CN1246678C

CN1246678C - 数字式振动冲击传感器

Info

Publication number: CN1246678C
Application number: CN 200410000731
Authority: CN
Inventors: 黄采伦; 刘德顺
Original assignee: Hunan University of Science and Technology
Current assignee: Hunan University of Science and Technology
Priority date: 2004-01-16
Filing date: 2004-01-16
Publication date: 2006-03-22
Anticipated expiration: 2024-01-16
Also published as: CN1558190A

Abstract

一种数字式振动冲击传感器，包括振动冲击敏感元件、信号调理电路、模数转换电路及接口，采用单5V电源工作，四芯屏蔽线传输。敏感元件提取振动冲击信号，经信号调理电路就近放大为0～5V电压信号，模数转换电路将电压信号转换成数字信号，再经I²C总线接口输出。它集信号传感、模数转换于一体，且输出接口为I²C总线，解决了模拟传感器抗干扰能力较弱的问题。具有结构简单、成本低、全部电路内置、集成度高、分辨率高、功耗低、传输稳定可靠等优点，容易实现传感器与后续数据采集系统的电气隔离，抗干扰能力强，可有效提取振动冲击等状态信息并数字化。可广泛用于机械设备振动冲击的测量，对复杂恶劣条件下机械设备的在线状态监测与故障诊断特别适用。

Description

数字式振动冲击传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，特别是一种用于可靠测量振动冲击的数字式传感器。

背景技术

目前的各种传感器应称为传统传感器或模拟传感器，它是模拟仪表或模拟计算机时代的产物，它的设计指导思想是把外部信息变换成模拟电压或电流信号，输出幅值小，灵敏度低是它的严重不足，而且必须连接到特定测量仪表才能完成信号的处理和传输功能。现有用于测量振动冲击的传感器也不例外，多数为模拟传感器，不仅输出幅值小、灵敏度低，且无法满足现代数字计算机或数字仪表的接口要求。另外，振动冲击传感器与数据采集器之间的距离一般都较远，而被测设备的运行环境又较差，加上电机、整流装置等用电设备产生的电磁干扰，高频电源线的工频干扰，测量系统与各单元电路之间的公共接地阻抗产生的阻抗干扰，以及长线传送模拟信号带来线路上的信号损耗等等，总之，所有这些干扰和损耗都会影响到被测设备的测量精确度。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种既可抗干扰又传输可靠、而且分辨率较高的用于测量振动冲击的数字式传感器。

为实现上述目的，本发明的数字式振动冲击传感器包括振动敏感元件、信号调理电路、模数转换电路及输出接口，其中，振动敏感元件、信号调理电路和模数转换电路集成于一个传感器壳体内，输出接口设有I²C总线，并采用单5V电源工作，四芯屏蔽线传输，由敏感元件提取振动冲击信号、经信号调理电路就近放大为0～5V电压信号、模数转换电路转换成数字信号，再经I²C总线接口输出。

为了保障传输可靠、降低功耗以及实现传感器与后续数据采集系统的电气隔离，本发明采取了下面的进一步措施。

本发明采用的振动敏感元件1是一种剪切型压电加速度敏感元件Q1，与该敏感元件Q1匹配有：由放大器IC1：TLC277及电阻R1～R5、电容C1～C4构成的信号调理电路2，具有所述I²C总线接口的串行A/D转换器IC2和由插接件JK1构成的模数转换电路3以及接口4。

或者，本发明采用的振动敏感元件1是一种剪切型压电加速度敏感元件Q1，与该敏感元件Q1匹配有：由集成单电源仪表放大器IC1：AD623及电阻R1～R3、电容C1～C2构成的信号调理电路2，具有所述I²C总线接口的串行A/D转换器IC2和由插接件JK1构成的模数转换电路3以及接口4。

或者，本发明采用的振动敏感元件1是一种IC1内藏的“H”形差动电容式加速度敏感元件，与该敏感元件匹配有：由IC1：ADXL150或其系列单片式加速度传感器芯片及电阻R1～R3、电容C1～C3构成的信号调理电路2，具有所述I²C总线接口的串行A/D转换器IC2和由插接件JK1构成的模数转换电路3以及接口4。

