一种基于差动变压器原理的振动传感器的制作方法

1.本实用新型涉及振动传感器技术领域，具体为一种基于差动变压器原理的振动传感器。


背景技术：

2.目前振动传感器已经在机械振动、结构振动等行业领域大规模使用，根据量纲分类，振动传感器分位移传感器、速度传感器、加速度传感器，根据不同的实现原理，传感器内部感应元件将结构物的振动的幅度、速度、加速度，可以转换成对应的电量，再通过后端的采集设备采样和转换。由于目前加速度信号输出的振动传感器结构简单、成本较低，是使用最多的一种振动传感器。速度传感器一般是在加速度传感器的基础上内置模拟积分电路来实现。但是目前加速度传感器和速度传感器在低频微振动领域的应用有极大的限制，主要是由于低频微振动有两个加速度和速度传感器指标受限的地方，一个是噪声，一个是低频时对加速度非常不敏感。这两个因素是：（1）由于半导体器件的1/f噪声的影响，在低频条件下，电噪声会影响信号的信噪比，而且频率越低，1/f噪声越大，很难从噪声中提取有效信号。（2）由于加速度、速度的敏感转换元件都是直接对加速度对应转换，根据振动方程，频率越低，加速度越小，越无法感知被测物体的振动加速度的，所以由于这两个因素，导致在低频微振动领域，一直没有很合适的传感器进行测量，比如地脉动、大型结构的基频、大跨度桥梁等。


