专利名称：振动速度和温度组合监控仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种工业用监控装置，具体地说是一种振动速度和温度组合监控仪。
背景技术：
目前工业上使用的监控装置，一般是由检测并输出被测信号的一次仪表和接收、处理被测信号并发出相应动作控制指令的二次仪表连接组成。针对振动速度的监控装置，其中的一次仪表多是采用压电加速度传感器或磁电式速度传感器等振动传感器作为探测器件。这类传感器的体积较大，制约了一次仪表的小型化，而且这类振动传感器的性能也容易受温度、时间等因素的影响，使一次仪表的灵敏度发生较大变化。因此，在使用过程中就需要对一次仪表及其传感器做定期的校验或更换。另外，振动传感器的低频响应特性较差(大于10Hz)，使用受到一定的限制。监控装置的二次仪表中相应的信号处理电路，也容易受到瞬间干扰而出现误动作。
实用新型内容本实用新型的目的就是提供一种体积小、功能强、性能好的振动速度和温度组合监控仪，使之能够适应并拓展各种振动监控场所的使用需要。
本实用新型是这样实现的振动速度和温度组合监控仪由探测并输出信号的一次仪表和接收处理信号并发出动作指令的二次仪表连接组成，其中一次仪表包括有用于测取振动加速度信号的半导体振动加速度传感器，用于将振动加速度信号变换成表示振动速度的电压信号的信号调理及积分电路，用于测取温度信号并将其变换成电压信号的温度采样及调理放大电路，用于分别将振动速度电压信号和温度电压信号变换成4～20mA的电流信号、并向二次仪表输出的电流变换输出电路，以及用于为上述各部分电路提供直流工作电压的稳压电路。
本实用新型的一次仪表可同时进行被测装置振动加速度和工作温度的检测，并通过电路转换，输出表示被测装置振动速度和工作温度、且适于长距离传输的电流信号。其主要特点是，一次仪表中的振动传感器采用了半导体振动加速度传感器，这种传感器比常规使用的压电加速度传感器或磁电式速度传感器的体积小，性能和灵敏度更加稳定，频率响应好且范围宽，既易于一次仪表的小型化，又适于长期的使用和监控。经半导体振动加速度传感器测取的设备振动加速度信号，经过信号调理及积分电路的调理变换和积分后，即可转变成为振动信号输出。
本实用新型还可这样实现振动速度和温度组合监控仪中的二次仪表包括有用于将输入的振动速度电流信号和输入的温度电流信号分别变换成适于单片机接收的电压信号的振动速度和温度信号放大及调理电路，用于振动速度信号与温度信号的采集和处理的单片机电路，用于被监控数据的显示和设置工作参数的按键及显示电路，用于发出动作指令、控制执行机构动作的继电器及驱动电路，以及用于为二次仪表中的各部分电路提供直流工作电压的整流稳压电路。
由一次仪表向二次仪表输入的振动速度和工作温度电流信号，先经由振动速度和温度信号放大及调理电路，分别变换成适于单片机接收的电压信号后输入单片机电路，由单片机进行信号处理。本实用新型中的二次仪表，采用了高性价比的单片机作为核心部件，利用其中两个通道的十位A/D转换器采集振动速度信号和温度信号。单片机电路通过软件对振动速度信号进行真有效值的计算和处理，不但节省了有效值转换器件，降低了成本，简化了单片机外围电路，而且计算得到的数据精度高且稳定。单片机电路性价比高、尺寸小，可以得到被测装置振动和温度超标与否的准确判断。另外，单片机电路不但具有较高的工作精度，而且还可有效地抑制瞬间出现的干扰，使得本监控装置的工作可靠性也显著提高。
当单片机判定被测装置的工作温度或者振动速度值大于设置值时，单片机将输出控制信号，驱动继电器动作，转换控制外电路报警，并切断被测装置的电源。当单片机判定被测装置的工作温度低于设定值时，单片机将输出控制信号，使继电器受控动作，转换控制加温设备为被测装置进行加温。
本实用新型由于采用了体积小、灵敏度稳定、且频率响应好、范围宽的半导体振动加速度传感器测取相关信号，采用了体积小、智能性强的单片机电路作为核心部件，因而具有体积小、功能强、稳定可靠和安装方便等特点，并且一次仪表还可装入防爆壳内，以适用特种工作环境的使用需要。本实用新型可广泛应用于多种需要长期振动监控的场合，并可附加温度监控，对减少设备的振动损坏和故障发生，避免设备带故障运行，具有积极的促进作用。经试验表明，本实用新型显示的数据准确、稳定，操作、使用方便，可在工业各领域使用。
