一种用于高压断路器的强振动传感器电路及信号采集系统的制作方法

本发明属于高压断路器振动信号测量技术领域，尤其涉及一种用于高压断路器的强振动传感器电路及强振动信号采集系统。

背景技术：

高压断路器是电力系统中重要、典型的电气设备，其运行可靠性至关重要，在电力系统发生故障时，若无法及时开断线路、切断故障，可能产生重大事故，因此常设计故障诊断系统。对于振动信号的数据采集的有效性、真实性是诊断系统的关键环节，振动传感器在高压断路器故障检测中一直发挥重要的作用。在更高等级的高压断路器领域里，对大量程、高可靠性的振动传感器有着更加迫切的需求，目前振动传感器系统加速度等级在10000g以内，由于高电压等级下的断路器会有强振动信号，振动信号一般远大于10000g左右，常规的振动传感器系统测试电路达不到接收如此大的强振动信号电荷量，加之电磁环境恶劣，会影响传感器系统的动态响应，导致分档误差大，可靠性降低。

技术实现要素：

发明目的：为克服现有技术中强振动信号采集可靠性较低的问题，本发明的目的是提供一种用于高压断路器的强振动传感器电路及信号采集系统，以进一步提高设备的可靠性和传感器的量程。

技术方案：为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种用于高压断路器的强振动传感器电路，包括串联在振动传感器输出端的电荷电压变换单元、二阶低通滤波器单元和多档放大单元；

所述电荷电压变换单元包括第一运算放大器，与第一运算放大器反相输入端相连的第三电容，并联在第一运算放大器反相输入端与输出端之间的第一电容和第三电阻，串联在第三电容与振动传感器电荷输出端之间的第六电阻，以及与第一运算放大器同相输入端相连的第十一电阻，第一运算放大器的输出端与二阶低通滤波器单元的输入端相连；

所述多档放大单元包括第三运算放大器，串联在第三运算放大器反相输入端与二阶低通滤波器单元输出端之间的第七电阻和第五电阻，并联在第三运算放大器反相输入端与输出端之间的多个档位电阻，档位开关，以及与第三运算放大器同相输入端相连的第十二电阻，第三运算放大器的输出端经第十电阻与信号输出端口相连。

作为优选，所述第五电阻采用电位器。

作为优选，所述第三电容为隔直电容。

作为优选，所述第一运算放大器和第三运算放大器采用型号为lf353的运算放大器。

作为优选，所述振动传感器为石英晶体加速度传感器。

作为优选，所述二阶低通滤波器单元采用二阶巴特沃斯滤波器。

作为优选，所述二阶低通滤波器单元包括第二运算放大器、第二电容、第四电容、第八电阻和第九电阻；第八电阻和第九电阻串联在第一运算放大器输出端与第二运算放大器同相输入端之间，第二电容一端连接在第八电阻和第九电阻之间，另一端连接在第二运算放大器反相输入端，第二运算放大器反相输入端与输出端相连，第四电容一端与第二运算放大器同相输入端相连，另一端接地。

作为优选，所述第二运算放大器采用型号为lf353的运算放大器。

一种用于高压断路器的强振动信号采集系统，在振动传感器与采集设备之间设置上述强振动传感器电路。

有益效果：本发明提供的强振动传感器电路可以接收高电压等级的传感器测试高压断路器的强振动信号产生的巨大电荷量，即使在电磁环境恶劣的情况下，仍然可以稳定工作。与现有技术相比，有如下优点：

1、输入端串联隔直电容(第三电容)，使电路具有隔直功能，将振动信号中的直流信号去除，便于后续处理，提高了信号的抗干扰能力。

2、第一电容与第三电阻的并联使电路具有自放电功能，具备设备的自保护。

3、后级放大器采用固定电阻拼接换挡，电阻值分散性小，分档准确。

4、第五电阻的存在起到抵消传感器的分散性，解决高加速度下电荷灵敏度低、高电压等级下电磁环境差的缺陷。

5、电路原理简单，元器件成本低廉，设计巧妙，可以进行分档调整，可以消除干扰信号，适用于采集强振动、电磁环境恶劣的场合，有利于推广。

附图说明

图1是本发明实施例的电路结构原理图。

图2是本发明实施例的采集系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的说明：

本发明实施例公开的一种用于高压断路器的强振动传感器电路，包括电荷电压变换单元、二阶低通滤波器单元和多档放大单元。电荷电压变换单元连接振动传感器的输出端，输出的电压信号经二阶低通滤波器单元滤除高频信号后由多档放大单元归一化并放大至±5v输出。