技术实现要素：

3.（一）解决的技术问题
4.针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种基于差动变压器原理的振动传感器。
5.（二）技术方案
6.为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种基于差动变压器原理的振动传感器，包括传感器本体，所述传感器本体包括外壳，外壳内部设置有弹簧、铁芯、一次线圈、二次线圈a和二次线圈b，铁芯设置在一次线圈和二次线圈a以及二次线圈b之间，弹簧的顶端与外壳的内部顶端连接，底端与弹簧连接，一次线圈、二次线圈a和二次线圈b分别外接防水航空插头，该防水航空插头外接电路调节模块。
7.优选的是，所述电路调节模块包括依次连接的lvdt信号调理器、电压跟随器、模拟转换器、微控制器和驱动器；
8.电压跟随器主要作用是作为lvdt信号调理器输出的缓冲，提高直流精度，同时驱动后级模数转换器；
9.模数转换器的作用主要是将lvdt信号调理器输出的模拟电压信号转换成数字信号，便于后级的微控制器进行读取和处理；
10.微控制器的作用主要是驱动模数转换器的总线时序以及将采集过来的数字信号，
在内部做一些软件滤波算法，同时将最终处理完的数据进行协议打包，并驱动驱动器进行对外传输。
11.在进一步中优选的是，所述lvdt信号调理器采用专用的差动变压器驱动芯片，包含一个正弦波振动器和一个功率放大器，用于产生驱动一次线圈的激励信号。
12.在进一步中优选的是，所述驱动器为rs485驱动器，rs485驱动器的作用就是将cmos电平的数据包转换成rs485差分信号，并通过rs485总线发送给主机。
13.在进一步中优选的是，所述外壳为不锈钢金属外壳。
14.（三）有益效果
15.与现有技术相比，本实用新型提供了一种基于差动变压器原理的振动传感器，具备以下有益效果：
16.本实用新型通过采用差动变压器（lvdt）原理作为传感器的敏感元部件，实现了对振动的直接位移输出转换，相比传统的加速度、速度的直接转换，具有动态范围大、灵敏度高、噪声低的优势，非常适合在低频微弱振动的场景下应用。
附图说明
17.图1为本实用新型的整体结构系统框架图；
18.图2为本实用新型中电路调理模块框图的模块图。
19.图中：1、弹簧；2、铁芯；3、一次线圈；4、二次线圈a；5、二次线圈b；6、不锈钢金属外壳；7、防水航空插头；8、电路调理模块；9、lvdt信号调理器；10、电压跟随器；11、模数转换器；12、微控制器；13、驱动器。
具体实施方式
20.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
21.实施例1：
22.请参阅图1-2，一种基于差动变压器原理的振动传感器，包括传感器本体，所述传感器本体包括外壳6，外壳内部设置有弹簧1、铁芯2、一次线圈3、二次线圈a4和二次线圈b5，铁芯2设置在一次线圈3和二次线圈a4以及二次线圈b5之间，弹簧1的顶端与外壳6的内部顶端连接，底端与弹簧1连接，一次线圈3、二次线圈a4和二次线圈b5分别外接防水航空插头7，该防水航空插头7外接电路调节模块8。
23.弹簧1的作用主要是用于传递外部结构振动能量到铁芯2上，使得铁芯2能够跟随外部结构的振动频率和等比例的位移。差动变压器的原理是通过机电结构，它产生的电子输出与其分离式铁芯2的位移成正比。一次线圈3用于驱动传感器工作在最佳工作点，二次线圈a4和二次线圈b5用于感应在铁芯2位置发生变化时，对应的感应差分电压同步发生变化。同时通过弹簧1连接的活动的铁芯3为线圈的磁通量提供磁路。当通过外部交流电源给初级线圈通电后，两个反相连接的次级线圈，即二次线圈a4和二次线圈b5，它们中将产生极性相反的电压。这两个二次线圈a4和二次线圈b5产生的电压之差即为差动变压器的净输出
值，当铁芯2位于中间或零位，净输出为零。当铁芯2离开零位，铁芯2所趋向的二次线圈a4和二次线圈b5的电压相应增加。同时，另一组二次线圈a4和二次线圈b5感应电压降低。铁芯2的运动产生随它的位置变化而变化的线性压差输出值。不锈钢金属外壳6主要是起到保护传感器和屏蔽外部干扰的作用，由于传感器内部都是线圈结构，容易耦合外部的电磁干扰信号，在实际使用时，传感器的金属外壳6要跟信号线缆的屏蔽层连接在一起，同时在一端良好接地。防水航空插头7主要用作外部信号线缆与传感器之间的接驳，同时要求一定的防水等级。
24.在本实施例中，所述电路调节模块8包括依次连接的lvdt信号调理器9、电压跟随器10、模拟转换器11、微控制器12和驱动器13；
25.电压跟随器10主要作用是作为lvdt信号调理器9输出的缓冲，提高直流精度，同时驱动后级模数转换器11；
26.模数转换器11的作用主要是将lvdt信号调理器9输出的模拟电压信号转换成数字信号，便于后级的微控制器12进行读取和处理；
27.微控制器12的作用主要是驱动模拟转换器11的总线时序以及将采集过来的数字信号，在内部做一些软件滤波算法，同时将最终处理完的数据进行协议打包，并驱动驱动器13进行对外传输。
28.在本实施例中，所述lvdt信号调理器9采用专用的差动变压器驱动芯片，包含一个正弦波振动器和一个功率放大器，用于产生驱动一次线圈的激励信号。
29.在本实施例中，所述驱动器13为rs485驱动器，rs485驱动器13的作用就是将cmos电平的数据包转换成rs485差分信号，并通过rs485总线发送给主机。
30.在本实施例中，所述外壳6为不锈钢金属外壳。
31.实施例2：
32.一、传感器本体：内部的核心部件，即铁芯2和一次线圈3、二次线圈a4和二次线圈b5，需要提前绕制好，并固定在传感器内部。弹簧1的材质选择阻尼系数小的，便于将外部振动能量快速传递给铁芯2。铁芯2的材质采用镍铁合金钢材质，经过氢气退火，导磁性好，谐波低、零偏低、灵敏度高。采用高密度玻璃填充的聚合物线圈吸湿性低、热稳定性好，消除了因为线圈吸收水分而造成的位移。
33.二、电路调理模块：lvdt信号调理器9可采用目前成熟的集成电路实现，它能够实现一个低失真的正弦波振荡器，用来驱动差动变压器的一次线圈。正弦波频率由单个电容决定，频率范围为20hz到20khz，幅度范围可以到2v rms到20v rms。差动变压器器的两个二次线圈a和二次线圈b，输出两个极性相反的正弦波，用来直接驱动lvdt信号调理芯片，调理芯片将这两个信号做差用除以其和值，产生一个单极性比例直流输出。这样就实现了铁芯2在差动变压器内部发生位移变化时对应的输出电压变化。
34.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。