一种数字化的压电式低频加速度传感器系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种数字化的压电式低频加速度传感器系统。
【背景技术】
[0002] 在以水轮发电机组为代表的低转速旋转机械的运行过程中，其主要的机构振动频 率可低达0.4Hz-0.5Hz，而高频段主要频率则不低于180Hz。目前，采用压电式原理的加速 度传感器被广泛用于机械部件的绝对振动测量。针对加速度传感器的输出信号，经过硬件 或者软件积分模块两次积分就可以得到被测对象的振动位移信号。因此可以采用压电式加 速度传感器实现对低速旋转机械的机构振动测量。
[0003] 传统的产品主要采用硬件模拟电路完成对振动加速度信号的两次积分调整、滤波 等处理，得到振动位移信号。但该类型传感器存在参数调整困难、抗冲击性差的缺陷，当振 源存在冲击振动信号时，传感器会输出长时延的振荡异常信号。如图1所示的传统压电式 低频加速度传感器系统，选择合适的低频响应特性较好的加速度传感器1，将加速度传感器 输出的信号接入前置处理模块2,经过该前置处理电路，将振动加速度信号转换为恰当的振 动位移信号输出。其中该前置处理模块全部采用模拟电路方式实现。其工作原理如图2所 示。各环节功能说明如下：
[0004] 1)隔直低阻环节：这是一个高通滤波环节，转折频率设计在0. 5Hz，用以去除加速 度传感器输出的支流信号分量以及低于0. 5Hz的振动信号；
[0005] 2)低通环节：这是一个低通滤波环节，用以去除高于被测对象最高有效振动频率 以上的信号，此环节可以保证系统积分环节不受加速度传感器共振后输出信号的影响；
[0006] 3)第一级积分环节：这是一个惯性积分环节，将振动加速度信号积分为振动速度 信号。
[0007] 4)第一级低阻环节及第二级低阻环节：这是一个高通滤波环节，转折频率设计在 0. 5Hz，过滤掉积分环节后由于积分器电路噪声引起的低于0. 5Hz的信号；
[0008] 5)第二级积分环节：这是一个惯性积分环节，将振动速度信号积分为振动位移信 号。
[0009] 压电式传感器是利用压电晶体的压电效应的原理来工作，传统的模拟式压电式低 频加速度传感器系统采用模拟电路实现全部的积分、滤波等前置处理，但是存在抗冲击性 差、滤波特性差、参数调整困难等缺陷。
[0010] 传统模拟式压电式加速度传感器系统具有以下缺陷：
[0011] 1)对于冲击性振动干扰信号，传统型压电式加速度传感器系统存在超调大、振荡 时间长、稳定恢复慢的问题。冲击性振动信号来源于旋转机械的碰磨、松动以及动力部分的 扰动引起。主要的冲击性振动信号可以归结为脉冲型冲击信号和阶跃型冲击信号。而传统 型压电式加速度传感器系统对上述冲击信号的响应为振动幅值突然急剧变大，然后指数衰 减，其衰减特性接近于以下模型：
[0012]
【主权项】
1. 一种数字化的压电式低频加速度传感器系统，其特征在于，包括： 加速度传感器输出振动加速度信号； 所述振动加速度信号经高通滤波和数字化后传输至冲击信号检测单元和冲击信号抑 制单元，所述冲击信号检测单元和冲击信号抑制单元根据数字化信号的微分值的大小判断 传感器系统中是否产生冲击信号，若检测到产生冲击信号，则将该数字化信号乘以该时刻 的冲击信号抑制增益得到处理后的信号； 所述处理后的信号经第一级数字积分单元和第二级数字积分单元及滤波后再以模拟 信号的形式输出； 其中，所述冲击信号抑制增益的计算方法如下：
其中，g(t)为冲击信号抑制增益函数，t为当前时刻，h为检测到冲击信号的时间，ω d 为阻尼频率，T为衰减周期。
2. 如权利要求1所述的数字化的压电式低频加速度传感器系统，其特征在于，当所述 数字化信号的微分值大于754g/s时，则判断产生冲击信号，其中g = 9. 8m/s2。
3. 如权利要求2所述的数字化的压电式低频加速度传感器系统，其特征在于，所述加 速度传感器与所述冲击信号检测单元和冲击信号抑制单元之间设置有模/数转换器，所述 模/数转换器将接收到的模拟电信号转换为数字化信号。
4. 如权利要求3所述的数字化的压电式低频加速度传感器系统，其特征在于，所述加 速度传感器与所述模/数转换器之间设置有隔直放大器，所述隔直放大器的转折频率为 0. 4-1. OHz。
5. 如权利要求2所述的数字化的压电式低频加速度传感器系统，其特征在于，经第一 级数字积分单元和第二级数字积分单元及滤波后的信号再经数/模转化器转换为模拟信 号后输出。
6. 如权利要求5所述的数字化的压电式低频加速度传感器系统，其特征在于，所述第 一级数字积分单元和第二级数字积分单元与所述数/模转化器之间还连接有数字带通滤 波器。
7. 如权利要求6所述的数字化的压电式低频加速度传感器系统，其特征在于，所述数 字带通滤波器包括4阶数字椭圆形滤波器和16阶线性相位滤波器，所述4阶数字椭圆形滤 波器的转折频率为0. 4Hz-l. 0Hz，所述16阶线性相位滤波器的转折频率为180Hz-350Hz。
8. 如权利要求5所述的数字化的压电式低频加速度传感器系统，其特征在于，所述数/ 模转换器还连接有输出信号放大器，经所述数/模转换器得到的模拟信号再经所述输出信 号放大器放大后输出。
【专利摘要】本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种数字化的压电式低频加速度传感器系统，包括：加速度传感器输出振动加速度信号；振动加速度信号经高通滤波和数字化后传输至冲击信号检测单元和冲击信号抑制单元，冲击信号检测单元和冲击信号抑制单元根据数字化信号的微分值的大小判断传感器系统中是否产生冲击信号，若检测到产生冲击信号，则将该数字化信号乘以该时刻的冲击信号抑制增益得到处理后的信号；处理后的信号经第一级数字积分单元和第二级数字积分单元及滤波后再以模拟信号的形式输出。本发明有效抑制了突发的振动冲击造成加速度传感器输出信号的突变和振动，提高了整体传感器系统的稳定性和精确性，采用高阶数字带通滤波器优化了滤波器的特性。
【IPC分类】G01H11-08
【公开号】CN104729669
【申请号】CN201510102777
【发明人】汪洋, 崔悦, 任继顺, 苏疆东, 张民威
【申请人】北京中元瑞讯科技有限公司
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年3月9日