CN104677483B - 一种数字化的磁电式低频振动传感器*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种数字化的磁电式低频振动传感器***，包括：地震检波器将检测到的振动速度信号转变为模拟电信号；所述模拟电信号经高通滤波和数字化后传输至冲击信号检测单元和冲击信号抑制单元，所述冲击信号检测单元和冲击信号抑制单元根据数字化信号的微分值的大小判断传感器***中是否产生冲击信号，若检测到产生冲击信号，则将该数字化信号乘以该时刻的冲击信号抑制增益得到处理后的信号；所述处理后的信号经数字积分和数字低频补偿及滤波后再以模拟信号的形式输出。本发明有效抑制了突发的振动冲击造成地震检波器输出信号的突变和振动，提高了整体传感器***的稳定性和精确性。

Description

一种数字化的磁电式低频振动传感器***

技术领域

本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种数字化的磁电式低频振动传感器***。

背景技术

在以水轮发电机组为代表的低转速旋转机械的运行过程中，其主要的机构振动频率可低达0.4Hz-0.5Hz，而高频段主要频率则不低于180Hz。因此在面向低转速旋转机械的振动测量中，需要对低至0.4Hz-0.5Hz的低频振动信号进行测量。目前主要采用磁电式低频振动速度传感器作为对低转速旋转机械设备结构振动的测量敏感元件。该类型传感器的主要特征为对低频(可低至 0.4Hz)振动信号有较好的响应。

传统的磁电式低频振动传感器内部主要采用模拟电路完成信号的调整、补偿、滤波等处理。该类型传感器存在参数调整困难、抗冲击性差的缺陷，当振源存在冲击振动信号时，传感器会输出长时延的振荡异常信号。传统的磁电式低频振动传感器的结构如图1所示，该传感器的核心组件主要有两个：敏感振动速度信号的地震检波器1和后端的低频补偿及积分放大电路2。其中地震检波器被固定在传感器壳体3和传感器底座4上，而传感器被固定在被测对象上，随着被测对象一起振动，检波器也随被测对象振动。后端低频补偿及积分放大电路完成信号的低频补偿和积分放大，最终输出模拟量电信号。其工作原理如图2所示。

地震检波器是一个固有频率在5Hz-30Hz的磁电式惯性振动传感***，其输出的是代表振动速度大小的模拟电信号，在地震监测等领域有广泛使用，其结构如图3所示。该地震检波器由磁路***、惯性质量m、线圈和弹簧阻尼***C四个部分组成。磁路***用以产生恒定的直流磁场。线圈与磁场中的磁通交链产生感应电动势，而感应电动势与磁通变化率(或线圈与磁场相对运动速度)成正比。质量弹簧阻尼***的刚度直接影响传感器的频响，决定了传感器的测量范围。在工作时，当被测对象振动时，在检波器工作频率范围内，线圈与磁铁相对运动，切割磁力线，在线圈内产生感应电压，检波器输出电压，而该电压信号正比于被测物体的振动速度值。

该地震检波器是一个二阶高通***，其传递函数如下：

ω_g＝2πf_g (2)

其中ξ_g是检波器的***阻尼比，一般为0.707。而f_g为检波器的转折频率，由于过低f_g要求更大的弹簧阻尼和更大的质量块，更容易引起弹簧阻尼的疲劳和失效问题，因此在实践工程中该固有频率一般选择在5Hz以上，不超过 30Hz。该地震检波器幅频特性和相频特性如图4所示(f_g＝10Hz)。横坐标是频率，纵坐标是幅值及相位。***输出响应随着正弦输入的频率而呈现不同的变化，其中输出幅度随频率变化规律为幅频特性，输出相角与输出相角的相位差与频率的变化规律构成相频特性。地震检波器幅频特性和相频特性的意义主要在于体现地震检波器的频率特性好坏。

直接使用地震检波器测量频率比f_g低的振动信号会产生非常大的衰减，尤其是远低于f_g的信号，因此，如果需要测量1Hz、甚至低于1Hz必须采用补偿电路对低于f_g的信号进行补偿，这就是低频补偿(校正)电路。

该补偿电路的传递函数如下：

ω_m＝2πf_m (4)

ω_g′＝2πf_g′ (5)

其中ξ_m是整个传感器***希望的阻尼比，而ξ_g′是理想检波器的阻尼比， f_g′为理想检波器的转折频率，f_m就是整个传感器***希望最终的低频端转折频率。通过调整补偿电路的参数，使得ξ_g′≈ξ_g，f_g′≈f_g，经过该低频补偿电路后，整个传感器***的传递函数如下：

