CN215005475U - 本安型振动加速度转换为电流信号的设备 - Google Patents

Abstract

本申请揭示了一种本安型振动加速度转换为电流信号的设备，该设备包括陶瓷压电元件、金属质量块、金属板和电流转换电路，金属质量块通过金属板安装于机电设备的待测位置上，陶瓷压电元件安装于金属质量块上，金属质量块在产生振动时，陶瓷压电元件产生电荷量；电流转换电路包括一级电荷放大电路、二级积分放大电路、三极放大电路和电流转换电路，陶瓷压电元件产生的电荷经一级电荷放大电路、二级积分放大电路进行和三极放大电路进行放大，最后经过电流转换电路进行电流转换后输出电流信号。本申请对电荷量进行多次放大后转换为电流输出，使得对比较小的振动的测量更为准确，提高了对振动加速度比较小的故障的识别。

Description

本安型振动加速度转换为电流信号的设备

技术领域

本实用新型属于电路设计技术领域，涉及一种本安型振动加速度转换为电流信号的设备。

背景技术

目前煤矿的机电设备运行状态主要依靠人工目测、敲击、触摸，或通过点温计、铁谱分析仪、振动点检仪等进行离线检测，上述检测方式可靠性较差、无故障分析、无法实现机电设备潜在故障的早期预警。

机电设备运行状态监测系统通过矿用本安型振动加速度传感器实时采集机电设备关键易损部件振动信号，诊断出被监测部件可能存在的不对中、不平衡、配合松动、装配不当以及轴承齿轮磨损疲劳损伤等潜在故障，对设备安全可靠运行提供有效的保障，对设备的故障预知和按需维修提供科学的解决方案。

目前直接获取矿用本安型振动加速度传感器实时的加速度时，由于有些被检测部件位置处的振动加速度比较小，得到的加速度的误差比较大，导致有些振动加速度比较小的故障无法被成功识别。

实用新型内容

为了解决相关技术中的问题，本申请提供了一种本安型振动加速度转换为电流信号的设备，技术方案如下：

第一方面，本申请提供了一种本安型振动加速度转换为电流信号的设备，所述设备包括：陶瓷压电元件、金属质量块、金属板和电流转换电路，所述金属质量块通过所述金属板安装于机电设备的待测位置上，所述陶瓷压电元件安装于所述金属质量块上，所述金属质量块在产生振动时，所述陶瓷压电元件产生电荷量；

所述电流转换电路包括一级电荷放大电路、二级积分放大电路、三极放大电路和电流转换电路，所述陶瓷压电元件产生的电荷量输入至所述一级电荷放大电路进行一级电荷放大，再经过所述二级积分放大电路进行二级积分放大，再经过所述三极放大电路进行三极放大，最后经过所述电流转换电路进行电流转换后输出电流信号。

可选的，所述一级电荷放大电路包括：第一电阻、第一放大器、反馈电阻、第二电阻和第三电阻，其中：

所述陶瓷压电元件的输出端通过所述第一电阻接入至所述第一放大器的第一引脚，所述第一放大器的第一引脚通过所述反馈电阻与所述第一放大器的第二引脚连接，所述第一放大器的第一引脚通过所述第二电阻接入参考电压Vreg上，所述第一放大器的第三引脚通过所述第三电阻接入参考电压Vreg上。

可选的，所述第一电阻的阻值为100KΩ、所述反馈电阻的阻值为10KΩ，所述第二电阻的阻值为5.1KΩ，所述第三电阻的阻值为477MΩ，所述第一放大器为TLC2262轨到轨算放大器。

可选的，所述二级积分放大电路包括：第四电阻、第一电容、第二电容、第一放大器、第五电阻、第六电阻，其中：

所述一级电荷放大电路的输出端依次通过所述第四电阻、所述第一电容串接后与所述第一放大器的第四引脚连接，与所述第四电阻连接的所述第一电容的第一端还通过所述第二电容与所述第一放大器的第五引脚连接，所述第一电容的第二端还通过所述第五电阻与所述第一放大器的第五引脚连接，所述第一放大器的第六引脚通过所述第六电阻接入参考电压Vreg 上。

