CN113865689A - 一种振动信号电荷放大器故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空机械冲击振动监测技术领域，具体涉及一种振动信号电荷放大器故障检测方法；故障检测方法所使用的调理方法为：使用高阻输出总线驱动电路，使故障检测电路不影响所述电荷放大器的采集精度；使用无源电压转电荷电路，实现所述故障检测电路中电压信号至电荷信号的转换；使用数字方波电压信号，通过所述无源电压转电荷电路对交流电荷信号进行模拟。该方法设计简单、易于实现，抗干扰能力强，可以有效检测振动信号电荷放大器故障，且不影响振动信号采集精度。

Description

一种振动信号电荷放大器故障检测方法

技术领域

本发明属于航空机械冲击振动监测技术领域，具体涉及一种振动信号电荷放大器故障检测方法。

背景技术

目前，航空、航天发动机的监测和控制技术会涉及大量的振动信号，振动信号在航空、航天领域一般通过压电加速度传感器进行测量。压电加速度传感器的输出需经电荷放大器进行变换(即电荷-电压转换)，方可用于后续的放大、积分和滤波处理。

然而，压电加速度传感器输出的电荷量微弱，使得电荷放大器性能易受干扰，给测量带来不便，要增加故障检测功能更是难以实现。为了实现电荷放大器的故障检测功能，并且保证电荷放大器性能不受故障检测电路影响，需要特殊设计一种简单、可靠的故障检测方法。

目前已存在的电荷信号放大器都未包括有故障检测电路，现有技术中描述的振动信号调理故障检测方法，大部分基于旋转部件转速和振动物理关系判断振动信号调理是否故障，比如：当转速信号由无到有，并且增大过程中，振动信号总量应该增加并大于某一个特定的振动总量阀值，这种间接的检测方法存在多种问题，比如振动信号电缆断线和振动信号调理电路故障无法区分等多种问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种振动信号电荷放大器故障检测方法，该方法设计简单、易于实现，抗干扰能力强，可以有效检测振动信号电荷放大器故障，且不影响振动信号采集精度。

为了达到上述技术目的，本发明所采用的具体技术方案为：

一种振动信号电荷放大器故障检测方法，应用于电荷类振动信号采集电路；故障检测方法所使用的调理方法为：

使用高阻输出总线驱动电路，使故障检测电路不影响所述电荷放大器的采集精度；

使用无源电压转电荷电路，实现所述故障检测电路中电压信号至电荷信号的转换；

使用数字方波电压信号，通过所述无源电压转电荷电路对交流电荷信号进行模拟。

进一步的，实现所述不影响所述电荷放大器的采集精度的具体方法为：

所述高阻输出总线驱动电路在禁止状态下和所述无源电压转电荷电路构成的所述故障检测电路的阻抗，大于所述电荷放大器的内部阻抗网络100倍以上；

所述故障检测电路的阻抗为交流信号阻抗，所述交流信号阻抗的频率为数字方波电压信号频率；

所述高阻输出总线驱动电路的总线驱动器具有使能控制功能，当进行故障检测时，使能所述总线驱动器，不需要进行故障检测时，禁止所述总线驱动器。

进一步的，实现所述故障检测电路中电压信号至电荷信号的转换的具体方法为：

所述无源电压转电荷电路中的Cbit电容等于所述电荷放大器的反馈电容Cf；Cbit电容一端连接振动传感器的输出线，另一端连接所述总线驱动器输出引脚。

进一步的，所述无源电压转电荷电路对交流电荷信号进行模拟的方法具体为：

使用数字方波电压信号和所述无源电压转电荷电路模拟交流电荷信号；所述数字方波电压信号的电压与所述总线驱动器输入接口电压相同，占空比为50％；所述数字方波电压信号的频率在所述电荷放大器的频率带宽内。

进一步的，所述故障检测方法的实现电路的设置方法包括以下步骤：

步骤1：获取电荷放大器的反馈电容值Cf和频率带宽；

步骤2：根据所述反馈电容值Cf，计算无源电压转电荷电路Cbit，即Cbit＝Cf，设置Cbit电容；所述Cbit电容一端连接振动传感器的输出线，另一端连接所述总线驱动器输出引脚；

步骤3：计算电荷放大器内部阻抗网络的交流阻抗值

步骤4：根据所述交流阻抗值，选择总线驱动器，使所述高阻输出总线驱动电路在禁止状态下和所述无源电压转电荷电路构成的所述故障检测电路的阻抗，大于所述交流阻抗值100倍以上；

