一種用於icp加速度傳感器的信號調理裝置的製作方法

2023-06-06 04:44:46 1

專利名稱：一種用於icp加速度傳感器的信號調理裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及ICP加速度傳感器技術領域，特別涉及一種用於ICP加速度傳感器的
信號調理裝置。
背景技術：
ICP加速度傳感器是內裝微型IC集成電路放大器的壓電加速度傳感器，它將傳統的壓電加速度傳感器與電荷放大器集於一體，能直接和記錄、顯示和採集設備連接，簡化了測試系統，提高了測試精度和可靠性。ICP加速度傳感器由於具有體積小、低頻特性好、安裝方便、性價比高等特點，被廣泛用於航天、航空、車船、機械、橋梁、石油、化工等測量領域。信號調理器的作用是為傳感器提供激勵源及對傳感器信號進行預處理，ICP加速度傳感器由於自身的特點，其信號調理器與其它傳感器信號調理器要求和功能不一致，ICP加速度傳感器信號調理器的模塊及其功能如下:傳感器驅動:ICP加速度傳感器需要外界提供18-28V電壓2_20mA恆流電源激勵其自身電路。隔離:ICP傳感器輸出信號中含有8-12V直流偏置電壓，而實際測試中需要的是交流信號，因此需要通過交流耦合電路消除直流偏置電壓。濾波:根據奈奎斯特採樣定理，採樣頻率需大於信號中最高頻率的2倍，採樣後的數位訊號才能完整保留原信號的信息。因此，工程中一般採用低通濾波器來避免模擬信號轉化為數位訊號時發生混疊。放大:對於較弱的有用電壓信號可以通過放大以提高數據採集的精度。ICP加速度傳感器、信號調理器、數據採集儀、電腦及採集分析軟體組合後在工業中被廣泛用於產品質量測試、設備故障診斷、轉子動平衡等。目前，現有的ICP加速度傳感器信號調理器供電基本上都是由220V電壓通過降壓整流為24V直流，不便於可攜式故障診斷儀配套使用。在轉子動平衡中，不平衡點相位測量的準確與否關係到動平衡的成敗與平衡精度。信號調理器中的濾波電路會使不同頻率信號產生相移，從而影響相位測量的準確性，現有的ICP加速度傳感器信號調理器對信號相位影響較大，相位測量誤差較大，動平衡精度較低。

發明內容
本發明的目的旨在至少解決上述的技術問題。為此，本發明的目的在於提出一種用於ICP加速度傳感器的信號調理裝置，可保證一定範圍內信號通過該信號調理裝置後相位變化絕對值小於0.2度，從而在轉子動平衡中降低由於相移引起的平衡誤差，提高動平衡精度。為達到上述目的，本發明實施例提出的用於ICP加速度傳感器的信號調理裝置，包括:轉換開關；分別為所述信號調理裝置供電的第一電源模塊和第二電源模塊，所述第一電源模塊和所述第二電源模塊分別與轉換開關相連；用於輸出恆定電流的恆流源模塊，所述恆流源模塊與所述轉換開關相連，在所述轉換開關的控制下與所述第一電源模塊或所述第二電源模塊接通；將所述ICP加速度傳感器接入所述信號調理裝置的傳感器接口模塊，所述傳感器接口模塊與所述ICP加速度傳感器相連，所述ICP加速度傳感器在工作時根據所述恆定電流輸出檢測信號；將所述ICP加速度傳感器輸出的所述檢測信號進行隔離過濾以生成交流電壓信號的交流耦合模塊，所述交流耦合模塊與所述傳感器接口模塊相連；將所述交流電壓信號進行低通濾波和放大處理的濾波及放大模塊，所述濾波及放大模塊與所述交流耦合模塊相連；用於將低通濾波和放大處理過的交流電壓信號進行輸出的信號輸出模塊，所述信號輸出模塊與所述濾波及放大模塊相連；以及為所述濾波及放大模塊供電的集成運放供電模塊，所述集成運放供電模塊與所述濾波及放大模塊相連。