一种振动信号调理和数据转换器的制作方法

本发明属于电气自动化技术领域，具体涉及一种应用在风力发电机上的振动信号调理和数据转换器。

背景技术：

风电机组的主要部件造价昂贵而且更换非常困难，如果合理采用状态监测和故障预警的技术，通过实时状态检测和智能故障预警技术可以有效地发现事故隐患并实现快速准确的系统维护,保障机组安全运行，做到防范于未然，必能大大地降低风机的故障率，有效地减少维修费用，必能提高风电的竞争能力，推动风能行业的跨越式发展。

风电机组轴系的振动监测是风电机组状态监测一个重要的部分，获取真实有效的振动数据是这一切的前提。振动信号可由振动加速度、振动速度和振动位移三种方式来表示。振动位移具体地反映了振动幅度的大小，振动速度反映了能量的大小，振动加速度反映了冲击力的大小。也可以认为，在低频范围内，振动强度与位移成正比；在中频范围内，振动强度与速度成正比；在高频范围内，振动强度与加速度成正比。正是由于上述原因，在工厂的实际应用中，在通常情况下，大机组转子的振动用振动位移的峰值表示，用装在轴承上的非接触式电涡流位移传感器来测量转子轴颈的振动；大机组轴承箱及缸体、中小型机泵的振动用振动速度的有效值表示，用装在机器壳体上的磁电式速度传感器或压电式加速度传感器来测量；齿轮的振动用振动加速度的单峰值表示，用加速度传感器来测量。

但是现有的技术还没有一个可以对不同类型的振动信号进行统一检测、获取、监控和调理的技术方案，无法切实的做到防范于未然，所以，需要一个新的技术方案来解决这个问题。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，满足风电机组轴系振动信号处理需求，提供一种能够实现加速度信号、速度信号和位移信号的转换，满足风电机组不同监测点的测试需求的振动信号调理和数据转换器。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种振动信号调理和数据转换器，包括加速度振动传感器、振动检测电路模块和数字电路模块，所述振动检测电路模块包括依次连接的恒流源电路、输入放大器、程控放大器、输出放大器、积分器、模拟开关、抗混叠滤波器和adc模数转换器，所述加速度振动传感器分别连接着恒流源电路和输入放大器，所述数字电路模块分别连接着程控放大器、模拟开关、抗混叠滤波器和adc模数转换器。

本发明的设计原理为：通过振动检测电路模块和数字电路模块的设置，振动检测电路模块能够接收到加速度振动传感器传来的振动信号，并且能够对振动信号的表达方式进行对应的转换并且通过数字电路模块进行数字化呈现。

所述恒流源电路用于为加速度振动传感器提供驱动电流；所述adc模数转换器和抗混叠滤波器的输出端连接，实现模数转换。

进一步地，所述积分器包括三个输出端分别为振动加速度信号输出端、振动速度信号输出端和振动位移信号输出端，所述模拟开关为三选一模拟开关具有三个输入通道，分别与所述积分器的三个输出端匹配连接，这样通过积分器和三选一模拟开关的配合，实现了振动加速度信号、振动速度信号和振动位移信号的转换，使得加速度振动传感器能够灵活的满足振动信号的三种表达方式，解决了之前在电机组轴系上不同的监测点必须配置对应类型的振动传感器的问题。

进一步地，所述恒流源电路和加速度振动传感器通过电容c连接着输入放大器，电容c的设置用于隔离加速度传感器信号中的静态直流偏置电压。

进一步地，所述加速度振动传感器为压电式加速度振动传感器，压电式加速度传感器因为具有测量频率范围宽、量程大、体积小、重量轻、对被测件的影响小以及安装使用方便等优点，所以成为风电机组轴系振动监测首选的传感器类型。

