一种压电式振动传感器的多路振动信号采集处理装置的制作方法

本实用新型涉及电子检测技术领域，具体涉及一种压电式振动传感器的多路振动信号采集处理装置。

背景技术：

发电机组、压缩机、齿轮箱、鼓风机等旋转机械设备的振动总是伴随着机器的运转而存在的。即使机器在最佳的运行状态，由于微小的缺陷，也将产生某些振动。因此，对这些设备进行状态检测和故障诊断对安全生产来说意义特别重大。而旋转机械设备的大部分故障的征兆都包含在机械振动信号中，对设备振动信号进行监测和分析，为判断设备是否正常运行、是否存在潜在故障以及预测故障发展趋势等提供了十分有效的手段。

现有设计的振动信号的采集方案中，多采用单片机自身ad采样通道进行信号采集，或单片机加ad芯片设计，其采样频率较低、采样精度也不高，难以做到多路实时并行、高精度采样的要求。振动信号采集系统其输入模式有ac(交流)、dc(直流)和压电式振动传感器多种接口的传感器输入，其振动信号采集主要采用adc采样控制电路和fpga来实现，但对压电式振动传感器的多路振动信号的采集存在效率低、信号噪音与衰减较大，严重影响了最终监测与分析结果。

技术实现要素：

本实用新型的发明目的是提供一种压电式振动传感器的多路振动信号采集处理装置，实现进行多路信号的并行采集。

本实用新型的技术方案如下：

一种压电式振动传感器的多路振动信号采集处理装置，包括压电式振动传感器，adc和fpga，所述压电式振动传感器的输出信号经信号处理电路处理后输入adc，所述adc与fpga交互式连接；所述信号处理电路包括依次串接的隔直电路、归一化处理电路和滤波电路。

进一步方案，所述隔直电路包括依次串接的滤波电路、去偏置电压电路、放大电路与跟随电路；所述滤波电路包括串接在压电式振动传感器的输出信号端的第一接地电阻r1，所述第一接地电阻r1的两端并联第二电容c2；所述去偏置电压电路包括第二接地电阻r2，所述第二接地电阻r2的输入端串接第一电容c1。

进一步方案，所述归一化处理电路包括串联的同相放大处理电路和跟随电路，所述同相放大处理电路包括第五电阻r5和放大电路，所述第五电阻r5一端接地、另一端分别与放大电路、跟随电路连接，所述第五电阻r5与跟随电路之间串接有第七电容c7。

更进一步方案，所述放大电路的信号输入端串联有第四电阻r4。

进一步方案，所述滤波电路包括串联的高通滤波电路和低通滤波电路，所述高通滤波电路的输入端依次由第八电容c8、第九电容c9和放大电路串联，所述第八电容c8、第九电容c9之间通过第六电阻r6接地；所述放大电路的输出端通过第十电容c10与第六电阻r6串接；所述低通滤波电路的输入端依次由第七电阻r7、第八电阻r8和跟随电路串联，所述第七电阻r7、第八电阻r8之间通过第十一电容c11与跟随电路的输出端连接；所述第八电阻r8和跟随电路之间通过第十二电容c12接地。

优选的，上述隔直电路、归一化处理电路和滤波电路中的放大电路和跟随电路的结构均相同。其中跟随电路为第二运算放大器n1b，所述放大电路包括第一运算放大器n1a，所述第一运算放大器n1a的输出端与第二运算放大器n1b的同相输入端连接，第一运算放大器n1a输出端与反相输入端之间串联有第三电阻r3，所述第一运算放大器n1a的同相输入端和反相输入端均连接有由两电容并联构成的保护电路；所述第二运算放大器n1b的输出端与反相输入端连接。

更进一步方案，所述第五电阻r5与放大电路中的第一运算放大器n1a的反相输入端连接，所述第七电容c7串接在第一运算放大器n1a的反相输入端和第二运算放大器n1b的同相输入端。

本实用新型中adc、fpga均是现有已知产品，可直接购买来使用的。adc选用16bit、8通道，-107db动态范围，最大200ksps采样频率，具备串行及并行传输接口。如ti/bb公司的产品adc8345或adi公司的ad7606。fpga选择altera公司的ep4ce6e22i7。

本实用新型中压电式振动传感器根据外部机械振动而产生交流信号，信号幅值大小代表振动加速度大小，由传感器的灵敏度决定衡量范围；经信号处理电路进行去偏置电压、归一化降噪和滤波处理，然后采用高带宽、高精度的adc实现多路信号的并行转换，并可通过其高速串行接口实现与fpga数据传输，adc以并行总线方式将采样数据传输至fpga中，fpga同时控制adc工作模式、采样频率等；fpga对采样数据实时进行缓存、打包及发送处理从而可以用于设备振动状态监测与分析。

本实用新型采用可编程逻辑器件fpga作为控制器，以及高带宽的adc作为模数转换器，便于接口扩展以及大量采样数据的处理与运算，从而能够实现高速、实时并行采样效果，比传统方法效率更高。即本实用新型对压电式振动传感器的多路振动信号的采集实现高速、实时并行采样，降低信号噪音与衰减，提高最终监测与分析结果的准确性。

