數字式振動衝擊傳感器的製作方法
2023-10-04 18:25:54 1
專利名稱：數字式振動衝擊傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種傳感器，特別是一種用於可靠測量振動衝擊的數字式傳感器。
背景技術：
目前的各種傳感器應稱為傳統傳感器或模擬傳感器，它是模擬儀表或模擬計算機時代的產物，它的設計指導思想是把外部信息變換成模擬電壓或電流信號，輸出幅值小，靈敏度低是它的嚴重不足，而且必須連接到特定測量儀表才能完成信號的處理和傳輸功能。現有用於測量振動衝擊的傳感器也不例外，多數為模擬傳感器，不僅輸出幅值小、靈敏度低，且無法滿足現代數字計算機或數字儀表的接口要求。另外，振動衝擊傳感器與數據採集器之間的距離一般都較遠，而被測設備的運行環境又較差，加上電機、整流裝置等用電設備產生的電磁幹擾，高頻電源線的工頻幹擾，測量系統與各單元電路之間的公共接地阻抗產生的阻抗幹擾，以及長線傳送模擬信號帶來線路上的信號損耗等等，總之，所有這些幹擾和損耗都會影響到被測設備的測量精確度。
發明內容
針對上述現有技術存在的問題，本發明的目的在於提供一種既可抗幹擾又傳輸可靠、而且解析度較高的用於測量振動衝擊的數字式傳感器。
為實現上述目的，本發明的數字式振動衝擊傳感器包括振動敏感元件、信號調理電路、模數轉換電路及輸出接口，其中，輸出接口設有I2C總線，並採用單5V電源工作，四芯屏蔽線傳輸，由敏感元件提取振動衝擊信號、經信號調理電路就近放大為0～5V電壓信號、模數轉換電路轉換成數位訊號，再經I2C總線接口輸出。
為了保障傳輸可靠、降低功耗以及實現傳感器與後續數據採集系統的電氣隔離，本發明採取了下面的進一步措施。
本發明採用的振動敏感元件1是一種剪切型壓電加速度敏感元件Q1，與該敏感元件Q1匹配有由放大器IC1:TLC277及電阻R1～R5、電容C1～C4構成的信號調理電路2，具有所述I2C總線接口的串行A/D轉換器IC2和由插接件JK1構成的模數轉換電路3以及接口4。
或者，本發明採用的振動敏感元件1是一種剪切型壓電加速度敏感元件Q1，與該敏感元件Q1匹配有由集成單電源儀表放大器IC1:AD623及電阻R1～R3、電容C1～C2構成的信號調理電路2，具有所述I2C總線接口的串行A/D轉換器IC2和由插接件JK1構成的模數轉換電路3以及接口4。
或者，本發明採用的振動敏感元件1是一種IC1內藏的「H」形差動電容式加速度敏感元件，與該敏感元件匹配有由IC1:ADXL150或其系列單片式加速度傳感器晶片及電阻R1～R3、電容C1～C3構成的信號調理電路2，具有所述I2C總線接口的串行A/D轉換器IC2和由插接件JK1構成的模數轉換電路3以及接口4。
或者，本發明採用的振動敏感元件1是一種IC1內藏的差動電容式加速度敏感元件，與該差動電容匹配有由IC1:MMA2202或其系列單片式加速度傳感器晶片及電阻R1～R2、電容C1～C3構成的信號調理電路2，具有所述I2C總線接口的串行A/D轉換器IC2和由插接件JK1構成的模數轉換電路3以及接口4。
本發明的數字式振動衝擊傳感器由於採用輸出接口為I2C總線的方案，解決了模擬傳感器抗幹擾能力較弱的問題。它具有結構簡單、全部電路內置、集成度高、解析度高、功耗較少、成本低、傳輸穩定可靠的優點，容易實現傳感器與後續數據採集系統的電氣隔離，抗幹擾能力強，可有效提取振動、衝擊等狀態信息而且使之數位化。它可廣泛用於機械設備振動衝擊的測量，對結構複雜、工作環境惡劣、幹擾信號繁雜等場合下設備的狀態監測具有獨特優勢。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細的說明，其中圖1為本發明硬體結構及接口方框圖；圖2為本發明實施例一的電路原理圖；圖3為本發明實施例二的電路原理圖；圖4為本發明實施例三的電路原理圖；圖5為本發明實施例四的電路原理圖。
