离电路，电阻R9和R10的大小根据ICP传感器静态工作电流Iq选择，由运放IC2A、电阻R13=R15、电阻R14=R16组成的减法器减去ICP传感器静态工作电流Iq对应的电压后得到直流分量信号VDC；由于ICP传感器外壳直接与被监测对象电连接，为避免重复接地，信号连接组件的屏蔽双绞线的屏蔽层通过连接器JK2连接到恒流源地。
在本发明中，所述的低通滤波与积分电路包括由运放IC3B、电阻R20~ R21、电容C14~C15组成的二阶低通滤波器，由运放IC3C、电阻R22~R23、电容C16~C17组成的二阶低通滤波器，由运放IC3D、电阻R24、电容C18组成的一次积分电路，由运放IC3A、电阻R25、电容C19组成的一次积分电路；交流分量信号VAC2经过两个二阶低通滤波器后输出被监测对象的低频振动加速度信号Vout1，对振动加速度信号Vout1进行一次积分后得到被监测对象的振动速度信号Vout2，再对振动速度信号Vout2进行一次积分后得到被监测对象的振动位移信号Vout3，以满足后续监测系统的不同监测方法所需信号形式不同的要求。
在本发明中，所述的包络解调电路包括由开关电容滤波芯片IC4、电阻R26~R31、电容C20组成的共振电路，由双运放IC5、双二极管D2、电阻R32~R38组成的信号检波电路，由开关电容滤波芯片IC6、电阻R39~R46、电容C21组成的解调电路；共振电路为一个增益和带宽可由电阻R26~R31根据监测信号特征设置、中心频率可由监测系统输出时钟BPclk调节为ICP传感器固有振荡频率的四阶带通滤波器，解调电路是一个截止频率由电阻R40~R42和电阻R43~R46配置为0.1倍共振电路中心频率、增益由电阻R39和电阻R43调节的四阶低通滤波器；交流分量信号VAC2中包含有被监测对象受冲击引起的ICP传感器高频固有振荡信号，高频固有振荡信号经过共振电路提取并放大后连接到信号检波电路，信号检波电路将信号的负半周转换到正半周后连接到解调电路，由解调电路滤出信号中的高频固有频率后得到冲击信号的包络线。
在本发明中，所述的全波整流与减法电路包括由运放IC7A和运放IC7B、双二极管D3、电阻R47~R53、电容C22组成的全波整流电路，由运放IC7C、电阻R54~R57组成的减法器；交流分量信号VAC1经全波整流电路后得到振动冲击信号的直流分量，再由减法器中直流分量信号VDC中减去振动冲击信号的直流分量得到能够真实反应被监测对象温度变化的温度信号Vout5，有效克服了ICP传感器静态工作电流为Iq、振动冲击取样电流Id对被监测对象温度测量的影响。
本发明的有益效果是，所述ICP传感器采用两线制恒流源工作方式，多参量信号提取电路采用恒压源工作方式，可提取被监测对象运行中的振动加速度、振动速度、振动位移、冲击、温度等5个参量，解决了机电设备运行状态监测中被监测对象安装空间受限的问题，有效抑制机电设备运行工况下的复杂电磁干扰，进而优化监测系统结构以提高稳定性和可靠性。
附图说明
图1是本发明的总体结构框图；
图2是本发明实施例的ICP传感器电路原理图；
图3是本发明实施例的恒流源与信号分离电路原理图；
图4是本发明实施例的低通滤波与积分电路原理图；
图5是本发明实施例的包络解调电路原理图；