步骤5：所述总线驱动器具有设置使能和禁止状态的功能；

步骤6：所述数字方波信号的频率和占空比通过处理器进行控制，其中，占空比为50％。

采用上述技术方案，本发明能够带来以下有益效果：

本发明相比较于传统的故障检测方法，利用高阻输出总线驱动电路、无源电压转电荷电路，增加到原有振动信号放大电路中，实现振动电荷信号故障检测，并确保在振动电荷信号采集电路中不影响整个系统采集精度；无源电压转电荷电路将高阻输出总线驱动器电路输出的数字方波信号转换为交流电荷信号；高阻输出总线驱动电路增加信号驱动能力，同时确保在非BIT工作状态保持高阻状态，不影响振动信号采集精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为电荷放大器故障检测原理框图；

图2为高精度压电式传感器模拟系统原理框图；

图3为基于方波的电荷放大器故障检测原理框图；

图4为单端电荷放大电路；

图5为本发明具体实施方式中一种振动信号单端电荷放大器故障检测电路；

图6为差分电荷放大电路；

图7为本发明具体实施方式中一种振动信号差分电荷放大器故障检测电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。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。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。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。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本发明，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

在本实施例中，如图1-7所示，提出一种振动信号电荷放大器故障检测方法，应用于电荷类振动信号采集电路；其特征在于，

故障检测方法所使用的调理方法为：

使用高阻输出总线驱动电路，使故障检测电路不影响电荷放大器的采集精度；

使用无源电压转电荷电路，实现故障检测电路中电压信号至电荷信号的转换；

使用数字方波电压信号，通过无源电压转电荷电路对交流电荷信号进行模拟。

在本实施例中，实现不影响电荷放大器的采集精度的具体方法为：

高阻输出总线驱动电路在禁止状态下和无源电压转电荷电路构成的故障检测电路的阻抗，大于电荷放大器的内部阻抗网络100倍以上；

故障检测电路的阻抗为交流信号阻抗，交流信号阻抗的频率为数字方波电压信号频率；

高阻输出总线驱动电路的总线驱动器具有使能控制功能，当进行故障检测时，使能总线驱动器，不需要进行故障检测时，禁止总线驱动器。

在本实施例中，实现故障检测电路中电压信号至电荷信号的转换的具体方法为：

无源电压转电荷电路中的Cbit电容等于电荷放大器的反馈电容Cf；Cbit电容一端连接振动传感器的输出线，另一端连接总线驱动器输出引脚。

在本实施例中，无源电压转电荷电路对交流电荷信号进行模拟的方法具体为：

使用数字方波电压信号和无源电压转电荷电路模拟交流电荷信号；数字方波电压信号的电压与总线驱动器输入接口电压相同，占空比为50％；数字方波电压信号的频率在电荷放大器的频率带宽内。

在本实施例中，故障检测方法的实现电路的设置方法包括以下步骤：

步骤1：获取电荷放大器的反馈电容值Cf和频率带宽；

步骤2：根据反馈电容值Cf，计算无源电压转电荷电路Cbit，即Cbit＝Cf，设置Cbit电容；Cbit电容一端连接振动传感器的输出线，另一端连接总线驱动器输出引脚；

步骤3：计算电荷放大器内部阻抗网络的交流阻抗值

步骤4：根据交流阻抗值，选择总线驱动器，使高阻输出总线驱动电路在禁止状态下和无源电压转电荷电路构成的故障检测电路的阻抗，大于交流阻抗值100倍以上；

步骤5：总线驱动器具有设置使能和禁止状态的功能；

步骤6：数字方波信号的频率和占空比通过处理器进行控制，其中，占空比为50％。

在本实施例中，将图1中的电荷发生器替换为图2的压点式传感器模拟系统(简称“电荷模拟器”或“电荷发生器”)。当振动传感器不输出电荷时，使能电荷模拟器，模拟器输出的电荷信号经过电荷放大器转换为电压信号，此电压信号经过积分、滤波等调理后送入模数转换器(A/D芯片)采集，处理器(CPU)可以通过判定采集信号的有效值、峰值、平均值等是否在电荷模拟器输出的电荷信号范围内，就能够实现电荷放大器的故障检测功能，模拟器具体电路详见专利“一种高精度压电式传感器模拟系统”。此实施例中由于电荷发生器使用已有专利技术，且该电荷发生器不具备交流高阻功能，在禁止电荷模拟器和使能电荷模拟器时，都会影响振动信号采集精度，且结构较为复杂，可靠性不高。

如图3所示，本实施例使用高阻输出总线驱动器代替图2中的跟随器和反相器，有效增加了交流阻抗，在禁止电荷模拟器时，不会影响振动信号采集精度，且结构简单，可靠性高。具体工作原理为：当不需要故障检测时，禁止“BIT控制信号”，此时，压电振动传感器产生电荷信号，由于总线驱动器处于禁止状态，在禁止状态下，总线驱动器表现为高阻，因此，传感器输出的全部电荷信号进入电荷放大器进行放大，并转换为电压信号，此电压信号经过后续电路进入处理器进行计算、分析功能；