（6）

上述***是由检波器和补偿电路串联起来的，是一个二阶高通***，其幅频特性和相频特性如图5所示(选择f_m＝0.5Hz)。

通过在补偿电路种选择恰当的ω_m＝2πf_m和ξ_m参数，就可以获得期望的低频转折频率，如图5选择f_m＝0.5Hz、ξ_m＝0.707，使得整个传感器***(包括检波器和补偿电路)的低频端转折频率可以低达0.5Hz，大大改善了原检波器的低频特性。由于地震检波器敏感输出信号为振动速度信号，因此必须经过积分电路，最终输出振动位移信号。带通滤波器则用于过滤低于设计要求的频率信号和高于设计要求的频率信号。

在传统的磁电式低频振动传感器中，上述低频补偿电路、积分环节、带通滤波器全部采用模拟电路实现。

传统模拟式磁电式低频振动传感器具有以下缺陷：

1)对于冲击性振动干扰信号，传统型磁电式低频振动传感器***存在超调大、振荡时间长、稳定恢复慢的问题。冲击性振动信号来源于旋转机械的碰磨、松动以及动力部分的扰动。主要的冲击性振动信号可以归结为脉冲型冲击信号和阶跃型冲击信号。而磁电式地震检波器检对上述冲击信号振动幅值突然急剧变大，然后以检波器固有转折频率f_g为频率震荡指数衰减，衰减周期由f_g和ξ_g共同确定。这个信号经后续的积分环节和低频补偿环节处理后，整个传感器***表现为长周期、大幅度的振荡，该周期可到10秒以上，超调幅度可以达到正常信号的20倍以上。偶发的冲击信号对测量的影响可以忽略，但一旦冲击信号出现很频繁、间隔时间很短时，就会对迫使传感器***持续处于过渡过程，表现出持续的大周期、大幅度的振荡，最终导致传感器***测量失效。

2)参数调整困难，由于补偿电路环节中的ξ_g′和f_g′的调整是通过改变模拟电路中的相关电阻的阻值和电容的电容值实现的，受限于电阻电容的可选范围和精度等限制，只能做到ξ_g′接近ξ_g，f_g′接近f_g，因此(6)式也只是近似成立，因此完整传感测量***的特性指标受ξ_g′与ξ_g及f_g′与f_g的接近程度直接影响。

3)由于积分环节、低频补偿电路全部由模拟电路实现，受限于模拟电路的实现的复杂性，滤波器电路其特性很难设计得非常理想。

发明内容

针对上述技术问题，本发明设计开发了一种数字化的磁电式低频振动传感器***，目的在于有效抑制突发的振动冲击造成地震检波器输出信号的突变和振动，提高整体传感器***的稳定性和精确性。另一方面，采用软件数字化方式实现低频补偿环节参数的调整，提高低频补偿环节与地震检波器的匹配程度，提高整体传感器***的测量精度和响应品质。同时，采用高阶数字带通滤波器优化滤波器的特性。

本发明提供的技术方案为：

一种数字化的磁电式低频振动传感器***，包括：

地震检波器将检测到的振动速度信号转变为模拟电信号；

所述模拟电信号经高通滤波和数字化后传输至冲击信号检测单元和冲击信号抑制单元，所述冲击信号检测单元和冲击信号抑制单元根据数字化信号的微分值的大小判断传感器***中是否产生冲击信号，若检测到产生冲击信号，则将该数字化信号乘以该时刻的冲击信号抑制增益得到处理后的信号，实现对该数字化信号的冲击抑制增益控制；

所述处理后的信号经数字积分和数字低频补偿及滤波后再以模拟信号的形式输出；

其中，所述冲击信号抑制增益的计算方法如下：

其中，g(t)为冲击信号抑制增益函数，t为当前时刻，t₀为检测到冲击信号的时间，ω_d为阻尼频率，T为衰减周期。经过该抑制增益的计算，一旦发生冲击后，地震检波器输出的大幅值周期振荡信号被大幅抑制，而后进入积分和低频补偿环节，将不会引起积分和低频补偿环节的大超调、长周期振荡。

