王占友 何 琳（海軍工程大學(xué)振動(dòng)與噪聲研究所船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室武漢430033）

IEPE型智能加速度傳感器的設(shè)計(jì)?

王占友 何 琳
（海軍工程大學(xué)振動(dòng)與噪聲研究所船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室武漢430033）

加速度傳感器廣泛應(yīng)用于故障診斷、振動(dòng)測(cè)試等領(lǐng)域，但目前普遍采用的是普通型的加速度傳感器，這種加速度傳感器不具備現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)功能和數(shù)據(jù)表窗口功能，導(dǎo)致加速度測(cè)試的自動(dòng)化程度不高。針對(duì)這種情況，論文提出了一種IEPE型智能加速度傳感器方案，有效解決了傳感器內(nèi)部模塊供電、模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的混合傳輸、抗干擾等關(guān)鍵技術(shù)難題，采用低功耗、小型化的理念設(shè)計(jì)了自校驗(yàn)功能模塊和數(shù)據(jù)表窗口功能模塊，并將二者集成于傳感器內(nèi)部，從而滿足了實(shí)際工程應(yīng)用的需求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，論文設(shè)計(jì)的IEPE型智能加速度傳感器具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、智能化程度高的特點(diǎn)，可有效提高加速度測(cè)試的自動(dòng)化水平。

智能加速度傳感器；自校驗(yàn)；電子數(shù)據(jù)表

Class Num ber TP212.6

1 引言

加速度傳感器廣泛應(yīng)用于故障診斷、振動(dòng)測(cè)試、振動(dòng)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域［1~3］，對(duì)于加速度信號(hào)的采集、分析與處理是確定設(shè)備工作狀態(tài)的重要依據(jù)，通過對(duì)該信號(hào)的分析可以提取故障特征、了解設(shè)備的固有特征、觀察設(shè)備的振級(jí)趨勢(shì)等［4~5］。但目前大部分采用的是普通型的加速度傳感器［6~10］，采集裝置為其提供恒流電源，加速度傳感器在偏壓的基礎(chǔ)上疊加由內(nèi)部前置放大器轉(zhuǎn)換的反應(yīng)振動(dòng)信號(hào)的交變電壓信號(hào)，采集裝置去除直流偏壓后采集交流信號(hào)。顯然，該型加速度傳感器完全處于開環(huán)狀態(tài)，不能及時(shí)反映傳感器內(nèi)部故障，當(dāng)傳感器精度發(fā)生飄移時(shí)，外部采集裝置就會(huì)采集到錯(cuò)誤信號(hào)，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果錯(cuò)誤，從而嚴(yán)重影響后續(xù)的數(shù)據(jù)分析、故障判斷等。此外，由于加速度傳感器的校驗(yàn)靈敏度差別較大，如果想得到準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果，必然要求采集裝置分別設(shè)置各個(gè)加速度傳感器的靈敏度，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)需要布置的加速度傳感器數(shù)量較多且分布較廣時(shí)，該項(xiàng)工作勢(shì)必非常繁冗復(fù)雜且容易出錯(cuò)。因此，需要設(shè)計(jì)一種智能型加速度傳感器，使其具備自校驗(yàn)功能、電子數(shù)據(jù)表窗口功能，能夠在現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)對(duì)傳感器進(jìn)行校驗(yàn)，并且傳感器可內(nèi)置靈敏度等主要信息，采集裝置可以現(xiàn)場(chǎng)讀取各個(gè)傳感器的信息分別進(jìn)行設(shè)置，從而可大大提高加速度檢測(cè)的效率、靈活性及準(zhǔn)確性，有效提高加速度傳感器的智能化水平。

2 方案設(shè)計(jì)

普通的加速度傳感器如圖1所示。該傳感器主要由壓電晶體和前置放大器兩部分組成，工作時(shí)由外部恒流供電，振動(dòng)信號(hào)疊加在偏置電壓上輸出至采集裝置，采集裝置經(jīng)過隔直處理后進(jìn)行采集。該傳感器不具備自校驗(yàn)功能和電子數(shù)據(jù)表窗口功能。

