一种两线制电流输出型压电式速度传感器的制作方法

1.本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种两线制电流输出型压电式速度传感器。


背景技术：

2.振动速度传感器一般用于测量诸如汽轮机、循环水泵、压缩机等大型旋转设备的轴承座、机壳或结构振动，间接监测轴承在旋转过程中的绝对振动量，用以反映轴承振动是否处于安全范围。目前测试大型旋转设备的振动，主要有磁电式振动速度传感器和压电式振动速度传感器。其中，磁电式振动速度传感器，利用磁电感应原理把振动信号变换成正比例于振动速度值的电压信号。磁电式振动速度传感器由于核心部件采用线圈及磁钢等活动部件，长期使用易部件老化，测量误差大，寿命短及频响范围小等缺点。
3.压电式振动速度传感器是基于压电陶瓷的压电效应原理的传感器。压电陶瓷在受到外部物理力学作用后，由于压电效应，会产生电荷信号，后端经过电荷放大电路转换成对应加速度的电压信号，转换为对应的加速度电压信号后，有两种方式可以转换成速度信号：一是通过软件积分的方式，转换成速度信号输出；二是经过硬件积分转换成对应的速度电压输出。
4.压电式振动传感器的优点在于：灵敏度可以做的比较高、频响宽、温度宽、可靠性高、能适应严苛的工作环境、成本低等。但是，而压电式振动速度传感器，如采用软件积分，则所产生的误差较大，数据采集无法精准，且使用采集器的软件积分方式成本较高。其次，压电式振动速度传感器，如为电压输出，则容易受线缆长度的影响和电磁干扰。


技术实现要素：

5.为了解决上述现有技术中存在的技术问题,本发明的主要目的在于提供一种两线制电流输出型压电式速度传感器，通过两线制标准4-20ma电流输出压电式振动速度传感器的信号处理电路设计，减少线束数量，不需再对信号进行额外的调理，有效减小因器件带来的测量误差，防止因信号过大造成后端电路过载或损坏。
6.为实现上述目的，本发明实施例提供了如下的技术方案：
7.第一方面，本发明提供了一种两线制电流输出型压电式速度传感器，包括电荷转电压电路、带通滤波电路、交流放大电路、积分转换电路、有效值转换电路、限幅处理电路、低通滤波电路、v-i转换电路、浪涌保护及防反接电路；
8.所述电荷转电压电路用于将输入的电荷信号qi转换为对应的电压v1；
9.所述积分转换电路用于将振动加速度信号转换成速度信号，所述积分转换电路与所述电荷转电压电路之间还设有用于抑制低频信号的带通滤波电路和交流放大电路；所述积分转换电路生成对应速度电压信号的电压v4；
10.所述积分转换电路进行积分后的速度电压信号为实时信号，所述积分转换电路连接有效值转换电路，所述有效值转换电路用于将电压v4转换成有效值输出电压v5，所述有
效值转换电路连接限幅处理电路，所述限幅处理电路用于对有效值输出电压v5限幅处理生成限幅后的电压v6；所述限幅处理电路连接低通滤波电路，所述低通滤波电路用于滤除电压v6中的纹波，得到电压v7；
11.所述低通滤波电路连接v-i转换电路，所述v-i转换电路用于将电压v7转换成电流i1，在供电/信号输出接口处设有与所述v-i转换电路连接的浪涌保护及防反接电路，用于浪涌保护及防反接保护，输出4-20ma电流环。
12.作为本发明的进一步方案，所述电荷信号qi为敏感芯体压电陶瓷受振动后产生与加速度成比例的电荷信号。
13.作为本发明的进一步方案，所述两线制电流输出型压电式速度传感器的输出为两线制的标准4-20ma电流环，供电和电流输出均在两根线缆上。
14.作为本发明的进一步方案，所述标准4-20ma电流环在输出时，速度为0mm/s时，输出4ma；速度为设定的最大值时，输出20ma。
