CN206649051U - 具有恒流源供电的数字加速度测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种具有恒流源供电的数字加速度测量装置，包括压电式加速度传感器、信号调理器和连接线缆；所述信号调理器包括：电源转换电路、恒流源电路、高通滤波电路、低通滤波电路、A/D转换电路、单片机、D/A转换电路和通用485串口电路。优点为：(1)压电式加速度传感器和信号调理器采用分体式设计，因此，减小了压电式加速度传感器的体积，便于安装；另外，由于信号调理器不随被测物体同步运动，提高了信号调理器的寿命和工作可靠性。(2)采用恒流源电路向压电式加速度传感器提供稳定的电流值，保证压电式加速度传感器的测量精度。

Description

具有恒流源供电的数字加速度测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种测量装置，具体涉及一种具有恒流源供电的数字加速度测量装置。

背景技术

IEPE型压电式加速度传感器又称为压电加速度计，是将电荷放大器或电压放大器封装在传感器内部，不但大大提升了抗噪声性能，还将高阻抗的电荷信号转化成低阻抗的电压信号，便于长距离信号输出。IEPE型压电式加速度传感器具有频响范围广、抗干扰能力强、测量精度高、使用寿命长等优点，在振动检测领域中得到了广泛的应用。

然而，现有的压电式加速度传感器，采用恒流源供电，具有以下不足：恒流源部分电路设计复杂，存在一定的电压波动，由此直接影响压电式加速度传感器的测量精度。

实用新型内容

针对现有技术存在的缺陷，本实用新型提供一种具有恒流源供电的数字加速度测量装置，可有效解决上述问题。

本实用新型采用的技术方案如下：

本实用新型提供一种具有恒流源供电的数字加速度测量装置，包括压电式加速度传感器、信号调理器和连接线缆；

所述压电式加速度传感器直接与被测物表面固定连接；所述信号调理器与所述压电式加速度传感器采用分体式设计，所述压电式加速度传感器通过所述连接线缆与所述信号调理器连接；

其中，所述信号调理器包括：电源转换电路、恒流源电路、高通滤波电路、低通滤波电路、A/D转换电路、单片机、D/A转换电路和通用485串口电路；

所述恒流源电路与所述压电式加速度传感器的供电端连接，所述压电式加速度传感器的供电端同时作为输出端与所述高通滤波电路的输入端连接；所述高通滤波电路的输出端依次通过所述低通滤波电路和所述A/D转换电路后，连接到所述单片机的输入端；所述单片机的输出端分别与所述D/A转换电路和所述通用485串口电路连接；

外部直流24V供电电源通过所述电源转换电路，分别与所述恒流源电路、所述高通滤波电路、所述低通滤波电路、所述A/D转换电路、所述单片机、所述D/A转换电路和所述通用485串口电路连接。

优选的，所述恒流源电路包括：PNP型三极管、稳压管、第1电阻R1、第2电阻R2和第3电阻R3；

所述电源转换电路的第1输出端子通过所述第1电阻R1连接到所述PNP型三极管的发射极；所述电源转换电路的第2输出端子通过所述稳压管后，分别连接到所述第2电阻R2的一端和所述第3电阻R3的一端；所述第2电阻R2的另一端连接到所述PNP型三极管的基极；所述第3电阻R3的另一端接地；所述PNP型三极管的集电极输出恒流源，经过电容滤波后连接到所述压电式加速度传感器的供电端口。

优选的，所述第1电阻R1为1150欧姆电阻；所述第2电阻R2为100欧姆电阻；所述第3电阻R3为14700欧姆电阻。

本实用新型提供的具有恒流源供电的数字加速度测量装置具有以下优点：

(1)压电式加速度传感器和信号调理器采用分体式设计，因此，减小了压电式加速度传感器的体积，便于安装；另外，由于信号调理器不随被测物体同步运动，提高了信号调理器的寿命和工作可靠性。

