CN113503958B - 宽频振动信号传感器及其信号处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种宽频振动信号传感器及其信号处理装置，宽频振动信号传感器包括：包括：底座；外壳，罩设于所述底座；信号处理模块，设于所述容纳腔内或所述容纳腔外；压电组件，设于所述容纳腔内，并叠设于所述底座；压电元件，设于所述容纳腔内，并叠设于所述压电组件；以及弹性元件，设于所述容纳腔内，并叠设于所述压电元件，所述弹性元件背离所述压电元件的一侧连接于所述外壳内壁。本发明所提供的宽频振动信号传感器，通过设置压电元件和压电组件，且压电元件叠设于压电组件，能够对同一位置产生的低频振动信号和高频振动信号进行收集，减小了单独测量时因传感器安装位置不同导致的误差，使测量结果更准确。

Description

宽频振动信号传感器及其信号处理装置

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种宽频振动信号传感器及其信号处理装置。

背景技术

电力变压器作为电网中最核心的设备，其安全运行对于电网的稳定性至关重要。为了保证变压器安全稳定地运行，需要对变压器的运行状态进行实时监测，使变压器出现故障时能够及时发现变压器的故障，进一步停机检修。

当变压器内部发生局部放电故障时，会产生电荷中和的过程，使得发生局部放电的区域瞬间受热而膨胀，类似于爆炸，放电结束后，原来受热膨胀的区域回复至原有体积，引起了介质的疏密瞬间变化，形成超声波，向四周传播。当变压器中的绕组、铁芯或结构件发生故障时，绕组所受的洛伦磁力和铁芯的磁致伸缩会发生变化，引起异常的振动。

变压器发生异常时产生低频的振动信号(0Hz-2000Hz)和高频的振动信号(即超声信号，20kHz以上)，振动频率范围较宽，现有技术中为了对低频和高频振动信号进行检测，分别使用加速度传感器和超声波传感器对变压器进行检测，检测结果的数据误差性较大。

发明内容

本发明实施例提供一种宽频振动信号传感器及其信号处理装置，旨在解决现有技术中为了对低频和高频振动信号进行检测，分别使用加速度传感器和超声波传感器对变压器进行检测，检测结果的数据误差性较大的问题。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

第一方面，本发明提供一种宽频振动信号传感器，包括：底座；外壳，罩设于所述底座，并与所述底座共同形成容纳腔；信号处理模块，设于所述容纳腔内或所述容纳腔外；压电组件，设于所述容纳腔内，并叠设于所述底座，所述压电组件一端接地，另一端与所述信号处理模块电连接；压电元件，设于所述容纳腔内，并叠设于所述压电组件，所述压电元件一端接地，另一端与所述信号处理模块电连接；以及弹性元件，设于所述容纳腔内，并叠设于所述压电元件，所述弹性元件背离所述压电元件的一侧连接于所述外壳内壁。

在一种可能的实现方式中，定义所述压电元件与所述压电组件的叠设方向为上下方向，所述压电组件包括：下压电片，贴合设于所述底座的上表面，所述下压电片的下表面接地；下导电片，贴合设于所述下压电片的上表面，并与所述信号处理模块电连接；以及上压电片，贴合设于所述下导电片的上表面，并与所述下压电片并联，所述上压电片的上表面接地。

在一种可能的实现方式中，所述压电元件与所述上压电片之间设有上导电片，所述上压电片的上表面通过所述上导电片接地。

在一种可能的实现方式中，所述底座与所述外壳均为金属材质，所述上导电片通过与所述外壳连接接地，所述下压电片的下表面通过与所述底座贴合接地。

在一种可能的实现方式中，所述弹性元件与所述外壳内壁之间设有绝缘片。

在一种可能的实现方式中，所述信号处理模块包括：第一信号输入接口，与所述压电组件电连接；第一信号处理电路，与所述第一信号输入接口电连接，用于对所述压电组件输出信号进行处理；第二信号输入接口，与所述压电元件电连接；第二信号处理电路，与所述第二信号输入接口电连接，并与所述第一信号处理电路并联，用于对所述压电元件输出信号进行处理；以及信号输出接口，与所述第一信号处理电路和所述第二信号处理电路均电连接，用于将所述第一信号处理电路和所述第二信号处理电路的信号输出。