图6是本发明实施例的全波整流与减法电路原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见附图，图1是本发明的总体结构框图。针对目前ICP传感器、传感信号提取方面存在的不足，本发明采用的技术方案是：一种ICP传感器及其多参量信号提取电路模块， 包括ICP传感器、恒流恒压源、信号分离电路、减法器电路、全波整流电路、包络解调电路、低通滤波电路和两个一次积分电路，多参量信号提取电路经由连接器JK1、屏蔽双绞线、连接器JK2组成的信号连接组件与到安装于被监测对象之上的ICP传感器连接。在典型ICP传感器的基础之上增加温度敏感元件以形成本发明的多参量ICP传感器，本发明的ICP传感器由温度敏感元件、振动冲击敏感元件、检测电路组成，可感知被监测对象的振动、冲击、温度等参量。基于本发明ICP传感器的工作原理，进一步设计其多参量信号提取电路模块；多参量信号提取电路包括恒流恒压源与信号分离电路、低通滤波与积分电路、包络解调电路、全波整流与减法器电路，恒流源用作ICP传感器的工作电源，恒压源用作多参量信号提取电路的工作电源，信号分离电路用于从ICP传感器的电源上分离出去除ICP传感器静态工作电流的直流分量信号VDC、交流分量信号VAC1和VAC2并为后续电路提供信号直流参考电平VREF，交流分量信号VAC2经低通滤波后得到监测信号中的振动加速度信号Vout1、振动加速度信号Vout1经一次积分后得到振动速度信号Vout2、振动速度信号Vout2再经一次积分后得到振动位移信号Vout3，交流分量信号VAC2经包络解调后监测信号中的冲击信号Vout4，直流分量信号VDC经减法器减去交流分量信号VAC1经全波整流电路后的振动冲击直流分量而得到被监测对象的温度信号Vout5，解决了机电设备运行状态监测中被监测对象安装空间受限的问题，有效抑制机电设备运行工况下的复杂电磁干扰，进而优化监测系统结构以提高稳定性和可靠性。
图2是本发明实施例的ICP传感器电路原理图。ICP传感器内置有温度敏感元件Rt、振动冲击敏感元件YDP和检测电路，温度敏感元件Rt为Pt系列铂热电阻，振动冲击敏感元件YDP为压电陶瓷晶体，测电路由双运放IC1、电阻R1~R7、电容C1~C6组成；振动冲击敏感元件YDP的正极连接至由运放IC1B、电阻R1、电容C1组成的电荷放大器，振动冲击敏感元件YDP的负极连接至由运放IC1A、电阻R2、电容C2组成的电荷放大器，连接在两个电荷放大器输出端的电阻R6为振动冲击取样电阻，C5、C6为电源退耦电容，电阻R3、R4、R5与电容C3、C4一起为两个电荷放大器提供信号直流参考电压，实现对振动冲击敏感元件YDP拾取信号的差分式电荷放大并电流取样，取R1=R2=R3=R、C1=C2=C3=C，监测对象振动、冲击变化引起振动冲击敏感元件YDP两端的电荷变化量为Q，则经过电阻R6的电流Id=2Q/(C*R6)；温度敏感元件Rt与限流电阻R7串联后并接在恒流源供电端与传感器地GND之间，ICP传感器静态工作电流为Iq，通过温度敏感元件Rt的电流为It，则传感器工作电流Iin=Iq+It+Id是变化的，ICP传感器采用两线对绞连接方式，以有效抑制信号传输过程中的复杂电磁干扰。本发明传感器中，双运放IC1、IC2均为低功耗低噪声双运放，可选型号有：AD8657、LT6004、LTC2067、LT6023、OPA2333、LMP2232、TLV2369等；组成电荷放大器的电容C1、C2、C3选择高频噪声抑制性能较好的COG 电容；取样电阻R6为精密电阻，其余电阻选择温度特性较稳定的金属膜电阻。压电晶体的材料是一种离子型晶体电介质，不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象；即：在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时，就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化，从而导致其两个相对表面（极化面）上出现符号相反的束缚电荷，且其电位移与外应力张量成正比；当外力消失，又恢复不带电原状；当外力变向，电荷极性随之而变。这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。