附图说明

图1为本实用新型的原理图，

图2为本实用新型中的隔直电路图，

图3为本实用新型中的归一化处理电路图，

图4为本实用新型中的滤波电路图。

具体实施方式

如图1所示，一种压电式振动传感器的多路振动信号采集处理装置，包括压电式振动传感器，adc和fpga，所述压电式振动传感器的输出信号经信号处理电路处理后输入adc，所述adc与fpga交互式连接；所述信号处理电路包括依次串接的隔直电路、归一化处理电路和滤波电路。

进一步方案，所述隔直电路（如图2所示）包括依次串接的滤波电路、去偏置电压电路、放大电路与跟随电路；所述滤波电路包括串接在压电式振动传感器的输出信号端的第一接地电阻r1，所述第一接地电阻r1的两端并联第二电容c2；所述去偏置电压电路包括第二接地电阻r2，所述第二接地电阻r2的输入端串接第一电容c1。

由于压电式振动传感器具有固定大小的直流偏置电压，信号处理电路设计rc高通隔直电路实现去偏置处理。

当在不工作情况下，考虑后级处理电路的稳定和安全保护，输入信号接口设计第一接地电阻r1接地，在第一接地电阻r1的两端并联第二电容c2对输入信号进行前级滤波，减少噪声干扰；

压电式振动传感器自身携带一定直流电压的偏置，因此需要去除掉直流偏置电压；本发明设计rc高通滤波隔直电路实现偏置去除处理；第一电容c1与第二接地电阻r2形成截止频率较低的滤波电路，实现低频直流的去除作用，得到完整的振动正弦信号；

放大电路采用运算放大器，实现振动信号的放大和跟随处理；跟随电路为双路运算放大器的另一部分，同样做跟随处理，能够增强信号质量、减少衰减效果；

进一步方案，所述归一化处理电路（如图3所示）包括串联的同相放大处理电路和跟随电路，所述同相放大处理电路包括第五电阻r5和放大电路，所述第五电阻r5一端接地、另一端分别与放大电路、跟随电路连接，所述第五电阻r5与跟随电路之间串接有第七电容c7。

归一化处理电路采用增益可调原则设计，根据输入信号范围及adc处理信号范围确定，利用运算放大电路进行设计，采用运放为轨至轨、低噪声运放设计，减少信号噪声与衰减，具体的：

更进一步方案，所述放大电路的信号输入端串联有第四电阻r4。

其中：第四电阻r4实现前后级隔离作用，在需要归一化处理时焊接此电阻，不需要的时候不焊接即可；

第五电阻r5和放大电路构成同相放大处理电路，压电式振动传感器的灵敏度系数决定振动信号幅值范围，在不同应用场合下，为了达到后级adc采样要求，根据需要进行增益调整处理，便于信号采集与处理；

跟随电路为运算放大器的另一路，实现信号跟随处理，增强信号质量、减少衰减效果；

进一步方案，所述滤波电路（如图4所示）包括串联的高通滤波电路和低通滤波电路，所述高通滤波电路的输入端依次由第八电容c8、第九电容c9和放大电路串联，所述第八电容c8、第九电容c9之间通过第六电阻r6接地；所述放大电路的输出端通过第十电容c10与第六电阻r6串接；所述低通滤波电路的输入端依次由第七电阻r7、第八电阻r8和跟随电路串联，所述第七电阻r7、第八电阻r8之间通过第十一电容c11与跟随电路的输出端连接；所述第八电阻r8和跟随电路之间通过第十二电容c12接地。

滤波电路实现低频与高频噪声或其他信号滤除处理，保留有效振动信号，此部分根据处理信号特征设计最小截止频率与最高截止频率。实现经归一化处理电路后的振动信号低频噪声信号的截止处理。

优选的，上述隔直电路、归一化处理电路和滤波电路中所有的放大电路与跟随电路结构相同，其中跟随电路为第二运算放大器n1b，所述放大电路包括第一运算放大器n1a，所述第一运算放大器n1a的输出端与第二运算放大器n1b的同相输入端连接，第一运算放大器n1a输出端与反相输入端之间串联有第三电阻r3，所述第一运算放大器n1a的同相输入端和反相输入端均连接有由两电容并联构成的保护电路，如图2-4所示，第一运算放大器n1a的同相输入端、反相输入端连接在供电电压上，第三电容c3和第四电容c4并联后连接在第一运算放大器n1a的同相输入端，第五电容c5和第六电容c6并联后连接在第一运算放大器n1a的反相输入端；所述第二运算放大器n1b的输出端与反相输入端连接。

更进一步方案，所述第五电阻r5与放大电路中的第一运算放大器n1a的反相输入端连接，所述第七电容c7串接在第一运算放大器n1a的反相输入端和第二运算放大器n1b的同相输入端。

本实用新型中压电式振动传感器根据外部机械振动而产生交流信号，信号幅值大小代表振动加速度大小，由传感器的灵敏度决定衡量范围；经信号处理电路进行去偏置电压、归一化降噪和滤波处理，然后采用高带宽、高精度的adc实现多路信号的并行转换，并可通过其高速串行接口实现与fpga数据传输，adc以并行总线方式将采样数据传输至fpga中，fpga同时控制adc工作模式、采样频率等；fpga对采样数据实时进行缓存、打包及发送处理，从而可以用于设备振动状态监测与分析。