可选的，所述第四电阻的阻值为100KΩ，所述第一电容为2.2uf电容，所述第二电容为 3.3nf电容，所述第五电阻的阻值为10MΩ，所述第六电阻的阻值为100KΩ，所述第一放大器为TLC2262轨到轨算放大器。

可选的，所述三极放大电路包括：第三电容、第二放大器、第七电阻、第八电阻、运算放大器、第九电阻和第十电阻，其中：

所述二级积分放大电路的输出端通过所述第三电容接入至所述第二放大器的第一引脚，所述第二放大器的第一引脚通过所述第七电阻接入参考电压Vreg上，所述第二放大器对所述第一引脚输入的信号进行RMS-TO-DC数据处理，并通过第五引脚输出电压信号；

所述第五引脚通过所述第八电阻接入至所述运算放大器的第一引脚，所述运算放大器的第三引脚通过所述第九电阻接入电源VCC1，同时通过所述第十电阻接入所述运算放大器的第四引脚，实现信号三级放大的目的。

可选的，所述第三电容为1nf电容，所述第二放大器和为LTC1967芯片，所述第七电阻的阻值为51MΩ，所述第八电阻的阻值为100KΩ，所述运算放大器TLV2231芯片，所述第九电阻的阻值为230KΩ，所述第十电阻的阻值为24KΩ。

可选的，所述电流转换电路包括：第十一电阻、集成电流变送器、第一二极管、第二二极管、第三二极管、三极管，其中：

所述三极放大电路的输出端通过所述第十一电阻接入至所述集成电流变送器的第二引脚，所述集成电流变送器的第八引脚和第一引脚分别为所述一级电荷放大电路、所述二级积分放大电路和三极放大电路中的放大器提供电源VCC1和参考电压Vreg，所述集成电流变送器的第三引脚为所述陶瓷压电元件、所述一级电荷放大电路、所述二级积分放大电路和三极放大电路中的放大器的信号地；

所述电流转换电路的供电电源通过所述第一二极管和所述第二二极管接入所述集成电流变送器的第七引脚，所述集成电流变送器的第七引脚、第六引脚、第五引脚接入所述三极管；

所述集成电流变送器的第四引脚通过所述第三二极管输出的电流信号。

可选的，所述第十一电阻的阻值为20K，所述集成电流变送器的型号为XTR115，所述第一二极管、第二二极管以及第三二极管均为ISS100二极管，所述三极管为NPN三极管9014，所述电流信号为4-20mA。

第二方面，本申请还提供了一种本安型振动加速度转换为电流信号的方法，采用如第一方面以及第一方面各种可选方式中提供的本安型振动加速度转换为电流信号的设备，所述方法包括：

在金属质量块产生振动时，所述陶瓷压电元件产生电荷量；

所述电荷量输入至一级电荷放大电路进行一级电荷放大，再经过二级积分放大电路进行二级积分放大，再经过三极放大电路进行三极放大，最后经过电流转换电路进行电流转换后输出电流信号。

根据上述技术方案，本申请至少可以实现如下有益效果：

通过将安装于机电设备待测位置处的金属质量块的振动转换为电荷量，然后对电荷量进行多次放大后转换为电流输出，使得对比较小的振动的测量更为准确，提高了对振动加速度比较小的故障的识别。

进一步的，本申请提供的本安型振动加速度转换为电流信号的设备配合煤矿机电设备运行状态监测系统对矿井主要机电设备的故障进行预测、预判，进行机电设备全生命周期管理，以减少非计划性停机次数、降低机电设备维护保养费用、防止安全生产事故的发生意义重大。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本实用新型。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本实用新型的实施例，并与说明书一起用于解释本实用新型的原理。

图1是本申请一个实施例中提供的本安型振动加速度转换为电流信号的设备中陶瓷压电元件、金属质量块和金属板的安装示意图；

图2是本申请一个实施例中提供的本安型振动加速度转换为电流信号的设备中电流转换电路的电路图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本实用新型相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本实用新型的一些方面相一致的装置和方法的例子。