本文設(shè)計(jì)的智能加速度傳感器對(duì)傳統(tǒng)加速度傳感器進(jìn)行了重大改進(jìn)，使其具備自校驗(yàn)功能和電子數(shù)據(jù)表功能，有效提高其智能化水平。采用智能加速度傳感器后的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。該系統(tǒng)仍然包含智能型加速度傳感器及采集裝置兩個(gè)部分。為了不增加現(xiàn)場(chǎng)布線的數(shù)量，兩個(gè)部分之間的連接仍然采用兩線制，模擬信號(hào)的采集與通信的功能采用分時(shí)復(fù)用的方式實(shí)現(xiàn)。智能加速度傳感器的內(nèi)部除了傳統(tǒng)加速度傳感器內(nèi)部的壓電晶體模塊與前置放大器模塊兩部分外，增加了微控制器模塊、電平轉(zhuǎn)換模塊、恒流監(jiān)測(cè)模塊、恒壓源模塊、儲(chǔ)能模塊、充電模塊、精密信號(hào)發(fā)生電路模塊、標(biāo)準(zhǔn)電容模塊、信號(hào)源切換控制模塊、前置放大器模塊、供電通信切換控制模塊，各個(gè)模塊均采用低功耗、小型化器件。這些模塊以微控制器模塊為核心，根據(jù)采集裝置的要求在傳輸模擬信號(hào)狀態(tài)與數(shù)字通信狀態(tài)兩者之間進(jìn)行切換。

智能加速度傳感器與采集裝置之間通信采用485電平，提高通信的抗干擾能力，保證通信的可靠性，滿足實(shí)際工程應(yīng)用的要求，通信時(shí)內(nèi)部與外部的電平轉(zhuǎn)換由傳感器內(nèi)部的通信電平轉(zhuǎn)換模塊完成。智能傳感器與采集裝置的通信握手，可采用事先定義好的雙方認(rèn)可并遵守的通信協(xié)議。

模擬部分主要由兩部分組成：校驗(yàn)部分與壓電晶體信號(hào)轉(zhuǎn)換部分。校驗(yàn)部分主要是對(duì)傳感器的前置放大器進(jìn)行校驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)的校驗(yàn)信號(hào)由精密信號(hào)發(fā)生電路模塊產(chǎn)生，再由標(biāo)準(zhǔn)電容模塊耦合到前置放大器上，由于信號(hào)頻率及強(qiáng)度均為事先定義的，因此前置放大器的輸出也應(yīng)該為一預(yù)期定值，由此可實(shí)現(xiàn)對(duì)前置放大器的現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)。當(dāng)傳感器正常工作時(shí)，前置放大器的輸入接在壓電晶體的輸出上，實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度信號(hào)的轉(zhuǎn)換與傳輸。這兩者之間的切換由內(nèi)部的微控制器模塊根據(jù)采集裝置的指令進(jìn)行切換。

其它的輔助模塊包括恒流監(jiān)測(cè)模塊、恒壓源模塊、儲(chǔ)能模塊、充電模塊等，這些模塊不是核心功能模塊，但也是必不可少的部分，輔助核心功能模塊完成其功能。其中充電模塊、儲(chǔ)能模塊及恒壓源模塊屬于輔助電源模塊，主要完成電能的存儲(chǔ)及恒流源與恒壓源的轉(zhuǎn)換。這是由于前置放大器需要恒流源供電，而傳感器內(nèi)部的其它模塊需要恒壓源供電，因此在不增加電源的情況下需要將恒流源轉(zhuǎn)換為恒壓源。

3 主要功能模塊的設(shè)計(jì)如下

1）微控制器模塊的設(shè)計(jì)

微控制器模塊是智能加速度傳感器的核心模塊，根據(jù)采集裝置的指令完成任務(wù)調(diào)度控制，實(shí)現(xiàn)自校驗(yàn)功能及傳感器電子數(shù)據(jù)表窗口功能。由于該模塊是集成于傳感器的內(nèi)部，因此盡量選用小型化、低功耗的微控制器，同時(shí)應(yīng)具備通信接口、內(nèi)部集成flash及IO接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊等，因此選用恩智浦Kinetis Mini MCU單片機(jī)，具體型號(hào)為MKL26Z128CAL4R。

2）精密信號(hào)發(fā)生電路模塊的設(shè)計(jì)

精密信號(hào)發(fā)生電路模塊發(fā)生一定頻率及幅度的正弦交流信號(hào)，提供對(duì)前置放大器進(jìn)行校驗(yàn)的信號(hào)?？梢圆捎脤ｉT的波形發(fā)生器集成芯片，如ICL8038、MAX038、XR-2206。這些芯片集成有各種波形（如正弦波、方波、三角波）的強(qiáng)大功能，三種芯片的對(duì)比如表1所示。