15.作为本发明的进一步方案，所述电荷转电压电路包括：敏感芯体j1、电容c7、电阻r7、反馈电容cf1、运算放大器u1a，所述敏感芯体j1的连接点1接地，所述敏感芯体j1的连接点2连接电容c7，电容c7与运算放大器u1a的反相输入2连接，所述运算放大器u1a的同相输入3连接直流输出电压vb，运算放大器u1a的输出1为电荷转电压输出值v1；
16.所述电容c7还与相互并联的反馈电容cf1以及电阻r7连接。
17.作为本发明的进一步方案，所述电荷转电压电路的信号灵敏度由电容c7及反馈电容cf1决定，当c7容值大于10倍的cf1容值时，由cf1决定，v1
(ac)
≈q/cf1,其中v1
(ac)
为电荷转电压输出值，q为电荷变化量。
18.作为本发明的进一步方案，所述电荷转电压电路的低频下限截止频率：f
l1
＝1/(2*pi*r7*cf1)，其中，f
l1
为低频下限截止频率，pi为圆周率，r7为电阻r7的电阻值，cf1为反馈电容cf1的电容值。
19.作为本发明的进一步方案，所述带通滤波电路包括电阻r4、电阻r1、电容c1、电容c4、运算放大器u2a、电容c10、电容c11、电阻r9、运算放大器u2b以及电容r9；所述带通滤波电路与积分转换电路之间设有隔直电路，所述隔直电路包括电容c6，所述积分转换电路包括电阻r5、电阻r8、电容c12以及运算放大器u1b；所述积分转换电路的同相输入连接交流放大电路，所述交流放大电路包括电阻r2、电容r5、电阻r3以及电容c3；
20.所述电阻r5、电阻r8、电容c12以及运算放大器u1b组成的积分转换电路用于将加速度信号转换成速度信号，速度与加速度的比值与频率成反比；
21.在加速度信号积分处理前通过带通滤波电路与隔直电路进行带通滤波及隔直处理，带通滤波电路用于将待积分的信号频带限定在设定的频率范围内，频带外的信号进行衰减，隔直电路用于通交流隔直流，抑制由于运算放大器的失调电压等原因引起的零点漂移。
22.作为本发明的进一步方案，所述隔直电路的电容c6取值在产品的频率下限允许范围内，所述积分转换电路中的电容c12为c0g低温漂电容。
23.作为本发明的进一步方案，所述有效值转换电路包括有效值转换芯片u3，所述有效值转换芯片u3连接所述积分转换电路，用于将积分转换电路后的速度电压信号v4的交流部分经u3后转换成直流有效值u5输出。
24.作为本发明的进一步方案，所述限幅处理电路包括电阻r14、电阻r15、电阻r11、电阻r17、电容c14、运算放大器u4a以及二极管d1，所述限幅处理电路限值的电压为vcc经电阻r15和电阻r17分压后的电压，限值的电压vref＝vcc(r17/(r15 r17))；
25.当v5≤vref时，运算放大器u4a的同相输入大于反相输入，则输出将为高电平vcc，二极管d1此时因单向导电性而截止，v6＝v5；
26.当v5＞vref时，运算放大器u4a的反相输入大于同相输入，则输出将为低电平，二极管d1导通，此时形成了负反馈，v6＝vref；
27.作为本发明的进一步方案，所述低通滤波电路包括运算放大器u4b、电容c13、电容c15、电阻r13、电容c16、以及电阻r10，所述电阻r10连接有效值转换芯片u3以及所述限幅处理电路的运算放大器u4a输出端，所述运算放大器u4b的输出端连接v-i转换电路。
28.作为本发明的进一步方案，所述v-i转换电路包括两线电流环路供电变送器u5，所述两线电流环路供电变送器u5经过l 电压供电，pin8产生参考电压vcc，用于供给其他电路部分供电，所述两线电流环路供电变送器u5连接供电电压负极l-，所述供电电压负极l-为电流输出io的回路；
29.所述两线电流环路供电变送器u5与所述供电电压负极l-之间连接电阻r18，所述电阻r18用于将io的电流经过r18后转换成电压给后端采集。
30.作为本发明的进一步方案，所述两线电流环路供电变送器u5连接电阻r12和电阻r16，所述电阻r12上电流输出i1、电阻r16上上电流输出i2以及电流输出io的关系为：io＝n*(i1 i2)；