图1是本申请一个实施例中提供的本安型振动加速度转换为电流信号的设备中陶瓷压电元件、金属质量块和金属板的安装示意图，本申请提供的本安型振动加速度转换为电流信号的设备可以包括陶瓷压电元件10、金属质量块20、金属板30和电流转换电路，金属质量块 20通过金属板30安装于机电设备的待测位置上，陶瓷压电元件10安装于金属质量块20上，金属质量块20在产生振动时，陶瓷压电元件10产生电荷量。

通常来讲，陶瓷压电元件10对振动比较敏感，在金属质量块20产生微弱振动时，陶瓷压电元件10即可产生相应的电荷量。

请参见图2所示，其是本申请一个实施例中提供的本安型振动加速度转换为电流信号的设备中电流转换电路的电路图，该电流转换电路可以包括级电荷放大电路、二级积分放大电路、三极放大电路和电流转换电路，陶瓷压电元件10产生的电荷量输入至一级电荷放大电路进行一级电荷放大，再经过二级积分放大电路进行二级积分放大，再经过三极放大电路进行三极放大，最后经过电流转换电路进行电流转换后输出电流信号。

如图2所示，一级电荷放大电路包括：第一电阻(图2中标记为R1)、第一放大器(一级电荷放大电路连接的是第一放大器的A面，图2中标记为A1A)、反馈电阻(图2中标记为R2)、第二电阻(图2中标记为R3)和第三电阻(图2中标记为R7)，其中：

陶瓷压电元件10的输出端通过第一电阻接入至第一放大器的第一引脚(图2中标记为第一放大器的引脚2)，第一放大器的第一引脚通过反馈电阻与第一放大器的第二引脚(图2中标记为第一放大器的引脚1)连接，第一放大器的第一引脚通过第二电阻接入参考电压Vreg 上，第一放大器的第三引脚(图2中标记为第一放大器的引脚3)通过第三电阻接入参考电压Vreg上。

在一种可能的实现中，第一电阻的阻值为100KΩ、反馈电阻的阻值为10KΩ，第二电阻的阻值为5.1KΩ，第三电阻的阻值为477MΩ，第一放大器为TLC2262轨到轨算放大器。

如图2所示，二级积分放大电路包括：第四电阻(图2中标记为R4)、第一电容(图2中标记为C9)、第二电容(图2中标记为C8)、第一放大器(二级积分放大电路中连接的是第一放大器的B面，图2中标记为A1B)、第五电阻(图2中标记为R5)、第六电阻(图2 中标记为R1)，其中：

一级电荷放大电路的输出端依次通过第四电阻、第一电容串接后与第一放大器的第四引脚(图2中标记为第一放大器的引脚6)连接，与第四电阻连接的第一电容的第一端还通过第二电容与第一放大器的第五引脚(图2中标记为第一放大器的引脚7)连接，第一电容的第二端还通过第五电阻与第一放大器的第五引脚连接，第一放大器的第六引脚(图2中标记为第一放大器的引脚5)通过第六电阻接入参考电压Vreg上。

在一种可能的实现中，第四电阻的阻值为100KΩ，第一电容为2.2uf电容，第二电容为 3.3nf电容，第五电阻的阻值为10MΩ，第六电阻的阻值为100KΩ。

如图2所示，三极放大电路包括：第三电容(图2中标记为C1)、第二放大器(图2中标记为A4)、第七电阻(图2中标记为R8)、第八电阻(图2中标记为R12)、运算放大器(图 2中标记为U2)、第九电阻(图2中标记为串联的R10和R11)和第十电阻(图2中标记为 R9)，其中：

二级积分放大电路的输出端通过第三电容接入至第二放大器的第一引脚(图2中标记为第二放大器的引脚1)，第二放大器的第一引脚通过第七电阻接入参考电压Vreg上，第二放大器对第一引脚输入的信号进行RMS-TO-DC数据处理，并通过第五引脚(图2中标记为第二放大器的引脚5)输出电压信号；

第五引脚通过第八电阻接入至运算放大器的第一引脚(图2中标记为运算放大器的引脚 1)，运算放大器的第三引脚(图2中标记为运算放大器的引脚3)通过第九电阻接入电源VCC1，同时通过第十电阻接入运算放大器的第四引脚(图2中标记为第二放大器的引脚4)，实现信号三级放大的目的。

