[实用新型]一种基于开关电容技术的新型振动频率传感器系统

说明书

技术领域

本实用新型属于传感器领域，特别涉及到一种基于开关电容技术的新型振动频率传感器系统。

背景技术

机械振动现象普遍存在于生产、生活的方方面面，人们期望控制机械振动以更好地服务于人类的生产、生活。但是大多数情况下，机械振动是无法控制的而且是有害的，例如：机械轴承的摩擦或偏心将会导致高速精密主轴产生振动，进而影响精密加工的精度；机械共振会加剧机器和旋转部件的振动，导致机械故障，甚至破坏整个生产系统，造成经济损失、人员伤亡、环境污染等严重后果。为减少机械振动的危害，保证机械设备安全可靠运行，机械振动的实时监测和机械故障的早期诊断是十分重要的。目前，常用的机械振动实时监测和分析方法包括：振动测量和分析、油样分析、探伤检验、噪声检测等，在上述方法中振动测量和分析是一种比较有效的方法。

近年来，市面上出现了多种形式的振动传感器，大体上可分为两类：非接触式传感器系统和接触式传感器系统。其中非接触式传感器系统多由电容、电感、光学元件等组成，在某种程度上取得了一定的效果。但是仍有诸多问题需要解决，例如基于电容和电感的传感器系统抗电磁干扰性能较差；基于光学元件的传感器系统容易受粗糙表面、不透明气体、灰尘等因素的影响；另外，非接触式传感器系统结构比较复杂、成本较高。相对而言，接触式传感器系统则是采用一些传感器如加速度计或探针测量物体表面的振动，与非接触式传感器系统相比，接触式传感器系统相对比较简单、成本较低、同样可以获得较好的效果。

然而，现有的振动频率传感器系统，无论是接触式还是非接触式，都存在以下缺陷：

（1）振动传感器系统大多数直接测量振动的位移、速度和加速度，而无法直接反映振动频率的大小；

（2）为了从这些常见的振动传感器系统中获取频率信息，必须增加额外的转换或处理单元，导致系统更加复杂、冗余，增加了使用成本。

发明内容

针对现有振动频率传感器系统存在的问题，本实用新型发明一种基于开关电容技术的新型振动频率传感器系统，由压电能量采集器和信号调理电路组成。通过压电能量采集器直接检测正弦振动，并将该振动转化为相应输出电压；利用开关电容电路、脉冲整形器和低通滤波器搭建信号调理电路；通过信号调理电路对压电能量采集器的输出电压进行处理，得到一个反映振动频率大小的输出电压信号；以实现正弦振动频率的直接测量，同时简化振动传感器系统结构，降低使用成本。

一种基于开关电容技术的新型振动频率传感器系统，如图1所示，包括：压电能量采集器和信号调理电路。

所述压电能量采集器采用压电悬臂梁结构，压电能量采集器被夹钳固定在振动台上。函数信号发生器产生一个正弦输出信号，经过功率放大器放大后输入到振动台产生相应的正弦振动，以此方式，振动台为压电悬臂梁提供确定频率下的正弦振动。受输入正弦振动激励的影响，基于压电效应，压电悬臂梁上下两层的压电材料因振动而产生拉伸或压缩形变，形成正弦输出电压。因而，压电能量采集器可以将正弦振动频率转换成对应的正弦输出电压。

所述信号调理电路由开关电容电路、脉冲整形器和低通滤波器组成，可用于处理压电能量采集器的正弦输出电压，并输出一个与振动频率大小相关的电压信号。

所述开关电容电路，如图2所示，由开关和全桥式整流器组成，所述开关与压电能量采集器并联可用于驱动全桥式整流器。开关由固定占空比的脉冲控制。每经过半个振动周期，压电能量采集器的输出电流就会经过零点或符号发生变化，电流过零点触发产生脉冲控制信号，使得开关导通，很快释放电容两端的电压，一旦完成，开关就会断开。当压电能量采集器的输出电流经过零点由负变为正时，开关电容电路两端的电压由变为；相反的，当压电能量采集器的输出电流经过零点由正变为负时，开关电容电路两端的电压由变为。综上所述，开关电容电路输出电压和电流是同相的。因此，开关电容电路可用于跟踪压电能量采集器输出电流的零点并翻转压电能量采集器输出电压极性，以实现振动频率的跟踪，同时得到开关电容电路输出电压。开关电容电路的传统应用主要针对压电能量采集领域，在压电能量采集过程中可用于减小压电陶瓷电容充、放电过程中的能量损失，以提高压电能量采集器的能量采集功率；而在本发明中，开关电容电路主要用于跟踪电流零点、翻转电压极性，以实现振动频率的跟踪。