31.式中，n为放大倍数，两线电流环路供电变送器u5采用xtr117，xtr117为100倍；
32.其中，i1＝vcc/r12，i2＝v7/r16；
33.i1为对应的0mm/s时的电流，也即n*i1＝4ma；
34.i2为振动速度对应的电流，也即n*i2＝(0-16)ma；
35.因此，io＝n*(i1 i2)＝4ma (0-16)ma＝(4-20)ma。
36.作为本发明的进一步方案，所述浪涌保护及防反接电路包括二极管d2和tvs管cr1，所述二极管d2用于防反接，tvs管cr1用于防浪涌。
37.相对于现有技术而言，本发明具有以下有益效果：
38.本发明提供一种两线制电流输出型压电式速度传感器，敏感元件采用压电陶瓷，将压电陶瓷感应到的振动加速度信号经过电荷转电压电路转换成成比例的电压信号。代表加速度信号的电压经过带通滤波、交流放大电路后进行积分转换成对应的速度电压信号。速度电压信号经有效值转换、限幅、低通滤波处理后转换为对应的直流有效值电压信号，并经v-i转换电路转换成对应的电流输出。速度为0mm/s时，输出4ma；速度为设定的最大值时，输出20ma。
39.本发明具备以下优点：
40.(1)采用两线制电流输出，即供电电压和输出电流信号仅使用两根线，减少线束数量；
41.(2)标准的4-20ma电流环输出，为常见的模拟信号，后端不需再对信号进行额外的调理；
42.(3)电流输出，不易受线缆长度影响和具有很好的抗电磁干扰能力；
43.(4)本发明通过合理的信号链路设计，可有效减小因器件带来的测量误差；
44.(5)本发明具有限幅电路设计，防止因信号过大造成后端电路过载或损坏。
45.本发明的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。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和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
46.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。在附图中：
47.图1为本发明实施例中一种两线制电流输出型压电式速度传感器的电路框图；
48.图2为本发明实施例中一种两线制电流输出型压电式速度传感器的电路图；
49.图3为图2示出的一种两线制电流输出型压电式速度传感器中第一部分电荷转电压电路的电路图；
50.图4为图2示出的一种两线制电流输出型压电式速度传感器中第二部分带通滤波、隔直、积分转换电路部分的电路图；
51.图5为图2示出的一种两线制电流输出型压电式速度传感器中第三部分有效值转换电路的电路图；
52.图6为图2示出的一种两线制电流输出型压电式速度传感器中第四部分限幅电路的电路图；
53.图7为图2示出的一种两线制电流输出型压电式速度传感器中第五部分低通滤波电路的电路图；
54.图8为图2示出的一种两线制电流输出型压电式速度传感器中第六部分v-i转换电路及保护电路的电路图。
55.本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
56.本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
57.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。
58.在本发明的描述中，对方法步骤的连续标号是为了方便审查和理解，结合本发明的整体技术方案以及各个步骤之间的逻辑关系，调整步骤之间的实施顺序并不会影响本发明技术方案所达到的技术效果。