具體實施例方式
參見附圖，根據本發明的一種用於測量機械設備的振動衝擊的數字式傳感器，包括設有遠距離傳輸所取信號並與測量系統的計算機直接數字接口的I2C總線及接口，該I2C總線及接口具有多主機系統所需要的裁決和高低速設備同步運行功能的高性能串行總線，且全部電路內置。本發明選用PHILIPS公司的一種簡單、雙向二線制同步串行總線，只需要兩根線，即通過串行時鐘線SCL和串行數據線SDA就可在連接於總線上的各器件之間傳送信息，它採用功耗極低、容易實現傳感器與後續數據採集系統的電氣隔離的四芯屏蔽線傳輸，即兩芯接電源、兩芯接信號、屏蔽層接外殼，單5V電源供電，通過振動敏感元件將被測機械設備關鍵部位的振動衝擊參量轉換為電參量，由信號調理電路就近對該電參量進行放大並轉換為0～5V的電壓信號，再經模數轉換器轉換成數位訊號輸出。
以下對本發明的具體實施例進行詳細的描述。
實施例一如圖2所示，振動衝擊由剪切型壓電加速度敏感元件Q1提取，與該敏感元件Q1匹配有由放大器IC1:TLC277及電阻R1～R5、電容C1～C4構成的信號調理電路2，具有所述I2C總線接口的串行A/D轉換器IC2(如選用型號為ADS7823等)和由插接件JK1構成的模數轉換電路3以及接口4。振動衝擊信號的實時性很強且頻率成分豐富；而壓電傳感器主要用於測量力、加速度、衝擊和振動，它可以有電壓和電荷兩種輸出，其後續的放大電路相應地分為電壓放大和電荷放大兩種，電荷放大的測量靈敏度與接線電纜長度無關，適合較遠距離的測量。圖2中的IC1A、C1和R3組成一個具有深度負反饋的高增益電荷放大電路，利用反饋電容C1把壓電傳感器輸入的電荷轉換為電壓輸出，改變反饋電容C1的大小，即可改變電荷放大器的輸出靈敏度，從而可以測量不同大小的振動加速度。根據該電荷放大電路，令傳感器電容為Cn，電纜電容為Cc，放大器的輸入電容為Ci，運算放大器的開環增益為A，則反饋電容C1折合到放大器輸入端的有效電容為(1+A)C1；若忽略放大器的輸入電阻和與反饋電容並聯的漏電阻，則放大器輸出電壓為 因為A＞＞1，故上式中Cn+Cc+Ci＜＜(1+A)C1，此時傳感器電容Cn、電纜電容Cc和放大器的輸入電容Ci可忽略不計，放大器的輸出電壓可表示為 因此，電荷放大器的輸出電壓與傳感器產生的電荷量及電荷放大器反饋電容有關，電纜電容等其它因素的影響可忽略不計。圖2中的C3、C4為電源去耦電容，R1、R2、C2用於給單電源工作放大器提供參考地電平，以實現正負振動衝擊的測量；電阻R4、R5和運放IC1B組成一個電壓放大電路，用於將電荷放大器IC1A的輸出電壓範圍放大到0～5V之間，以保證A/D轉換的解析度；IC2是具有I2C總線接口的串行A/D轉換器，工作電壓為+5V，解析度為12bit，採樣頻率＞100KHz，可選晶片有ADS7822、ADS7823、ADS7816、ADS7817、TLC2544、TLV2554等，採用該A/D轉換器僅需要串行時鐘線SCL和串行數據線SDA兩根線即可在連接於總線上的傳感器與數據採集系統之間傳送信息，使得傳感器結構簡單、可靠性提高。
實施例二如圖3所示，振動衝擊由剪切型壓電加速度敏感元件Q1提取，與該敏感元件Q1匹配有由集成單電源儀表放大器IC1:AD623及電阻R1～R3、電容C1～C2構成的信號調理電路2，具有所述I2C總線接口的串行A/D轉換器IC2(如ADS7822等)和由插接件JK1構成的模數轉換電路3以及接口4。如實施例一所述，壓電傳感器可以有電壓和電荷兩種輸出，其後續的放大電路相應地分為電壓放大和電荷放大兩種，本發明由於將全部電路置於傳感器內部，壓電元件與放大電路之間的連接極短，故本實施例採用電壓放大方式，由IC1:AD623集成單電源儀表放大器實現。