根據本發明實施例提出的用於ICP加速度傳感器的信號調理裝置，可以根據需要設定濾波及放大模塊的幅頻相頻參數，保證一定頻率範圍內的信號通過該信號調理裝置濾波後相位變化絕對值小於0.2度，從而在轉子動平衡中降低由於相移引起的平衡誤差，提高了動平衡精度。其中，在本發明的一個實施例中，所述第一電源模塊通過電池進行供電，所述第二電源模塊通過交流市電進行供電。因此，本發明可以根據實際需要選擇由電池供電或220V電源供電，滿足用戶不同用途需求。具體地，在本發明的一個實施例中，所述傳感器接口模塊包括BNC連接器，所述BNC連接器與所述ICP加速度傳感器相連。優選地，在本發明的一個實施例中，所述交流耦合模塊為一階無源高通濾波電路，所述一階無源高通濾波電路的截止頻率的配置範圍為0.6-1.2Hz。優選地,在本發明的一個實施例中，所述濾波及放大模塊為四階ButterworthSallen-Key有源低通濾波放大電路，根據需要設定所述濾波及放大模塊的放大倍數、截止頻率和幅頻相頻參數。優選地,在本發明的一個實施例中，所述四階Butterworth Sallen-Key有源低通濾波放大電路的截止頻率範圍為5-30kHz。進一步地，在本發明的一個實施例中，所述的用於ICP加速度傳感器的信號調理裝置還包括:限流保護模塊，所述限流保護模塊連接在所述恆流源模塊和所述傳感器接口模塊之間，在流過所述限流保護模塊的電流超過預設電流時，所述限流保護模塊自動斷開，其中，所述預設電流可以為20mA。優選地，在本發明的一個實施例中，所述恆流源模塊輸出恆定電流的範圍為2—20mAo進一步地，在本發明的一個實施例中，所述集成運放供電模塊為所述濾波及放大模塊提供±9V雙電源。進一步地，在本發明的一個實施例中，所述第一電源模塊和所述第二電源模塊輸出的電壓範圍為18-28V。本發明附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。


本發明上述的和/或附加的方面和優點從下面結合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:圖1為根據本發明實施例的用於ICP加速度傳感器的信號調理裝置的結構示意圖；圖2為根據本發明一個具體實施例的用於ICP加速度傳感器的信號調理裝置的濾波及放大模塊的幅頻、相頻特性圖。
具體實施例方式下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。下文的公開提供了許多不同的實施例或例子用來實現本發明的不同結構。為了簡化本發明的公開，下文中對特定例子的部件和設置進行描述。當然，它們僅僅為示例，並且目的不在於限制本發明。此外，本發明可以在不同例子中重複參考數字和/或字母。這種重複是為了簡化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實施例和/或設置之間的關係。此外，本發明提供了的各種特定的工藝和材料的例子，但是本領域普通技術人員可以意識到其他工藝的可應用性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特徵在第二特徵之「上」的結構可以包括第一和第二特徵形成為直接接觸的實施例，也可以包括另外的特徵形成在第一和第二特徵之間的實施例，這樣第一和第二特徵可能不是直接接觸。在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是機械連接或電連接，也可以是兩個元件內部的連通，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語的具體含義。