59.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
60.由于磁电式振动速度传感器由于核心部件采用线圈及磁钢等活动部件，长期使用易部件老化，测量误差大，寿命短及频响范围小等缺点；而压电式振动速度传感器，如采用软件积分，则所产生的误差较大，数据采集无法精准，且使用采集器的软件积分方式成本较
高，其次，压电式振动速度传感器，如为电压输出，则容易受线缆长度的影响和电磁干扰。
61.因此，本发明提供了一种两线制电流输出型压电式速度传感器，通过两线制标准4-20ma电流输出压电式振动速度传感器的信号处理电路设计，减少线束数量，不需再对信号进行额外的调理，有效减小因器件带来的测量误差，防止因信号过大造成后端电路过载或损坏。
62.参见图1所示，本发明的一个实施例提供了一种两线制电流输出型压电式速度传感器，包括电荷转电压电路、带通滤波电路、交流放大电路、积分转换电路、有效值转换电路、限幅处理电路、低通滤波电路、v-i转换电路、浪涌保护及防反接电路。
63.参见图1所示，所述电荷转电压电路用于将输入的电荷信号qi转换为对应的电压v1，其中，敏感芯体压电陶瓷受振动后产生与加速度成比例的电荷信号qi。
64.参见图1所示，所述积分转换电路用于将振动加速度信号转换成速度信号，所述积分转换电路与所述电荷转电压电路之间还设有用于抑制低频信号的带通滤波电路和交流放大电路；所述积分转换电路生成对应速度电压信号的电压v4。
65.因此，振动加速度信号转换成速度信号需要经过积分转换电路，积分转换电路对带外的信号尤其是低频信号非常敏感，因此在积分前需要经过合理的信号处理，包括带通滤波电路和交流放大电路，带通滤波电路将电压v1转化为电压v2,交流放大电路将电压v2转化为电压v3，以减少积分误差。积分转换电路将电压v3转化后的电压即为对应速度的电压v4。
66.在本实施例中，所述积分转换电路进行积分后的速度电压信号为实时信号，所述积分转换电路连接有效值转换电路，所述有效值转换电路用于将电压v4转换成有效值输出电压v5。
67.为防止信号过大而影响后端设备，对电压v5进行限幅处理，所述有效值转换电路连接限幅处理电路，所述限幅处理电路用于对有效值输出电压v5限幅处理生成限幅后的电压v6。
68.有效值转换后的电压具有一定的纹波，需经过低通滤波电路予以滤除，所述限幅处理电路连接低通滤波电路，所述低通滤波电路用于滤除电压v6中的纹波，得到电压v7。
69.因为最终的输出为标准的4-20ma电流环，所述低通滤波电路连接v-i转换电路，所述v-i转换电路用于将电压v7转换成电流i1，v-i转换电路可采用专门的转换器件和外围电路予以实现。
70.在本发明的实施例中，所述两线制电流输出型压电式速度传感器的输出为两线制的标准4-20ma电流环，供电和电流输出均在两根线缆上。
71.因此，在供电/信号输出接口处设有与所述v-i转换电路连接的浪涌保护及防反接电路，用于浪涌保护及防反接保护，输出4-20ma电流环。
72.在本发明的实施例中，所述标准4-20ma电流环在输出时，速度为0mm/s时，输出4ma；速度为设定的最大值时，输出20ma。
73.本发明提供一种两线制电流输出型压电式速度传感器，敏感元件采用压电陶瓷，将压电陶瓷感应到的振动加速度信号经过电荷转电压电路转换成成比例的电压信号。代表加速度信号的电压经过带通滤波、交流放大电路后进行积分转换成对应的速度电压信号。速度电压信号经有效值转换、限幅、低通滤波处理后转换为对应的直流有效值电压信号，并
经v-i转换电路转换成对应的电流输出。速度为0mm/s时，输出4ma；速度为设定的最大值时，输出20ma。
74.在本发明的实施例中，参见图2所示，图2为本发明实施例中一种两线制电流输出型压电式速度传感器的总体电路图，在图2中两线制电流输出型压电式速度传感器的电路共分为六个部分。