图1是本实用新型的结构框图。
图2是本实用新型一次仪表的电原理图。
图3是本实用新型二次仪表的主板电原理图。
图4是本实用新型二次仪表中按键及显示电路部分的电原理图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型的一次仪表部分是半导体振动加速度传感器1接信号调理及积分电路2，通过该电路，将传感器检测的振动加速度信号变换成表示振动速度的电压信号；信号调理及积分电路2的输出接电流变换输出电路3，将振动速度信号变换成4～20mA的电流信号向二次仪表输出；温度采样及调理放大电路4的输出接电流变换输出电路5，将温度信号变换成4～20mA的电流信号，并向二次仪表输出；稳压电路6为上述各部分电路提供直流工作电压。
本实用新型的二次仪表部分是振动速度和温度信号放大及调理电路7的输出接单片机电路8，用于将一次仪表输入的振动和温度电流信号分别变换、调理成适于单片机接收的电压信号；单片机电路8的外围接按键及显示电路9和继电器及驱动电路10；整流稳压电路11为二次仪表中的各部分电路提供直流工作电压。
在本实用新型的二次仪表中还可包括一个用于分别将振动速度信号和温度信号变换成可向上位机输出的4～20mA的电流信号的电流变换输出电路11，以实现监控信号的同步远距离传输和上位集中监控。
一次仪表的一种具体电路结构如图2所示，其上方部分为稳压电路6，该稳压电路的结构是通过插座CZ201的第2脚引入12V交流电压，经过保护二极管D201后，接由电容C201、C202和电感L201组成的滤波电路，滤去传输线引入的干扰，再通过由电容E201、E202、C203和三端稳压集成电路V201连接组成的稳压电路，输出+5V直流工作电压。
图2左边的半导体加速度传感器SEN201采用集成芯片ADXL105，其工作电流为2mA，频率响应为0～12kHz，灵敏度为250mV/g，工作温度为-40℃～85℃，可以满足众多条件下的使用要求。
信号调理及积分电路2是由电阻R201、R202、电位器W201和电容C205与半导体加速度传感器ADXL105内的运算放大器连接，组成交流放大电路，由电容C204、C208、电阻R205、R206和运放U201D连接，组成积分电路。积分电路的低频响应以及积分常数是由电容C204、C208、电阻R205、R206和运放U201D决定，fl1＝1/(2π×C204、R205)，fl2＝1/(2π×C208、R206)。当信号频率f大于fl1和fl2时，积分电路的电压增益Ki＝1/(2πf×R205×C208)。根据电路中对fl1、fl2和Ki的参数要求，即可确定电容C204、C208和电阻R205、R206的参数值。振动加速度信号经过积分电路的积分后，即可转换为振动速度的电压信号。与积分电路中运放U201D的正输入端连接的电阻R203、R204、电位器W202和电容C207，可将运放U201D的静态输出电压调整至合适值，使得在振动速度为零时，其后续的电流变换输出电路3的输出为12mA电流。
电流变换输出电路3是由运放U201A及外接的电阻R207、R208、R209和电容C209以及三极管T201及外接电阻R210、R211、R212和R213连接组成，以将振动速度电压信号转换为标准的4～20mA电流信号，并通过插座CZ201的3脚(ZDSC)输出，再通过传输电缆接至二次仪表的振动信号输入端(ZDSR)。
图2左下方部分为温度采样及调理放大电路4，其中的温度传感器采用标准热电阻CU50。由电阻R213提供热电阻CU50的工作偏置电流，并与电阻R214、R215和电位器W203组成桥路，输出随温度而变化的电压信号。电容C210、C211和C212为滤波电容，可滤去温度电压信号中的干扰。经过运放U201C和外接电阻R216、R217、R218、电位器W204及电容C212、C213组成的调理与滤波放大电路对温度信号的调理和放大后，即可输出到后续的电流变换输出电路5。
