CN210513401U - 一种基于mems传感器的振动变送器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于MEMS传感器的振动变送器，包括MEMS传感器、微处理器、低通滤波器、电压电流变换电路、电源模块，所述MEMS传感器的输出端与微处理器的输入端连接，所述微处理器输出端的输出信号经低通滤波器滤波后输入电压电流变换电路，所述电源模块为变送器的各部分供电。所述MEMS传感器用于采集振动信号，然后输入微处理器进行处理并输出PWM脉冲信号，输出后的PWM脉冲信号经过低通滤波器滤波后输入电压电流变换电路以得到模拟电流信号，本实用新型通过将MEMS传感器采集的振动电压信号转换为电流信号传输，可防止电磁干扰和传输过程中的信号衰减，且结构简单、成本低、运算量小、响应速度快，可直接匹配二线制接口采样电路使用，适宜批量生产。

Description

一种基于MEMS传感器的振动变送器

技术领域

本发明涉及振动变送器技术领域，具体涉及一种基于MEMS传感器的振动变送器。

背景技术

振动检测在动力机械、交通运输、建筑等工业部门及环境保护、劳动保护等方面有重要作用。现有的对振动信号进行检测主要采用的是压电式加速度计，虽然其体积小、重量轻，但是其成本偏高，不适合批量生产。

MEMS传感器即微机电系统(Microelectro Mechanical Systems)，是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。目前已研制出包括微型压力传感器、加速度传感器、微喷墨打印头、数字微镜显示器等在内的几百种产品，其中MEMS传感器占相当大的比例。MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器，与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、使用方便、对外置模拟采样电路要求简单、适于批量化生产、易于集成和实现智能化等特点，因而在家电控制、安防、手机等诸多领域得到了日益广泛的应用。目前其使用方式，多为内置于设备或整机内部，测试出的加速度数值供本设备内部使用。但当作为变送器时，需要将其采集输出的电压信号进行长距离的传输，由于I2C通信接口的传输距离限制，电压型输出会出现信号衰减，而且容易受电磁干扰。

发明内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于MEMS传感器的振动变送器，能够将MEMS传感器输出的振动电压信号转换为模拟电流信号，在传输过程中可防止电磁干扰，减少衰减，且结构简单、成本低、运算量小、相应速度快，并可直接匹配二线制接口采样电路,适宜批量生产。

本实用新型采用的技术方案为：

一种基于MEMS传感器的振动变送器，包括MEMS传感器、微处理器、低通滤波器、电压电流变换电路、正输出端、负输出端、电源模块，所述MEMS传感器的输出端与微处理器的输入端连接，所述微处理器输出端的输出信号经低通滤波器滤波后输入电压电流变换电路，所述电源模块为MEMS传感器、微处理器以及电压电流变换电路供电。

所述电压电流变换电路包括第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、运算放大器、三极管、稳压二极管，所述低通滤波器的输出端与第四电阻的第一端连接，所述第四电阻的第二端分别与运算放大器的反相输入端、第五电阻的第一端连接，所述第五电阻的第二端与第七电阻的第一端连接，所述第七电阻的第二端分别与第六电阻的第一端、运算放大器的同相输入端连接并接地，所述运算放大器的输出端分别与三极管的基极、稳压二极管的阴极连接，所述稳压二极管的阳极接地，所述第六电阻的第二端与三极管的发射极连接，所述三极管的集电极与运算放大器的电源端共同接电源电压，所述三极管的集电极与第七电阻的第一端分别作为振动变送器的正输出端口和负输出端口。

所述MEMS传感器用于采集振动信号，所述微处理器将MEMS传感器输出的振动电压信号进行处理并输出PWM脉冲信号，输出后的PWM脉冲信号经过低通滤波器滤波后输入电压电流变换电路，进而得到模拟电流信号。

进一步地，为了避免开关电源斩波模式带入的纹波对信号传输质量的影响，所述电源模块采用LDO供电模式的线性直流稳压电源。

进一步地，为了避免变送器接入反向电压时发生损坏，所述振动变送器还包括二极管，所述二极管的阴极与三极管的集电极连接，所述二极管的阳极作为振动变送器的正输出端口。

更进一步地，为了避免远距离线路传输时感应的异常电压尖峰对变送器的损害，所述振动变送器还包括双向瞬变抑制二极管，所述双向瞬变抑制二极管的两端分别与第七电阻的第一端、二极管的阳极连接。

