陳至坤, 逄 鵬, 王福斌, 王 一

(河北聯(lián)合大學(xué) 電氣工程學(xué)院,河北 唐山 063009)

0 引 言

壓電加速度傳感器屬于慣性傳感器，借助特殊介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)特點,當壓電材料受力發(fā)生形變時，其表面會產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量測量。壓電式加速度傳感器具有動態(tài)范圍大、頻率范圍寬、靈敏度高、質(zhì)量輕、體積小等特點，因此,成為最常用的振動測量傳感器。在核爆炸、鐵路、橋梁、地質(zhì)、石油、自動控制、導(dǎo)航制導(dǎo)和機器人等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1,2]。

天車(橋式起重機)在室內(nèi)外倉庫、廠房、碼頭和露天貯料場等處得到廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)大多數(shù)天車沒有安裝自動監(jiān)測系統(tǒng)，少數(shù)能夠定位天車的位置，但定位精度低，給生產(chǎn)帶來了諸多不便。

針對上述問題，本文將壓電加速度傳感器應(yīng)用到天車上，構(gòu)成的天車監(jiān)測系統(tǒng)能夠監(jiān)測到天車在任意時刻的運行狀態(tài)和位置參數(shù)，實現(xiàn)了天車吊運系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

1 壓電加速度傳感器

1.1 壓電加速度傳感器的原理

壓電加速度傳感器又稱壓電加速度計，是由質(zhì)量塊、壓電元件和支座組成，如圖1所示。支座與待測物(大車、小車的機匣)剛性的固定在一起。當待測物運動時，支座與待測物以同一加速度運動，壓電元件受到質(zhì)量塊與加速度相反方向的慣性力作用，在晶體的2個表面上產(chǎn)生變化的電荷。當振動頻率遠低于傳感器的固有頻率時，傳感器的輸出電荷將正比于作用力[3]。

1.2 測點的選擇

天車的振動測量，首先應(yīng)選擇合適的測振點安裝加速度傳感器。由于受到外界條件的限制和傳感器技術(shù)水平有限，傳感器受溫度、體積和電纜噪聲的影響，只能將測振點選擇在小車和大車的外部機匣上，此時，傳感器測出的振動信號能準確地反映天車的運行狀況，同時避免了電纜噪聲的影響[4]。

圖1 壓電加速度傳感器原理圖

2 天車振動信號采集系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

機械振動頻率有時很高，根據(jù)香農(nóng)采樣定理的要求，需要較高的采樣頻率才能夠?qū)崿F(xiàn)振動信號的準確測量。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，傳感器采用Lance公司的LC0103內(nèi)置IC壓電加速度傳感器，配合使用LC0207信號調(diào)理器進行振動參數(shù)的檢測和信號調(diào)理；數(shù)據(jù)采集模塊采用研華PCI—1710數(shù)據(jù)采集卡對傳感器信號進行高速采集。數(shù)據(jù)采集卡通過PCI接口插入研華工控機，構(gòu)成系統(tǒng)的硬件平臺，上位機使用虛擬儀器開發(fā)工具LabVIEW8.6進行軟件開發(fā)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對大車、小車振動參數(shù)測量、顯示、存儲和分析，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2.2 硬件系統(tǒng)構(gòu)成

2.2.1 壓電加速度傳感器

LC0103內(nèi)裝IC壓電加速度傳感器由壓電加速度傳感器和微型IC放大器組成，壓電傳感器采用隔離剪切和三角剪切結(jié)構(gòu)；微型IC放大器的基本組成為MOS場效應(yīng)管，并由輸入端的高阻值電阻器與傳感器電容構(gòu)成一個一階高通濾波器，并由此確定傳感器測量中的低頻截止頻率。該傳感器的特點是低阻抗輸出，抗干擾強，噪聲小，可以長電纜輸出；性價比高，尤其適用于多點測量；傳感器前端有安裝螺紋孔，用于安裝磁性或其它固件表面上，穩(wěn)定性高，能在惡劣環(huán)境下使用。LC0103內(nèi)裝IC壓電加速度傳感器的靈敏度為50 mV/gn，量程為100gn，頻率范圍為0.35～10 000 Hz(±10 %)。

2.2.2 信號調(diào)理電路

內(nèi)裝IC壓電加速度傳感器要求電源不是恒壓源，而是恒流源，典型值為24 V,4 mA。它輸出的被測交流振動加速度信號是疊加在加速度傳感器的8～12 V直流偏壓上，不便直接采用。LC0207恒流源模塊是為LC01系列的壓電加速度傳感器進行信號調(diào)理而設(shè)計的，具有調(diào)理頻率范圍寬、體積小等特點[5]。