在一种可能的实现方式中，所述第一信号处理电路包括与所述第一信号输入接口电连接的积分电路，以及与所述积分电路串联的第一放大电路，所述第一放大电路与所述信号输出接口电连接；所述第二信号处理电路包括与所述第二信号输入接口电连接的第二放大电路，所述第二放大电路与所述信号输出接口电连接。

在一种可能的实现方式中，所述信号处理模块还包括加法器，所述加法器一端与所述第一信号处理电路和所述第二信号处理电路均电连接，另一端与所述信号输出接口电连接，所述加法器用于将放大后的所述压电组件的输出信号和放大后的所述压电元件的输出信号合并为一路信号，并通过所述信号输出接口输出。

在一种可能的实现方式中，所述底座设有在所述容纳腔以外的安装结构。

与现有技术相比，本发明实施例所提供的宽频振动信号传感器，通过设置压电元件和压电组件，且压电元件叠设于压电组件，能够对同一位置产生的低频振动信号和高频振动信号进行收集，减小了单独测量时因传感器安装位置不同导致数据采集出现的误差，使测量结果更准确；压电元件叠设于压电组件、弹性元件叠设于压电元件，弹性元件能够给压电元件提供一定的预加载荷，预加载荷能够消除零件之间的间隙，提高整体刚度，使信号检测更准确；压电元件在压电组件对低频振动信号采集时能够起到质量块的作用，同时压电元件也能够对高频振动信号进行测量，如此设置，整合了传统的两个独立的传感器，不但能够同时检测高频振动信号和低频振动信号，还能够减少零件数量，减小传感器的体积。

在第二方面，本发明还提供一种宽频振动信号传感器信号处理装置，包括上述任意一项实施例中的宽频振动信号传感器。

本发明实施例所提供的宽频振动信号传感器信号处理装置，包括上述任意一项实施例中的宽频振动信号传感器，采用本发明实施例的宽频振动信号传感器信号处理装置，能够同时对低频振动信号和高频振动信号收集并处理，降低了设备的安装和采集的难度。

附图说明

图1为本发明一实施例宽频振动信号传感器的结构示意图；

图2为本发明一实施例中信号处理模块的结构示意图；

图3为本发明一实施例宽频振动信号传感器信号处理装置的结构示意图。

附图标记说明：

1、宽频振动信号传感器

100、底座 110、安装结构 200、外壳

300、信号处理模块 310、第一信号输入接口 320、第一信号处理电路

321、积分电路 322、第一放大电路 330、第二信号输入接口

340、第二信号处理电路 350、信号输出接口 360、加法器

400、压电组件 410、下压电片 420、下导电片

430、上压电片 440、上导电片 500、压电元件

600、弹性元件 700、绝缘片 800、导线

2、宽频振动信号传感器信号处理装置

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”、“固定”、“固设”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中元件。当一个元件被认为是“连接于”、“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。当元件被称为“设置于”、“设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中元件。“多个”指两个及以上数量。“至少一个”指一个及以上数量。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。

请参阅图1和图2，本发明实施例提供一种宽频振动信号传感器1，包括：底座100；外壳200，罩设于底座100，并与底座100共同形成容纳腔；信号处理模块300，设于容纳腔内或容纳腔外；压电组件400，设于容纳腔内，并叠设于底座100，压电组件400一端接地，另一端与信号处理模块300电连接；压电元件500，设于容纳腔内，并叠设于压电组件400，压电元件500一端接地，另一端与信号处理模块300电连接；以及弹性元件600，设于容纳腔内，并叠设于压电元件500，弹性元件600背离压电元件500的一侧连接于外壳200内壁。