表1 三種信號(hào)發(fā)生芯片的參數(shù)對(duì)比

由于是恒流源供電，故盡可能選擇供電電源小的器件，同時(shí)溫度范圍盡可能寬、尺寸盡可能小。從耗電、尺寸、溫度方面考慮，集成芯片的方案不可選。為此，可選擇基于運(yùn)放的文氏電橋振蕩電路設(shè)計(jì)方法。文氏電橋正弦波振蕩電路，也稱為RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)正弦波振蕩電路。典型的電路如圖3所示。振蕩頻率決定于選頻網(wǎng)絡(luò)，即R和C。理論上，利用文氏電橋振蕩電路可產(chǎn)生不高于1MHz的正弦波（R和C不能選太小），因此可以利用此方法產(chǎn)生1kHz的正弦波。

3）輔助電源模塊的設(shè)計(jì)

采用LDO線性穩(wěn)壓器，實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)作用，給后端模塊提供恒壓電源。該部分主要考慮：1）其輸入最高電壓應(yīng)為傳感器的供電電壓，選取的芯片的供電電壓應(yīng)盡可能大于傳感器的供電電壓；2）因?yàn)閭鞲衅飨礗CP型，即恒流源供電，故LDO部分的靜態(tài)電源要盡可能??；3）尺寸應(yīng)選用小型貼片型。為此，選擇TI的TPS7A41線性穩(wěn)壓器，參數(shù)如下：

寬范圍輸入電壓：7V~50V

靜態(tài)電流：25uA

最大輸出電流：50mA

封裝：具有高散熱性能的MSOP-8PowerPAD

工作溫度：-40℃~125℃

4）信號(hào)源切換控制模塊的設(shè)計(jì)

信號(hào)源切換控制模塊根據(jù)指令在正常工作時(shí)的壓電晶體的電荷信號(hào)、精密信號(hào)發(fā)生電路信號(hào)之間進(jìn)行切換。可以選擇TI的TS5A3160，封裝SC-70，導(dǎo)通電阻1Ω，靜態(tài)電流500nA，導(dǎo)通可承受電流200mA，不影響信號(hào)質(zhì)量。其封裝原理如圖4所示。

5）標(biāo)準(zhǔn)電容模塊設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)電容模塊將精密信號(hào)發(fā)生電路模塊產(chǎn)生的校驗(yàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電荷信號(hào)，耦合到前置放大器后輸出標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)信號(hào)。該模塊采用壓電陶瓷設(shè)計(jì)，電荷量根據(jù)Q=C*U，例如，若電容1000pF，則1mV產(chǎn)生1pC電荷。

4 工作原理及流程

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，智能加速度傳感器需要與采集裝置配合，工作流程如下：

1）初次使用時(shí)，采集裝置正常供電后，傳感器模塊首先通過充電模塊對(duì)儲(chǔ)能模塊進(jìn)行充電，為傳感器正常工作積蓄電能；

2）經(jīng)過采集系統(tǒng)預(yù)設(shè)的時(shí)間后，如果傳感器系統(tǒng)正常，當(dāng)傳感器儲(chǔ)能系統(tǒng)的供電電壓超過設(shè)定的電壓閾值上限時(shí)，此時(shí)恒壓源模塊開始工作，系統(tǒng)自動(dòng)喚醒；

3）自動(dòng)喚醒后，系統(tǒng)將信號(hào)源切換控制模塊的開關(guān)位置設(shè)為校驗(yàn)?zāi)Ｊ?，輸出校?yàn)信號(hào)，此時(shí)恒流源一方面給前置放大器供電，另一方面可繼續(xù)為儲(chǔ)能模塊充電；此時(shí)采集裝置可對(duì)傳感器進(jìn)行校驗(yàn)，同時(shí)也表明傳感器已經(jīng)正常工作；如果采集裝置未收到校驗(yàn)信號(hào)，表明傳感器系統(tǒng)不正常，將該傳感器標(biāo)記為故障傳感器；

4）此時(shí)采集系統(tǒng)可切斷恒流源進(jìn)入通信模式，傳感器中的恒流監(jiān)測(cè)模塊會(huì)監(jiān)測(cè)到線路中電流的大小及方向，自動(dòng)判斷是供電模式還是通信模式，如果是通信模式，立即通知微控制器模塊轉(zhuǎn)入通信模式，此時(shí)雙方可按事先約定的協(xié)議進(jìn)行握手通信，采集裝置可以向傳感器發(fā)送命令，讀寫傳感器的信息、通知傳感器切換工作模式等；