本发明传感器的振动冲击敏感器件属于压电式加速度传感器，采用环形剪切结构形式，受振时质量块与压电元件上的剪切力也随之变化，当被测振动频率远低于传感器的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比；其原理利用压电晶体的电荷输出与所受的力成正比，而所受的力在敏感质量一定的情况下与加速度值成正比，即在一定条件下，压电晶体受力后产生的电荷量与所感受到的加速度值成正比。本发明传感器的主要技术指标为：最大冲击加速度10000g，最高频响频率16kHz，完全满足机电设备状态监测的要求。本发明传感器的温度敏感器件封装在传感器基座底部的开孔内，信号线由外壳底部的侧孔引出，传感器的温度敏感器件为Pt100温度传感器。常见的Pt100感温元件有陶瓷元件、玻璃元件、云母元件，它们是由铂丝分别绕在陶瓷骨架、玻璃骨架、云母骨架上再经过复杂的工艺加工而成，导体的电阻值随温度变化而变化，通过测量其电阻值推算出被测物体的温度，这就是电阻温度传感器的工作原理。Pt100传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温，其温度/阻值对应关系为：
（1）-200℃ < t < 0℃时，RPt100=100[1+At+Bt2+Ct(t-100)]；
（2）0℃ ≤ t ≤ 850℃时，RPt100=100(1+At+Bt2)；
式中，A=3.90802*10-3，B=5.80*10-7，C=4.2735*10-12。
图3是本发明实施例的恒流源与信号分离电路原理图。恒流恒压源与信号分离电路包括由恒流芯片WD1、二极管D1、电阻R18~R19、电容C8~C9组成的恒流源，由恒压芯片WD2、电容C10~C13组成的恒压源，由运放IC2B、电阻R11~R12组成的直流参考电平VREF产生电路，由运放IC2C和IC2D、电阻R17、电容C7组成的交流分量信号VAC1和VAC2的分离电路，由运放IC2A、电阻R8~R10、电阻R13~R16组成的直流分量信号VDC的分离电路；ICP传感器经信号连接组件连接到连接器JK2上，恒流源经采样电阻R8向ICP传感器提供变化的工作电流Iin，则采样电阻R8上的电压是随被监测对象的温度、振动、冲击变化而变化的；被监测对象的振动、冲击信号是连续变量，经电容C7交流耦合到运放IC2C、IC2D构成的缓冲器后得到交流分量信号VAC1和VAC2，被监测对象的温度信号是过程变量且叠加有传感器电路静态电流Iq、振动冲击信号直流分量，直流耦合到直流分量信号VDC的分离电路，电阻R9和R10的大小根据ICP传感器静态工作电流Iq选择，由运放IC2A、电阻R13=R15、电阻R14=R16组成的减法器减去ICP传感器静态工作电流Iq对应的电压后得到直流分量信号VDC；由于ICP传感器外壳直接与被监测对象电连接，为避免重复接地，信号连接组件的屏蔽双绞线的屏蔽层通过连接器JK2连接到恒流源地。
图4是本发明实施例的低通滤波与积分电路原理图。低通滤波与积分电路包括由运放IC3B、电阻R20~ R21、电容C14~C15组成的二阶低通滤波器，由运放IC3C、电阻R22~R23、电容C16~C17组成的二阶低通滤波器，由运放IC3D、电阻R24、电容C18组成的一次积分电路，由运放IC3A、电阻R25、电容C19组成的一次积分电路；交流分量信号VAC2经过两个二阶低通滤波器后输出被监测对象的低频振动加速度信号Vout1，对振动加速度信号Vout1进行一次积分后得到被监测对象的振动速度信号Vout2，再对振动速度信号Vout2进行一次积分后得到被监测对象的振动位移信号Vout3，以满足后续监测系统的不同监测方法所需信号形式不同的要求。
