振動(dòng)變送器的研究與實(shí)現(xiàn)

　　摘 要：在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的服役期間，振動(dòng)變送器的故障一直是較常出現(xiàn)的瑕疵之一，
　　而且振動(dòng)變送器的價(jià)格相對(duì)較高。本論文以解決振動(dòng)變送器故障頻發(fā)和造價(jià)高的問(wèn)題為目的，對(duì)此器件進(jìn)行研究。從振動(dòng)變送器的輸入信號(hào)、輸出信號(hào)以及所承擔(dān)的功能入手，設(shè)計(jì)硬件電路結(jié)構(gòu)。其中系統(tǒng)包括：電源模塊、低通濾波模塊、整流模塊、疊加模塊以及共模抑制放大模塊。電路采用低功耗的集成運(yùn)算放大器TL062實(shí)現(xiàn)功能，基于Altium Designer軟件設(shè)計(jì)原理圖和PCB板。最終完成電路板的焊接、組裝以及測(cè)試。通過(guò)測(cè)試證明，本論文所設(shè)計(jì)的振動(dòng)變送器提高了器件的可靠性，并且成本降到了原本的六分之一以下，為測(cè)振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了新的思路。
　　關(guān)鍵詞：振動(dòng)變送器；燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組；運(yùn)算放大器；Altium Designer
　　1 課題背景
　　振動(dòng)變送器如圖1所示，從屬于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)，同燃機(jī)水平、垂直振子（即水平、垂直振動(dòng)傳感器）共同組成測(cè)振部件，為PLC提供標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)。
　　燃機(jī)水平、垂直振動(dòng)傳感器屬于飛機(jī)附件，分別水平和垂直的安裝在燃機(jī)的燃燒室機(jī)匣上，如圖2所示。
　　他們分別負(fù)責(zé)測(cè)量燃機(jī)水平和垂直的振動(dòng)值大小[1]。振動(dòng)傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似彈簧振子，是用一根輕彈簧一端固定，另一端連結(jié)一個(gè)質(zhì)點(diǎn)。而振動(dòng)傳感器內(nèi)部分布有磁感線，當(dāng)質(zhì)點(diǎn)感受到振動(dòng)的時(shí)候就會(huì)往返的做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，振動(dòng)的同時(shí)切割磁感線，根據(jù)麥克斯韋原理，在質(zhì)點(diǎn)的兩端就產(chǎn)生了感應(yīng)電壓。這樣振動(dòng)傳感器就把輸入的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。振動(dòng)傳感器感受到的振動(dòng)越大，感應(yīng)產(chǎn)生的交流電壓幅值也就越大。振動(dòng)傳感器能準(zhǔn)確測(cè)量振動(dòng)的范圍為0g-5g，對(duì)應(yīng)輸出的電壓信號(hào)為252Hz，0-0.386V的交流電壓信號(hào)，如圖3所示。
　　燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的主控器件PLC采集振動(dòng)值的模擬量輸入模塊，對(duì)交流的電壓信號(hào)是無(wú)法識(shí)別的。模擬量輸入模塊能夠識(shí)別的模擬量信號(hào)為4-20mA的電流信號(hào)或者1-10V的電壓信號(hào)。所以在振動(dòng)傳感器和模擬量輸入模塊之間就需要振動(dòng)變送器把交流的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成PLC能夠識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)的直流電壓信號(hào)。振動(dòng)變送器的輸入為252Hz，0-0.386V的交流電壓信號(hào)，輸出為0-1.555V的直流電壓信號(hào)。這也正是本論文的論題，研究與實(shí)現(xiàn)完成此功能的振動(dòng)變送器。
　　2 總體方案
　　2.1 電源方案
　　由于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組能夠提供的直流電壓是24V，而模擬電路尤其是在信號(hào)處理時(shí)采用的運(yùn)算放大器，需要使用12V的直流電。所以設(shè)計(jì)穩(wěn)定、可靠的電源模塊是完成振動(dòng)變送器設(shè)計(jì)的前提條件。
　　本論文采用迪龍公司的DLM10-24S12，它擁有抗震性設(shè)計(jì)，滿足國(guó)軍標(biāo)的要求可做車載電源使用，并且它加強(qiáng)了電磁兼容設(shè)計(jì)，可在強(qiáng)電磁環(huán)境工作。
　　2.2 信號(hào)處理方案
　　根據(jù)振動(dòng)變送器對(duì)信號(hào)處理的要求，本論文主要采用集成運(yùn)算放大器，完成濾波、整流、放大等功能的電路設(shè)計(jì)。集成運(yùn)算放大器是由多級(jí)直接耦合放大電路組成的高增益模擬集成電路。它的增益高（可達(dá)60～180dB），輸入電阻大（幾十千歐至百萬(wàn)兆歐），輸出電阻低（幾十歐），共模抑制比高（60～170dB），失調(diào)與飄移小，而且還具有輸入電壓為零時(shí)輸出電壓亦為零的特點(diǎn)，適用于正，負(fù)兩種極性信號(hào)的輸入和輸出[2]。