本发明实施例中压电组件400和压电元件500均采用压电材料制作，根据压电材料的压电效应，当有力作用在压电材料上时，就有电荷或电压输出，本发明实施例中采用的压电材料的输出信号可以是电压，也可以是电荷。具体的，压电组件400可以检测变压器发生异常时产生的低频振动信号(0Hz-2000Hz)，并转化为电荷信号输出，压电元件500可以检测变压器发生异常时产生的高频振动信号(即超声信号，20000Hz以上)，并转化为电压信号输出。值得说明的是，压电材料可以根据实际使用需求进行选择，本发明实施例对压电材料的使用不做限定。

本发明实施例提供的宽频振动信号传感器1在安装时，通过底座100将其固定在待检测的位置，当变压器发生故障并产生低频振动信号和高频振动信号时，低频振动信号和高频振动信号通过底座100传递至压电组件400和压电元件500，压电组件400能够对低频振动信号进行采集，压电元件500能够对高频振动信号进行采集，具体的工作原理为：

低频振动信号通过底座100传递至外壳200内部，压电元件500感受到与底座100和压电组件400相同的振动，压电元件500受到与加速度方向相反的惯性力作用，这样，压电元件500就有一个正比于加速度的作用力作用在压电组件400上，使压电组件400表面产生电荷，压电组件400产生的电荷信号输入至信号处理模块300，由信号处理模块300对信号进行收集和处理，为了使结构更紧凑，信号处理模块300通常设于容纳腔内；高频振动信号通过底座100传递至外壳200内部，压电元件500的下表面和上表面产生电压信号，压电元件500的下表面接地，压电元件500的上表面产生的电压信号传递至信号处理模块300，由信号处理模块300对信号进行收集和处理。

值得说明的是，为了提高信号采集效果，宽频振动信号传感器1在安装时可以在底座100与待测位置的连接面之间涂超声耦合剂，能够降低超声波的衰减，提高灵敏度。为了增加传感器的抗干扰能力，避免底座100的应变传导至压电组件400，底座100一般要加厚或者采用刚度较大的材料制造。为了便于压电组件400的安装和固定，底座100上还可以开设安装槽，安装槽的外形尺寸与压电组件400的外形尺寸相适配，压电组件400设于安装槽内，安装槽的内壁能够起到限位作用。

与现有技术相比，本发明实施例所提供的宽频振动信号传感器1，通过设置压电元件500和压电组件400，且压电元件500叠设于压电组件400，能够对同一位置产生的低频振动信号和高频振动信号进行收集，减小了单独测量时因传感器安装位置不同导致数据采集出现的误差，使测量结果更准确。

本发明实施例中的压电元件500叠设于压电组件400、弹性元件600叠设于压电元件500，弹性元件600能够给压电元件500提供一定的预加载荷，预加载荷能够消除零件之间的间隙，提高整体刚度，使信号检测更准确；压电元件500在压电组件400对低频振动信号采集时能够起到质量块的作用，同时压电元件500也能够对高频振动信号进行测量，如此设置，整合了传统的两个独立的传感器，不但能够同时检测高频振动信号和低频振动信号，还能够减少零件数量，减小传感器的体积。

请参阅图1，在一些可能的实施例中，定义压电元件500与压电组件400的叠设方向为上下方向，压电组件400包括：下压电片410，贴合设于底座100的上表面，下压电片410的下表面接地；下导电片420，贴合设于下压电片410的上表面，并与信号处理模块300电连接；以及上压电片430，贴合设于下导电片420的上表面，并与下压电片410并联，上压电片430的上表面接地。其中，下压电片410与底座100之间、下压电片410与下导电片420之间、下导电片420与上压电片430之间、上压电片430与压电元件500之间均可采用导电胶粘接的连接方式，既保证了相对位置固定，又保证了相邻接触面之间可以导电。

