CN112729368B - 可变参数的滑油金属屑传感器信号模拟器及其模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可变参数的滑油金属屑传感器信号模拟器及其模拟方法,解决传统验证解调方法精度存在的成本较高、使用不便等问题,主要由处理器、数模转换器、乘法器、带通滤波与差分输出电路、无源比例加法电路、滞回比较器及低纹波供电电路组成。处理器根据需要模拟的滑油金属屑传感器特性,依据通讯串口收到需模拟的颗粒大小、种类、感应信号相位延迟、流速和传感器输出基础偏置大小信息,控制数模转换器输出不同大小、相位、周期的模拟信号,模拟信号再通过后级调制和调理电路输出滑油金属屑传感器模拟信号。本发明模拟器成本低、操作方便、精度高,可模拟生成各参数规格滑油金属屑传感器信号,在检测电子产品开发过程中具有重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于传感器信号模拟技术领域,具体来说是一种可变参数的滑油金属屑传感器信号模拟器,能够对滑油流速、颗粒种类、颗粒大小、传感器基础偏置和噪音等不同因素影响的滑油金属屑传感器输出信号进行模拟。
背景技术
航空发动机滑油中金属屑含量可作为判断航空发动机健康状态的依据。在航空发动机工作过程中,各旋转摩擦部件通过滑油进行润滑,其大量磨损碎屑会漏入到滑油中,这些碎屑携带大量发动机内部机械设备运行状态的信息。通过滑油金属屑传感器对滑油进行监测分析,可实现对航空发动机的故障诊断与健康管理。
常用的滑油金属屑传感器包括三个内部线圈(见图1a及图1b),两端为激励线圈,中间为感应线圈。激励线圈绕向相反且电感大小基本一致,受一固定频率的交流电压激励后产生一组大小相等且磁极相反的磁场。所以在中间位置,两个磁场刚好相互抵消。根据电磁感应定律可知,中间线圈在不受磁场激励的情况下不会产生电动势,所以电压输出为零。例如,当一颗金属屑流经管道时,因为金属屑切割磁力线,导致磁感强度发生变化。当颗粒经过左端的激励线圈时,左边的线圈磁感强度减弱,中间位置的磁场平衡被打破,磁感强度发生变化,此时感应线圈产生电动势,磁不平衡量越大,输出信号也就越大。当颗粒运动到右边的线圈位置时,右边的线圈磁感强度减弱,中间位置的磁场平衡再次被打破。但此时感应线圈所受的磁场方向与前一次方向相反,根据洛伦兹定律,感应线圈的信号也发生反向。所以整个检测过程中信号类似一个正弦电压信号输出。输出信号交信号处理单元处理。按照信号的幅度及类型,信号处理单元可以确定金属屑末的种类、大小和质量。
实际的滑油金属屑传感器输出信号既包含颗粒通过感应电压信号,又包含由激励双线圈加工误差引入的基础偏置感应电压信号,其中基础偏置峰值电压Vp≤350mV,传感器颗粒感应电压峰值Vp=[50,500]uV,两者相差约1000倍。
每种类型的滑油金属屑传感器信号都有其信号特性,由滑油金属屑传感器工作原理可知:滑油金属屑传感器信号是由传感器内部直流激励情况下颗粒通过时产生的基础偏置与激励信号卷积调制所产生,具体描述为:
此外,航空发动机工作环境复杂恶劣,滑油金属屑传感器采集的信号受噪声干扰特别严重。滑油金属屑传感器采集的金属颗粒激励信号往往被噪声淹没,无法直接进行金属屑的检测分析,需通过信号解调方法将金属屑激励信号滤出。
要衡量上述信号解调方法的解调精度,通常需要标准的金属颗粒流过实际传感器进行验证,但是该验证方法成本较高、使用不便、不利于各类环境试验使用,并且仍会受到流速及温度等的影响。
发明内容
为了解决传统验证解调方法精度存在的成本较高、使用不便等问题,本发明提出了一种可变参数的滑油金属屑传感器信号模拟器及方法,该模拟器可根据设定的滑油流速、金属屑种类、金属屑大小等参数,输出对应的模拟信号。该模拟器可快速准确的模拟生成滑油金属屑信号,以用于检测电子产品开发过程中所设计的滑油金属屑调理电路功能性能,具有重要的应用价值。