优选地，为了满足低电压输入时的反馈要求，所述放大器为轨到轨运放。

本实用新型的有益效果：

本实用新型提出一种基于MEMS传感器的振动变送器，采用MEMS传感器对振动信号进行检测采集，利用微处理器对MEMS输出的振动信号进行处理并输出PWM脉冲信号，输出的脉冲信号经低通滤波器滤波后输出到电压电流变换电路，使振动信号以模拟电流的形式进行传输，在传输过程中可防止电磁干扰，减少衰减，而且本实用新型仅仅采用少量的元器件就可实现信号的变换传输，结构简单、成本低、运算量小、响应速度快，可直接匹配二线制接口采样电路使用，适宜批量生产，为低成本在线振动检测提供了一种可行性。

附图说明

图1为本实用新型的电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做详细说明：

一种基于MEMS传感器的振动变送器，包括MEMS传感器、微处理器、低通滤波器、电压电流变换电路、电源模块，所述MEMS传感器的输出端与微处理器的输入端连接，所述微处理器输出端的输出信号经低通滤波器滤波后输入电压电流变换电路，所述电源模块为MEMS传感器、微处理器以及电压电流变换电路供电。

所述电压电流变换电路包括第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、运算放大器U1、三极管Q1、稳压二极管Z1，所述低通滤波器的输出端与第四电阻R4的第一端连接，所述第四电阻R4的第二端分别与运算放大器U1的反相输入端、第五电阻R5的第一端连接，所述第五电阻R5的第二端与第七电阻R7的第一端连接，所述第七电阻R7的第二端分别与第六电阻R6的第一端、运算放大器U1的同相输入端连接并接地，所述运算放大器U1的输出端分别与三极管Q1的基极、稳压二极管Z1的阴极连接，所述稳压二极管Z1的阳极接地，所述第六电阻R6的第二端与三极管Q1的发射极连接，所述三极管Q1的集电极与运算放大器U1的电源端共同接电源电压，所述三极管Q1的集电极与第七电阻R7的第一端分别作为振动变送器的正输出端口V+和负输出端口V-，所述正输出端口V+与负输出端口V-直接与外置采样电路连接。

所述MEMS传感器用于采集振动信号并输出振动电压信号，所述微处理器将MEMS传感器输出的振动电压信号进行处理并输出PWM脉冲信号，输出后的PWM脉冲信号经过低通滤波器滤波后输入电压电流变换电路，进而得到模拟电流信号，将振动信号以模拟电流信号进行传输可防止电磁干扰和传输过程中的信号衰减。

作为本实用新型的具体实施例，所述基于MEMS传感器的振动变送器，包括MEMS传感器、微处理器、低通滤波器、电压电流变换电路、电源模块，具体地，所述MEMS传感器包括传感器芯片及外围电路，具体所述传感器芯片通过第一电阻R1、第二电阻R2与电源模块连接。所述微处理器为单片机，所述MEMS传感器芯片通过I2C总线与单片机连接，所述单片机的输出端与低通滤波器连接，所述低通滤波器为RC低通滤波器，具体包括第三电阻R3和电容C2，所述单片机的输出端与第三电阻R3的第一端连接，所述第三电阻R3的第二端通过电容C2接地。所述电源模块采用LDO供电模式的线性直流稳压电源，具体采用LM2931A对电源电压进行压降变换，即将二线制输入的高电压降低到MEMS传感器和微处理器MCU的供电电压，采用LDO供电模式的线性直流稳压电源可避免开关电源斩波模式带入的纹波对信号传输质量的影响，提高输出电流信号的精度。

所述电压电流变换电路包括第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、运算放大器U1、三极管Q1、稳压二极管Z1，所述运算放大器U1为轨到轨运放，由于轨到轨运放的输出电压可以达到电源电压，可满足低电压输入时的反馈要求。所述第三电阻R3的第二端与第四电阻R4的第一端连接，所述第四电阻R4的第二端分别与运算放大器U1的反相输入端、第五电阻R5的第一端连接，所述第五电阻R5的第二端与第七电阻R7的第一端连接，所述第七电阻R7的第二端分别与第六电阻R6的第一端、运算放大器U1的同相输入端连接并接地，所述运算放大器U1的输出端分别与三极管Q1的基极、稳压二极管Z1的阴极连接，所述稳压二极管Z1的阳极接地，所述第六电阻R6的第二端与三极管Q1的发射极连接，所述三极管Q1的集电极与运算放大器U1的电源端共同接电源电压，所述三极管Q1的集电极与第七电阻R7的第一端分别作为振动变送器的正输出端口V+和负输出端口V-，所述正输出端口V+与负输出端口V-直接与外置采样电路连接。

