CN217212792U - 一种本安型加速度信号采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及煤炭技术领域，提供了一种本安型加速度信号采集装置，加速度传感器采集电路板和传感器模块装配在传感器壳体，整个壳体采用钢制外壳保证整体的防爆性能，引线部分采用金属堵塞件挤压防爆橡胶堵塞保证传感器内部和外部环境的隔绝，起到防尘、防潮、防爆的作用，在加速度传感器采集电路板中的信号调理方面，由滤波电路、去耦电路、放大电路、电流环变送电路等多环节构成，保证加速度物理量信号经调理电路后，输出端子可稳定的输出加速度信号的模拟量。在传感器的测量量程范围内，经调理电路处理后，对于微小的振动信号，通过电路的放大滤波处理，可以准确地拾取对应的加速度信号。

Description

一种本安型加速度信号采集装置

技术领域

本实用新型涉及煤炭技术领域，尤其涉及煤炭技术领域中关于大型旋转机械故障诊断技术领域，具体为一种本安型加速度信号采集装置。

背景技术

当前，我国煤炭开采和生产作业的工作环境较为恶劣，煤矿设备长期在此工作环境中，不可避免会出现机械故障。一旦存在机械故障，轻则停机检修，影响生产，重则出现严重的事故，危害煤矿工人的人身安全，对煤炭企业和社会都会造成严重的影响。故障诊断技术是当前应用较多的一种解决方法，进行故障诊断的前提是获取煤矿设备状态的信号，而加速度作为重要的煤矿设备状态信号之一，必须通过可靠的加速度传感器进行监测。

设备的振动状态监测与故障诊断技术在传统行业领域应用较多，技术也相对成熟。在煤矿行业，因煤矿井下环境复杂，粉尘较多同时环境潮湿，有些地方甚至可能会出现高浓度瓦斯气体，对于传感器的技术标准要求较高，需具有防尘、防潮、防爆设计。传统的加速度传感器无法满足矿井井下环境的要求，因此需要设计一款适用于矿井井下环境的加速度传感器，满足对于设备振动状态监测的需要。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种本安型加速度信号采集装置，该装置结构简单，便于装配，具有防尘、防水、防静电功能，可以满足煤矿对井下设备的要求，可以有效地监测设备的故障振动状态，获得监测故障振动的数据。

本实用新型是通过以下技术方案来实现：

一种本安型加速度信号采集装置，包括传感器壳体、加速度传感器采集电路板、传感器端盖、金属堵塞件和传感器模块；所述传感器端盖密封装配在传感器壳体的一端，传感器壳体的另一端与设备被测连接端接触，金属堵塞件密封装配在传感器端盖上，所述加速度传感器采集电路板与传感器模块电源连接，加速度传感器采集电路板固定装配在壳体的卡槽内，加速度传感器采集电路板的引线通过传感器端盖引出，传感器模块固定安装在传感器壳体内。

优选的，传感器端盖上设有密封通孔，所述密封通孔设有内螺纹，所述金属堵塞件螺纹连接在密封通孔内。

进一步的，密封通孔内设有密封段，所述密封段靠近传感器壳体设置，密封段内装配有防爆橡胶堵塞，所述金属堵塞件在密封通孔内将防爆橡胶堵塞顶紧在传感器端盖靠近传感器壳体的内侧壁上。

更进一步的，金属堵塞件和防爆橡胶堵塞同轴设置，且金属堵塞件和防爆橡胶堵塞设有连通孔，用于引出加速度传感器采集电路板的引线。

优选的，传感器壳体靠近设备被测连接端的一侧设有螺纹孔，所述设备被测连接端螺纹连接在螺纹孔内。

进一步的，传感器模块在传感器壳体内靠近设备被测连接端的一侧设置。

优选的，传感器端盖与传感器壳体通过若干螺栓固定连接。

优选的，传感器端盖与传感器壳体的接触面平齐设置。

优选的，加速度传感器采集电路板上设有传感单元、本安电源电路输出单元和调理电路；所述本安电源电路输出单元的输出端分别连接传感单元和调理电路，所述传感单元的输出端连接调理电路；所述调理电路单元包括滤波电路、去耦电路、放大电路和电流变送电路；所述滤波电路的输入端连接传感单元的输出端，滤波电路的输出端连接去耦电路的输入端，去耦电路的输出端连接放大电路的输入端，放大电路的输出端连接电流变送电路的输入端，电流变送电路的输出端连接输出接口。