或者，本发明采用的振动敏感元件1是一种IC1内藏的差动电容式加速度敏感元件，与该差动电容匹配有：由IC1：MMA2202或其系列单片式加速度传感器芯片及电阻R1～R2、电容C1～C3构成的信号调理电路2，具有所述I²C总线接口的串行A/D转换器IC2和由插接件JK1构成的模数转换电路3以及接口4。

本发明的数字式振动冲击传感器由于采用输出接口为I²C总线的方案，解决了模拟传感器抗干扰能力较弱的问题。它具有结构简单、全部电路内置、集成度高、分辨率高、功耗较少、成本低、传输稳定可靠的优点，容易实现传感器与后续数据采集系统的电气隔离，抗干扰能力强，可有效提取振动、冲击等状态信息而且使之数字化。它可广泛用于机械设备振动冲击的测量，对结构复杂、工作环境恶劣、干扰信号繁杂等场合下设备的状态监测具有独特优势。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1为本发明硬件结构及接口方框图；

图2为本发明实施例一的电路原理图；

图3为本发明实施例二的电路原理图；

图4为本发明实施例三的电路原理图；

图5为本发明实施例四的电路原理图。

具体实施方式

参见附图，根据本发明的一种用于测量机械设备的振动冲击的数字式传感器，包括设有远距离传输所取信号并与测量系统的计算机直接数字接口的I²C总线及接口，该I²C总线及接口具有多主机系统所需要的裁决和高低速设备同步运行功能的高性能串行总线，且全部电路内置。本发明选用PHILIPS公司的一种简单、双向二线制同步串行总线，只需要两根线，即通过串行时钟线SCL和串行数据线SDA就可在连接于总线上的各器件之间传送信息，它采用功耗极低、容易实现传感器与后续数据采集系统的电气隔离的四芯屏蔽线传输，即两芯接电源、两芯接信号、屏蔽层接外壳，单5V电源供电，通过振动敏感元件将被测机械设备关键部位的振动冲击参量转换为电参量，由信号调理电路就近对该电参量进行放大并转换为0～5V的电压信号，再经模数转换器转换成数字信号输出。

以下对本发明的具体实施例进行详细的描述。

实施例一

如图2所示，振动冲击由剪切型压电加速度敏感元件Q1提取，与该敏感元件Q1匹配有：由放大器IC1：TLC277及电阻R1～R5、电容C1～C4构成的信号调理电路2，具有所述I²C总线接口的串行A/D转换器IC2(如：选用型号为ADS7823等)和由插接件JK1构成的模数转换电路3以及接口4。振动冲击信号的实时性很强且频率成分丰富；而压电传感器主要用于测量力、加速度、冲击和振动，它可以有电压和电荷两种输出，其后续的放大电路相应地分为电压放大和电荷放大两种，电荷放大的测量灵敏度与接线电缆长度无关，适合较远距离的测量。图2中的IC1A、C1和R3组成一个具有深度负反馈的高增益电荷放大电路，利用反馈电容C1把压电传感器输入的电荷转换为电压输出，改变反馈电容C1的大小，即可改变电荷放大器的输出灵敏度，从而可以测量不同大小的振动加速度。根据该电荷放大电路，令传感器电容为Cn，电缆电容为Cc，放大器的输入电容为Ci，运算放大器的开环增益为A，则反馈电容C1折合到放大器输入端的有效电容为(1+A)C1；若忽略放大器的输入电阻和与反馈电容并联的漏电阻，则放大器输出电压为：

因为A＞＞1，故上式中Cn+Cc+Ci＜＜(1+A)C1，此时传感器电容Cn、电缆电容Cc和放大器的输入电容Ci可忽略不计，放大器的输出电压可表示为：

因此，电荷放大器的输出电压与传感器产生的电荷量及电荷放大器反馈电容有关，电缆电容等其它因素的影响可忽略不计。图2中的C3、C4为电源去耦电容，R1、R2、C2用于给单电源工作放大器提供参考地电平，以实现正负振动冲击的测量；电阻R4、R5和运放IClB组成一个电压放大电路，用于将电荷放大器IClA的输出电压范围放大到0～5V之间，以保证A/D转换的分辨率；IC2是具有I²C总线接口的串行A/D转换器，工作电压为+5V，分辨率为12bit，采样频率＞100KHz，可选芯片有：ADS7822、ADS7823、ADS7816、ADS7817、TLC2544、TLV2554等，采用该A/D转换器仅需要串行时钟线SCL和串行数据线SDA两根线即可在连接于总线上的传感器与数据采集系统之间传送信息，使得传感器结构简单、可靠性提高。