当产品上电且振动传感器输出信号较微弱时(对于发动机而言是指“发动机未启动时”)，可进行故障检测，此时，使能“BIT控制信号”，方波信号通过总线驱动器和无源电压转电荷电路构成电荷模拟器，且输出类似方波电荷信号，类方波电荷信号进入电荷放大器进行放大，并转换为类方波电压信号，此电压信号经过积分、滤波等调理后送入模数转换器(A/D芯片)采集，处理器(CPU)可以通过判定采集信号的有效值、峰值、平均值等是否在电荷模拟器输出的电荷信号范围内，就能够实现电荷放大器的故障检测功能。

当振动传感器输出有较大信号时(发动机工作中，有振动信号产生)，不宜使用此方法进行故障检测功能，因为此时的电荷信号为传感器输出电荷与模拟器输出电荷信号的矢量叠加。

在一个实施例中，图4为一种单端电荷放大器，图5是本实施例对此单端电荷放大器的应用实施例，具体工作原理为：当不需要故障检测时，禁止“BIT使能控制信号”，由于总线驱动器(SN74LVC1G125芯片)处于禁止状态，在禁止状态下，总线驱动器表现为高阻态，此时，压电振动传感器输出的全部电荷信号进入电荷放大器进行放大(因为总线驱动器表现为高阻态，交流电荷信号无法通过无源电压转电荷电路中电容Cbit(图5中Cbit(约为2～10nf))和高阻态驱动器(高阻值Rd大于100Mohm)构成的阻容电路(阻抗为Rd+1/(S*Cbit)，其中S＝2πfj)，仅能通过电荷放大器内部阻容网络(如图5中R1、C1和C3构成的阻容网络(阻抗为R1+1/(S*C1)，其中S＝2πfj)，其中R1小于100ohm、C1不小于1uf、C3约为2～10nf))，并转换为电压信号，此电压信号经过后续电路处理进入处理器进行计算、分析功能，因此在禁止BIT状态，增加的故障检测电路对原有单端电荷放大器性能没有影响。

当产品上电且振动传感器输出信号较微弱时(对于发动机而言是指“发动机未启动时”)，可进行故障检测，此时，使能“BIT使能控制信号”，方波信号通过总线驱动器和无源电压转电荷电路构成电荷模拟器，且输出类似方波电荷信号(Q＝Cbit*U,其中U为方波信号电压、Q为模拟器产生的电荷量、Cbit为故障检测电路使用的电容值)，类方波电荷信号进入电荷放大器进行放大，并转换为类方波电压信号(Uout＝Q/C3,其中Uout为电荷放大器输出电压,Q为模拟器产生的电荷量，C3为电荷放大器的反馈电容)，此电压信号经过积分、滤波等调理后送入模数转换器(A/D芯片)采集，处理器(CPU)可以通过判定采集信号的有效值、峰值、平均值等是否在电荷模拟器输出的电荷信号范围内，就能够实现电荷放大器的故障检测功能。需要特别说明的是：在连接外部单端压电振动传感器时，且使能本故障检测功能，模拟器产生的电荷信号Q，一部分会通过传感器内部电容流走，然而由于Csensor电容常为小于1nf(以MEGGITT公司6233C型为例，其内部电容约为725pf)，而单端电荷放大器C1电容不小于1uf，Csensor远小于C1，因此Q电荷流入传感器部分可以忽略。故模拟器产生的电荷量Q全部流入单端电荷放大器，保证了Uout＝Q/C3的准确性。

同理，当振动传感器输出有较大信号时(发动机工作中，有振动信号产生)，不宜使用此方法进行故障检测功能，因为此时的电荷信号为传感器输出电荷与模拟器输出电荷信号的矢量叠加。

在一个实施例中，图6为一种差分电荷放大器，图7是本实施例对此差分电荷放大器的应用实施例，具体工作原理为：当不需要故障检测时，禁止“BIT使能控制信号”，由于2路总线驱动器(SN74LVC1G125芯片)处于禁止状态，在禁止状态下，总线驱动器表现为高阻态，此时，压电振动传感器输出的全部电荷信号进入电荷放大器进行放大(因为总线驱动器表现为高阻态，交流电荷信号无法通过图中Cbit(约为2～10nf)电容和高阻态驱动器(高阻值大于100Mohm)构成的阻容电路，仅能通过R1、R2、C1、C2、C3和C4构成的阻容网络，其中R1＝R2都小于100ohm、C1＝C2都不小于1uf、C3＝C4都约为2～10nf)，并转换为电压信号，此电压信号经过后续电路处理进入处理器进行计算、分析功能，因此在禁止BIT状态，增加的故障检测电路对原有单端电荷放大器性能没有影响。