进一步的，传感单元采用加速度传感器，其中加速度传感器采用数字加速度采集芯片U1。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型提供了一种本安型加速度信号采集装置，加速度传感器采集电路板和传感器模块装配在传感器壳体，再通过传感器端盖密封在传感器壳体的端部，有效的起到了密封作用，避免了灰尘进入，同时也有效的起到了防潮功能，由于传感器端盖密封在传感器壳体的端部从而起到了防爆、防尘和防潮的作用，壳体的封装结构在内部采用胶封方式进行密封，保证传感器内部电路的防尘、防静电，整个壳体采用钢制外壳保证整体的防爆性能，其中引线部分采用金属堵塞件挤压防爆橡胶堵塞保证传感器内部和外部环境的隔绝，起到防尘、防潮、防爆的作用。

进一步的，传感器端盖上设有密封通孔，密封通孔设有内螺纹，所述金属堵塞件螺纹连接在密封通孔内，密封通孔内设有密封段，所述密封段靠近传感器壳体设置，密封段内装配有防爆橡胶堵塞，所述金属堵塞件在密封通孔内将防爆橡胶堵塞顶紧在传感器端盖靠近传感器壳体的内侧壁上，提高了密封性，保证传感器内部和外部环境的隔绝。

进一步的，传感器壳体靠近设备被测连接端7的一侧设有螺纹孔，所述设备被测连接端螺纹连接在螺纹孔内，提高了采集装置与被测设备之间的连接稳定性。

更进一步的，传感器模块在传感器壳体内靠近设备被测连接端的一侧设置，便于有效的检测被测设备的加速度信号，提高了信号检测的准确性。

进一步的，在加速度传感器采集电路板中的信号调理方面，由滤波电路、去耦电路、放大电路、电流环变送电路等多环节构成，保证加速度物理量信号经调理电路后，输出端子可稳定的输出加速度信号的模拟量。在传感器的测量量程范围内，经调理电路处理后，对于微小的振动信号，通过电路的放大滤波处理，可以有效、准确地拾取对应的加速度信号；在信号输出方面，与传统电压型加速度传感器不同之处在于输出信号为电流非电压输出，正常工作静态输出电流为4mA，不与机械零点重合，基于该“活零点”的优势，可识别出传感器断电和断线故障两类故障，作为监测传感器状态的一种方式，同时电流型的信号输出相对电压型输出，具有抗干扰能力强、传输距离远、防爆性能好等优点，更适用于煤矿井下复杂的环境。

附图说明

图1为本实用新型中本安型加速度信号采集装置结构示意图；

图2为本实用新型中传感器壳体结构示意图；

图3为本实用新型中本安型加速度信号采集装置正视图；

图4为图3中A-A剖视图；

图5为本实用新型中传感器端盖正视图；

图6为图5中B-B剖视图；

图7为本实用新型中金属堵塞件结构示意图；

图8为本实用新型中采集电路板电路结构图；

图9为本实用新型中调理电路结构图；

图10为本实用新型中本安电源电路结构示意图。

图中：1-传感器壳体；2-加速度传感器采集电路板；3-传感器端盖；4-内六角连接螺栓；5-防爆橡胶堵塞；6-金属堵塞件；7-设备被测连接端；8-传感器模块。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：

针对煤矿井下大型旋转机械设备长期处于复杂恶劣的生产环境，为保证设备可靠、稳定地长期运行，参见图1，本实用新型提供了一种本安型加速度信号采集装置，由加速度传感器获取设备的振动状态从而判断设备的健康程度。该传感器通过本质安全型的电路设计结合防尘、防爆、防静电的壳体，满足煤矿对于井下设备的标准要求，传感器的输出信号为电流型，信号输出范围为4～ 20mA，传感器的零点为4mA，不与机械零点重合，该设计输出模式具有识别断线和断电故障、精度高、防爆、传输信号远、抗干扰能力强等优点，适合煤矿井下振动信号模拟量的传输。同时在外壳壳体预留螺纹安装孔位，安装过程简单高效，适用安装设备较广，通过该设计使得传感器可适应于煤矿井下复杂环境，作为设备监测振动信号提供了一种监测途径。