图5是本发明实施例的包络解调电路原理图。包络解调电路包括由开关电容滤波芯片IC4、电阻R26~R31、电容C20组成的共振电路，由双运放IC5、双二极管D2、电阻R32~R38组成的信号检波电路，由开关电容滤波芯片IC6、电阻R39~R46、电容C21组成的解调电路；共振电路为一个增益和带宽可由电阻R26~R31根据监测信号特征设置、中心频率可由监测系统输出时钟BPclk调节为ICP传感器固有振荡频率的四阶带通滤波器，解调电路是一个截止频率由电阻R40~R42和电阻R43~R46配置为0.1倍共振电路中心频率、增益由电阻R39和电阻R43调节的四阶低通滤波器；交流分量信号VAC2中包含有被监测对象受冲击引起的ICP传感器高频固有振荡信号，高频固有振荡信号经过共振电路提取并放大后连接到信号检波电路，信号检波电路将信号的负半周转换到正半周后连接到解调电路，由解调电路滤出信号中的高频固有频率后得到冲击信号的包络线。滤波器是包络解调电路中必不可少的一部分，传统的滤波器大多由电阻、电容、电感等分立元器件，根据理论设计，按一定的方式排列组合而成，虽然也能达到目的，但是存在设计过程复杂、设计成本较高、需占用较大空间、功耗较大等不足。针对现有包络解调器中的有源RC滤波电路存在的不足，本发明中的滤波器（包括共振电路的四阶带通滤波器、高通滤波器、低通滤波器）均采用以集成开关电容滤波芯片为核心的滤波器。有源RC滤波电路的缺点是：由于要求有较大的电容和精确的RC时间常数，以致于在芯片上制造集成组件难度大，几乎不可能；随着MOS工艺的迅速发展，由MOS开关、电容和运放组成的开关电容滤波器已于1975年实现了单片集成化，其优点是：这种滤波器不需要模数转换器就可以对模拟量的离散值直接进行处理；与数字滤波器比较，省略了量化过程，因而具有处理速度快，整体结构简单等优点。此外，开关电容滤波器制造简单、价廉，因而受到各方面的重视，经过40多年的发展，开关电容滤波器的性能已达到相当高的水平，在某些应用场合大有取代一般有源滤波器的趋势。开关电容滤波器是一种离散时间模拟滤波器，如附图3所示，它主要由3个功能部件构成：运算放大器、MOS 开关和电容器，只需较少的外部电阻便可实现多种滤波功能；开关电容滤波器的基本原理就是用电容器代替电阻，电路两点间接有高速开关的电容器，其效果相当于两节点间连接一个电阻；与由分立元件构成的滤波器相比，集成的滤波芯片具有占用体积小、功耗低、设计简单、成本低等优点。开关电容滤波自1978年在国外批量生产以来，在脉冲编码调制PCM通信，语音信号处理领域得到广泛的应用；仅美国就有MAXIM、AD、TI和Linear等公司生产各种型号的开关电容滤波器芯片；目前其品种量多、性能好，频率和相位特性最佳的是MAXIM、LinearTechnology公司的产品；大多数的开关电容滤波器芯片都可以用来实现本发明的包络解调器，只是不同的芯片对工作电源、开关控制频率和实现不同功能滤波器的电路配置要求不一致。本发明包络解调器中的开关电容滤波芯片优选：Linear公司的LTC1068、MAXIM公司的MAX7490或MAX7491；LTC1068内有4个单片集成时钟可调的滤波器块，可以用来组成4个2阶、2个4阶或者1个8阶低通、带通、高通、带阻滤波器，最高截止频率可达到140 kHz，采用24 引脚PDIP和28引脚SSOP2种封装；MAX7490与MAX7491的内部结构完全相同，仅工作电压不同，当电源电压为5V时用MAX7490，电源电压为3V时用MAX7491；MAX7491内有2个单片集成时钟可调的滤波器块，可以用来组成2个2阶或者1个4阶低通、带通、高通、带阻滤波器，最高中心频率可达到40 kHz；因此，只需一片LTC1068、二片MAX7490或MAX7491即可实现本发明的包络解调器。