优选地，所述振动变送器还包括二极管D2，所述二极管D2的阴极与三极管Q1的集电极连接，所述二极管D2的阳极作为振动变送器的正输出端口V+，通过所述二极管D2可避免变送器接入反向电压时发生损坏。

优选地，所述振动变送器还包括双向瞬变抑制二极管Z3，所述双向瞬变抑制二极管Z3的两端分别与第七电阻R7的第一端、二极管D2的阳极连接，通过所述双向瞬变抑制二极管Z3可避免远距离线路传输时感应的异常电压尖峰对变送器的损害。

电压电流变换电路的工作原理为：第七电阻R7为采样电阻，即采样电阻将流过振动变送器全部负载的电流进行采样，进而得到采样电压，由于运算放大器U1采用轨到轨运放，当电流流过第七电阻R7时，第七电阻R7两端的电压应与经RC低通滤波器滤波后输入电压电流变换电路处的电压值相等，当两者不相等时，工作于负反馈状态的运算放大器U1调整输出电压，控制三极管Q1发射极电流，使流过第七电阻R7的电流发生变化，也就是采样电流发生变化，并最终使第七电阻R7两端电压与输入电压电流变换电路处的电压值相等。假设经过RC低通滤波器滤波后输入电压电流变换电路处的电压为给定电压，为了保证采样电压跟踪给定电压，运算放大器U1将实时调整输出电流，并将输出电流通过正输出端V+和负输出端V-输出，得到变送器输出的振动强度信号。

本实用新型的工作过程为：首先通过微处理器对MEMS加速度传感器进行设定，设定过程属于现有技术，设定内容包括量程、中断输出模式等，根据实际需要来设定。工作时，采用MEMS微机电系统加速度传感器对振动的加速度信号进行检测采集，采集的振动加速度信号通过I2C总线输入到微处理器MCU，微处理器MCU对加速度值进行读取并通过其内部的PWM模块输出PWM脉冲信号，所述PWM脉冲信号的脉冲占空比根据采集的加速度信号进行调整变化，所述PWM脉冲信号通过RC低通滤波器滤波后变为模拟电压信号然后输入电压电流变换电路，得到与振动信号相对应的标准4-20mA电流信号并进行传输。将振动信号以模拟电流的形式进行传输可防止电磁干扰，减少衰减，而且本实用新型采用元器件少，结构简单、成本低、运算量小、响应速度快，可直接匹配4~20mA二线制接口采样电路使用，适宜批量生产。

Claims (5)

1.一种基于MEMS传感器的振动变送器，其特征在于：包括MEMS传感器、微处理器、低通滤波器、电压电流变换电路、电源模块，所述MEMS传感器的输出端与微处理器的输入端连接，所述微处理器输出端的输出信号经低通滤波器滤波后输入电压电流变换电路，所述电源模块为MEMS传感器、微处理器以及电压电流变换电路供电；

所述电压电流变换电路包括第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、运算放大器、三极管、稳压二极管，所述低通滤波器的输出端与第四电阻的第一端连接，所述第四电阻的第二端分别与运算放大器的反相输入端、第五电阻的第一端连接，所述第五电阻的第二端与第七电阻的第一端连接，所述第七电阻的第二端分别与第六电阻的第一端、运算放大器的同相输入端连接并接地，所述运算放大器的输出端分别与三极管的基极、稳压二极管的阴极连接，所述稳压二极管的阳极接地，所述第六电阻的第二端与三极管的发射极连接，所述三极管的集电极与运算放大器的电源端共同接电源电压，所述三极管的集电极与第七电阻的第一端分别作为振动变送器的正输出端口和负输出端口。

2.如权利要求1所述的基于MEMS传感器的振动变送器，其特征在于：所述电源模块采用LDO供电模式的线性直流稳压电源。

3.如权利要求1所述的基于MEMS传感器的振动变送器，其特征在于：所述振动变送器还包括二极管，所述二极管的阴极与三极管的集电极连接，所述二极管的阳极作为振动变送器的正输出端口。

4.如权利要求3所述的基于MEMS传感器的振动变送器，其特征在于：所述振动变送器还包括双向瞬变抑制二极管，所述双向瞬变抑制二极管的两端分别与第七电阻的第一端、二极管的阳极连接。

5.如权利要求1所述的基于MEMS传感器的振动变送器，其特征在于：所述放大器为轨到轨运放。

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