具体的，该本安型加速度信号采集装置如图1、图3和图4所示，包括传感器壳体1、加速度传感器采集电路板2、传感器端盖3、金属堵塞件6和传感器模块8；其中传感器壳体1的结构如图2所示，金属堵塞件6的结构如图7 所示，传感器端盖3密封装配在传感器壳体1的一端，传感器壳体1的另一端与设备被测连接端7接触，金属堵塞件6密封装配在传感器端盖3上，所述加速度传感器采集电路板2与传感器模块8电源连接，加速度传感器采集电路板2固定装配在壳体的卡槽内，加速度传感器采集电路板2的引线通过传感器端盖3、防爆橡胶堵塞5、金属堵塞件6的通孔引出，传感器模块8固定安装在传感器壳体1内。

具体的，根据图5和图6所示，传感器端盖3上设有密封通孔，所述密封通孔设有内螺纹，所述金属堵塞件6螺纹连接在密封通孔内。

具体的，根据图5和图6所示，密封通孔内设有密封段，所述密封段靠近传感器壳体1设置，密封段内装配有防爆橡胶堵塞5，所述金属堵塞件6在密封通孔内将防爆橡胶堵塞5顶紧在传感器端盖3靠近传感器壳体1的内侧壁上；其中，金属堵塞件6和防爆橡胶堵塞5同轴设置，且金属堵塞件6和防爆橡胶堵塞5设有连通孔，用于引出加速度传感器采集电路板2的引线。

具体的，传感器壳体1靠近设备被测连接端7的一侧设有螺纹孔，所述设备被测连接端7螺纹连接在螺纹孔内，以螺钉与设备被测连接端7固联。采集信号时，需要将传感器固定在设备的测量点上，信号由加速度传感器产生，经过滤波、去耦、放大，变送等环节，由传感器底部的传感器模块对设备的加速度信号进行采集，加速度传感器的模拟信号输出类型为电流型，范围为4～ 20mA，实际使用中，可由采集板卡进行采集加速度信号。

具体的，传感器模块8在传感器壳体1内靠近设备被测连接端7的一侧设置。

具体的，根据图5所示，传感器端盖3与传感器壳体1通过若干螺栓固定连接，其中传感器端盖3与传感器壳体1的接触面平齐设置。

具体的，根据图8所示，加速度传感器采集电路板2上设有传感单元、本安电源电路输出单元和调理电路；所述本安电源电路输出单元的输出端分别连接传感单元和调理电路，所述传感单元的输出端连接调理电路；所述调理电路单元包括滤波电路、去耦电路、放大电路和电流变送电路；所述滤波电路的输入端连接传感单元的输出端，滤波电路的输出端连接去耦电路的输入端，去耦电路的输出端连接放大电路的输入端，放大电路的输出端连接电流变送电路的输入端，电流变送电路的输出端连接输出接口。

本实用新型传感单元的加速度传感器采用数字加速度传感器采集芯片U₁，测量量程为-70～70g，频带宽度范围最高为22KHz；

本实用新型将设计的本质安全型加速度采集调理电路与具有防尘、防水、防静电的壳体相结合，构成一款具有本安型设计的加速度传感器，该传感器可以满足煤矿对井下设备的要求，当井下设备发生故障时，可以有效地监测设备的故障振动状态，获得监测故障振动的数据，故障诊断技术基于该传感器监测得到的振动数据完成设备的故障诊断。