优选的是，所述的数字化的磁电式低频振动传感器***中，当所述数字化信号的微分值大于2.4g时，则判断产生冲击信号，其中g＝9.8m/s²。

优选的是，所述的数字化的磁电式低频振动传感器***中，所述地震检波器与所述冲击信号检测单元和冲击信号抑制单元之间设置有模/数转换器，所述模/数转换器将接收到的模拟电信号转换为数字化信号，即AD值，这是实现数字化传感器***的基础。本发明通过跟踪输入信号对应AD值的变化量检测是否存在冲击信号，如果AD值的变化量超过预设值的上限，则认为产生了脉冲型冲击或阶跃型冲击干扰信号。

优选的是，所述的数字化的磁电式低频振动传感器***中，所述地震检波器与所述模/数转换器之间设置有隔直放大器，所述隔直放大器的转折频率为0.4-1.0Hz。这是一个高通滤波环节，用以去除地震检波器输出中的直流信号分量以及低于0.4Hz的振动信号，同时对信号进行线性放大。

优选的是，所述的数字化的磁电式低频振动传感器***中，经数字积分和数字低频补偿后的信号再经数/模转化器转换为模拟信号后输出。

优选的是，所述的数字化的磁电式低频振动传感器***中，数字积分和数字低频补偿环节与所述数/模转化器之间还连接有数字带通滤波器，用以实现数字高通滤波和数字低通滤波。

优选的是，所述的数字化的磁电式低频振动传感器***中，所述数字带通滤波器包括4阶数字椭圆形滤波器和16阶线性相位滤波器，所述4阶数字椭圆形滤波器的转折频率为0.4Hz-1.0Hz，所述16阶线性相位滤波器的转折频率为180Hz-350Hz，从而优化了滤波器的特性。

优选的是，所述的数字化的磁电式低频振动传感器***中，所述数/模转换器还连接有输出信号放大器，经所述数/模转换器得到的模拟信号再经所述输出信号放大器放大后输出，保证了输出信号的强度足够大，能满足其他采集/监测设备的使用。

优选的是，所述的数字化的磁电式低频振动传感器***中，所述数字积分和数字低频补偿采用双线性变换对下式进行离散化处理：

其中，y′(s)是补偿电路的传递函数，ξ_m是整个传感器***理想的阻尼比，ξ_g′是理想检波器的阻尼比，ω_m是整个传感器***理想的阻尼频率，ω′_g是理想检波器的阻尼频率，从而采用数字化方式实现了低频补偿环节。

优选的是，所述的数字化的磁电式低频振动传感器***中，ω_m＝2πf_m，ω_g′＝2πf_g′，f_m是整个传感器***理想的低频端转折频率，f_g′为理想检波器的转折频率。

本发明所述的数字化的磁电式低频振动传感器***中，采用数字化微分检测方法检测冲击振动信号，然后采用冲击抑制环节抑制突发的振动冲击造成的检波器输出信号的突变和振动，有效提高了整体传感器***的稳定性和精确性。同时利用模/数转换器和数/模转换器将检测到的振动冲击信号转化为数字化信号，再进行一系列的数字积分、数字低频补偿和数字带通滤波环节，实现了数字低频补偿环节参数的调整，提高了数字低频补偿环节与地震检波器的匹配程度，提高了整体传感器***的测量精度和响应品质。采用4阶数字椭圆形滤波器和16阶线性相位滤波器分别实现了转折频率为0.4Hz-1.0Hz 的数字高通滤波和180Hz-350Hz的数字低通滤波，优化了滤波器的特性。

附图说明

图1是传统的磁电式低频振动传感器的结构示意图；

图2是传统的磁电式低频振动传感器的工作原理示意图；

图3是地震检波器的结构示意图；

图4是地震检波器f_g＝10Hz幅频特性和相频特性示意图；

图5是地震检波器f_m＝0.5Hz幅频特性和相频特性示意图；

图6是本发明所述的数字化的磁电式低频振动传感器***的工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图6所示，本发明提供一种数字化的磁电式低频振动传感器***，包括：

地震检波器将检测到的振动速度信号转变为模拟电信号；所述模拟电信号经高通滤波和数字化后传输至冲击信号检测单元和冲击信号抑制单元，所述冲击信号检测单元和冲击信号抑制单元根据数字化信号的微分值的大小判断传感器***中是否产生冲击信号，若检测到产生冲击信号，则将该数字化信号乘以该时刻的冲击信号抑制增益得到处理后的信号；所述处理后的信号经数字积分和数字低频补偿及滤波后再以模拟信号的形式输出振动位移信号。