本实施例中上压电片430和下压电片410的规格尺寸相同，其横截面可以为圆形、方形或其他形状，本实施例对此不作限制。为了保证电荷信号稳定输出，压电元件500、上压电片430、下导电片420、下压电片410的重心位置在竖直方向上相对应。为了保证压电组件400产生的电荷信号能够全部得到传输，下导电片420的轮廓尺寸大于上压电片430和下压电片410的轮廓尺寸，保证上压电片430下表面和下压电片410上表面能够与下导电片420完全贴合。

在实际应用中，由于单个压电片的输出电荷量较少，在低频振动的环境下，单个压电片可能无法产生足够的表面电荷，影响信号采集的灵敏度。本实施例中的压电组件400采用上压电片430和下压电片410并联的布置方式，能够增加压电组件400的电荷量，提高了对低频振动信号采集的灵敏度。

值得说明的是，本实施例中上压电片430和下压电片410并联，上压电片430的上表面和下压电片410的下表面同为正极或同为负极，二者可以通过导线800相连后接地，下导电片420通过导线800与信号处理模块300电连接，将上压电片430和下压电片410输出的、用于表征低频振动信号的电荷信号送至信号处理模块300。

值得说明的是，为了提高压电组件400的灵敏度，上压电片430和下压电片410应具有一致的性能。在实际使用时，上压电片430和下压电片410可以采用同一型号和生产批次的产品，保证其性能的一致性。为了提高振动信号的采集效果，待测位置表面、底座100的上表面和下表面应当具有较高的平行度和表面光洁度，避免底座100与待测位置表面或下压电片410之间产生间隙，影响振动信号的传递。

请参阅图1，在一些可能的实施例中，压电元件500与上压电片430之间设有上导电片440，上压电片430的上表面通过上导电片440接地，且上导电片440的轮廓尺寸大于压电元件500和上压电片430的轮廓尺寸，以保证压电元件500下表面和上压电片430上表面能够与上导电片440完全贴合。

本实施例通过在压电元件500和上压电片430之间设置上导电片440，上导电片440能够同时将上压电片430和压电元件500接地，简化了布置形式。同样的，为了将上导电片440的位置固定，上导电片440与压电元件500之间、上导电片440与上压电片430之间均可以采用导电胶粘接的连接方式。

请参阅图1，在一些可能的实施例中，底座100与外壳200均为金属材质，上导电片440通过与外壳200连接接地，下压电片410的下表面通过与底座100贴合接地。

本实施例中外壳200对内部的元件起到保护作用，在组装时，外壳200和底座100之间可以采用卡扣连接、螺钉连接、焊接或胶粘结等方式。底座100与外壳200均为金属材质，利用金属材料的导电特性，下压电片410的下表面直接与底座100接触实现接地，上导电片440通过导线800与外壳200连接实现接地。

请参阅图1，在一些可能的实施例中，弹性元件600与外壳200内壁之间设有绝缘片700。本实施例通过设置绝缘片700，当外壳200采用金属材质时，能够避免压电元件500的电荷通过弹性元件600和外壳200流失，当然，还可以将绝缘片700设置在压电元件500与弹性元件600之间，避免电荷由压电元件500向弹性元件600转移。具体的，本实施例中压电元件500可以采用弹簧，为了方便弹簧的安装固定，外壳200内壁可以设置导向柱，弹簧套设于导向柱。

请参阅图1和图2，在一些可能的实施例中，信号处理模块300包括：第一信号输入接口310，与压电组件400电连接；第一信号处理电路320，与第一信号输入接口310电连接，用于对压电组件400输出信号进行处理；第二信号输入接口330，与压电元件500电连接；第二信号处理电路340，与第二信号输入接口330电连接，并与第一信号处理电路320并联，用于对压电元件500输出信号进行处理；以及信号输出接口350，与第一信号处理电路320和第二信号处理电路340均电连接，用于将第一信号处理电路320和第二信号处理电路340的信号输出。