2.2.3 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡選用研華的PCI—1710多功能數(shù)據(jù)采集卡，符合PCI規(guī)格Rev2.1標準，支持即插即用，所有與總線相關(guān)的配置，比如基地址、中斷，均由即插即用功能完成。該卡為16路單端或8路差分模擬量輸入，或組合方式輸入；12位A/D轉(zhuǎn)換器，采樣速率可達100 kHz，能夠滿足一般振動測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集；每個通道的增益可編程；單端或差分輸入自由組合，是功能強大的數(shù)據(jù)采集卡。

3 軟件設(shè)計

本測控系統(tǒng)軟件主要采用LabVIEW8.6，通過程序設(shè)計實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、顯示存儲和數(shù)據(jù)處理程序。具體程序采集流程參考圖3。

圖3 程序流程圖

數(shù)據(jù)采集程序是對傳感器信號進行高速采集；顯示存儲程序是將數(shù)據(jù)直觀顯示并保存；數(shù)據(jù)處理程序是實現(xiàn)采集信號的后續(xù)分析[6]；利用數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動程序中封裝的LabVIEW編程工具包，同時帶有大量的例程供參考，編程時可直接調(diào)用子VI或?qū)踢M行適當?shù)男薷募纯?。PCI—1710數(shù)據(jù)采集卡支持的采集方式包括軟件觸發(fā)模擬量采集、單通道中斷模擬量采集和多通道中斷模擬量采集。軟件觸發(fā)模式采集速度較慢，單通道中斷方式僅適用于單個傳感器連接，擴展性不強，因此,為保證振動參數(shù)的準確檢測，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采集，程序采用多通道中斷模擬量采集方式編程，由于數(shù)據(jù)的存儲速度小于數(shù)據(jù)的采集速度，這樣產(chǎn)生了沖突，為解決這一問題，利用LabVIEW中的隊列技術(shù)將高速采集的數(shù)據(jù)由采集程序內(nèi)部傳遞至存儲和顯示程序模塊中。隊列輸出的數(shù)組類型為二維數(shù)組，利用數(shù)組索引將數(shù)組每一行數(shù)據(jù)導(dǎo)出，即為對應(yīng)端口采樣數(shù)據(jù)。在LabVIEW中，可采用文本文件、數(shù)據(jù)記錄Datalog文件、二進制文件、波形數(shù)據(jù)文件和測試數(shù)據(jù)文件等5種文件格式存儲或者獲得數(shù)據(jù)。為了處理數(shù)據(jù)方便和減少數(shù)據(jù)處理的時間，本文采用了Microsoft的鏈接方式，數(shù)據(jù)直接存儲為Excel文件，方便了對數(shù)據(jù)的處理，能及時將采集的數(shù)據(jù)存入計算機中，采集與保存并行，可以有效提高采集速度[7]。

4 實驗結(jié)果

為驗證壓電加速度傳感器在天車吊運系統(tǒng)上的實用性，在天車模型平臺上進行實驗。

根據(jù)加速度傳感器的輸出電壓值，并利用靈敏度、輸出電壓和加速度的關(guān)系求解小車、大車的實際加速度；也可根據(jù)加速度值進一步積分求解大車、小車的速度和位置，實現(xiàn)大車、小車的運動狀態(tài)監(jiān)測。采集來的部分加速度數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實驗數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

本文將壓電加速度傳感器首次應(yīng)用到天車監(jiān)測系統(tǒng)中。首先，對傳感器進行校正，并針對測點的選擇進行了有效的分析，提高了傳感器數(shù)據(jù)的采集精度；其次，給出了監(jiān)測系統(tǒng)從硬件的選型到上位機軟件的設(shè)計方法。該測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，可移植性強，適用于各種機械振動參數(shù)的測試；軟件平臺適用性與擴展性強，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)封裝后可在不同測試系統(tǒng)中調(diào)用。本文對大車和小車的運行狀態(tài)能達到實時監(jiān)測，對傳感器獲得的振動信號進行有效分析。根據(jù)振動信號可以對天車的運行狀況做出及時有效的調(diào)整與維護，使天車能在安全、穩(wěn)定的狀態(tài)下運行。

參考文獻:

[1] 殷紅彩.壓電加速度傳感器測量電路的研究[D].合肥:安徽大學(xué)，2007.

[2] 薛 洋.基于單個加速度傳感器的人體運動模式識別[D].廣州:華南理工大學(xué)，2011.

[3] 高迎慧,孫海淇,楊義葵.基于壓電加速度傳感器的井下機車定位系統(tǒng)[J].壓電與聲光，2012,34(5)：782-784.

[4] 陸兆峰,曹源文,秦 旻.壓電加速度計在工程測振中的應(yīng)用分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2008,27(4):643-646.

[5] 邢麗娟,楊世忠.壓電加速度測量系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 壓電與聲光,2009,31(2):215-217.

[6] 李智慧,姜印平,邵 磊.新型壓電加速度傳感器[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2003,16(3):345-347.

[7] 郭山國,任立軍,王國章,等.基于LabVIEW和PCI—1710的虛擬儀器系統(tǒng)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器，2011(10):35-37.