一种基于开关电容技术的新型振动频率传感器系统的制作方法

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。

技术实现要素：

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。

所述脉冲整形器，如图3所示，与开关电容电路相连接，主要包括：微分电路、电压比较器、单稳态触发器，三者依次相连。所述微分电路将开关电容电路输出电压信号转化成周期性尖脉冲信号，微分电路中电容和电阻的具体数值由振动频率和时间常数决定。时间常数和振动周期应满足如下关系：，这样在开关电容电路信号的上升和下降沿，微分电路的输出电压就会出现较高的脉冲尖峰，从而有利于后级电压比较器处理；所述电压比较器，与微分电路相连，通过比较尖脉冲和直流参考电压，可将尖脉冲转化成矩形脉冲，该矩形脉冲的脉宽随振动频率发生变化，为了获得较好的转换效果，直流参考电压应小于50mV；所述单稳态触发器，与电压比较器相连，位于脉冲整形器的末端，可将脉宽变化的矩形脉冲转化成脉宽固定的矩形脉冲，利用该单稳态触发器可以得到脉宽和高电平固定不变的周期性矩形脉冲。综上所述，通过脉冲整形器可以将开关电容电路的输出电压转换为脉宽和高电平固定的矩形脉冲。

所述低通滤波器，如图4所示，位于信号调制电路的末端，由一阶滤波器和二阶Sallen-Key低通滤波器组成。低通滤波器可用于滤除脉宽和高电平固定的矩形脉冲中的交流分量以提取其直流分量，进而获得振动频率的具体数值。

从理论上分析，正弦振动频率的获取过程如下：

脉宽和高电平固定的周期性矩形脉冲具体数学表达式为：

其中，表示脉冲宽度，表示周期，为输出电压高电平。函数的傅里叶级数形式可表示为：

从上式可以看出脉宽和高电平固定的周期性矩形脉冲的直流分量与脉冲宽度、周期、输出电压高电平有关。在振动过程中，若能保证和不变，则直流分量仅仅与周期有关，这样振动频率就可由直流分量确定。

三阶Sallen-Key低通滤波器传递函数的具体形式为：

其中，为一阶RC滤波器的截止频率，为二阶Sallen-Key滤波器的截止频率，为衰减系数。取值为0.707，以获得最大的通带频率响应；和的取值可为振动频率的，以获得较好的滤波效果。

如上所述，低通滤波器可以提取直流分量，通过直流分量计算振动频率的方法如下：

一种基于开关电容技术的新型振动频率传感器系统，其结构相对比较简单；使用成本较低；而且无需增加额外的转换或处理单元就可以直接测量正弦振动频率；同时该传感器系统在较宽的频率范围内获得比较理想的测量结果。

附图说明

图1是本实用新型基于开关电容技术的新型振动频率传感器系统结构示意图；

图2是本实用新型所述开关电容电路原理示意图；

图3是本实用新型所述脉冲整形器原理示意图；

图4是本实用新型所述低通滤波器原理示意图；

图5是实验装置结构示意图。

具体实施方式

所述具体实施例的实验装置如图5所示，包括：数字示波器、函数信号发生器、信号调理电路、功率放大器、压电能量采集器、振动台、驱动电源等。

所述具体实施例中振动频率范围是200Hz到500Hz，根据频率最小值，截止频率和的优选取值为10Hz。

所述压电能量采集器通过夹钳固定在振动台上。

所述信号调理电路包括开关电容电路、脉冲整形器和低通滤波器。

所述函数信号发生器用于产生正弦信号，其中一路作为开关脉冲输入到信号调理电路，另外一路通过功率放大器作用于振动台，为压电能量采集器提供稳定的正弦振动。

所述数字示波器用于测量和显示信号调理电路的输出电压，鉴于振动频率与输出电压成比例关系，所以根据输出电压可以直接得到振动频率。

具体实施方式如下：

函数信号发生器产生标准的正弦信号，经功率放大器放大后，作用于振动台；振动台会进行规律的正弦振动；固定于振动台上的压电能量采集器受正弦振动的影响，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，形成正弦输出电流。此输出电流首先通过开关电容电路，当电流通过零点或符号发生变化时，开关电容电路的输出电压会发生变化，以实现对振动频率的跟踪。开关电容电路的输出电压经脉冲整形器和低通滤波器，进行脉宽固定和滤波处理，得到能够反映振动频率大小的直流分量，并在数字示波器上显示。