实施例二

如图3所示，振动冲击由剪切型压电加速度敏感元件Q1提取，与该敏感元件Q1匹配有：由集成单电源仪表放大器IC1：AD623及电阻R1～R3、电容C1～C2构成的信号调理电路2，具有所述I²C总线接口的串行A/D转换器IC2(如：ADS7822等)和由插接件JK1构成的模数转换电路3以及接口4。如实施例一所述，压电传感器可以有电压和电荷两种输出，其后续的放大电路相应地分为电压放大和电荷放大两种，本发明由于将全部电路置于传感器内部，压电元件与放大电路之间的连接极短，故本实施例采用电压放大方式，由IC1：AD623集成单电源仪表放大器实现。AD623能在单电源+3V～+12V下提供电源幅度的输出，允许使用单个增益设置电阻进行增益编程，以得到更好的用户灵活性，且符合8引脚的工业标准引脚配置，在无外接电阻条件下，AD623被设置为单位增益(G＝1)，在接入电阻后，可编程设置增益。在图3中，其增益

G = 1 + \frac{100 KΩ}{R 1}

(最高可达1000倍)，传感器电容为Cn，运放的输入电压为

V_{i} = \frac{Q 1}{Cn},

则IC1：AD623的输出电压为：

因此，只要调节R1即可达到IC1的输出在0～5V之间；图3中的C1、C2为电源去耦电容，R3、R2用于给单电源工作放大器提供参考地电平，以实现正负振动冲击的测量；IC2是具有I²C总线接口的串行A/D转换器，其工作电压、分辨率、采样频率、可选芯片等与实施例一相同。

实施例三

如图4所示，振动冲击由IC1内藏的“H”形差动电容式加速度敏感元件提取，与该敏感元件匹配有：由IC1：ADXL150或其系列单片式加速度传感器芯片及电阻R1～R3、电容C1～C3构成的信号调理电路2，具有所述I²C总线接口的串行A/D转换器IC2(如：ADS7816等)和由插接件JK1构成的模数转换电路3以及接口4。图4中，IC1是ADI公司推出的ADXL系列单片式电容加速度传感器，用闭环反馈力平衡技术和完整的信号调理电路构成闭环随动式加速度计，是由多晶硅表面微加工(POLY SILICON SURFACE-MICRO-MACHINED)敏感元件和信号调理电路组成，其内部主要包括：敏感元件、振荡器(输出频率是1MHZ)、基准电压源、解调器、低通滤波器、前置放大器、独立的输出放大器及自检测电路；它不仅体积小，可以直接安装在印刷电路板上，而且灵敏度高，能够测量正、负加速度信号，并可根据不同要求，用户可以自行调整灵敏度和测量范围；它既可测量动态加速度，又可测量静态加速度，其输出的电压与所感受的加速度成正比。本实施例可选型号有：ADXL05(X轴向敏感，测量范围：±5g)、ADXL50(X轴向敏感，测量范围：±50g)、ADXL105(X轴向敏感，测量范围：±1.5g)、ADXL150(X轴向敏感，测量范围：±50g)、ADXL190(X轴向敏感，测量范围：±100g)、ADXL181(X轴向敏感，测量范围：-150～+250g)等系列单片式加速度传感器芯片。图4中的C1、C3为电源去耦电容，R1、R2、C2用于调节放大器输出零点，R3用于将自检输入端置低电平(不进行自检)；IC2是具有I²C总线接口的串行A/D转换器，其选择方法与实施例一类似。