參照下面的描述和附圖，將清楚本發明的實施例的這些和其他方面。在這些描述和附圖中，具體公開了本發明的實施例中的一些特定實施方式，來表示實施本發明的實施例的原理的一些方式，但是應當理解，本發明的實施例的範圍不受此限制。相反，本發明的實施例包括落入所附加權利要求書的精神和內涵範圍內的所有變化、修改和等同物。下面參照附圖對本發明實施例提出的用於ICP加速度傳感器的信號調理裝置進行描述。圖1為根據本發明實施例的用於ICP加速度傳感器的信號調理裝置結構示意圖。如圖1所示，該用於ICP加速度傳感器的信號調理裝置包括:轉換開關1、第一電源模塊2和第二電源模塊3、恆流源模塊4、傳感器接口模塊5、交流耦合模塊6、濾波及放大模塊7、信號輸出模塊8以及集成運放供電模塊9。如圖1所示，第一電源模塊2和第二電源模塊3分別與轉換開關I相連，通過轉換開關I切換可接通其中一路，以便第一電源模塊2和第二電源模塊3分別為所述信號調理裝置供電，第一電源模塊2和第二電源模塊3輸出的電壓範圍為18-28V，典型值為24V。其中，在本發明的一個實施例中，第一電源模塊2通過電池進行供電，第二電源模塊3通過交流市電即220V電源進行供電。因此，本發明可以根據實際需要選擇由電池供電或220V電源供電，滿足用戶不同用途需求。例如，使用電池供電適合與數據採集卡和平板電腦或筆記本電腦構成便捷式故障診斷儀；當需要長期在線監測時，可選擇由220V電源供電。在本發明的實施例中，如圖1所示，恆流源模塊4與轉換開關I相連，在轉換開關I的控制下與第一電源模塊2或第二電源模塊3接通，以便輸出恆定電流。需要說明的是，恆流源模塊4中有高精度恆流源器件，通過計算選擇一定阻值的電阻，可保證恆流源模塊4輸出電流值恆定在2-20mA之間某一定值。優選地，在本發明的一個實施例中，恆流源模塊4輸出恆定電流的範圍為2-20mA，典型值為4mA。在本發明的實施例中，傳感器接口模塊5與ICP加速度傳感器相連，傳感器接口模塊5將ICP加速度傳感器接入所述信號調理裝置，ICP加速度傳感器在工作時根據恆定電流輸出檢測信號。具體地，在本發明的一個實施例中，傳感器接口模塊5包括BNC連接器，BNC連接器與ICP加速度傳感器相連。進一步地，在本發明的一個實施例中，如圖1所示，上述的用於ICP加速度傳感器的信號調理裝置還包括:限流保護模塊10，限流保護模塊10連接在恆流源模塊4和傳感器接口模塊5之間，在流過限流保護模塊10的電流超過預設電流時，限流保護模塊10自動斷開，從而保護ICP加速度傳感器內部IC不被破壞，安全可靠。其中，預設電流可以為20mA。也就是說，在流過限流保護模塊10的電流超過20mA時，限流保護模塊10自動斷開，例如，限流保護模塊10可以為20mA限流保險絲，從而保護ICP加速度傳感器內部IC不被破壞，安全可靠。在本發明的實施例中，如圖1所示，交流耦合模塊6與傳感器接口模塊5相連，交流耦合模塊6將ICP加速度傳感器輸出的檢測信號進行隔離過濾以生成交流電壓信號。優選地，在本發明的一個實施例中，交流耦合模塊6為一階無源高通濾波電路，一階無源高通濾波電路的截止頻率的配置範圍為0.6-1.2Hz，典型值為1Hz，因此，交流耦合模塊6能夠隔離ICP加速度傳感器輸出的8-12V直流偏置電壓，使需要的交流信號順利通過以生成交流電壓信號。在本發明的實施例中，如圖1所示，濾波及放大模塊7與交流耦合模塊6相連，濾波及放大模塊7將交流電壓信號進行低通濾波和放大處理。優選地，在本發明的一個實施例中，濾波及放大模塊7為四階ButterworthSallen-Key有源低通濾波放大電路，根據需要設定濾波及放大模塊7的放大倍數、截止頻率和幅頻相頻參數。