考虑到用于旋转机械状态监测的振动冲击传感器，其固有频率难以制作得很高，一般在40kHz以下，故本发明实施例中以MAX7491为例。参见附图5，IC4、IC6是一款双路通用开关电容滤波器MAX7491，它内部由两个完全一样的双二阶拓扑结构的开关电容滤波模块组成。MAX7491采用16脚QSOP封装，低功耗设计、只需+3 V单电源供电（也可以双电源供电），输入和输出均具备轨对轨特性，设计滤波器的中心频率最高可达40kHz；MAX7491具有高精度特性，其中品质因素Q 的误差率为±0.2%，芯片工作时钟转化为滤波器中心频率的误差率为±0.2%。MAX7491的应用设计快捷，只要通过在芯片外部适当连接电阻就可实现不同的滤波功能，可以构成低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器；此外，通过将多个滤波模块级联，还可以配置构成高阶滤波器。所有经典的滤波器拓扑，如巴特沃斯(Butterworth)、贝塞尔(Bessel)、椭圆（elliptic）和切比雪夫（Chebyshev）等均可以由MAX7491 来实现，甚至还可以实现一些用户自定义的算法。在设计滤波器时， 滤波器的中心频率是通过MAX7491工作时钟来确定的。MAX7491 有两个时钟源可供选择：占空比为50%的外部时钟和内部振荡器时钟。使用外部时钟时，滤波器中心频率f c （单位：kHz）与芯片的外部时钟频率f clk（单位：kHz）满足关系式： f c =f clk/100。使用内部振荡器时钟时，需要在外部连接一个电容COSC（单位：pF），则振荡器频率f OSC（单位：kHz）：f OSC=135×103/COSC；此时滤波器中心频率为：f c = f OSC /100。MAX7491有6种工作模式如下表。
表中：LP是低通滤波、HP 是高通滤波、BP 是带通滤波、N 是带阻滤波、Q 是品质因素；f c 是滤波器中心频率，f clk是MAX7491 的工作频率。附图4中的共振电路由开关电容滤波芯片IC4、电阻R26~R31、电容C20组成，是两个二阶开关电容带通滤波器级联而成的四阶带通滤波器。共振是一种司空见惯的物理现象：如果外力的激励频率与物体的固有频率相同，则将激起物体产生很大的振动；如果物体的阻尼很小的话，振动将趋于无穷大。对于任何一个谐振系统，不管激励它的外部作用的重复频率如何不同于其固有频率，只要外作用力的高次谐波在其固有频率为中心的一个通带内，也将激起该系统的共振现象发生。应用共振的这一独有特性来提取深埋于正常振动信息中的旋转机械的故障冲击的信息。包络解调技术是从振动检测分析技术发展起来的，传统的振动分析技术是直接对振动信号作FFT，对得到的振动频谱进行分析；该频谱中有：机器转子不平衡、支承对中不良等因素引起的低频振动的多阶频谱、齿轮啮合频率振动的多阶频谱和轴承故障损伤引起冲击的若干阶频谱，该频谱前两种因素的谱线非常强大，旋转机械故障冲击的谱线基本上是看不到的；因此，传统振动分析技术是不可能发现旋转机械故障冲击的信息。但旋转机械故障冲击的一个重要特征是具有很宽的频带，应用一个谐振频率远高于常规振动频率的高频谐振器，故障冲击将引起其产生自由衰减震荡即“共振”，对该共振信号进行解调后再作FFT，即可得到旋转机械故障冲击频谱。本发明的共振电路是由两个二阶开关电容带通滤波器级联而成的四阶带通滤波器，将MAX7491同一芯片中的两个滤波器模块进行级联则可以配置实现2级带阻滤波、低通滤波和带通滤波以及高品质因素的带通滤波器。如果多个芯片级联还可以实现高阶巴特沃斯低通滤波器、低Q值的带阻滤波器等。MAX7491级联后的带宽和品质因素见下表。
