電信號(hào)測(cè)量方式振動(dòng)傳感器的簡(jiǎn)要分析
2010-05-10 00:00
一、引言
振動(dòng)傳感器廣泛應(yīng)用在航空、航天、武器裝備、工業(yè)風(fēng)機(jī)、煤炭機(jī)械、石油機(jī)械、化工機(jī)械、水泥裝備、冶煉機(jī)械、車輛設(shè)備制造、物流運(yùn)輸、消防、安防等領(lǐng)域，幾十年來，振動(dòng)傳感器作為世界各國(guó)的尖端技術(shù)，在大規(guī)模集成電路快速發(fā)展的支持下，獲得了長(zhǎng)足發(fā)展和進(jìn)步；在現(xiàn)代大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)中，對(duì)傳感器的精度、穩(wěn)定性也提出了更高要求。
湯姆斯公司在國(guó)內(nèi)、外的研發(fā)工程師和工程技術(shù)人員的共同努力下，借鑒國(guó)內(nèi)外同行業(yè)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，在電信號(hào)測(cè)量方法振動(dòng)傳感器的研發(fā)、制造、工程方面積累了一定經(jīng)驗(yàn)，愿與同行共同分享和交流，以期拋磚引玉，得到該領(lǐng)域?qū)＜摇W(xué)者的指教。
二、振動(dòng)傳感器類別
1、按其測(cè)量方式分類：
1、按其測(cè)量方式分類：
機(jī)械測(cè)量方式：將工程振動(dòng)的參量轉(zhuǎn)換成機(jī)械信號(hào)，經(jīng)過機(jī)械機(jī)構(gòu)的放大調(diào)整后，再進(jìn)行測(cè)量、記錄；這種測(cè)量方式精度差；在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)只能做簡(jiǎn)要估算； 光學(xué)測(cè)量方式：將工程振動(dòng)的參量轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號(hào)，經(jīng)過光學(xué)機(jī)構(gòu)的放大后顯示和記錄，這種測(cè)量方式精度較高，對(duì)工作現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度、光照有一定要求； 電信號(hào)測(cè)量方式：將工程振動(dòng)的壓力變化、磁場(chǎng)變化，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)電路處理后，通過微控制器做顯示、記錄、分析，隨著高速高精度芯片的大量涌現(xiàn)，電信號(hào)測(cè)量方式而獲得快速發(fā)展，這種測(cè)量方式精度高，對(duì)溫度、濕度、光照等環(huán)境的依賴度較低；這也是目前工業(yè)生產(chǎn)、生活中應(yīng)用得最廣泛的測(cè)量方法。
2、按其功能分類：
由于傳感器內(nèi)部機(jī)電變換原理的不同，機(jī)械量的變化可轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮柚?、電感量、電容量等可測(cè)量的線性電信號(hào)的變化；針對(duì)輸出的電信號(hào)各不相同，必須配備專用的測(cè)量接口電路，這樣才能方便顯示，方便分析儀器對(duì)數(shù)據(jù)的記錄與分析。按功能有以下幾種分類方法：
按機(jī)械接收方式的不同分：相對(duì)式、慣性式等； 按機(jī)、電變換方式的不同分：電阻式、電容式、電感式、壓電式、光電式等； 按測(cè)量機(jī)械量的不同分：拉力傳感器、壓力傳感器、扭力傳感器、應(yīng)變傳感器、扭振傳感器、扭矩傳感器、位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器等。
我們針對(duì)電信號(hào)測(cè)量方式振動(dòng)傳感器來討論。
三、電信號(hào)測(cè)量方式振動(dòng)傳感器原理
使用霍尼威爾的磁場(chǎng)傳感器HMC1002測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，它具有精度高，穩(wěn)定性好，工作溫度范圍寬等特點(diǎn)；選用這種器件可充分保證在惡劣環(huán)境下傳感器的正常穩(wěn)定工作；它具有兩路輸出，A路作為數(shù)據(jù)采集，B路采集的數(shù)據(jù)作為A路數(shù)據(jù)的校對(duì)；提高了采集數(shù)據(jù)的整體精度；也可以作為雙軸采集使用，對(duì)設(shè)備在不同維度上的振動(dòng)都可以監(jiān)測(cè)。
使用AD公司的單電源，高精度運(yùn)放對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行放大，再通過信號(hào)調(diào)整電路，將信號(hào)引入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，我們選用TI公司的TLC2543做信號(hào)的轉(zhuǎn)換，該器件是采用CMOS技術(shù)生產(chǎn)的12位轉(zhuǎn)換器，自帶時(shí)鐘信號(hào)，具有三重自檢功能，允許11路模擬信號(hào)輸入，即可以作為同路信號(hào)的互相檢驗(yàn)，也能方便擴(kuò)展通道數(shù)量，為多維度檢測(cè)提供預(yù)留接口。
使用PIC單片機(jī)接收模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)記錄、分析、顯示、轉(zhuǎn)發(fā)等功能，該單片機(jī)具有抗干擾能力強(qiáng)，工作電壓范圍寬，程序編寫簡(jiǎn)潔等特點(diǎn)。
以下給出部分已經(jīng)調(diào)試通過的AD轉(zhuǎn)換代碼，供參閱：
void InitAD() //------初始化AD芯片----//
{
unsigned char i;
ADclk = 0;
ADcs = 0;
Delay10us();
for(i=0;i<ADbit;i++)
{
ADclk = 1;
ADclk = 0;
}
ADcs = 1;
dly10us(10);
}
void adconversion() //interrupt 0//----轉(zhuǎn)換-----//
{
unsigned char j;
unsigned int adata;
if(adconend) return;
if(adstart == 0)
{
ADsum = 0;
InitAD();
adtime = ADnumber;
adstart = 1;
}
adtime--;
adata = 0;
ADcs = 0;
for (j=0;j<ADbit;j++)
{
ADclk = 0;
adata *= 2;
ADclk = 1;
adata = adata | ADdatain;
}
ADcs = 1;
ADsum += adata;
if(adtime == 0)
{
ADdata = ADsum / ADnumber;
adstart = 0;
adconend = 1;
}
}
四、電信號(hào)測(cè)量方式振動(dòng)傳感器的指標(biāo)
我們的技術(shù)參數(shù)如下：
靈 敏 度：20mv/mm/s±5% ； 30mv/mm/s±5% ； 50mv/mm/s±5% ； 頻率響應(yīng)：5～1000Hz ； 自振頻率：10Hz ； 測(cè)量范圍：1、0～10mm/s 0～20mm/s 0～50mm/s ；2、0～100um 0～200um 0～500um ； 輸出信號(hào)：標(biāo)準(zhǔn)電流4～20mA ； 輸出阻抗：≤500Ω ； 電源：DC24V ；
最大加速度：10g ；
安裝方式：垂直或水平安裝于被測(cè)振動(dòng)源上 ；
使用環(huán)境：溫 度 -40℃～60℃ 、相對(duì)濕度≤90% 。
靈敏度、頻率響應(yīng)、自振頻率、測(cè)量范圍等參數(shù)滿足大部分通用設(shè)備的需要；輸出信號(hào)、輸出阻抗是標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，這種輸出接口可與PLC、DCS等系統(tǒng)直接連接使用；大部分工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)能滿足電源DC24V供電需求；高強(qiáng)度的密閉金屬外殼對(duì)內(nèi)部精密電子電路提供屏蔽和保護(hù)，避免電磁信號(hào)的干擾和水、霧及其他腐蝕性液體或氣體對(duì)內(nèi)部的侵害。
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