其中，所述冲击信号抑制增益的计算方法如下：

其中，g(t)为冲击信号抑制增益函数，t为当前时刻，t₀为检测到冲击信号的时间，ω_d为阻尼频率，T为衰减周期。当检测到的所述数字化信号的微分值大于2.4g时，则判断产生脉冲型冲击信号或阶跃型冲击干扰信号，其中 g＝9.8m/s²。则将该数字化信号乘以该时刻的冲击信号抑制增益得到处理后的信号。

地震检波器输出的模拟电信号接入信号前置补偿模块，该信号前置补偿模块包括依次连接的隔直放大器、模/数转化器、冲击信号检测单元和冲击信号抑制单元、数字积分单元、数字低频补偿单元、数字带通滤波器、数/模转换器和输出信号放大器。经过该信号前置补偿模块，在设计频率范围内的振动信号，被正确放大转换为恰当的电压/电流信号输出，其频率为0.4-1.0Hz 的信号。其中，该信号前置补偿模块核心为小型化的单片机***，即依次连接的模/数转化器、冲击信号检测单元和冲击信号抑制单元、数字积分单元、数字低频补偿单元、数字带通滤波器和数/模转换器，从而将地震检波器检测到的信号转化为数字信号进行处理。

所述的数字化的磁电式低频振动传感器***中，所述地震检波器与所述冲击信号检测单元和冲击信号抑制单元之间设置有模/数转换器，所述模/数转换器将接收到的模拟电信号转换为数字化信号。所述地震检波器与所述模/数转换器之间设置有隔直放大器，所述隔直放大器的转折频率为0.4-1.0Hz。

所述的数字化的磁电式低频振动传感器***中，经数字积分和数字低频补偿后的信号再经数/模转化器转换为模拟信号后输出。数字积分和数字低频补偿环节与所述数/模转化器之间还连接有数字带通滤波器。所述数/模转换器还连接有输出信号放大器，经所述数/模转换器得到的模拟信号再经所述输出信号放大器放大后输出。

所述数字带通滤波器包括4阶数字椭圆形滤波器和16阶线性相位滤波器，所述4阶数字椭圆形滤波器的转折频率为0.4Hz-1.0Hz，所述16阶线性相位滤波器的转折频率为180Hz-350Hz。转折频率或者截止频率，指(数字) 滤波器的边界频率，一般以衰减到原始输入信号幅值的0.708倍时对应的频率点为边界频率，因此才有0.4Hz-1.0Hz(-3dB)或者180Hz-350Hz(-3dB) 的说法。利用数字化技术可以通过调整信号处理软件模块中的参数实现转折频率从0.4Hz到1.0Hz之间的低阻(高通)滤波。换句话说，通过调整软件模块中的参数，就可以实现从0.4Hz-1.0Hz之间的任意一个频率。在低频振动传感器***中，采集***通常采用较低采集频率和较长采集时间来提高信号采集***中对低频信号的准确度、精度，但是较低的采集频率容易导致高频信号混叠进入信号采集***，因此在信号进入采集***前，需要将可能引起混叠进入低频信号的高频信号过滤，通常将高频段选择在180Hz-350Hz之间，高于这个范围的频率将会被过滤。

所述的数字化的磁电式低频振动传感器***中，数字积分和数字低频补偿环节采用双线性变换对下式进行离散化处理：

其中，y′(s)是补偿电路的传递函数，ξ_m是整个传感器***理想的阻尼比，ξ_g′是理想检波器的阻尼比，ω_m是整个传感器***理想的阻尼频率，ω′_g是理想检波器的阻尼频率，ω_m＝2πf_m，ω_g′＝2πf_g′，f_m是整个传感器***理想的低频端转折频率，f_g′为理想检波器的转折频率。

本发明利用磁电式地震检波器作为测量结构振动的基础敏感元件，然后对其输出信号经过数字低频补偿环节改进其低频特性，就可以实现低至0.4Hz 的低频振动信号测量。传统的模拟式磁电式低频振动传感器采用模拟电路实现全部的低频补偿、积分、滤波等处理，但是存在抗冲击性差、滤波特性差、参数调整困难等缺陷。

在本发明中，以小型单片机为硬件基础，通过软件技术，实现数字化低频补偿环节、数字化的滤波器、数字化的积分器等，可改进滤波器特性和方便参数调整的简易性，并在软件中加入振动冲击信号检测和抑制算法以减小冲击干扰对传感器***稳定性的影响，具体原理如下：