表中：B是级联前二阶带通滤波器的带宽、Q 是级联前二阶带通滤波器的品质因素。本发明的共振电路采用MAX7491的模式1实现，取R26= R29、R27= R30、R28= R31其带通增益ABP=(R28/R26)2，带通中心频率f BP=f clk/100，品质因素QBP =1.55 (R28/R27)。本发明的检波电路是一个绝对值检波电路，由双运放IC5、双二极管D2、电阻R32~R38组成。它分为半波检波电路和加法电路两部分，输入阻抗约等于两个运放的共模输入电阻的并联，可高达10MΩ以上。本发明中的电阻选择温度特性系数较好的金属膜电阻，解调电路中的双运放IC5为低功耗低噪声双运放，可选型号有：AD8572、AD8599、OP285、OP297、LI1012等。附图5电路中，运放IC5B、双二极管D2和电阻R32、R33、R34组成半波检波电路，运放IC5A和电阻R35、R36、R37、R38组成加法电路。解调电路的作用是把共振电路经高通滤波输出的高频共振信号的负半周转换到正半周，以便于后续的低通滤波滤出高频成分后得到故障冲击的包络。本发明的解调电路是由两个二阶开关电容低通滤波器构成的四阶低通滤波，由开关电容滤波芯片IC6、电阻R39~R46、电容C21组成。
图6是本发明实施例的全波整流与减法电路原理图。全波整流与减法电路包括由运放IC7A和运放IC7B、双二极管D3、电阻R47~R53、电容C22组成的全波整流电路，由运放IC7C、电阻R54~R57组成的减法器；交流分量信号VAC1经全波整流电路后得到振动冲击信号的直流分量，再由减法器中直流分量信号VDC中减去振动冲击信号的直流分量得到能够真实反应被监测对象温度变化的温度信号Vout5，有效克服了ICP传感器静态工作电流为Iq、振动冲击取样电流Id对被监测对象温度测量的影响。
本发明中运放IC3、IC7均为低功耗低噪声运放，可选型号有：AD8574、MAX44248、MAX9618、LMP2232、TLV2369等；电容选择高频噪声抑制性能较好的COG 电容；取样电阻R8为精密电阻，其余电阻选择温度特性较稳定的金属膜电阻。
综上所述，本发明公开了一种ICP传感器及其多参量信号提取电路模块，包括ICP传感器、恒流恒压源、信号分离电路、减法器电路、全波整流电路、包络解调电路、低通滤波电路和2个一次积分电路，多参量信号提取电路经由连接器JK1、屏蔽双绞线、连接器JK2组成的信号连接组件与到安装于被监测对象之上的ICP传感器连接。本发明的有益效果是：传感器采用量线制恒流源工作方式，信号提取电路采用恒压源工作方式，可提取被监测对象运行中的振动加速度、振动速度、振动位移、冲击、温度等5个参量，解决了机电设备运行状态监测中被监测对象安装空间受限的问题，有效抑制机电设备运行工况下的复杂电磁干扰，进而优化监测系统结构以提高稳定性和可靠性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种ICP传感器及其多参量信号提取电路模块， 包括ICP传感器、恒流恒压源、信号分离电路、减法器电路、全波整流电路、包络解调电路、低通滤波电路和两个一次积分电路，多参量信号提取电路经由连接器JK1、屏蔽双绞线、连接器JK2组成的信号连接组件与到安装于被监测对象之上的ICP传感器连接；其特征是：所述的ICP传感器由温度敏感元件、振动冲击敏感元件、检测电路组成，多参量信号提取电路包括恒流恒压源与信号分离电路、低通滤波与积分电路、包络解调电路、全波整流与减法器电路，恒流源用作ICP传感器的工作电源，恒压源用作多参量信号提取电路的工作电源，信号分离电路用于从ICP传感器的电源上分离出去除ICP传感器静态工作电流的直流分量信号VDC、交流分量信号VAC1和VAC2并为后续电路提供信号直流参考电平VREF，交流分量信号VAC2