所述数字电路模块通过3位控制线连接着程控放大器，实现对于程控放大器的增益调节，可针对不同灵敏度和量程的振动加速度传感器进行增益的控制；

所述数字电路模块通过2位控制线连接着模拟开关，实现对于模拟开关的控制；

所述数字电路模块连接着抗混叠滤波器，通过pwm信号实现对于抗混叠滤波器的截止频率控制；

所述数字电路模块通过spi总线连接着adc模数转换器，实现数据读取。

有益效果：本发明与现有技术相比，具备如下优点：

1、能够对振动信号进行高精度检测并且进行数字化呈现，有效的获取振动信号，实现了对于振动加速度信号、振动速度信号和振动位移信号的灵活转换，能够根据不同监测点的振动信号表达方式需求进行对应的转换，从而满足了风电机组轴系的振动监测要求，为整个风电机组状态监测提供了数据支撑，为风电机组状态监测打好了坚实的基础，可以有效地发现事故隐患并实现快速准确的进行系统维护，保障机组安全运行，大大降低了风机的故障率，有效地减少了维修费用；

2、通过加速度振动传感器便能统一完成对于风电机组轴系的不同监测点的振动信号检测，无需配置多种不同类型的振动传感器，从而提升了应用广泛度，迎合了使用者的使用需求，具备了良好的市场前景。

附图说明

图1为本发明的结构连接框架示意图；

图2为恒流源电路的电路连接示意图；

图3为1重积分电路图；

图4为2重积分电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供一种振动信号调理和数据转换器，包括iepe内置电荷放大器的压电式加速度传感器1、振动检测电路模块2和数字电路模块3，振动检测电路模块2包括依次连接的恒流源电路4、输入放大器5、程控放大器6、输出放大器7、积分器8、模拟开关9、抗混叠滤波器10和adc模数转换器11，数字电路模块3通过3位控制线连接着程控放大器6，数字电路模块3通过2位控制线连接着模拟开关9，数字电路模块3连接着抗混叠滤波器10，通过pwm信号实现对于抗混叠滤波器10的截止频率控制，数字电路模块3通过spi总线连接着adc模数转换器11，实现数据读取。

积分器8包括三个输出端分别为振动加速度信号输出端v6、振动速度信号输出端v5和振动位移信号输出端v4，模拟开关9为三选一模拟开关具有三个输入通道，分别与积分器8的三个输出端匹配连接，这样通过积分器8和模拟开关9的配合，实现了振动加速度信号、振动速度信号和振动位移信号的转换，使得压电式加速度传感器1能够灵活的满足振动信号的三种表达方式。

积分器8将信号做三种处理，第一种是直接缓冲输出加速度信号，第二种是将加速度信号通过1重积分电路81转换为速度信号输出，第三种是将加速度信号通过2重积分电路82转换为位移信号输出。如图3所示，1重积分电路81包括r7～r10、c3、c4和一个opa2180id，加速度信号通过1重积分电路81转换为速度信号输出；如图4所示，2重积分电路82其实就是两个1重积分电路的组合，其包括r11～r18、c5～c8和两个opa2180id，加速度信号首先通过一个1重积分电路转换为速度信号，然后速度信号再通过另外一个1重积分电路转换为位移信号最终输出。

恒流源电路4用于为压电式加速度传感器1提供4ma恒定驱动电流；adc模数转换器11和抗混叠滤波器10的输出端v8连接，实现模数转换；恒流源电路4和压电式加速度传感器1通过电容c12连接着输入放大器5，电容c12的设置用于隔离压电式加速度传感器1信号中的静态直流偏置电。

本实施例中振动信号调理和数据转换器的使用和运作流程为：

1、将三个压电式加速度传感器1分别安装于风电机组的主轴承、齿轮箱轴承和发电机轴承上；

2、恒流源电路4为压电式加速度传感器1提供4ma驱动电流，三个压电式加速度传感器1分别探测到主轴承、齿轮箱轴承和发电机轴承处与振动加速度一致的电压信号；

3、压电式加速度传感器1产生的电压信号通过输入放大器5，电压信号中的静态直流偏置电压被隔离，只保留了与振动加速度相关的交流成分；

4、程控放大器6将电压信号进行放大，其放大增益可根据监测的需求通过数字电路模块3设置，输出放大器7将放大后的信号进行缓冲后，将信号分为三路，进入积分器8进行积分处理，积分器8将信号做三种处理，第一种是直接缓冲输出加速度信号，第二种是将加速度信号通过1重积分电路81转换为速度信号输出，第三种是将加速度信号通过2重积分电路82转换为位移信号输出，本实施例中位于风电机组的主轴承、齿轮箱轴承和发电机轴承上的三个压电式加速度传感器1分别通过数字电路模块3控制模拟开关9选择第三种、第一种和第二种；

