到凸台锥面，并传递给安装在外壳I内的调理器底板4上的电容式敏感芯片5，其感受振动和冲击纵波激励而发生的广义共振，使其内部电气隔离的电容差分单元产生全差分信号，由其内部电路测量全差分信号并输出对应的电压。
[0028]本实施例中，调理器底板4上含有偏置放大电路、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。其电信号处理途径在于:电容式敏感芯片5敏感振动和冲击以电压信号输出，通过调理器底板4上的偏置放大电路将电容式敏感芯片5工作点Vout偏置到工作点基准电压源G，并将灵敏度放大到具有良好信噪比且满足应用需求的范围内。偏置放大后的信号进行振动和冲击归一化调节，再将电压信号经V/I配置电路以电压或电流的方式输出到多芯屏蔽电缆2，经连接器3输出到后级数据处理及采集系统中。电容式敏感芯片5采用MEMS加速度计，供电电源电压Vs范围在1.8V?7V，其工作点(Vout)在Og时等于Vs/2，输出灵敏度(Su)与供电电源电压和量程成比例。本实施例中，传感器单电源+ 12V供电条件下，通过偏置放大电路可将工作点基准电压偏置到5V。同时，通过振动和冲击归一化调节电路对低频振动和高频冲击的灵敏度分别进行调节。另外，为匹配后级数据采集系统输入接口和考虑信号传输过程的受干扰情况，须选择合理的输出方式。本实施例中的V/I配置电路，见图3，由电阻器R8?R13、电容器C2和运放0P4组成，可实现信号以电流或电压任一方式输出。当焊接图3中各电阻器和电容器C2，信号以电流方式输出，可实现远距离传输和具有良好的抗干扰;将电阻器R8、R11、R13用O欧姆电阻短接，其余电阻器开路时，信号以电压方式输出，能方便接入后级数据采集或处理系统。
[0029]本实施例中，电容式敏感芯片5的偏置放大电路其原理见图4，包含有运放OPl和电阻器ROl、R02、R1、R2和工作基准电压源G。运放OPl由多芯屏蔽电缆2提供的单电源供电，工作基准电压源G选择单电源供电的二分之一，由精密分流基准电压源Zl、偏置电阻RO和旁路电容CO组成。电容式敏感芯片5输出(含内阻Rs)接入运放OPI的同相输入端。电阻器ROI和R02—端连接工作基准电压源G，另一端分别接在运放OPl同相输入端和反向输入端，其中作用一方面是从工作基准电压源G汲取直流电压以补偿反馈点电压，另一方面分别与电容式敏感芯片5的输出内阻或反馈电阻Rl构成串并联电路，对电容式敏感芯片5输出的灵敏度进行第一级缩放，同时，配合运放OPl的负反馈作用，将同相输入端的信号进行偏置和放大。当电容式敏感芯片5输出阻抗为O或较小时，ROl可不接，或者当电容式敏感芯片5输出阻抗未知或分布不均时，可在OPl之前再接入一级跟随器，以将电容式敏感芯片5输出的未知阻抗转换成低阻抗，再输入运放OPl同相输入端。运放OPl须选用负相共模范围宽、轨到轨输出摆幅的单电源运算放大器，以使其负相电源轨接近地，以满足预期量程振动及冲击的测量。此偏置放大电路的突出优点是采用单运放实现偏置和放大功能，节省了器件和传感器内部空间，同时，基于本偏置放大电路的调理器性能稳定，适应于大多数电容式敏感芯片信号的调理。
[0030]本实施例中，振动和冲击归一化调节电路是在“一种检测振动和冲击的广义共振复合传感器”(其申请号为:200810200735.3)基础上和基于电容式敏感芯片5良好的输出灵敏度和线性度而设计，其电路原理见图5。由运放0P2、0P3、电阻器R3?R7、电容器CI和电阻器Pl组成。偏置放大输出Vl的振动信号由偏置放大电路进行调节，并连接到电阻器R5—端；偏置放大输出Vl的冲击信号经过R3、C1和0P2组成的有源高通滤波器将低频信号进行滤波衰减，其截止频率设置为4.83kHz，同时，R3、0P2与R4、P1又构成了反相放大器，可将经过滤波之后的冲击信号进行放大调节。本方案中，采用MEMS加速度计的电容式敏感芯片5具有固定的谐振频率，Pl用固定阻值的电阻代替。这样，在保证灵敏度归一化的同时减少人工调节环节。偏置放大的振动信号(图6-1)和归一化放大调节后的冲击信号(图6-2)经R5、R6、R7和0P3构成的叠加电路一起输出。振动和冲击归一化调节电路的典型传输特性见图7-1和图7-2，0Hz?IkHz范围的低频振动增益始终保持在0.5dB内，冲击的广义共振峰可通过Pl进行微调。在本传感器中，将偏置放大电路和振动和冲击归一化调节电路布置在调理器底板4上，不仅预留了足够的安装空间和绝缘距离，而且采用固定电阻代替电位计调节方式，其可靠程度得到了明显提高。这种电容式复合传感器输出一致性好，漂移系数小，克服了压电式振动和冲击传感器一致性分散，或长时间使用出现老化和漂移的缺陷。