当产品上电且振动传感器输出信号较微弱时(对于发动机而言是指“发动机未启动时”)，可进行故障检测，此时，使能“BIT使能控制信号”，方波信号通过2路总线驱动器和无源电压转电荷电路构成电荷模拟器，且输出类似方波电荷信号(Q＝Cbit*2*U,其中U为方波信号电压、其中方波1和方波2为反向信号、Q为模拟器产生的电荷量、Cbit为故障检测电路使用的电容值)，类方波电荷信号进入电荷放大器进行放大，并转换为类方波电压信号(Uout＝2*Q/C3,其中Uout为电荷放大器输出电压,Q为模拟器产生的电荷量，C3为电荷放大器的反馈电容)，此电压信号经过积分、滤波等调理后送入模数转换器(A/D芯片)采集，处理器(CPU)可以通过判定采集信号的有效值、峰值、平均值等是否在电荷模拟器输出的电荷信号范围内，就能够实现电荷放大器的故障检测功能。需要特别说明的是：在连接外部单端压电振动传感器时，且使能本故障检测功能，模拟器产生的电荷信号Q，一部分会通过传感器内部电容流走，然而由于Csensor电容常为小于1nf(以MEGGITT公司6233C型为例，其内部电容约为725pf)，而差分电荷放大器C1＝C2电容都不小于1uf，Csensor远小于C1，因此Q电荷流入传感器部分可以忽略。故模拟器产生的电荷量Q全部流入单端电荷放大器，保证了Uout＝2*Q/C3的准确性。

同理，当振动传感器输出有较大信号时(发动机工作中，有振动信号产生)，不宜使用此方法进行故障检测功能，因为此时的电荷信号为传感器输出电荷与模拟器输出电荷信号的矢量叠加。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种振动信号电荷放大器故障检测方法，应用于电荷类振动信号采集电路；其特征在于，

故障检测方法所使用的调理方法为：

使用高阻输出总线驱动电路，使故障检测电路不影响所述电荷放大器的采集精度；

使用无源电压转电荷电路，实现所述故障检测电路中电压信号至电荷信号的转换；

使用数字方波电压信号，通过所述无源电压转电荷电路对交流电荷信号进行模拟。

2.根据权利要求1所述的故障检测方法，其特征在于，

实现所述不影响所述电荷放大器的采集精度的具体方法为：

所述高阻输出总线驱动电路在禁止状态下和所述无源电压转电荷电路构成的所述故障检测电路的阻抗，大于所述电荷放大器的内部阻抗网络100倍以上；

所述故障检测电路的阻抗为交流信号阻抗，所述交流信号阻抗的频率为数字方波电压信号频率；

所述高阻输出总线驱动电路的总线驱动器具有使能控制功能，当进行故障检测时，使能所述总线驱动器，不需要进行故障检测时，禁止所述总线驱动器。

3.根据权利要求2所述的故障检测方法，其特征在于，

实现所述故障检测电路中电压信号至电荷信号的转换的具体方法为：

所述无源电压转电荷电路中的Cbit电容等于所述电荷放大器的反馈电容Cf；Cbit电容一端连接振动传感器的输出线，另一端连接所述总线驱动器输出引脚。

4.根据权利要求3所述的故障检测方法，其特征在于，

所述无源电压转电荷电路对交流电荷信号进行模拟的方法具体为：

使用数字方波电压信号和所述无源电压转电荷电路模拟交流电荷信号；所述数字方波电压信号的电压与所述总线驱动器输入接口电压相同，占空比为50％；所述数字方波电压信号的频率在所述电荷放大器的频率带宽内。

5.根据权利要求1-4之任一项所述的故障检测方法，其特征在于，所述故障检测方法的实现电路的设置方法包括以下步骤：

步骤1：获取电荷放大器的反馈电容值Cf和频率带宽；

步骤2：根据所述反馈电容值Cf，计算无源电压转电荷电路Cbit，即Cbit＝Cf，设置Cbit电容；所述Cbit电容一端连接振动传感器的输出线，另一端连接所述总线驱动器输出引脚；

步骤3：计算电荷放大器内部阻抗网络的交流阻抗值

步骤4：根据所述交流阻抗值，选择总线驱动器，使所述高阻输出总线驱动电路在禁止状态下和所述无源电压转电荷电路构成的所述故障检测电路的阻抗，大于所述交流阻抗值100倍以上；

步骤5：所述总线驱动器具有设置使能和禁止状态的功能；

步骤6：所述数字方波信号的频率和占空比通过处理器进行控制，其中，占空比为50％。

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