具體地，四階Butterworth Sallen-Key有源低通濾波放大電路濾波特性優良，可以根據需要設計選擇電阻、電容值，保證一定的放大倍數、截止頻率及幅頻相頻特性，可使得一定頻率範圍內的信號經過濾波後相位變化甚微。如圖2所示，是針對轉速3000rpm葉輪動平衡設計的信號調理裝置運用仿真軟體得到的幅頻、相頻特性圖，從圖中可以看出，通帶平坦、阻帶較陡峭，滾降速率每倍頻_24dB，相頻曲線中頻率在46-58HZ的信號通過信號調理裝置後相位變化在0.2度之間，50Hz頻率信號通過信號調理裝置相移0.05度，在轉子動平衡中降低了由於相移引起的平衡誤差，提高了動平衡精度。優選地,在本發明的一個實施例中，四階Butterworth Sallen-Key有源低通濾波放大電路的截止頻率範圍為5_30kHz，典型值為15kHz。可以理解的是，上述的用於ICP加速度傳感器的信號調理裝置可擴展至多個通道，各個通道可有不同的截止頻率及不同的幅頻相頻特性滿足不同需要。在本發明的實施例中，如圖1所示，信號輸出模塊8與濾波及放大模塊7相連，以便將低通濾波和放大處理過的交流電壓信號進行輸出。集成運放供電模塊9與濾波及放大模塊7相連，為濾波及放大模塊7供電。並且，在本發明的一個實施例中，集成運放供電模塊9為濾波及放大模塊7提供±9V雙電源。具體地，在本發明的一個具體示例中，集成運放供電模塊9為單電源轉換為雙電源電路，採用功放集成晶片接成電壓跟隨器，為濾波及放大模塊7提供±9V雙電源供電。具體而言，上述的用於ICP加速度傳感器的信號調理裝置的工作過程及原理為:將ICP加速度傳感器固定在待測設備上，另一端通過電纜連接至傳感器接口模塊5的BNC連接器上，第一電源模塊2上安裝電池或將第二電源模塊3接通220V電源後，撥動轉換開關I切換至電池供電或220V電源供電，為電路提供18-28V間直流電源，此時恆流源模塊4輸出2-20mA恆定電流，流經限流保護模塊10至ICP加速度傳感器，ICP加速度傳感器輸出的信號中含有8-12V直流偏壓及交流電壓信號，信號流經交流耦合模塊6後，8-12V直流偏置電壓被隔離，只剩下需要的交流電壓信號，交流電壓信號經過濾波及放大模塊7進行信號低通濾波和放大處理後，經信號輸出模塊8輸出給數據採集儀器轉換後為數位訊號，再由電腦進行處理和顯示。集成運放供電模塊9為濾波及放大模塊7提供±9V雙電源。根據本發明實施例提出的用於ICP加速度傳感器的信號調理裝置，可以根據需要設定濾波及放大模塊的幅頻相頻參數，保證一定頻率範圍內的信號通過該信號調理裝置濾波後相位變化絕對值小於0.2度，從而在轉子動平衡中降低由於相移引起的平衡誤差，提高了動平衡精度。此外，本發明可以根據實際需要選擇由電池供電或220V電源供電，滿足用戶不同用途需求。另外，本發明實施例的用於ICP加速度傳感器的信號調理裝置失調電壓〈lmV，等效輸入噪聲〈100 μ Vrms,並且具有限流保護電路，安全可靠。在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。儘管已經示出和描述了本發明的實施例，對於本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的範圍由所附權利要求及其等同限定。
權利要求