AD623能在單電源+3V～+12V下提供電源幅度的輸出，允許使用單個增益設置電阻進行增益編程，以得到更好的用戶靈活性，且符合8引腳的工業標準引腳配置，在無外接電阻條件下，AD623被設置為單位增益(G＝1)，在接入電阻後，可編程設置增益。在圖3中，其增益G=1+100KR1]]>(最高可達1000倍)，傳感器電容為Cn，運放的輸入電壓為Vi=Q1Cn,]]>則IC1:AD623的輸出電壓為 因此，只要調節R1即可達到IC1的輸出在0～5V之間；圖3中的C1、C2為電源去耦電容，R3、R2用於給單電源工作放大器提供參考地電平，以實現正負振動衝擊的測量；IC2是具有I2C總線接口的串行A/D轉換器，其工作電壓、解析度、採樣頻率、可選晶片等與實施例一相同。
實施例三如圖4所示，振動衝擊由IC1內藏的「H」形差動電容式加速度敏感元件提取，與該敏感元件匹配有由IC1:ADXL150或其系列單片式加速度傳感器晶片及電阻R1～R3、電容C1～C3構成的信號調理電路2，具有所述I2C總線接口的串行A/D轉換器IC2(如ADS7816等)和由插接件JK1構成的模數轉換電路3以及接口4。圖4中，IC1是ADI公司推出的ADXL系列單片式電容加速度傳感器，用閉環反饋力平衡技術和完整的信號調理電路構成閉環隨動式加速度計，是由多晶矽表面微加工(POLY SILICON SURFACE-MICRO-MACHINED)敏感元件和信號調理電路組成，其內部主要包括敏感元件、振蕩器(輸出頻率是1MHZ)、基準電壓源、解調器、低通濾波器、前置放大器、獨立的輸出放大器及自檢測電路；它不僅體積小，可以直接安裝在印刷電路板上，而且靈敏度高，能夠測量正、負加速度信號，並可根據不同要求，用戶可以自行調整靈敏度和測量範圍；它既可測量動態加速度，又可測量靜態加速度，其輸出的電壓與所感受的加速度成正比。本實施例可選型號有ADXL05(X軸向敏感，測量範圍±5g)、ADXL50(X軸向敏感，測量範圍±50g)、ADXL105(X軸向敏感，測量範圍±1.5g)、ADXL150(X軸向敏感，測量範圍±50g)、ADXL190(X軸向敏感，測量範圍±100g)、ADXL181(X軸向敏感，測量範圍-150～+250g)等系列單片式加速度傳感器晶片。圖4中的C1、C3為電源去耦電容，R1、R2、C2用於調節放大器輸出零點，R3用於將自檢輸入端置低電平(不進行自檢)；IC2是具有I2C總線接口的串行A/D轉換器，其選擇方法與實施例一類似。
實施例四如圖5所示，振動衝擊由IC1內藏的差動電容式加速度敏感元件提取，與該差動電容匹配有由IC1:MMA2202或其系列單片式加速度傳感器晶片及電阻R1～R2、電容C1～C3構成的信號調理電路2，具有所述I2C總線接口的串行A/D轉換器IC2(如ADS7817等)和由插接件JK1構成的模數轉換電路3以及接口4。圖5中，IC1是MOTOROLA公司推出的MMA系列多晶矽表面微加工單片加速度傳感器，其內部主要包括電容敏感元件、4階低通濾波器、信號放大處理電路及自檢測電路等，是振動衝擊測量的理想元件，它既可測量重力加速度(靜態)，又可測量由振動、衝擊產生的加速度、速度位移等參數(動態)，其線性輸出的電壓與所感受的加速度成正比。本實施例可選型號有MMA1200D(Z軸向敏感，測量範圍±250g)、MMA1201P(Z軸向敏感，測量範圍±40g)、MMA1220D(Z軸向敏感，測量範圍±8g)、MMA1250D(Z軸向敏感，測量範圍±5g)、MMA1270D(Z軸向敏感，測量範圍±2.5g)、MMA1260D(Z軸向敏感，測量範圍±1.5g)、MMA2200W(X軸向敏感，測量範圍±40g)、MMA2201D(X軸向敏感，測量範圍±40g)、MMA2202D(X軸向敏感，測量範圍±50g)等系列單片式加速度傳感器晶片。圖5中的C1、C3為電源去耦電容，R1、C2構成輸出低通濾波器，R2用於將自檢輸入端置低電平(不進行自檢)；IC2是具有I2C總線接口的串行A/D轉換器，其選擇方法與實施例一類似。