5）如果在通信模式下，傳感器電能即將耗完，微控制器模塊會(huì)監(jiān)測(cè)到電壓低于閾值下限，此時(shí)會(huì)向采集裝置發(fā)出充電請(qǐng)求，采集裝置立即轉(zhuǎn)換為供電模式，傳感器的恒流監(jiān)測(cè)模塊會(huì)監(jiān)測(cè)到恒流信號(hào)，也立即切換為充電模式，并將前置放大器的輸入信號(hào)接地，將前置放大器模塊輸出置零并自動(dòng)轉(zhuǎn)入步驟2，充電完成后繼續(xù)完成余下的工作；如果在通信模式下電能充足，則繼續(xù)進(jìn)行通信；

6）采集裝置收集完信息并進(jìn)行正確的設(shè)置后，控制傳感器開始正常工作。

智能加速度傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作流程如圖5所示。

5 實(shí)驗(yàn)

針對(duì)本文的IEPE型智能加速度傳感器，設(shè)計(jì)了功能上與之配套的數(shù)據(jù)采集裝置，主要在功能設(shè)計(jì)上采用分時(shí)復(fù)用的方式與智能傳感器配合實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的混合傳輸，數(shù)據(jù)采集裝置與加速度傳感器之間的連線仍采用2線制，不增加布線的成本及強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)方法如下：

1）實(shí)驗(yàn)時(shí)在線路上注入干擾信號(hào)，結(jié)果表明智能加速度傳感器與數(shù)據(jù)采集裝置可以正常通信，證明本文的方案具有良好的抗干擾性能；

2）測(cè)試了自校驗(yàn)功能，在傳感器內(nèi)部的前置放大器上設(shè)置了故障，將一個(gè)關(guān)鍵電阻更換為熱敏電阻，使傳感器的轉(zhuǎn)換精度隨溫度發(fā)生改變，此時(shí)啟用自校驗(yàn)功能，采集裝置發(fā)現(xiàn)了該故障并報(bào)警；

3）系統(tǒng)上電后，采集裝置會(huì)自動(dòng)讀取智能傳感器內(nèi)部的關(guān)鍵信息，并自動(dòng)準(zhǔn)確地設(shè)置該路傳感器的靈敏度，有效保證了采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)目前普通型加速度傳感器的缺陷，設(shè)計(jì)了智能型加速度傳感器，并試制了樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)證明該智能型加速度傳感器有效克服了普通型加速度傳感器的缺陷，能夠現(xiàn)場(chǎng)對(duì)自身進(jìn)行校驗(yàn)，并可方便設(shè)置加速度傳感器的靈敏度等參數(shù)，同時(shí)具備較強(qiáng)的抗干擾能力，有效提高了傳感器的智能化水平，大大提高了加速度檢測(cè)的自動(dòng)化程度，測(cè)試效果良好，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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Design of IEPE Intelligent Acceleration Sensor

WANG Zhanyou HE Lin
（National Key Laboratory on Ship Vibration&Noise，Institute of Noise&Vibration，Naval University of Engineering，Wuhan 430033）

Accelerometers are widely used in field of fault diagnosis and vibrationmeasuring，but common accelerometers are used mostly，which don't possess functions of self-checking and electronic data sheets.As a result，the degree of automation of Acceleration test is low.In view of this situation，an IEPE intelligentacceleration sensor is proposed，some key questions，such as power supp ly of sensor internalmodules，m ixed transmission ofanalog signaland digital signal and anti-interference，are solved perfectly.Themodules of self-checking and electronic data sheets are designed by using idea of low power consumption and minia?turization，and they are integrated in sensor，thus the needs of practical engineering applications aremeet.Experimental results show that the IEPE intelligent acceleration sensorwhich is designed in this paper possesses advantagesof small size，strong anti-in?terference ability and high intelligence degree，which can improve the automation levelofacceleration test effectively.

intelligentacceleration sensor，self-checking，electronic data sheets

TP212.6 DO I：10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.027

2016年11月6日，

2016年12月27日

王占友，男，博士后，工程師，研究方向：檢測(cè)與控制。何琳，男，碩士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：振動(dòng)與噪聲控制。