经低通滤波后得到监测信号中的振动加速度信号Vout1、振动加速度信号Vout1经一次积分后得到振动速度信号Vout2、振动速度信号Vout2再经一次积分后得到振动位移信号Vout3，交流分量信号VAC2经包络解调后监测信号中的冲击信号Vout4，直流分量信号VDC经减法器减去交流分量信号VAC1经全波整流电路后的振动冲击直流分量而得到被监测对象的温度信号Vout5，解决了机电设备运行状态监测中被监测对象安装空间受限的问题，有效抑制机电设备运行工况下的复杂电磁干扰，进而优化监测系统结构以提高稳定性和可靠性。
2.根据权利要求1所述的ICP传感器及其多参量信号提取电路模块，其特征在于：所述的ICP传感器内置有温度敏感元件Rt、振动冲击敏感元件YDP和检测电路，温度敏感元件Rt为Pt系列铂热电阻，振动冲击敏感元件YDP为压电陶瓷晶体，测电路由双运放IC1、电阻R1~R7、电容C1~C6组成；振动冲击敏感元件YDP的正极连接至由运放IC1B、电阻R1、电容C1组成的电荷放大器，振动冲击敏感元件YDP的负极连接至由运放IC1A、电阻R2、电容C2组成的电荷放大器，连接在两个电荷放大器输出端的电阻R6为振动冲击取样电阻，C5、C6为电源退耦电容，电阻R3、R4、R5与电容C3、C4一起为两个电荷放大器提供信号直流参考电压，实现对振动冲击敏感元件YDP拾取信号的差分式电荷放大并电流取样，取R1=R2=R3=R、C1=C2=C3=C，监测对象振动、冲击变化引起振动冲击敏感元件YDP两端的电荷变化量为Q，则经过电阻R6的电流Id=2Q/(C*R6)；温度敏感元件Rt与限流电阻R7串联后并接在恒流源供电端与传感器地GND之间，ICP传感器静态工作电流为Iq，通过温度敏感元件Rt的电流为It，则传感器工作电流Iin=Iq+It+Id是变化的，ICP传感器采用两线对绞连接方式，以有效抑制信号传输过程中的复杂电磁干扰。
3.根据权利要求1所述的ICP传感器及其多参量信号提取电路模块，其特征在于：所述的恒流恒压源与信号分离电路包括由恒流芯片WD1、二极管D1、电阻R18~R19、电容C8~C9组成的恒流源，由恒压芯片WD2、电容C10~C13组成的恒压源，由运放IC2B、电阻R11~R12组成的直流参考电平VREF产生电路，由运放IC2C和IC2D、电阻R17、电容C7组成的交流分量信号VAC1和VAC2的分离电路，由运放IC2A、电阻R8~R10、电阻R13~R16组成的直流分量信号VDC的分离电路；ICP传感器经信号连接组件连接到连接器JK2上，恒流源经采样电阻R8向ICP传感器提供变化的工作电流Iin，则采样电阻R8上的电压是随被监测对象的温度、振动、冲击变化而变化的；被监测对象的振动、冲击信号是连续变量，经电容C7交流耦合到运放IC2C、IC2D构成的缓冲器后得到交流分量信号VAC1和VAC2，被监测对象的温度信号是过程变量且叠加有传感器电路静态电流Iq、振动冲击信号直流分量，直流耦合到直流分量信号VDC的分离电路，电阻R9和R10的大小根据ICP传感器静态工作电流Iq选择，由运放IC2A、电阻R13=R15、电阻R14=R16组成的减法器减去ICP传感器静态工作电流Iq对应的电压后得到直流分量信号VDC；由于ICP传感器外壳直接与被监测对象电连接，为避免重复接地，信号连接组件的屏蔽双绞线的屏蔽层通过连接器JK2连接到恒流源地。
