一种检测振动和冲击的广义共振电容式复合传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种振动和冲击检测用电容式复合传感器，特别是涉及一种组装方式简单、可靠，并能以电压或电流任一方式输出、同时还可实现温度数字化直接输出的检测振动和冲击广义共振电容式复合传感器，属于设备故障诊断技术的信号检测范畴，主要用于机械故障振动和冲击广义共振及测点温度的检测。
【背景技术】
[0002]目前，用于各类转动机械设备运转状况的振动和冲击检测传感器多采用压电式传感器，包括已实用新型的检测振动和冲击和温度复合传感器:申请号为200810200735.3的中国专利申请公开了一种检测振动和冲击的广义共振复合传感器，采用压电敏感元件来敏感机械振动和机械冲击纵波激励的广义共振，满足采用广义共振变换技术提取机器振动和冲击信号。这种采用压电敏感元件的传感器，作为多种监测诊断系统的配套装置，在铁路、高铁、地铁的走行部故障检测和大型风力发电机组故障检测中，一直得到广泛的采用。但基于压电敏感元件压电效应的振动和冲击检测的传感器，其压电敏感元件的特性决定了传感器的组装结构较复杂和性能易受环境影响。
[0003]压电式振动和冲击传感器采用的压电敏感元件输出信号小、内阻抗高，需要配接前置电压放大器或电荷放大器一起使用，电路及结构复杂。压电敏感元件压电常数、电容量及介电常数等分布范围宽，电荷或电压灵敏度输出一致性较差，必须配备调节器进行归一化调节。传统的结构型压电式振动和冲击传感器，其压缩型组装及安装方式受基座应变影响大，剪切型结构装配复杂且成品率低。
[0004]压电敏感元件受环境影响大，压电敏元件易受温湿度、表面氧化、强磁电场影响而出现老化，压电敏感元件温度响应较差，易受温度瞬变响应产生热释电现象，低频信号使放大器输出过载而导致传感器工作点输出不稳定。
[0005]因组装方式及内部空间局限，其压电敏感元件组装后、内部前置放大电路和多芯屏蔽电缆连接后与外壳的绝缘阻抗较低，输出信号易受外壳引入的电磁干扰影响。另外，生产和实际使用过程中，组装和安装工艺对频率响应、横向灵敏度影响也无法忽略。
[0006]特提出一种检测振动和冲击的广义共振电容式复合传感器，利用电容式敏感芯片微机械加工技术及原理特性，克服原采用压电敏感元件的振动和冲击传感器的上述问题，为铁路、高铁、地铁的走行部故障检测、大型风力发电机组故障检测和其它各类转动机械设备运转状况的振动和冲击检测，提供一种性能更加稳定的基于电容式敏感芯片的振动和冲击传感器。
【发明内容】
[0007]本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种检测振动和冲击的广义共振电容式复合传感器，不仅能有效检测振动、冲击和感应机器被检测点温度，而且组装方式简单、可靠，性能稳定，受外界环境变化影响小、抗外壳干扰能力强。
[0008]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:一种检测振动和冲击的广义共振电容式复合传感器，包括外壳、调理器底板、电容式敏感芯片、温度敏感器件、压盖、密封组件、多芯屏蔽电缆和连接器;外壳通过自带的连接螺栓和凸台锥面安装到被检测机器上，所述调理器底板、电容式敏感芯片、温度敏感器件均安装在外壳内，其中，电容式敏感芯片安装在调理器底板上;温度敏感器件直接焊接在调理器底板上，或安装在连接螺栓内，通过引线连接到调理器底板上;所述的调理器底板底端带有榫头与外壳底部的凹槽间隙配合，调理器底板顶端通过压盖过盈压合组装;所述的外壳和压盖通过激光焊接工艺形成整体；安装在调理器底板上的电容式敏感芯片敏感机器振动和冲击后输出的电压信号，并通过调理电路进行偏置放大和归一化调节，经多芯屏蔽电缆和连接器输出，温度敏感器件敏感温度变化输出温度数字信号，经多芯屏蔽电缆和连接器输出。
[0009]进一步，所述调理器底板上含有了偏置放大电路、振动和冲击归一化调节电路和能以电压或电流任一方式输出的V/I配置电路。
[0010]进一步，所述对电容式敏感芯片输出信号的偏置放大电路，包含运放OPl和电阻器ROl、R02和Rl、R2和工作基准电压源G，运放OPl由多芯屏蔽电缆提供的单电源供电，电容式敏感芯片输出接入运放OPl的同相输入端，电阻器ROl和R02—端连接工作基准电压源G，另一端分别接在运放OPl同相输入端和反相输入端；电阻器Rl接反相输入端和地，电阻器R2接OPl反相输入端和输出端。