本实用新型所提供了一种本安型加速度信号采集装置处理振动物理量，拾取信号并经过调理电路，将信号转化为模拟量进行输出的过程图，如图8所示；

第一步，将传感器壳体1自带的螺纹孔与待监测设备进行连接，并顺时针旋转至稳定状态。第二步，由数字加速度传感器通过与设备螺纹连接的地方拾取设备的振动信号，拾取该信号过程中一般伴随噪音、谐波、干扰信号，需要通过硬件滤波电路对信号进行初步处理，得到滤波后的信号在经过去耦电路，将输出信号的干扰信号滤除，消散自激，使信号更加稳定的输出，满足驱动电路电流的变化，尽可能减少电路之间的耦合干扰；第三步，将滤波解耦后的信号输入进入电流变送电路，该电路设计了两路电源供电，作为数字芯片的电源输入，通过电流变送电路将模拟振动加速度信号转变为电流信号，该变送电路具有精确控制电流输出精度等优点；第四步，因经过由电流变送出来的电流信号较小，需要通过放大电路对其电流信号放大输出，输出的电流信号范围为4～ 20mA，因变送器静态输出电流为4mA，不与机械零点重合，该“活零点”有利于判别断电和断线故障。同时，相比电压型传感器输出，该输出模型具有传输距离远损耗小、最大输出20mA的电流引起的火花能量不足以点燃瓦斯气体，适合煤矿适用。机械的振动物理量经过上述三步处理后，会将振动的物理量转变为4～20mA的模拟量，该信号调理电路具有测量精度高、稳定、抗干扰能力强等特点。

根据图10所示，本安电源电路传感器供电电压为24V，由数据采集板卡提供供电电源，电源提供给加速度传感单元和信号调理电路所需的电源。由于该传感器需要满足煤安认证要求，因此，设计时需考虑限能、限压、限流等因素，采用二级保护方式，D₂、D₃为阻塞二极管，防止电源反接，后接两级限流保护电流，通过限流电阻R₃和PNP管Q₄的U_be电压限制输入电流，输入电流最大为I_O＝U_be/(R₃*0.95)，当输入电流大于电路设计限制最大电流时，输出电压为0，当输入电流在正常范围内，Q₄截止，Q₂导通，输出信号再经过两级过压保护二极管D₄、D₅后，输出满足本安要求的24V供电电压。其中D₄、D₅选型时，其耐压值为25V。

根据图9所示调理电路结构图，传感器调理电路可分为传感器电路、滤波、去耦、放大电路，电流变送电路构成。加速度采集芯片U₁中管脚6为加速度信号输出端，管脚3为接地，VDD和VDD2为器件的电源供应端口，其电源供电由所设计的24V本安电路提供，在电源输入的前端加入电容C5，用于实现滤除电源信号中的干扰信号；通过加速度芯片管脚6输出的信号为原始加速度电压信号，电压信号可根据现场工况或实际需要经过带通滤波器进行滤波，在U₂搭建的带通滤波器中，截止频率由电阻R₁₃、电容C₈、电阻R₁₂、电容C₇决定，截止频率分别为：f₁＝1/(2πR₁₃*C₈)，f₂＝1/(2πR₁₂*C₇)，可根据设备工作频率的工作范围和传感器监测芯片的工作范围，确定带通滤波器的相关参数；经过滤波、去耦、放大电路后将电压信号输出至电流变送电路，该电路由U₃芯片完成，其中管脚7，管脚6，管脚5由三极管输入电源信号，增加驱动能力，其管脚4将原始加速度电压变成4-20mA电流信号输出。

接入24V电源后，U₃为电流环芯片，可输出基准电压为5V，给振动芯片 U₁供电，获取振动信号，输出振动信号为电压信号，经过U₂搭建的带通滤波器，进入电流环芯片，将电压转化为可远距离传输，外界干扰较小的电流信号 I_out。

电源输入，由外部电路先提供给本安电源电路，然后经本安电源电路后输出的24V才能满足本安设计的要求，提供给传感器和调理电路供电；信号输出对应4-20mA。

通过上述本安电源、信号调理电路、传感器外部壳体防水、防尘三部分的设计，该振动传感器满足煤矿对设备的要求规范，可适应煤矿矿井下潮湿，多粉尘环境，为矿井井下设备的振动获取测量提供了一种新的途径。