本实施例中的信号处理模块300能够对压电元件500和压电组件400输出的电信号进行处理，使得本实施例提供的宽频振动信号传感器1能够同时对低频振动信号和高频振动信号进行检测和处理。第一信号输入接口310和第二信号输入接口330分别与压电组件400和压电元件500电连接，将电信号输送至相关的第一信号处理电路320和第二信号处理电路340，处理后的信号经由信号输出接口350输出。

请参阅图1和图2，在一些可能的实施例中，第一信号处理电路320包括与第一信号输入接口310电连接的积分电路321，以及与积分电路321串联的第一放大电路322，第一放大电路322与信号输出接口350电连接；第二信号处理电路340包括与第二信号输入接口330电连接的第二放大电路，第二放大电路与信号输出接口350电连接。

由于压电组件400和压电元件500直接输出的电信号很微弱，本实施例通过设置积分电路321和第一放大电路322，能够对压电组件400产生的、用于表征低频振动信号的电信号(由下导电片420输出)进行积分和放大，然后由信号输出接口350输出。具体的，积分电路321可以由运算放大器和RC电路构成。第二放大电路包括电压放大器，通过设置第二放大电路，能够对压电元件500产生的、用于表征高频振动信号(超声信号)的电信号进行放大，然后由信号输出接口350输出。

请参阅图1和图2，在一些可能的实施例中，信号处理模块300还包括加法器360，加法器360一端与第一信号处理电路320和第二信号处理电路340均电连接，另一端与信号输出接口350电连接，加法器360用于将放大后的压电组件400的输出信号和放大后的压电元件500的输出信号合并为一路信号，并通过信号输出接口350输出。

本实施例通过设置加法器360，能够将第一放大电路322和第二放大电路313输出的具有不同频率范围的信号合成，并输出为一路电信号。

请参阅图1，在一些可能的实施例中，底座100设有在容纳腔以外的安装结构110，通过安装结构110将传感器固定在待测位置。

具体的，本实施例的安装结构110为开设在底座100的固定螺孔，通过螺栓将传感器固定在待测位置，螺纹连接安装和拆卸均方便，为了防止螺栓松动导致底座100与待测位置表面产生间隙，还可以增加防松垫圈。为了提高振动信号的传递效果，固定螺孔可以设于底座100中心位置，压电组件400和压电元件500设于底座100上与固定螺孔相对的一侧中心位置。

基于同一发明构思，请参阅图1和图3，本发明实施例提供一种宽频振动信号传感器信号处理装置2，包括上述任意一项实施例的宽频振动信号传感器1。可以理解的是，本发明实施例提供的宽频振动信号传感器信号处理装置2还包括与信号处理模块300电连接的信号调理器，以及与信号调理器电连接的信号采集卡。

本发明实施例通过设置信号调理器，能够对输入信号调理器的电压信号进行处理，以减小误差。信号调理器后连接信号采集卡，信号采集卡能够得到电压信号的数字量，再通过滤波器或数字滤波技术输出信号，使得本发明实施例能够同时对低频振动信号和高频振动信号进行收集并处理，降低了设备的安装和采集的难度。

本发明实施例所提供的宽频振动信号传感器信号处理装置2的使用方法为：使用磁吸夹具或螺栓将宽频振动信号传感器1固定于待测位置；信号处理模块300连接信号调理器，信号调理器能够对信号进行处理；信号调理器后端连接信号采集卡，再使用滤波器或数字滤波技术将电压信号分离为低频的振动信号和高频的超声信号。信号调理器具有恒流供电和高频滤波的能力，通过连接信号调理器，一方面给宽频振动信号传感器1供电，另一方面可以过滤200kHz以上的高频噪声，提高后续信号采集卡的采集精度。信号调理器后端连接信号采集卡，对电压信号进行采集。