[0011]进一步，所述振动和冲击归一化调节电路，包含运放0P2、0P3和电阻器R3?R7、电容器Cl及电阻器Pl;运放0P2和运放0P3同相输入端都连接到工作基准电压源G，电阻器R5连接偏置放大输出Vl，R5另一端连接运放0P3反相输入端；同时，电阻器R3连接偏置放大输出V1，R3另一端连接电容器(:1，(:1另一端连接运放0?2反相输入端和电阻器1?4，1?4另一端连接电阻器P1，P1另一端连接0P2输出端和电阻器R6;电阻R6另一端连接0P3反相输入端；电阻器R7—端连接运放0P3反相输入端，另一端连接运放0P3输出端。
[0012]本实用新型提出的检测振动和冲击以及温度的电容式复合传感器，包含对振动和冲击的偏置放大、归一化调节和能以电压或电流任一方式输出，采用高性能的电容式敏感芯片和良好的绝缘组装方式，组成的电容式复合传感器性能稳定;采用机械配合连接，其组装简单、可靠，提高了生产效率及产品可靠性，可在受环境因素限制的相关领域中应用。
【附图说明】
[0013]图1为本实用新型实施例的结构示意图；
[0014]图2为图1所示实施例的外壳内部组装结构示意图；
[0015]图3为V/I配置电路(与后级数据采集系统I/V配合)；
[0016]图4为适用于多种电容式敏感芯片的偏置放大电路；
[0017]图5为振动和冲击归一化调节电路；
[0018]图6-1为振动调节输出；
[0019]图6-2为冲击调节输出；
[0020]图7-1为传感器振动传输特性；
[0021 ]图7-2为传感器冲击调节传输特性；
[0022]图8为温度响应曲线；
[0023]图9为抗外壳干扰输出；
[0024]图中:1-外壳;2-多芯屏蔽电缆;3-连接器;4-调理器底板;5-电容式敏感芯片；6_压盖;7-密封组件;8-温度敏感器件;9-连接螺栓。
【具体实施方式】
[0025]以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。
[0026]参照图1，本实施例包括外壳1、多芯屏蔽电缆2、连接器3、调理器底板4、电容式敏感芯片5、压盖6、密封组件7和温度敏感器件8。所述外壳I凸台锥面的锥角为90°，其底部设有连接螺栓9，所述连接螺栓9可根据实际安装条件加工成多种方式(自带螺纹、螺纹孔或磁吸方式)与被测机器紧密连接。所述温度敏感器件8直接焊接或者通过引线连接到调理器底板4上，并安装在连接螺栓9内，以检测被测机器测点位置的温度。所述调理器底板4底端设有榫头，并与外壳I内部凹槽间隙配合，其顶端与压盖6压合平面过盈配合。调理器底板4须采用高强度电路板，如采用高硬度及高耐温性的SH260高性能聚酰亚胺刚性覆铜板和半固化片加工，以提高整体谐振频率。对长时间在线监测需求的应用中，外壳I内部灌封高硬度、高粘度单组份环氧树脂胶，使其组装后的谐振频率达到电容式敏感芯片5谐振频率一致或接近。所述电容式敏感芯片5焊接在调理器底板4轴线上。所述压盖6与调理器底板4及外壳I过盈压接，再通过激光焊接形成整体。所述多芯屏蔽电缆2焊接在调理器底板4上，并通过密封组件7进行密封锁紧实现防水、抗拉功能。其组装顺序为:先焊接电容式敏感芯片5及各电路器件到调理器底板4上，再焊接温度敏感器件8和多芯屏蔽电缆2焊接到调理器底板上，接着将温度敏感器件8、调理器底板4、多芯屏蔽电缆2—起安装到外壳I内，然后，将外壳I和压盖6压合并进行激光焊接，最后将密封组件7紧固和电缆密封。这种安装方式不仅能有效的耦合振动和冲击纵波激励的广义共振，而且组装效率高，内部结构稳定可靠，防护等级可达到IP67或以上。
[0027]参照图2，本实施例中外壳I的内部结构设计为能敏感低频振动和耦合机械冲击产生的广义共振的冲击纵波。首先，电容式敏感芯片5采用大量程、宽带宽、高线性度的MEMS加速度计，既能敏感振动又能对故障冲击纵波具有广义共振响应，如美国模拟器件ADI公司生产的40乂1^)01^0乂1^77等。其量程可达到±50(^，带宽大于151^^，满量程线性度达到99.5%及以上。其次，电容式敏感芯片5中心安装在调理器底板4轴线上，且与外壳I的锥角为90°的凸台锥面地面圆心重合。然后，通过调理器底板4与外壳I过盈压接并通过激光焊接形成整体。其振动和冲击信号传输路径为:外壳I通过自带的连接螺栓9和90°锥角的凸台锥面与被检测机器上已加工的传感器安装螺孔紧密连接，使振动和故障冲击纵波耦合