　　3 電路設(shè)計(jì)
　　以下對(duì)電源模塊、低通濾波模塊、整流模塊、疊加模塊以及共模抑制模塊的電路及原理進(jìn)行分別表述。
　　3.1 電源模塊
　　在采用迪龍公司DLM10-24S12電源的同時(shí)，本論文采用了兩個(gè)極性電容C30，C31。分別連接在+12V和-12V的輸出端，共同組成電源模塊，如圖4所示。其中加在電源旁的電容C30，C31所起到的作用主要為實(shí)現(xiàn)旁路、去藕、濾波和儲(chǔ)能。在1，2引腳間輸入24V直流電，在4，5引腳間產(chǎn)生穩(wěn)定的+12V電壓；在4，3引腳間產(chǎn)生-12V電壓。通過(guò)此電壓模塊可以產(chǎn)生穩(wěn)定、可靠的±12V電壓。
　　3.2 低通濾波模塊
　　振動(dòng)變送器的輸入信號(hào)來(lái)源于振動(dòng)傳感器。由于振動(dòng)傳感器自身的精準(zhǔn)度以及傳輸過(guò)程中的干擾，振動(dòng)傳感器輸出的交流電壓信號(hào)中很容易夾雜高頻的干擾信號(hào)。如果這樣的信號(hào)不經(jīng)過(guò)濾波，而直將這樣的信號(hào)送給PLC，將使測(cè)振系統(tǒng)失去準(zhǔn)確性，擾亂PLC控制程序，甚至損壞振動(dòng)變送器或者PLC。所以要在交流電壓信號(hào)變換之前進(jìn)行濾波，濾除高頻的噪聲信號(hào)。
　　3.3 整流模塊
　　振動(dòng)變送器的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)最大的區(qū)別就在于把交流的電壓信號(hào)變?yōu)橹绷鞯碾妷盒盘?hào)。所以整流模塊是振動(dòng)變送器的核心部分。典型的整流策略采用四組二極管，利用二極管的單向?qū)щ娦詷?gòu)成橋式整流電路，進(jìn)而把交流電變成直流電。但是振動(dòng)變送器的交流電壓信號(hào)最大的幅值只有0.386V，十分微弱，如果直接整流成毫伏級(jí)電壓信號(hào)的話，將極易受到外界信號(hào)的干擾而使測(cè)振系統(tǒng)失效。
　　4 振動(dòng)變送器的測(cè)試
　　針對(duì)振動(dòng)變送器的功能要求和使用條件，振動(dòng)變送器的測(cè)試主要從：輸出信號(hào)的穩(wěn)定性和線性度方面進(jìn)行測(cè)試。
　　首先從兩路通道中任選一路進(jìn)行檢驗(yàn)。本論文從通道1開(kāi)始測(cè)試。在引腳+12V和GND之間輸入+24V的直流電壓。用信號(hào)發(fā)生器模擬振動(dòng)傳感器的輸入信號(hào)，在振動(dòng)變送器的Vi1+和Vi1-引腳之間輸入0.386V，252Hz的正弦波信號(hào)，模擬燃機(jī)5g振動(dòng)的效果。用示波器采集引腳Vo1+和Vo1-之間的輸出信號(hào)。觀察輸出信號(hào)是否穩(wěn)定，并調(diào)節(jié)電位器R22，使輸出電壓為1.555V。再次觀察輸出信號(hào)是否穩(wěn)定。關(guān)閉示波器，使通道1的Vi1+和Vi1-引腳之間沒(méi)有信號(hào)輸入，用示波器采集Vo1+和Vo1-之間的輸出信號(hào)，調(diào)節(jié)電位器R23使輸出電壓為零，達(dá)到有效共模抑制的效果，觀察輸出信號(hào)是否穩(wěn)定。圖15為振動(dòng)變送器通道1，穩(wěn)定輸出1.555V的電壓信號(hào)。采用此策略多次模擬0g-5g的輸入信號(hào)，檢查振動(dòng)變送器通道1的線性度。
　　再次選擇通道2，采用通道1的測(cè)試手段，調(diào)節(jié)電位器R20和R21。測(cè)試通道2的穩(wěn)定性和線性度。
　　6 結(jié)束語(yǔ)
　　至此振動(dòng)變送器已經(jīng)全部設(shè)計(jì)完成。通過(guò)對(duì)兩通道的測(cè)試，證明此振動(dòng)變送器符合測(cè)振系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性和線性度的要求，可以在東安燃機(jī)發(fā)電機(jī)組上配套使用。
　　此振動(dòng)變送器的設(shè)計(jì)方案更多考慮了電源的可靠性，在信號(hào)的處理過(guò)程中，增加了濾波和共模抑制等模塊，大大地提高了信號(hào)處理電路的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)此設(shè)計(jì)方案大大地降低了振動(dòng)變送器的成本，價(jià)格低于購(gòu)買原來(lái)振動(dòng)變送器價(jià)格的六分之一。
　　應(yīng)用此振動(dòng)變送器，為東安東安燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的技術(shù)革新和私有化以及穩(wěn)定、順利的服役提供了進(jìn)一步的保障。
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　　作者簡(jiǎn)介
　　高金�。�1984-），男，黑龍江省哈爾濱市人，民族：漢 職稱：工程師，學(xué)歷：碩士研究生。研究方向：電路與系統(tǒng)。單位：通用電氣。

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