电流变换输出电路5与其上方的电流变换输出电路3的电路结构相同，用以将温度采样及调理放大电路4输出的温度电压信号转换成为标准的4～20mA电流信号，并通过插座CZ201的4脚(WDSC)输出，再通过传输电缆接至二次仪表的振动信号输入端(WDSR)。
本实用新型的二次仪表部分的一种具体电路结构如图3和图4所示。
图3的右下方部分为整流稳压电路11，整流稳压电路11是先经插座CZ103引入由变压器提供的3组交流电压，再分别经过整流、滤波和稳压后，得到二次仪表各电路所需的±5V和12V的直流工作电压。
图3的左上方部分为振动速度和温度信号放大及调理电路7，该电路是先通过插座CZ102(图的下底中间)接收由一次仪表输入的4～20mA的振动速度输入信号(ZDSR)和温度输入信号(WDSR)，两输入信号先经过两取样电阻R101和R105取样后，分别得到振动速度和温度的电压信号。振动速度信号经过由运放U101A和外接的电容E110、C102、电阻R102、R103与电位器W101连接组成的交流放大与信号调理电路的放大调理后，即可输出适于单片机电路8接收的振动电压信号。温度信号先通过电阻R105、R106和电容C103进行低通滤波，然后经过由运放U101B和外接的电容C104、电阻R104、R107与电位器W102连接组成的放大与调理电路的放大调理后，即可输出适于单片机电路8接收的温度电压信号。
单片机电路8在图3的上方中部，该电路由Atmega8型单片机U103和常规外接元器件组成。振动速度和温度信号放大及调理电路7将合适的振动电压信号输入到Atmega8单片机的A/D转换器的0通道(ADC0)。由单片机U103对振动速度信号进行采集与处理。单片机的A/D转换器采用均匀采样，间隔为250μs。根据被测对象每次采集点数，可以从2048至8192点，总的周期可在0.5秒至2秒之间。A/D转换器转换时间可设定为65μs，为了得到高转换精度，单片机在A/D转换期间可处于休眠状态。通过对多点数据进行运算，即可得到振动速度的真有效值数据。
单片机U103通过A/D转换器的1通道(ADC1)对温度信号进行多点采集，并采用多点平均算法对温度信号进行计算处理。
继电器及驱动电路10包括有两个驱动三极管T103和T104，三极管T103的基极经电阻R134接单片机U103的14脚，T103的集电极接继电器J101，继电器的触点连线接插座CZ104；三极管T104的基极经电阻R135接单片机U103的17脚，T104的集电极接继电器J102，继电器的触点连线接插座CZ105。在单片机U103的16脚还经电阻R137接三极管T105，T105的集电极接蜂鸣器FMQ。
当温度或者振动速度值大于设置值时，单片机U103将输出控制信号，驱动蜂鸣器发出声响、驱动继电器J101动作，转换控制外电路报警、切断设备电源。当温度值低于设定值时，单片机U103将输出控制信号，驱动继电器J102转换控制加温设备工作。
图3的左下方部分为电流变换输出电路11，用于将振动速度信号和温度信号分别变换成可向上位机输出的4～20mA电流输出信号，包括有两个结构相同的变换输出电路。其中上部为温度信号的4～20mA输出电路，该电路由运放U102A外接电阻R108～R111、电容C105与电位器W103，由运放U102B外接电阻R112～R114、电容C106与电位器W104，由三极管T101外接电阻R115、R116三部分依次连接组成，电阻R127、R128和电容C108为运放U102B提供合适的偏置电压。运放U102A以及外围元件进行温度信号的信号调理，运放U102B以及外围元件将电压信号变换为4～20mA的电流信号输出，接插座CZ102的5脚(WDSC)。在温度的4～20mA电流输出电路下部是结构相同的振动速度信号的4～20mA电流输出电路，电阻R127、R128和电容C108也为运放U102D提供合适的偏置电压。运放U102C以及外围元件进行振动信号的信号调理，运放U102D以及外围元件将电压信号变换为4～20mA的电流信号输出，接插座CZ102的3脚(ZDSC)。