[0031]本实施例性能稳定，受环境因素影响小，抗外壳电磁干扰能力强。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，其温度响应特性好和温度迟滞低，电容式传感器与压电式传感器温度响应测试结论如图8所示，电容式传感器在使用温度-55°C?125°C，灵敏度变化百分比在± 3%范围内，压电式传感器灵敏度变化超出15%。同时，电容式敏感芯片5对EMI/RFI干扰具有良好的抑制能力。再加上调理器底板4的合理的PCB布局，保证板边与外壳I腔体的绝缘距离大于3mm以上，或者采用环氧树脂胶填充，其空间结构隔断了干扰的耦合路径。另外，输出端采用并联接地屏蔽方案，对外壳引入的干扰进行有效的疏导。电容式传感器与压电式传感器干扰测试结论如图9所示，电容式传感器较压电式传感器外壳引入的干扰抑制能力至少提高了 20倍。
【主权项】
1.一种检测振动和冲击的广义共振电容式复合传感器，其特征在于: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，或者安装在连接螺栓内，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振动和冲击共振解调电压信号，经调理电路进行偏置放大和归一化调节后，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并输出温度数字信号，经多芯屏蔽电缆和连接器输出。2.根据权利要求1所述的检测振动和冲击的广义共振电容式复合传感器，其特征在于:所述调理器底板上含有偏置放大电路、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/ι配置电路。3.根据权利要求2所述的检测振动和冲击的广义共振电容式复合传感器，其特征在于:偏置放大电路包含有运放OPl和电阻器ROl、R02、R1、R2及工作基准电压源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。4.根据权利要求2所述的检测振动和冲击的广义共振电容式复合传感器，其特征在于:振动和冲击归一化调节电路包含有运放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V1，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Vl，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？1，？1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。
【专利摘要】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；外壳的底部带有连接螺栓和凸台锥面，与被检测机器上加工的传感器安装螺孔紧密连接，以耦合振动和故障冲击纵波，电容式敏感芯片感受振动和冲击纵波激励而发生的广义共振，使其内部电气隔离的电容差分单元产生全差分信号，由其内部电路测量全差分信号并输出对应的电压。电容式敏感芯片产生的电压经过调理电路偏置放大和归一化调节，经多芯屏蔽电缆和连接器输出。利用本实用新型能有效检测振动和冲击广义共振和机器被检测点的温度，具有受外界环境因素变化影响小、抗外壳干扰能力强之优点。
【IPC分类】G01D21/02
【公开号】CN205333118
【申请号】CN201620042437
【发明人】唐德尧, 张弸, 陈伟琪, 施文钦
【申请人】唐智科技湖南发展有限公司
【公开日】2016年6月22日
【申请日】2016年1月18日