(2)恒流源电路使用电子器件少，输出稳定，不受供电电压波动的影响，可以向压电式加速度传感器提供稳定的电流值，进而保证压电式加速度传感器的测量精度。

(3)通过设计一种数字信号调理电路，对压电式加速度传感器测量到的加速度值进行信号调理，使传感器的输出更准确的反映被测物体的加速度信息。

附图说明

图1为本实用新型提供的具有恒流源供电的数字加速度测量装置的整体结构示意图；

图2为本实用新型提供的恒流源电路的电路原理图；

图3为本实用新型提供的信号调理器的外形结构示意图；

其中：1-塑料外壳；2-调理电路板；3-连接线缆；41-第1对外接口；42-第2对外接口；43-第3对外接口；44-第4对外接口。

具体实施方式

为了使本实用新型所解决的技术问题、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，对本实用新型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用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型提供一种具有恒流源供电的数字加速度测量装置，包括压电式加速度传感器、信号调理器和连接线缆。压电式加速度传感器直接固定到被测物体表面，直接测量被测物体加速度信号。信号调理器与压电式加速度传感器分离设置，位于被测物体附近，并且，压电式加速度传感器通过连接线缆与信号调理器连接，连接线缆采用抗干扰屏蔽线缆，用于将压电式加速度传感器检测到的加速度信号传递给信号调理器，信号调理器对压电式加速度传感器检测的加速度信号进行信号调理，从而得到最终的被测物体加速度信号，实现被测物体加速度测量。

本实用新型中，压电式加速度传感器和信号调理器采用分体式设计，因此，减小了压电式加速度传感器的体积，便于安装；另外，由于信号调理器不随被测物体同步运动，提高了信号调理器的寿命和工作可靠性。此外，还设计了一种恒流源电路，用于向压电式加速度传感器提供稳定的电流值，保证压电式加速度传感器的测量精度。

具体的，参考图1，压电式加速度传感器直接与被测物表面固定连接；信号调理器与压电式加速度传感器采用分体式设计，压电式加速度传感器通过连接线缆与信号调理器连接；

信号调理电路用于对IEPE传感器的输出进行放大、滤波等一系列的加工处理，从而抑制干扰噪声、提高信噪比，以便后续环节处理。信号调理器包括：电源转换电路、恒流源电路、高通滤波电路、低通滤波电路、A/D转换电路、单片机、D/A转换电路和通用485串口电路；

压电式加速度传感器的输出端与高通滤波电路的输入端连接；高通滤波电路的输出端依次通过低通滤波电路和A/D转换电路后，连接到单片机的输入端；单片机的输出端分别与D/A转换电路和通用485串口电路连接，因此，可以将调理好的加速度信号同时以模拟电流和通用485串口两种形式输出。

外部直流24V供电电源通过电源转换电路，分别与恒流源电路、高通滤波电路、低通滤波电路、A/D转换电路、单片机、D/A转换电路和通用485串口电路连接；恒流源电路与压电式加速度传感器的供电端连接。

其中，电源转换电路利用多种电压转换芯片将外部直流24V供电电源转换成其他各个模块需要的电压，进而保证整个装置的正常工作。电源转换电路的各级电压采用隔离设计，从而保证了各级电压的稳定性，也就保证了整个装置的稳定性。

一般IEPE传感器的恒定电流工作范围为2-20mA，通常情况下为4mA，电压范围直流18V至24V。为保证IEPE传感器的测量精度，采用经恒流源电路处理的电流向IEPE传感器供电。参考图2，恒流源电路包括：PNP型三极管、稳压管、第1电阻R1、第2电阻R2和第3电阻R3；

电源转换电路的第1输出端子(直流20V电压)通过第1电阻R1连接到PNP型三极管的发射极；电源转换电路的第2输出端子(直流20V电压，其中，实际应用中，电源转换电路的第1输出端子和第2输出端子是同一个端子，即所述电源转换电路输出的直流20V电压)通过稳压管后，分别连接到第2电阻R2的一端和第3电阻R3的一端；第2电阻R2的另一端连接到PNP型三极管的基极；第3电阻R3的另一端接地；PNP型三极管的集电极输出恒流源，经过电容滤波后连接到压电式加速度传感器的供电端口。

实际应用中，第1电阻R1为1150欧姆电阻；第2电阻R2为100欧姆电阻；第3电阻R3为14700欧姆电阻。

恒流源电路的原理为：采用5.1V稳压管，使三极管基极B端的电压Ub＝20V(电源转换电路的第1和第2输出端子输出电压)-5.1V(稳压管电压)+0.6V(三极管基极和发射极间的管压降)，则恒流源电流为电源转换电路的第1和第2输出端子输出电压-基极电压/R1，即(20V-(20V-5.1V+0.6V))/1150欧姆，简化为(5.1V-0.6V)/1150欧姆≈4mA。这种设计可以抵消电源转换电路的第1和第2输出端子输出电压20V的波动造成的电流波动。阻值为14700欧姆的电阻，使得流经稳压管和该电阻的电流约为1mA，既保证稳压管工作在稳压范围内，也保证了三极管集电极C端的电流维持在4mA。

恒流源电路的性能是保证IEPE传感器高精度稳定工作的基础。本实用新型恒流源电路可以产生大小为4mA稳定的电流为IEPE传感器供电，并且具有以下优点：1.电路简单，使用电子元器件少；2.其电流输出不受供电电压波动的影响；3.其电流输出不受负载大小变化的影响；4.其电流输出受环境温度的影响很小。