在一种可能的实现中，第三电容为1nf电容，第二放大器和为LTC1967芯片，第七电阻的阻值为51MΩ，第八电阻的阻值为100KΩ，运算放大器TLV2231芯片，第九电阻的阻值为230KΩ，第十电阻的阻值为24KΩ。

如图2所示，电流转换电路包括：第十一电阻(图2中标记为R13)、集成电流变送器(图 2中标记为A5)、第一二极管(图2中标记为VD1)、第二二极管(图2中标记为VD3)、第三二极管(图2中标记为VD2)、三极管(图2中标记为Q1)，其中：

三极放大电路的输出端通过第十一电阻接入至集成电流变送器的第二引脚(图2中标记为集成电流变送器的引脚2)，集成电流变送器的第八引脚(图2中标记为集成电流变送器的引脚8)和第一引脚(图2中标记为集成电流变送器的引脚1)分别为一级电荷放大电路、二级积分放大电路和三极放大电路中的放大器提供电源VCC1和参考电压Vreg，集成电流变送器的第三引脚(图2中标记为集成电流变送器的引脚3)为陶瓷压电元件、一级电荷放大电路、二级积分放大电路和三极放大电路中的放大器的信号地；

电流转换电路的供电电源通过第一二极管和第二二极管接入集成电流变送器的第七引脚 (图2中标记为集成电流变送器的引脚7)，集成电流变送器的第七引脚、第六引脚(图2中标记为集成电流变送器的引脚6)、第五引脚(图2中标记为集成电流变送器的引脚5)接入三极管；

集成电流变送器的第四引脚通过第三二极管输出的电流信号。

在一种可能的实现中，第十一电阻的阻值为20K，集成电流变送器的型号为XTR115，第一二极管、第二二极管以及第三二极管均为ISS100二极管，三极管为NPN三极管9014，上述电流信号为4-20mA。

图2中其余未提及的元件均可以根据实际电路需求设定，且本领域技术人员都可以实现，本申请就不再赘述。

综上所述，本申请提供的本安型振动加速度转换为电流信号的设备，通过将安装于机电设备待测位置处的金属质量块的振动转换为电荷量，然后对电荷量进行多次放大后转换为电流输出，使得对比较小的振动的测量更为准确，提高了对振动加速度比较小的故障的识别。

进一步的，本申请提供的本安型振动加速度转换为电流信号的设备配合煤矿机电设备运行状态监测系统对矿井主要机电设备的故障进行预测、预判，进行机电设备全生命周期管理，以减少非计划性停机次数、降低机电设备维护保养费用、防止安全生产事故的发生意义重大。

另外，基于上述设备，本申请还提供了一种本安型振动加速度转换为电流信号的方法，该方法采用上述实施例中的设备，执行如下步骤：

S1、在金属质量块产生振动时，陶瓷压电元件产生电荷量；

S2、电荷量输入至一级电荷放大电路进行一级电荷放大，再经过二级积分放大电路进行二级积分放大，再经过三极放大电路进行三极放大，最后经过电流转换电路进行电流转换后输出电流信号。

综上所述，本申请提供的本安型振动加速度转换为电流信号的设备，通过将安装于机电设备待测位置处的金属质量块的振动转换为电荷量，然后对电荷量进行多次放大后转换为电流输出，使得对比较小的振动的测量更为准确，提高了对振动加速度比较小的故障的识别。

需要说明的是，本申请中记载的“第一”、“第二”…等的作用是用于区分不同的元件，并不用于限定元件之间的电信号流向，原则上来讲，根据在解释实施例的过程中的顺序，可以调换“第一”、“第二”…等的表述。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里实用新型的实用新型后，将容易想到本实用新型的其它实施方案。本申请旨在涵盖本实用新型的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本实用新型的一般性原理并包括本实用新型未实用新型的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本实用新型的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本实用新型并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本实用新型的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种本安型振动加速度转换为电流信号的设备，其特征在于，所述设备包括：陶瓷压电元件、金属质量块、金属板和电流转换电路，所述金属质量块通过所述金属板安装于机电设备的待测位置上，所述陶瓷压电元件安装于所述金属质量块上，所述金属质量块在产生振动时，所述陶瓷压电元件产生电荷量；