对于冲击性振动信号，来源于旋转机械的碰磨、松动以及动力部分的扰动引起。主要的冲击性振动信号可以归结为脉冲型冲击信号和阶跃型冲击信号。而磁电式地震检波器检对上述冲击信号的响应为振动幅值突然急剧变大，然后以检波器固有转折频率f_g为频率震荡指数衰减，衰减周期由f_g和ξ_g共同确定，而正常的振动信号则叠加在该信号中。因此，当选定一个地震检波器后，f_g和ξ_g也就确定了，检波器对冲击的响应模型也随之确定。

在本发明中，通过跟踪振动信号的微分值的大小来检测是否存在冲击信号。而一旦检测到产生冲击信号，则根据由f_g和ξ_g衰减周期和衰减指数，确定信号抑制模型，所有振动信号全部需要乘以对应时刻的抑制增益才能进行数字积分和数字补偿等后续环节。经过该抑制模型的控制，一旦发生冲击后，检波器输出的大幅值周期震荡信号被大幅抑制，而后进入积分或者补偿环节，将不会引起积分环节、补偿环节的大超调、长周期震荡。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种数字化的磁电式低频振动传感器***，其特征在于，包括：

地震检波器将检测到的振动速度信号转变为模拟电信号；

所述模拟电信号经高通滤波和数字化后传输至冲击信号检测单元和冲击信号抑制单元，所述冲击信号检测单元和冲击信号抑制单元根据数字化信号的微分值的大小判断传感器***中是否产生冲击信号，若检测到产生冲击信号，则将该数字化信号乘以该时刻的冲击信号抑制增益得到处理后的信号，当所述数字化信号的微分值大于2.4g时，则判断产生冲击信号，其中g＝9.8m/s²；

所述处理后的信号经数字积分和数字低频补偿及滤波后再以模拟信号的形式输出；

其中，所述冲击信号抑制增益的计算方法如下：

<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>g</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>&lt;</mo> <msub> <mi>t</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>g</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>d</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>T</mi> <mo>-</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </msup> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>&gt;</mo> <mo>=</mo> <msub> <mi>t</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>&lt;</mo> <msub> <mi>t</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>+</mo> <mi>T</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>g</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>&gt;</mo> <msub> <mi>t</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>+</mo> <mi>T</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>,</mo> </mrow>

其中，g(t)为冲击信号抑制增益函数，t为当前时刻，t₀为检测到冲击信号的时间，ω_d为阻尼频率，T为衰减周期，

数字积分和数字低频补偿环节采用双线性变换对下式进行离散化处理：

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其中，y′(s)是补偿电路的传递函数，ξ_m是整个传感器***理想的阻尼比，ξ_g'是理想检波器的阻尼比，ω_m是整个传感器***理想的阻尼频率，ω′_g是理想检波器的阻尼频率。

2.如权利要求1所述的数字化的磁电式低频振动传感器***，其特征在于，所述地震检波器与所述冲击信号检测单元和冲击信号抑制单元之间设置有模/数转换器，所述模/数转换器将接收到的模拟电信号转换为数字化信号。

3.如权利要求2所述的数字化的磁电式低频振动传感器***，其特征在于，所述地震检波器与所述模/数转换器之间设置有隔直放大器，所述隔直放大器的转折频率为0.4-1.0Hz。

4.如权利要求1所述的数字化的磁电式低频振动传感器***，其特征在于，经数字积分和数字低频补偿后的信号再经数/模转换器转换为模拟信号后输出。

5.如权利要求4所述的数字化的磁电式低频振动传感器***，其特征在于，数字积分和数字低频补偿环节与所述数/模转换器之间还连接有数字带通滤波器。

6.如权利要求5所述的数字化的磁电式低频振动传感器***，其特征在于，所述数字带通滤波器包括4阶数字椭圆形滤波器和16阶线性相位滤波器，所述4阶数字椭圆形滤波器的转折频率为0.4Hz-1.0Hz，所述16阶线性相位滤波器的转折频率为180Hz-350Hz。

7.如权利要求6所述的数字化的磁电式低频振动传感器***，其特征在于，所述数/模转换器还连接有输出信号放大器，经所述数/模转换器得到的模拟信号再经所述输出信号放大器放大后输出。

8.如权利要求7所述的数字化的磁电式低频振动传感器***，其特征在于，ω_m＝2πf_m，ω_g'＝2πf_g'，f_m是整个传感器***理想的低频端转折频率，f_g'为理想检波器的转折频率。