4.根据权利要求1所述的ICP传感器及其多参量信号提取电路模块，其特征在于：所述的低通滤波与积分电路包括由运放IC3B、电阻R20~ R21、电容C14~C15组成的二阶低通滤波器，由运放IC3C、电阻R22~R23、电容C16~C17组成的二阶低通滤波器，由运放IC3D、电阻R24、电容C18组成的一次积分电路，由运放IC3A、电阻R25、电容C19组成的一次积分电路；交流分量信号VAC2经过两个二阶低通滤波器后输出被监测对象的低频振动加速度信号Vout1，对振动加速度信号Vout1进行一次积分后得到被监测对象的振动速度信号Vout2，再对振动速度信号Vout2进行一次积分后得到被监测对象的振动位移信号Vout3，以满足后续监测系统的不同监测方法所需信号形式不同的要求。
5.根据权利要求1所述的ICP传感器及其多参量信号提取电路模块，其特征在于：所述的包络解调电路包括由开关电容滤波芯片IC4、电阻R26~R31、电容C20组成的共振电路，由双运放IC5、双二极管D2、电阻R32~R38组成的信号检波电路，由开关电容滤波芯片IC6、电阻R39~R46、电容C21组成的解调电路；共振电路为一个增益和带宽可由电阻R26~R31根据监测信号特征设置、中心频率可由监测系统输出时钟BPclk调节为ICP传感器固有振荡频率的四阶带通滤波器，解调电路是一个截止频率由电阻R40~R42和电阻R43~R46配置为0.1倍共振电路中心频率、增益由电阻R39和电阻R43调节的四阶低通滤波器；交流分量信号VAC2中包含有被监测对象受冲击引起的ICP传感器高频固有振荡信号，高频固有振荡信号经过共振电路提取并放大后连接到信号检波电路，信号检波电路将信号的负半周转换到正半周后连接到解调电路，由解调电路滤出信号中的高频固有频率后得到冲击信号的包络线。
6.根据权利要求1所述的ICP传感器及其多参量信号提取电路模块，其特征在于：所述的全波整流与减法电路包括由运放IC7A和运放IC7B、双二极管D3、电阻R47~R53、电容C22组成的全波整流电路，由运放IC7C、电阻R54~R57组成的减法器；交流分量信号VAC1经全波整流电路后得到振动冲击信号的直流分量，再由减法器中直流分量信号VDC中减去振动冲击信号的直流分量得到能够真实反应被监测对象温度变化的温度信号Vout5，有效克服了ICP传感器静态工作电流为Iq、振动冲击取样电流Id对被监测对象温度测量的影响。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113162221A (zh) * | 2021-05-10 | 2021-07-23 | 上海西隆电力科技有限公司 | 电源信号分离器、声发射信号采集分离系统及方法 |
| CN113252942A (zh) * | 2021-04-23 | 2021-08-13 | 西北工业大学 | 一种用于icp加速度计的宽频高精度信号调理器 |
| CN114112008A (zh) * | 2021-10-13 | 2022-03-01 | 西人马帝言(北京)科技有限公司 | 一种片上系统、信号处理设备 |
-
2020
- 2020-11-26 CN CN202011355504.7A patent/CN112379124A/zh active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113252942A (zh) * | 2021-04-23 | 2021-08-13 | 西北工业大学 | 一种用于icp加速度计的宽频高精度信号调理器 |
| CN113162221A (zh) * | 2021-05-10 | 2021-07-23 | 上海西隆电力科技有限公司 | 电源信号分离器、声发射信号采集分离系统及方法 |
| CN114112008A (zh) * | 2021-10-13 | 2022-03-01 | 西人马帝言(北京)科技有限公司 | 一种片上系统、信号处理设备 |
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