[發(fā)明專利]一種基于開關(guān)電容技術(shù)的新型振動頻率傳感器系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710360165.3
• 申請日: 2017-05-20
• 公開（公告）號: CN108955865A
• 公開（公告）日: 2018-12-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 馬建國;趙升;傅海鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學（青島）海洋工程研究院有限公司
• 主分類號: G01H11/08
• 分類號: G01H11/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種基于開關(guān)電容技術(shù)的新型振動頻率傳感器系統(tǒng)，由壓電能量采集器和信號調(diào)理電路組成。通過壓電能量采集器直接檢測正弦振動，并將該振動轉(zhuǎn)化為相應(yīng)輸出電壓；利用開關(guān)電容電路、脈沖整形器和低通濾波器搭建信號調(diào)理電路；通過信號調(diào)理電路對壓電能量采集器的輸出電壓進行處理，得到一個反映振動頻率大小的輸出電壓信號；以實現(xiàn)正弦振動頻率的直接測量，同時簡化振動傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低使用成本。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于傳感器領(lǐng)域，特別涉及到一種基于開關(guān)電容技術(shù)的新型振動頻率傳感器系統(tǒng)。

背景技術(shù)

機械振動現(xiàn)象普遍存在于生產(chǎn)、生活的方方面面，人們期望控制機械振動以更好地服務(wù)于人類的生產(chǎn)、生活。但是大多數(shù)情況下，機械振動是無法控制的而且是有害的，例如：機械軸承的摩擦或偏心將會導致高速精密主軸產(chǎn)生振動，進而影響精密加工的精度；機械共振會加劇機器和旋轉(zhuǎn)部件的振動，導致機械故障，甚至破壞整個生產(chǎn)系統(tǒng)，造成經(jīng)濟損失、人員傷亡、環(huán)境污染等嚴重后果。為減少機械振動的危害，保證機械設(shè)備安全可靠運行，機械振動的實時監(jiān)測和機械故障的早期診斷是十分重要的。目前，常用的機械振動實時監(jiān)測和分析方法包括：振動測量和分析、油樣分析、探傷檢驗、噪聲檢測等，在上述方法中振動測量和分析是一種比較有效的方法。

近年來，市面上出現(xiàn)了多種形式的振動傳感器，大體上可分為兩類：非接觸式傳感器系統(tǒng)和接觸式傳感器系統(tǒng)。其中非接觸式傳感器系統(tǒng)多由電容、電感、光學元件等組成，在某種程度上取得了一定的效果。但是仍有諸多問題需要解決，例如基于電容和電感的傳感器系統(tǒng)抗電磁干擾性能較差；基于光學元件的傳感器系統(tǒng)容易受粗糙表面、不透明氣體、灰塵等因素的影響；另外，非接觸式傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復雜、成本較高。相對而言，接觸式傳感器系統(tǒng)則是采用一些傳感器如加速度計或探針測量物體表面的振動，與非接觸式傳感器系統(tǒng)相比，接觸式傳感器系統(tǒng)相對比較簡單、成本較低、同樣可以獲得較好的效果。

然而，現(xiàn)有的振動頻率傳感器系統(tǒng)，無論是接觸式還是非接觸式，都存在以下缺陷：

（1）振動傳感器系統(tǒng)大多數(shù)直接測量振動的位移、速度和加速度，而無法直接反映振動頻率的大??；

（2）為了從這些常見的振動傳感器系統(tǒng)中獲取頻率信息，必須增加額外的轉(zhuǎn)換或處理單元，導致系統(tǒng)更加復雜、冗余，增加了使用成本。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有振動頻率傳感器系統(tǒng)存在的問題，本發(fā)明一種基于開關(guān)電容技術(shù)的新型振動頻率傳感器系統(tǒng)，由壓電能量采集器和信號調(diào)理電路組成。通過壓電能量采集器直接檢測正弦振動，并將該振動轉(zhuǎn)化為相應(yīng)輸出電壓；利用開關(guān)電容電路、脈沖整形器和低通濾波器搭建信號調(diào)理電路；通過信號調(diào)理電路對壓電能量采集器的輸出電壓進行處理，得到一個反映振動頻率大小的輸出電壓信號；以實現(xiàn)正弦振動頻率的直接測量，同時簡化振動傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低使用成本。

一種基于開關(guān)電容技術(shù)的新型振動頻率傳感器系統(tǒng)，如圖1所示，包括：壓電能量采集器和信號調(diào)理電路。

所述壓電能量采集器采用壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)，壓電能量采集器被夾鉗固定在振動臺上。函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生一個正弦輸出信號，經(jīng)過功率放大器放大后輸入到振動臺產(chǎn)生相應(yīng)的正弦振動，以此方式，振動臺為壓電懸臂梁提供確定頻率下的正弦振動。受輸入正弦振動激勵的影響，基于壓電效應(yīng)，壓電懸臂梁上下兩層的壓電材料因振動而產(chǎn)生拉伸或壓縮形變，形成正弦輸出電壓。因而，壓電能量采集器可以將正弦振動頻率轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的正弦輸出電壓。

所述信號調(diào)理電路由開關(guān)電容電路、脈沖整形器和低通濾波器組成，可用于處理壓電能量采集器的正弦輸出電壓，并輸出一個與振動頻率大小相關(guān)的電壓信號。