为分离信号采集卡所采集到的信号，本发明实施例提供了以下两种解决方案：

方案一，在信号采集卡得到电压信号的数字量后，进行数字滤波，将其分离为低频(低于2kHz)的振动信号和高频(20kHz-200kHz)的超声信号；

方案二，在信号调理器后连接两个滤波器，两个滤波器再连接信号采集卡的两个接口，使用两个滤波器分别将信号中的低频和高频信号取出并测量。

以上两种方式均能够对信号采集卡采集的信号进行分离，在操作时可根据实际情况进行选择。

可以理解的是，上述实施例中的各部分可以进行自由地组合或删减以形成不同的组合实施例，在此不再赘述各个组合实施例的具体内容，在此说明之后，可以认为本发明说明书已经记载了各个组合实施例，能够支持不同的组合实施例。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.宽频振动信号传感器，其特征在于，包括：

底座；

外壳，罩设于所述底座，并与所述底座共同形成容纳腔；

信号处理模块，设于所述容纳腔内或所述容纳腔外；

压电组件，设于所述容纳腔内，并叠设于所述底座，所述压电组件一端接地，另一端与所述信号处理模块电连接；

压电元件，设于所述容纳腔内，并叠设于所述压电组件，所述压电元件一端接地，另一端与所述信号处理模块电连接；以及

弹性元件，设于所述容纳腔内，并叠设于所述压电元件，所述弹性元件背离所述压电元件的一侧连接于所述外壳内壁；

定义所述压电元件与所述压电组件的叠设方向为上下方向，所述压电组件包括：

下压电片，贴合设于所述底座的上表面，所述下压电片的下表面接地；

下导电片，贴合设于所述下压电片的上表面，并与所述信号处理模块电连接；以及

上压电片，贴合设于所述下导电片的上表面，并与所述下压电片并联，所述上压电片的上表面接地；

所述下导电片的轮廓尺寸大于所述上压电片和所述下压电片的轮廓尺寸；

所述压电元件与所述上压电片之间设有上导电片，所述上压电片的上表面通过所述上导电片接地。

2.根据权利要求1所述的宽频振动信号传感器，其特征在于，所述底座与所述外壳均为金属材质，所述上导电片通过与所述外壳连接接地，所述下压电片的下表面通过与所述底座贴合接地。

3.根据权利要求2所述的宽频振动信号传感器，其特征在于，所述弹性元件与所述外壳内壁之间设有绝缘片。

4.根据权利要求1所述的宽频振动信号传感器，其特征在于，所述信号处理模块包括：

第一信号输入接口，与所述压电组件电连接；

第一信号处理电路，与所述第一信号输入接口电连接，用于对所述压电组件输出信号进行处理；

第二信号输入接口，与所述压电元件电连接；

第二信号处理电路，与所述第二信号输入接口电连接，并与所述第一信号处理电路并联，用于对所述压电元件输出信号进行处理；以及

信号输出接口，与所述第一信号处理电路和所述第二信号处理电路均电连接，用于将所述第一信号处理电路和所述第二信号处理电路的信号输出。

5.根据权利要求4所述的宽频振动信号传感器，其特征在于，所述第一信号处理电路包括与所述第一信号输入接口电连接的积分电路，以及与所述积分电路串联的第一放大电路，所述第一放大电路与所述信号输出接口电连接；所述第二信号处理电路包括与所述第二信号输入接口电连接的第二放大电路，所述第二放大电路与所述信号输出接口电连接。

6.根据权利要求4所述的宽频振动信号传感器，其特征在于，所述信号处理模块还包括加法器，所述加法器一端与所述第一信号处理电路和所述第二信号处理电路均电连接，另一端与所述信号输出接口电连接，所述加法器用于将放大后的所述压电组件的输出信号和放大后的所述压电元件的输出信号合并为一路信号，并通过所述信号输出接口输出。

7.根据权利要求1所述的宽频振动信号传感器，其特征在于，所述底座设有在所述容纳腔以外的安装结构。

8.宽频振动信号传感器信号处理装置，其特征在于，包括如权利要求1-7任意一项所述的宽频振动信号传感器。

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