75.其中，参见图2和图3所示，第一部分为电荷转电压电路。所述电荷转电压电路包括：敏感芯体j1、电容c7、电阻r7、反馈电容cf1、运算放大器u1a，所述敏感芯体j1的连接点1接地，所述敏感芯体j1的连接点2连接电容c7，电容c7与运算放大器u1a的反相输入2连接，所述运算放大器u1a的同相输入3连接直流输出电压vb，运算放大器u1a的输出1为电荷转电压输出值v1；所述电容c7还与相互并联的反馈电容cf1以及电阻r7连接。
76.由于电荷转电压电路的信号灵敏度由电容c7及反馈电容cf1决定，当c7容值大于10倍的cf1容值时，基本上由cf1决定，v1
(ac)
≈q/cf1,其中v1
(ac)
为电荷转电压输出值，q为电荷变化量，通过合理设置cf1，确保使得该部分增益在大信号输入的情况下，该部分输出不饱和失真。
77.在本发明的实施例中，所述电荷转电压电路的直流输出电压即为vb，所述电荷转电压电路的低频下限截止频率：f
l1
＝1/(2*pi*r7*cf1)，其中，f
l1
为低频下限截止频率，pi为圆周率，r7为电阻r7的电阻值，cf1为反馈电容cf1的电容值。
78.参见图2和图4所示，第二部分包含了带通滤波、隔直、积分电路部分。在本发明的实施例中，所述带通滤波电路包括电阻r4、电阻r1、电容c1、电容c4、运算放大器u2a、电容c10、电容c11、电阻r9、运算放大器u2b以及电容r9；所述带通滤波电路与积分转换电路之间设有隔直电路，所述隔直电路包括电容c6，所述积分转换电路包括电阻r5、电阻r8、电容c12以及运算放大器u1b；所述积分转换电路的同相输入连接交流放大电路，所述交流放大电路包括电阻r2、电容r5、电阻r3以及电容c3。
79.加速度信号转换成速度信号需要经过由u1b、c12、r8、r5组成的积分电路，因此，所述电阻r5、电阻r8、电容c12以及运算放大器u1b组成的积分转换电路用于将加速度信号转换成速度信号，速度与加速度的比值与频率成反比。
80.为最大程度减少积分运算带来的误差，在积分前需要将加速度信号进行带通滤波及隔直处理。在加速度信号积分处理前通过带通滤波电路与隔直电路进行带通滤波及隔直处理，带通滤波电路的作用是将待积分的信号频带限定在设定的频率范围内，频带外的信号进行衰减，如图中u2a和u2b部分电路。隔直电路的作用是通交流隔直流，抑制由于运算放大器的失调电压等原因引起的零点漂移。
81.由于运算放大器具有一定的失调电压，会引起信号偏置电压漂移，而积分电路对低频信号非常敏感，通过隔直处理，将最大程度抑制由于运算放大器的失调电压等原因引起的零点漂移。在本发明的一些实施例中，隔直处理通过电容c6实现，所述隔直电路的电容c6取值在产品的频率下限允许范围内，所述积分转换电路中的电容c12为c0g低温漂电容，以实现全温范围的灵敏度稳定性。该部分通过带通滤波、隔直、积分的信号处理链路，能够最大程度的减小积分误差。
82.参见图2和图5所示，第三部分为有效值转换电路。在本发明的实施例中，所述有效值转换电路包括有效值转换芯片u3，所述有效值转换芯片u3连接所述积分转换电路，用于
将积分转换电路后的速度电压信号v4的交流部分经有效值转换芯片u3后转换成直流有效值u5输出。
83.第三部分的有效值转换电路采用专用的有效值转换芯片u3，例如ltc1966。该部分电路作用是将积分电路后的速度电压信号v4的交流部分经有效值转换芯片u3后转换成直流有效值u5输出。因为v4是实时的速度电压信号，假如该信号为正弦波，交流峰值vp，则经过有效值转换芯片u3转换后电压为0.707*vp。