所述电流转换电路包括一级电荷放大电路、二级积分放大电路、三极放大电路和电流转换电路，所述陶瓷压电元件产生的电荷量输入至所述一级电荷放大电路进行一级电荷放大，再经过所述二级积分放大电路进行二级积分放大，再经过所述三极放大电路进行三极放大，最后经过所述电流转换电路进行电流转换后输出电流信号。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述一级电荷放大电路包括：第一电阻、第一放大器、反馈电阻、第二电阻和第三电阻，其中：

所述陶瓷压电元件的输出端通过所述第一电阻接入至所述第一放大器的第一引脚，所述第一放大器的第一引脚通过所述反馈电阻与所述第一放大器的第二引脚连接，所述第一放大器的第一引脚通过所述第二电阻接入参考电压Vreg上，所述第一放大器的第三引脚通过所述第三电阻接入参考电压Vreg上。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述第一电阻的阻值为100KΩ、所述反馈电阻的阻值为10KΩ，所述第二电阻的阻值为5.1KΩ，所述第三电阻的阻值为477MΩ，所述第一放大器为TLC2262轨到轨算放大器。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述二级积分放大电路包括：第四电阻、第一电容、第二电容、第一放大器、第五电阻、第六电阻，其中：

所述一级电荷放大电路的输出端依次通过所述第四电阻、所述第一电容串接后与所述第一放大器的第四引脚连接，与所述第四电阻连接的所述第一电容的第一端还通过所述第二电容与所述第一放大器的第五引脚连接，所述第一电容的第二端还通过所述第五电阻与所述第一放大器的第五引脚连接，所述第一放大器的第六引脚通过所述第六电阻接入参考电压Vreg上。

5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述第四电阻的阻值为100KΩ，所述第一电容为2.2uf电容，所述第二电容为3.3nf电容，所述第五电阻的阻值为10MΩ，所述第六电阻的阻值为100KΩ，所述第一放大器为TLC2262轨到轨算放大器。

6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述三极放大电路包括：第三电容、第二放大器、第七电阻、第八电阻、运算放大器、第九电阻和第十电阻，其中：

所述二级积分放大电路的输出端通过所述第三电容接入至所述第二放大器的第一引脚，所述第二放大器的第一引脚通过所述第七电阻接入参考电压Vreg上，所述第二放大器对所述第一引脚输入的信号进行RMS-TO-DC数据处理，并通过第五引脚输出电压信号；

所述第五引脚通过所述第八电阻接入至所述运算放大器的第一引脚，所述运算放大器的第三引脚通过所述第九电阻接入电源VCC1，同时通过所述第十电阻接入所述运算放大器的第四引脚，实现信号三级放大的目的。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述第三电容为1nf电容，所述第二放大器和为LTC1967芯片，所述第七电阻的阻值为51MΩ，所述第八电阻的阻值为100KΩ，所述运算放大器TLV2231芯片，所述第九电阻的阻值为230KΩ，所述第十电阻的阻值为24KΩ。

8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电流转换电路包括：第十一电阻、集成电流变送器、第一二极管、第二二极管、第三二极管、三极管，其中：

所述三极放大电路的输出端通过所述第十一电阻接入至所述集成电流变送器的第二引脚，所述集成电流变送器的第八引脚和第一引脚分别为所述一级电荷放大电路、所述二级积分放大电路和三极放大电路中的放大器提供电源VCC1和参考电压Vreg，所述集成电流变送器的第三引脚为所述陶瓷压电元件、所述一级电荷放大电路、所述二级积分放大电路和三极放大电路中的放大器的信号地；

所述电流转换电路的供电电源通过所述第一二极管和所述第二二极管接入所述集成电流变送器的第七引脚，所述集成电流变送器的第七引脚、第六引脚、第五引脚接入所述三极管；

所述集成电流变送器的第四引脚通过所述第三二极管输出的电流信号。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述第十一电阻的阻值为20K，所述集成电流变送器的型号为XTR115，所述第一二极管、第二二极管以及第三二极管均为ISS100二极管，所述三极管为NPN三极管9014，所述电流信号为4-20mA。

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