1.一種用於ICP加速度傳感器的信號調理裝置，其特徵在於，包括: 轉換開關； 分別為所述信號調理裝置供電的第一電源模塊和第二電源模塊，所述第一電源模塊和所述第二電源模塊分別與轉換開關相連； 用於輸出恆定電流的恆流源模塊，所述恆流源模塊與所述轉換開關相連，在所述轉換開關的控制下與所述第一電源模塊或所述第二電源模塊接通； 將所述ICP加速度傳感器接入所述信號調理裝置的傳感器接口模塊，所述傳感器接口模塊與所述ICP加速度傳感器相連，所述ICP加速度傳感器在工作時根據所述恆定電流輸出檢測信號； 將所述ICP加速度傳感器輸出的所述檢測信號進行隔離過濾以生成交流電壓信號的交流耦合模塊，所述交流耦合模塊與所述傳感器接口模塊相連； 將所述交流電壓信號進行低通濾波和放大處理的濾波及放大模塊，所述濾波及放大模塊與所述交流耦合模塊相連； 用於將低通濾波和放大處理過的交流電壓信號進行輸出的信號輸出模塊，所述信號輸出模塊與所述濾波及放大模塊相連；以及 為所述濾波及放大模塊供電的集成運放供電模塊，所述集成運放供電模塊與所述濾波及放大模塊相連。
2.如權利要求1所述的用於ICP加速度傳感器的信號調理裝置，其特徵在於，所述第一電源模塊通過電池進行供電，所述第二電源模塊通過交流市電進行供電。
3.如權利要求1所述的用於ICP加速度傳感器的信號調理裝置，其特徵在於，所述傳感器接口模塊包括BNC連接器，所述BNC連接器與所述ICP加速度傳感器相連。
4.如權利要求1所述的用於ICP加速度傳感器的信號調理裝置，其特徵在於，所述交流耦合模塊為一階無源高通濾波電路，所述一階無源高通濾波電路的截止頻率的配置範圍為0.6_1.2Hz o
5.如權利要求1所述的用於ICP加速度傳感器的信號調理裝置，其特徵在於，所述濾波及放大模塊為四階Butterworth Sallen-Key有源低通濾波放大電路,根據需要設定所述濾波及放大模塊的放大倍數、截止頻率和幅頻相頻參數。
6.如權利要求5所述的用於ICP加速度傳感器的信號調理裝置，其特徵在於，所述四階Butterworth Sallen-Key有源低通濾波放大電路的截止頻率範圍為5_30kHz。
7.如權利要求1所述的用於ICP加速度傳感器的信號調理裝置，其特徵在於，還包括: 限流保護模塊，所述限流保護模塊連接在所述恆流源模塊和所述傳感器接口模塊之間，在流過所述限流保護模塊的電流超過預設電流時，所述限流保護模塊自動斷開，其中，所述預設電流為20mA。
8.如權利要求7所述的用於ICP加速度傳感器的信號調理裝置，其特徵在於，所述恆流源模塊輸出恆定電流的範圍為2-20mA。
9.如權利要求1所述的用於ICP加速度傳感器的信號調理裝置，其特徵在於，所述集成運放供電模塊為所述濾波及放大模塊提供±9V雙電源。
10.如權利要求2所述的用於ICP加速度傳感器的信號調理裝置，其特徵在於，所述第一電源模塊和所述第二電源模塊輸出的電壓範圍為18-28V。
全文摘要
本發明提出一種用於ICP加速度傳感器的信號調理裝置，包括轉換開關；第一電源模塊和第二電源模塊，分別與轉換開關相連；恆流源模塊，與轉換開關相連，在轉換開關的控制下與第一電源模塊或第二電源模塊接通；傳感器接口模塊，與ICP加速度傳感器相連，ICP加速度傳感器在工作時根據恆定電流輸出檢測信號；交流耦合模塊，與傳感器接口模塊相連；濾波及放大模塊，與交流耦合模塊相連；信號輸出模塊，與濾波及放大模塊相連；以及集成運放供電模塊，與濾波及放大模塊相連。本發明能夠使一定頻率範圍內的信號經過濾波後相位變化甚微，從而在轉子動平衡中降低由於相移引起的平衡誤差，提高了動平衡精度。
文檔編號G01P15/09GK103197100SQ20131010297
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月27日 優先權日2013年3月27日
發明者世家偉, 高聯歡, 董家磊, 杜亞, 付英, 侯豐, 李長平, 柴衛國, 劉平元 申請人:雲南馳宏鋅鍺股份有限公司