84.参见图2和图6所示，第四部分为限幅电路。因为电路的最终输出期望是4-20ma电流，当信号超出该范围时，将产生大于20ma的电流，比如30ma，此时有可能造成因电流过大而影响电路功耗甚至后端电路器件。因此需要对有效值输出电压进行一定的限幅处理。
85.在本发明的实施例中，所述限幅处理电路包括电阻r14、电阻r15、电阻r11、电阻r17、电容c14、运算放大器u4a以及二极管d1，所述限幅处理电路限值的电压为vcc经电阻r15和电阻r17分压后的电压，限值的电压vref＝vcc(r17/(r15 r17))；
86.当v5≤vref时，运算放大器u4a的同相输入大于反相输入，则输出将为高电平vcc，二极管d1此时因单向导电性而截止，v6＝v5；
87.当v5＞vref时，运算放大器u4a的反相输入大于同相输入，则输出将为低电平，二极管d1导通，此时形成了负反馈，运算放大器u4a的两个输入端维持“虚短”，v6＝vref。
88.因此，无论何种情况，v6≤vref，起到限幅作用。v6通过后端的电路转换为电流输出，限制了v6，也即限制了电流最大输出。
89.参见图2和图7所示，第五部分为低通滤波电路。因经有效值转换芯片u3有效值转换后的电压，具有一定的高频纹波，所以需要经过低通滤波予以滤波。在本发明的实施例中，所述低通滤波电路包括运算放大器u4b、电容c13、电容c15、电阻r13、电容c16、以及电阻r10，所述电阻r10连接有效值转换芯片u3以及所述限幅处理电路的运算放大器u4a输出端，所述运算放大器u4b的输出端连接v-i转换电路。
90.参见图2和图8所示，第六部分为v-i转换电路、浪涌保护及防反接电路。在本发明的实施例中，所述v-i转换电路包括两线电流环路供电变送器u5，所述两线电流环路供电变送器u5经过l 电压供电，pin8产生参考电压vcc，用于供给其他电路部分供电，所述两线电流环路供电变送器u5连接供电电压负极l-，所述供电电压负极l-为电流输出io的回路。
91.所述两线电流环路供电变送器u5与所述供电电压负极l-之间连接电阻r18，所述电阻r18用于将io的电流经过r18后转换成电压给后端采集。
92.在本发明的实施例中，所述两线电流环路供电变送器u5连接电阻r12和电阻r16，所述电阻r12上电流输出i1、电阻r16上上电流输出i2以及电流输出io的关系为：io＝n*(i1 i2)；式中，n为放大倍数，两线电流环路供电变送器u5采用xtr117，xtr117为100倍。
93.其中，i1＝vcc/r12，i2＝v7/r16。一般地，i1为对应的0mm/s时的电流，也即n*i1＝4ma；i2为振动速度对应的电流，也即n*i2＝(0-16)ma。最终，io＝n*(i1 i2)＝4ma (0-16)ma＝(4-20)ma。
94.在本发明的实施例中，参见图8所示，所述浪涌保护及防反接电路包括二极管d2和tvs管cr1，所述二极管d2用于防反接，tvs管cr1用于防浪涌，由于其他部分电路电源均来自vcc，因而其余部分电流的耗电流应小于4ma。
95.本发明提供一种两线制电流输出型压电式速度传感器，采用两线制电流输出，即
供电电压和输出电流信号仅使用两根线，减少线束数量；标准的4-20ma电流环输出，为常见的模拟信号，后端不需再对信号进行额外的调理；电流输出，不易受线缆长度影响和具有很好的抗电磁干扰能力；合理的信号链路设计，可有效减小因器件带来的测量误差；具有限幅电路设计，防止因信号过大造成后端电路过载或损坏。
96.综上所述，本发明的一种两线制电流输出型压电式速度传感器，通过两线制标准4-20ma电流输出压电式振动速度传感器的信号处理电路设计，减少线束数量，不需再对信号进行额外的调理，有效减小因器件带来的测量误差，防止因信号过大造成后端电路过载或损坏。
97.以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。