单片机U103将计算得到振动速度有效值，通过15脚利用PWM脉冲宽度调制输出，先经过振动速度信号的4～20mA输出电路中的电阻R117、R118和电容E111进行分压与滤波，然后经过电阻R119、R120、电位器W105和运放U102C进行信号调理，再通过电阻R121～R126、电位器W106、运放U102D和三极管T102，将电压信号变换为4～20mA的电流输出。
图3下底处的插座CZ102通过电缆与一次仪表相连接，其旁边的插座CZ101通过电缆与按键及显示电路9相连接。
本装置二次仪表中的按键及显示电路9的一种实现方式如图4所示。该电路包括有四个按键、两个3位数码管LED301、LED302和数码驱动电路。四个按键为“设置键”SZ、“增加键”ZJ、“减少键”JS和“确认键”QR，分接排电阻PDZ。常规的数码驱动电路驱动两个3位数码管LED301、LED302。本电路的特点是Atmega8单片机U103采用动态扫描方式驱动显示，通过控制三极管T301实现小数点、负温度值的显示。短暂按下“设置键”SZ，可以显示设置数据3秒钟时间，按下“设置键”3秒钟后，前1个数位开始闪烁，此时即可通过“增加键”ZJ和“减少键”JS进行该位参数的设置。此后再按“设置键”SZ，闪烁位开始循环。按下“确认键”QR，或者不再操作而闪烁25次后，即可退出设置状态，并将设置值在单片机U103的EEPROM中保存。
在温度或者振动报警后，蜂鸣器FMQ发出声响，相应的指示灯(发光二极管)JWD、WDD或ZDD闪烁报警，相应的继电器动作。按下“确认键”QR，蜂鸣器声响停止、继电器J101回到初始状态，相应的指示灯发光但不再闪烁，在显示窗口显示出报警时刻的数值3秒钟后，本装置即自动进入循环检测状态。
权利要求1.一种振动速度和温度组合监控仪，由探测并输出信号的一次仪表和接收处理信号并发出动作指令的二次仪表连接组成，其特征在于所述的一次仪表包括有——半导体振动加速度传感器(1)，用于测取振动加速度信号；——信号调理及积分电路(2)，用于将振动加速度信号变换成表示振动速度的电压信号；——温度采样及调理放大电路(4)，用于测取温度信号并将其变换成电压信号；——电流变换输出电路(3，5)，用于分别将振动速度电压信号和温度电压信号变换成4～20mA的电流信号，并向二次仪表输出；——稳压电路(6)，用于为上述各部分电路提供直流工作电压。
2.根据权利要求1所述的振动速度和温度组合监控仪，其特征在于所述的二次仪表包括有——振动速度和温度信号放大及调理电路(7)，用于将输入的振动速度电流信号和输入的温度电流信号分别变换成适于单片机接收的电压信号；——单片机电路(8)，用于振动速度信号与温度信号的采集和处理；——按键及显示电路(9)，用于监控数据的显示和工作参数的设置；——继电器及驱动电路(10)，用于发出动作指令，控制执行机构的动作；——整流稳压电路(11)，用于为二次仪表中的各部分电路提供直流工作电压。
3.根据权利要求2所述的振动速度和温度组合监控仪，其特征在于在二次仪表中还包括有电流变换输出电路(11)，用于分别将振动速度信号和温度信号变换成可向上位机输出的4～20mA的电流信号。
专利摘要本实用新型涉及一种工业用监控装置，具体地说是一种振动速度和温度组合监控仪。其结构是由一次仪表和二次仪表连接组成，一次仪表包括有半导体振动加速度传感器、信号调理及积分电路、温度采样及调理放大电路、电流变换输出电路和稳压电路；二次仪表包括有振动速度和温度信号放大及调理电路、单片机电路、按键及显示电路、继电器及驱动电路和整流稳压电路。本实用新型具有体积小、功能强、稳定可靠和安装方便等特点，可广泛应用于多种需要长期振动监控的场合，并可附加温度监控，对减少设备的振动损坏和故障发生，避免设备带故障运行，具有积极的促进作用。
文档编号G05B9/02GK2888505SQ20062002402
公开日2007年4月11日 申请日期2006年4月7日 优先权日2006年4月7日
发明者祁金玉 申请人:祁金玉