综上所述，传统的加速度传感器应用领域一般多为工业，无法满足煤矿矿井对于设备的要求标准，本实用新型通过三个方面的设计，使得该传感器可满足煤矿矿井对于设备的技术要求。在防爆安全方面，通过基于本质安全型的电路设计以及防爆、防尘、防潮的壳体设计满足了煤矿对于井下设备的要求；在信号调理电路方面，由滤波电路、去耦电路、放大电路、电流环变送电路等多环节构成，保证加速度物理量信号经调理电路后，输出端子可稳定的输出加速度信号的模拟量。在传感器的测量量程范围内，经调理电路处理后，对于微小的振动信号，通过电路的放大滤波处理，可以有效、准确地拾取对应的加速度信号；在信号输出方面，与传统电压型加速度传感器不同之处在于输出信号为电流非电压输出，正常工作静态输出电流为4mA，不与机械零点重合，基于该“活零点”的优势，可识别出传感器断电和断线故障两类故障，作为监测传感器状态的一种方式，同时电流型的信号输出相对电压型输出，具有抗干扰能力强、传输距离远、防爆性能好等优点，更适用于煤矿井下复杂的环境。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种本安型加速度信号采集装置，其特征在于，包括传感器壳体(1)、加速度传感器采集电路板(2)、传感器端盖(3)、金属堵塞件(6)和传感器模块(8)；所述传感器端盖(3)密封装配在传感器壳体(1)的一端，传感器壳体(1)的另一端与设备被测连接端(7)接触，金属堵塞件(6)密封装配在传感器端盖(3)上，所述加速度传感器采集电路板(2)与传感器模块(8)电源连接，加速度传感器采集电路板(2)固定装配在壳体的卡槽内，加速度传感器采集电路板(2)的引线通过传感器端盖(3)引出，传感器模块(8)固定安装在传感器壳体(1)内。

2.根据权利要求1所述的一种本安型加速度信号采集装置，其特征在于，所述传感器端盖(3)上设有密封通孔，所述密封通孔设有内螺纹，所述金属堵塞件(6)螺纹连接在密封通孔内。

3.根据权利要求2所述的一种本安型加速度信号采集装置，其特征在于，所述密封通孔内设有密封段，所述密封段靠近传感器壳体(1)设置，密封段内装配有防爆橡胶堵塞(5)，所述金属堵塞件(6)在密封通孔内将防爆橡胶堵塞(5)顶紧在传感器端盖(3)靠近传感器壳体(1)的内侧壁上。

4.根据权利要求3所述的一种本安型加速度信号采集装置，其特征在于，所述金属堵塞件(6)和防爆橡胶堵塞(5)同轴设置，且金属堵塞件(6)和防爆橡胶堵塞(5)设有连通孔，用于引出加速度传感器采集电路板(2)的引线。

5.根据权利要求1所述的一种本安型加速度信号采集装置，其特征在于，所述传感器壳体(1)靠近设备被测连接端(7)的一侧设有螺纹孔，所述设备被测连接端(7)螺纹连接在螺纹孔内。

6.根据权利要求5所述的一种本安型加速度信号采集装置，其特征在于，所述传感器模块(8)在传感器壳体(1)内靠近设备被测连接端(7)的一侧设置。

7.根据权利要求1所述的一种本安型加速度信号采集装置，其特征在于，所述传感器端盖(3)与传感器壳体(1)通过若干螺栓固定连接。

8.根据权利要求1所述的一种本安型加速度信号采集装置，其特征在于，所述传感器端盖(3)与传感器壳体(1)的接触面平齐设置。

9.根据权利要求1所述的一种本安型加速度信号采集装置，其特征在于，所述加速度传感器采集电路板(2)上设有传感单元、本安电源电路输出单元和调理电路；所述本安电源电路输出单元的输出端分别连接传感单元和调理电路，所述传感单元的输出端连接调理电路；所述调理电路单元包括滤波电路、去耦电路、放大电路和电流变送电路；所述滤波电路的输入端连接传感单元的输出端，滤波电路的输出端连接去耦电路的输入端，去耦电路的输出端连接放大电路的输入端，放大电路的输出端连接电流变送电路的输入端，电流变送电路的输出端连接输出接口。

10.根据权利要求9所述的一种本安型加速度信号采集装置，其特征在于，所述传感单元采用数字加速度传感采集芯片U1。

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