参考图3，为信号调理电路的外形结构图，包括：塑料外壳和调理电路板。塑料外壳为通用接插件，可以很方便的固定在标准的结构件上。调理电路板的尺寸按照塑料外壳的技术要求设计后可以牢牢地固定在外壳内部。调理电路板具有4个对外接口，分别为：41-第1对外接口；42-第2对外接口；43-第3对外接口；44-第4对外接口。其中，第1对外接口41通过双芯电缆或同轴电缆连接IEPE传感器。第2对外接口42为电源接口，用于外接直流24VDC电压和地电压。第3对外接口43的两个端子输出以4-20mA的模拟电流的形式调理后的加速度信息。第4对外接口44能够以数字量的形式输出调理后的加速度信息。

本实用新型提供的具有恒流源供电的数字加速度测量装置，其工作原理为：连接线缆为双线制，采用双芯电缆或同轴电缆连接，其中一端为地，另一端为供电电缆同时作为信号输出端。IEPE传感器输出低阻抗电压信号，依次送达高通滤波电路和低通滤波电路，进行初步模拟形式的信号调理。高通滤波电路将频率低于0.7Hz的振动信号阻断，同时实现了隔直流通交流的作用，这里直流电压是IEPE传感器的偏置电压，交流电压为真正反映被测物体的加速度信息。低通滤波电路将频率高于500Hz的振动信号阻断，这部分是噪声干扰信号。振动信号经过高通滤波电路和低通滤波电路之后被送到A/D转换电路。A/D转换电路的作用是将模拟电压信号转化成数字信号，此电路的关键是保证信号的不失真，所以必须采用高精度A/D转换芯片。转换后的数字信号被送至单片机。单片机输出的加速度信息分两路，一路送达D/A转换电路，一路送达通用485串口电路。

本实用新型提供的具有恒流源供电的数字加速度测量装置具有以下优点：

(1)压电式加速度传感器和信号调理器采用分体式设计，因此，减小了压电式加速度传感器的体积，便于安装；另外，由于信号调理器不随被测物体同步运动，提高了信号调理器的寿命和工作可靠性。

(2)恒流源电路使用电子器件少，输出稳定，不受供电电压波动的影响，可以向压电式加速度传感器提供稳定的电流值，进而保证压电式加速度传感器的测量精度。

(3)通过设计一种数字信号调理电路，对压电式加速度传感器测量到的加速度值进行信号调理，使传感器的输出更准确的反映被测物体的加速度信息。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1.一种具有恒流源供电的数字加速度测量装置，其特征在于，包括压电式加速度传感器、信号调理器和连接线缆；

所述压电式加速度传感器直接与被测物表面固定连接；所述信号调理器与所述压电式加速度传感器采用分体式设计，所述压电式加速度传感器通过所述连接线缆与所述信号调理器连接；

其中，所述信号调理器包括：电源转换电路、恒流源电路、高通滤波电路、低通滤波电路、A/D转换电路、单片机、D/A转换电路和通用485串口电路；

所述恒流源电路与所述压电式加速度传感器的供电端连接，所述压电式加速度传感器的供电端同时作为输出端与所述高通滤波电路的输入端连接；所述高通滤波电路的输出端依次通过所述低通滤波电路和所述A/D转换电路后，连接到所述单片机的输入端；所述单片机的输出端分别与所述D/A转换电路和所述通用485串口电路连接；

外部直流24V供电电源通过所述电源转换电路，分别与所述恒流源电路、所述高通滤波电路、所述低通滤波电路、所述A/D转换电路、所述单片机、所述D/A转换电路和所述通用485串口电路连接。

2.根据权利要求1所述的具有恒流源供电的数字加速度测量装置，其特征在于，所述恒流源电路包括：PNP型三极管、稳压管、第1电阻R1、第2电阻R2和第3电阻R3；

所述电源转换电路的第1输出端子通过所述第1电阻R1连接到所述PNP型三极管的发射极；所述电源转换电路的第2输出端子通过所述稳压管后，分别连接到所述第2电阻R2的一端和所述第3电阻R3的一端；所述第2电阻R2的另一端连接到所述PNP型三极管的基极；所述第3电阻R3的另一端接地；所述PNP型三极管的集电极输出恒流源，经过电容滤波后连接到所述压电式加速度传感器的供电端口。

3.根据权利要求2所述的具有恒流源供电的数字加速度测量装置，其特征在于，所述第1电阻R1为1150欧姆电阻；所述第2电阻R2为100欧姆电阻；所述第3电阻R3为14700欧姆电阻。