图1为本发明的一个优选实施例的电路原理图。图1中，振动传感器采用石英晶体加速度传感器，如yd-50，yd-50加速度传感器幅值线性度大、大冲击后回零性、稳定性好，是国内用于爆炸、碰撞等高速度冲击测量的专用压电加速度传感器。振动传感器将接收的振动信号转化为电荷信号，振动传感器的输出端与m5电缆线输入端口相连，m5电缆线输出端口p1与电荷电压变换单元输入端相连。

电荷电压变换单元包括第一运算放大器u1、第一电容c1、第三电容c3、第三电阻r3、第六电阻r6和第十一电阻r11。第三电容c3与第一运算放大器u1反相输入端相连，第六电阻r6串联在第三电容c3与振动传感器电荷输出端之间，第一电容c1和第三电阻r3并联在第一运算放大器u1反相输入端与输出端之间，第十一电阻r11一端接第一运算放大器u1同相输入端，另一端接地。电荷电压变换单元中采用输入端串联第三电容c3设计的隔直电路，将振动信号中的直流信号去除,便于后续处理,提高了信号的抗干扰能力。积分电路中第一电容c1与第三电阻r3的并联，使电路具有自放电功能，具备设备的自保护。本实施例中运算放大器采用型号为lf353的双运放，不同单元的运算放大器可共用同一运算放大器芯片，也可以选用其它型号的运算放大器。

经过电荷电压变换单元中第一运算放大器u1输出的电压信号输入到二阶低通滤波器单元滤除高频信号。二阶低通滤波器单元可采用二阶低通巴特沃斯滤波器，保证在20khz以内信号幅值基本保证不变，即对有用信号无衰，减抗干扰能力强。二阶低通巴特沃斯滤波器，包括第二运算放大器u2、第二电容c2、第四电容c4、第八电阻r8和第九电阻r9；第八电阻r8和第九电阻r9串联在第一运算放大器u1输出端与第二运算放大器u2同相输入端之间，第二电容c2一端连接在第八电阻和r8第九电阻之间r9，另一端连接在第二运算放大器u2反相输入端，第二运算放大器u2反相输入端与输出端相连，第四电容c4一端与第二运算放大器u2同相输入端相连，另一端接地。二阶低通巴特沃斯滤波器，滤除高频信号，其阻带衰减特性的斜率为－40db/10oct，克服了一阶低通滤波器阻带衰减太慢的缺点。

滤除高频后的电压信号输出到多档放大单元，多档放大单元将前级电压信号归一化并放大到±5v输出，本实施例中采用归一化三档位放大，包括第三运算放大器u3、第七电阻r7、第五电阻r5、第一电阻r1、第二电阻r2、第四电阻r4和第十二电阻r12。第七电阻r7一端与第二运算放大器u2输出端相连，另一端与第五电阻r5一端相连，第五电阻r5另一端与第三运算放大器u3反相输入端相连，第十二电阻r12一端与第三运算放大器u3同相输入端相连，另一端接地。第一电阻r1、第二电阻r2、第四电阻r4的电阻值大小不同，并联在第三运算放大器u3反相输入端与输出端之间，通过拨动档位开关k1来决定r1、r2、r4电阻工作的选择，实现三个档位不同的放大增益，从而实现传感器的三个不同量程。多档放大单元采用固定电阻拼接换挡，电阻值分散性小，分档准确。第五电阻r5采用电位器，其存在起到抵消传感器的分散性，以此解决高加速度下电荷灵敏度低、高电压等级下电磁环境差。采用电阻归一化三挡放大，从而保证电路输出电压稳定，改进了常规电荷放大器采用电容换挡，而电容分散性大，伴随着接线有电感及电阻，会影响动态特性，分档误差大、可靠性低的缺点，有助于精确的换档位。

放大后的电压信号通过第三运算放大器u3的输出端与第十电阻r10的一端相连，r10的另一端连接到bnc信号输出端口，通过bnc输出端口(p2)输出±5v的信号到采集卡，从而实现振动传感器的功能。

图2为采用上述强振动传感器电路的采集系统结构示意图。包括固定安装在断路器本体的振动传感器，设置在振动传感器与采集设备之间的强振动传感器电路。振动传感器将断路器的机械振动量接收下来，经过本发明的强振动传感器电路将其转变为对应的电量，输出到采集设备。强振动传感器电路使用±15v电源供电，通过bnc线到达采集设备。采集设备即为现有的采集或检测仪器。

在强振动下，产生的电荷特别大，在断路器不同故障下，加速度大小不同，产生的电荷量大小不同，本发明可以调节档位按钮使电路满足工程要求。

综上所述，本发明能够测试强振动加速度等级下的振动信号，电路原理简单，元器件成本低廉，设计巧妙，可以进行分档调整，隔直电路的作用可以消除干扰信号，适用于采集强振动、电磁环境恶劣的场合，有利于推广。