5、步骤4输出的信号通过抗混叠滤波器10进行抗混叠滤波处理，抗混叠滤波器10的截止频率为adc模数转换器11采样频率的1/2.56，adc模数转换器11与抗混叠滤波器10的输出端v8连接，实现模数转换，其中数字电路模块3通过pwm信号实现对于抗混叠滤波器10的截止频率控制；

6、最终数字电路模块3通过spi总线读取到三种信号数据，工作人员能够获取到三个压电式加速度传感器1分别所需要的有效振动信号数据，为整个风电机组状态监测提供了数据支撑。

实施例2：

恒流源电路4用于为压电式加速度传感器1提供恒定驱动电流，由于恒定驱动电流容易受到温度系数的影响，且压电式加速度传感器1的信号线上会产生静态直流偏置电压，由于该电压不属于有效的振动信号，所以会影响压电式加速度传感器1的振动信号的测量精度。

为了能够保证恒定驱动电流的稳定性和压电式加速度传感器1的测量高精度，如图2所示，恒流源电路4包括温度补偿电路和偏置隔离电路两部分。

温度补偿电路包括电阻r1、电阻r2、二极管d1、二极管d2和恒流源芯片q1，恒流源芯片q1设置有八个连接端，其有效的连接端分别为adj连接端、v+连接端和v-连接端，其余五个连接端为nc(空置)连接端，adj连接端分别连接着电阻r1和电阻r2的第一端，v-连接端分别连接着电阻r1的第二端、二极管d1的阳极和二极管d2的阳极，电阻r2的第二端、二极管d1的阴极和二极管d2的阴极彼此相连，v+连接端分别连接着电感l1的第二端、电容c1的第一端和电容c2的第一端，电感l1的第一端用于连接直流电源，电容c1的第二端和电容c2的第二端接地，二极管d1的阴极为压电式加速度传感器1的连接端口；

偏置隔离电路包括电容c19、电阻r4、电阻r5、电阻r6和运算放大器u1，运算放大器u1具备三个端口，运算放大器u1的第一端口连接着电阻r5的第二端，运算放大器u1的第二端口分别连接着电阻r5的第一端和电阻r4的第二端，运算放大器u1的第三端口通过电阻r6接地，电阻r4的第一端连接着电容c19的负端，电容c19的正端连接着压电式加速度传感器1的连接端口，压电式加速度传感器1的连接端口通过电阻r3接地。

如图2所示，恒流源芯片q1的adj端与v-端之间的电压呈现一个与绝对温度之间成线性关系，所以该芯片具有正温度系数，温度系数大约为0.23mv/℃，为了抵消这个正温度系数，在电路中利用了二极管d1和二极管d2，其正向偏压具有负温度系数，大约为-2.5mv/℃，因此可实现恒流源电路的温度系数为零。

运算放大器u1的第一端口为iepe加速度传感器接口电路的信号输出端，在实际使用当中，压电式加速度传感器1的信号线上会存在一个10v-13v范围的一个静态直流偏置电压，该电压不属于有效的振动信号，偏置隔离电路利用电容c19来隔离直流，通过交流的特性，实现静态直流偏置电压的隔离，并且电阻r4、电阻r5、电阻r6和运算放大器u1组成了一个反向放大器，将压电式加速度传感器1信号中的交流成分予以放大，确保了最后压电式加速度传感器1测量到的电压能够有效反应振动信号，保证了压电式加速度传感器1的测量高精度。