值得指出的是由於本發明採用基於I2C總線的測量振動加速度傳感器的全部電路內置，選用四芯屏蔽線傳輸，容易實現傳感器與後續數據採集系統的電氣隔離，可靠地保護內部電路，免受外部幹擾。可有效提取機械設備的振動、衝擊等狀態信息，對結構複雜、工作環境惡劣、幹擾信號繁雜等場合下設備的狀態監測具有獨特優勢。其I2C總線接口，可方便與數字系統或微處理器連接構成數位化測控系統，具有集成度高、解析度高、結構簡單、抗幹擾能力強、穩定性好、功耗低、成本少等特點。綜合技術指標為(1)接口方式I2C總線(符合philips公司的I2C總線串行通信接口規範)，傳輸速率≤400Kbit/s；(2)測量範圍由敏感元件決定；(3)頻率範圍DC～20KHz；(4)動態範圍12bit；(5)工作電源直流+5V。
雖然已經對本發明的優選實施例進行了詳細的描述和說明，但是本發明不應僅僅局限於上述實施例。應當知道，本領域的技術人員可以在不背離本發明的精神和原理的條件下進行多種修改和變化，而不脫離本發明的由權利要求書所限定的保護範圍。
權利要求
1.一種用於測量振動衝擊的數字式振動衝擊傳感器，包括振動敏感元件(1)、信號調理電路(2)、模數轉換電路(3)和接口(4)，其特徵在於所述接口(4)設有I2C總線，並採用單電源工作，屏蔽線傳輸，由所述敏感元件(1)提取振動衝擊信號，振動衝擊信號經所述信號調理電路(2)放大，所述模數轉換電路(3)再將放大信號轉換成數位訊號，最後經所述I2C總線接口(4)輸出。
2.根據權利要求1所述的數字式振動衝擊傳感器，其特徵在於所述振動敏感元件(1)是剪切型壓電加速度敏感元件Q1，與該敏感元件Q1匹配有由放大器IC1:TLC277及電阻R1～R5、電容C1～C4構成的所述信號調理電路(2)，具有所述I2C總線接口的串行A/D轉換器IC2和由插接件JK1構成的所述模數轉換電路(3)以及所述接口(4)。
3.根據權利要求1所述的數字式振動衝擊傳感器，其特徵在於所述振動敏感元件(1)是剪切型壓電加速度敏感元件Q1，與該敏感元件Q1匹配有由集成單電源儀表放大器IC1:AD623及電阻R1～R3、電容C1～C2構成的所述信號調理電路(2)，具有所述I2C總線接口的串行A/D轉換器IC2和由插接件JK1構成的所述模數轉換電路(3)以及所述接口(4)。
4.根據權利要求1所述的數字式振動衝擊傳感器，其特徵在於所述振動敏感元件(1)是IC1內藏的「H」形差動電容式加速度敏感元件，與該敏感元件匹配有由IC1:ADXL150或其系列單片式加速度傳感器晶片及電阻R1～R3、電容C1～C3構成的所述信號調理電路(2)，具有所述I2C總線接口的串行A/D轉換器IC2和由插接件JK1構成的所述模數轉換電路(3)以及所述接口(4)。
5.根據權利要求1所述的數字式振動衝擊傳感器，其特徵在於所述振動敏感元件(1)是IC1內藏的差動電容式加速度敏感元件，與該差動電容匹配有由IC1:MMA2202或其系列單片式加速度傳感器晶片及電阻R1～R2、電容C1～C3構成的所述信號調理電路(2)，具有所述I2C總線接口的串行A/D轉換器IC2和由插接件JK1構成的所述模數轉換電路(3)以及所述接口(4)。
全文摘要
一種數字式振動衝擊傳感器，包括振動衝擊敏感元件、信號調理電路、模數轉換電路及接口，採用單5V電源工作，四芯屏蔽線傳輸。敏感元件提取振動衝擊信號，經信號調理電路就近放大為0～5V電壓信號，模數轉換電路將電壓信號轉換成數位訊號，再經I
文檔編號G01H11/06GK1558190SQ20041000073
公開日2004年12月29日 申請日期2004年1月16日 優先權日2004年1月16日
發明者黃採倫, 劉德順 申請人:湖南科技大學