实施例四

如图5所示，振动冲击由IC1内藏的差动电容式加速度敏感元件提取，与该差动电容匹配有：由IC1：MMA2202或其系列单片式加速度传感器芯片及电阻R1～R2、电容C1～C3构成的信号调理电路2，具有所述I²C总线接口的串行A/D转换器IC2(如：ADS7817等)和由插接件JKl构成的模数转换电路3以及接口4。图5中，IC1是MOTOROLA公司推出的MMA系列多晶硅表面微加工单片加速度传感器，其内部主要包括：电容敏感元件、4阶低通滤波器、信号放大处理电路及自检测电路等，是振动冲击测量的理想元件，它既可测量重力加速度(静态)，又可测量由振动、冲击产生的加速度、速度位移等参数(动态)，其线性输出的电压与所感受的加速度成正比。本实施例可选型号有：MMA1200D(Z轴向敏感，测量范围：±250g)、MMA1201P(Z轴向敏感，测量范围：±40g)、MMA1220D(Z轴向敏感，测量范围：±8g)、MMA1250D(Z轴向敏感，测量范围：±5g)、MMA1270D(Z轴向敏感，测量范围：±2.5g)、MMA1260D(Z轴向敏感，测量范围：±1.5g)、MMA2200W(X轴向敏感，测量范围：±40g)、MMA2201D(X轴向敏感，测量范围：±40g)、MMA2202D(X轴向敏感，测量范围：±50g)等系列单片式加速度传感器芯片。图5中的C1、C3为电源去耦电容，R1、C2构成输出低通滤波器，R2用于将自检输入端置低电平(不进行自检)；IC2是具有I²C总线接口的串行A/D转换器，其选择方法与实施例一类似。

值得指出的是：由于本发明采用基于I²C总线的测量振动加速度传感器的全部电路内置，选用四芯屏蔽线传输，容易实现传感器与后续数据采集系统的电气隔离，可靠地保护内部电路，免受外部干扰。可有效提取机械设备的振动、冲击等状态信息，对结构复杂、工作环境恶劣、干扰信号繁杂等场合下设备的状态监测具有独特优势。其I²C总线接口，可方便与数字系统或微处理器连接构成数字化测控系统，具有集成度高、分辨率高、结构简单、抗干扰能力强、稳定性好、功耗低、成本少等特点。综合技术指标为：(1)接口方式：I²C总线(符合philips公司的I²C总线串行通信接口规范)，传输速率≤400Kbit/s；(2)测量范围：由敏感元件决定；(3)频率范围：DC～20KHz；(4)动态范围：12bit；(5)工作电源：直流+5V。

虽然已经对本发明的优选实施例进行了详细的描述和说明，但是本发明不应仅仅局限于上述实施例。应当知道，本领域的技术人员可以在不背离本发明的精神和原理的条件下进行多种修改和变化，而不脱离本发明的由权利要求书所限定的保护范围。

Claims

1.一种用于测量振动冲击的数字式振动冲击传感器，包括振动敏感元件(1)、信号调理电路(2)、模数转换电路(3)和传感器接口(4)，其特征在于：所述振动敏感元件(1)、信号调理电路(2)和模数转换电路(3)集成于一个传感器壳体内，所述模数转换电路(3)由具有I²C总线接口的串行A/D转换器IC2和插接件JK1构成，传感器经所述接口(4)通过四芯屏蔽线传输信号并提供电源，所述四芯屏蔽线包括单5V电源供电的两芯线、所述I²C总线的一根串行时钟线SCL和一根串行数据线SDA；由所述敏感元件(1)提取振动冲击信号，振动冲击信号经所述信号调理电路(2)放大，所述模数转换电路(3)再将放大信号转换成数字信号，最后经所述I²C总线接口(4)输出。

2.根据权利要求1所述的数字式振动冲击传感器，其特征在于：所述振动敏感元件(1)是剪切型压电加速度敏感元件Q1，所述信号调理电路(2)由电荷放大器IC1A：TLC277和电压放大器IC1B：TLC277以及电阻R1～R5、电容C1～C4构成。

3.根据权利要求1所述的数字式振动冲击传感器，其特征在于：所述振动敏感元件(1)是剪切型压电加速度敏感元件Q1，所述信号调理电路(2)由集成单电源仪表放大器IC1：AD623及电阻R1～R3、电容C1～C2构成。

4.根据权利要求1所述的数字式振动冲击传感器，其特征在于：所述振动敏感元件(1)是集成电路IC1内置的“H”形差动电容式加速度敏感元件，所述信号调理电路(2)由IC1：ADXL150单片式加速度传感器芯片及电阻R1～R3、电容C1～C3构成。

5.根据权利要求1所述的数字式振动冲击传感器，其特征在于：所述振动敏感元件(1)是集成电路IC1内置的差动电容式加速度敏感元件，所述信号调理电路(2)由IC1：MMA2202单片式加速度传感器芯片及电阻R1～R2、电容C1～C3构成。