为了实现上述目的,本发明的技术方案如下:
一种可变参数的滑油金属屑传感器信号模拟器,其特殊之处在于:包括处理器、数模转换和带通滤波电路、数模转换和低通滤波电路、第一乘法器、第二乘法器、第一带通滤波和差分输出电路、第二带通滤波和差分输出电路、无源比例加法电路、滞回比较电路及供电电路;
上述处理器根据需要模拟的滑油金属屑传感器类型,确定不同类型颗粒通过情况下所需模拟生成信号的基本特性。并结合本发明后级调理电路的传递函数,采用反推法,依据通讯串口收到需模拟的金属屑颗粒大小、种类、感应信号延迟、滑油流速信息,输出模拟铁磁和非铁磁颗粒信号及模拟传感器基础偏置信号,并根据滞回比较器处理过的传感器激励信号,得到激励信号的幅值及频率,以模拟生成载波信号;
上述数模转换和带通滤波电路对模拟铁磁和非铁磁颗粒信号进行处理,产生刷新频率能够满足精度要求的模拟信号,并滤除阶次噪音和直流分量并将信号幅值进行有效放大;
上述数模转换和低通滤波电路对模拟传感器基础偏置信号进行处理,产生刷新频率能够满足精度要求的模拟信号,并滤除模拟信号中的噪声干扰成分并将信号幅值进行有效放大;
上述第一乘法器用于实现载波信号和经过数模转换带通放大后的模拟铁磁和非铁磁颗粒信号的卷积相乘,生成调制后的铁磁和非铁磁颗粒模拟信号;
上述第二乘法器用于实现载波信号和数模转换带通放大后的传感器基础偏置信号的卷积相乘,生成调制后的传感器基础偏置模拟信号;
上述第一带通滤波和差分输出电路用于滤除第一乘法器调制后的铁磁和非铁磁颗粒模拟信号频率以外噪音,再将单端信号变为差分信号,消除信号“地”引入的共模干扰,得到传感器颗粒感应电压信号;
上述第二带通滤波和差分输出电路用于滤除第二乘法器调制后传感器基础偏置模拟信号频率以外噪音,再将单端信号转变为差分信号,消除信号“地”引入的共模干扰,得到传感器基础偏置感应电压信号;
上述无源比例加法电路用于将传感器颗粒感应电压信号和传感器基础偏置感应电压信号叠加,输出信号即为模拟的滑油金属屑传感器信号;
上述供电电路为模拟器供电。
进一步地,数模转换和带通滤波电路与数模转换和低通滤波电路中均采用AD5541数模转换芯片,既能够对电压信号的精确控制,又能满足对频率刷新率的要求。
进一步地,上述第一乘法器与第二乘法器均采用集成芯片AD630,带宽可达2MHz,能够满足滑油金属屑传感器激励信号100KHz带宽要求,实现激励信号和滑油金属屑颗粒、激励信号和传感器偏置信号的调制,同时将信号幅值放大2倍。
进一步地,上述第一带通滤波和差分输出电路与第二带通滤波和差分输出电路采用带通滤波器滤除信号频率以外噪音,再通过跟随器和反相器使单端信号为差分信号,消除信号“地”引入的共模干扰。带通滤波电路传递函数为:可以根据截止频率选择合适的阻容参数。
进一步地,上述供电电路为低波纹供电电路,包括两片低纹波电源芯片,电源纹波不大于40uVRMS。
本发明提供一种基于上述的可变参数的滑油金属屑传感器信号模拟器的模拟方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1、处理器根据需要模拟的滑油金属屑传感器类型,确定不同类型颗粒通过情况下所需模拟生成信号的基本特性。并结合本发明后级调理电路的传递函数,采用反推法,依据通讯串口收到需模拟的金属屑颗粒大小、种类、感应信号延迟、滑油流速信息,输出模拟铁磁和非铁磁颗粒信号及模拟传感器基础偏置信号,并根据滞回比较器处理过的传感器激励信号,得到激励信号的幅值及频率,以模拟生成载波信号;
步骤2、数模转换和带通滤波电路对模拟铁磁和非铁磁颗粒信号进行处理,产生刷新频率能够满足精度要求的模拟信号,并滤除阶次噪音和直流分量并将信号幅值进行有效放大;
数模转换和低通滤波电路对模拟传感器基础偏置信号进行处理,产生刷新频率能够满足精度要求的模拟信号,并滤除模拟信号中的噪声干扰成分并将信号幅值进行有效放大;
步骤3、第一乘法器对载波信号和经过数模转换带通放大后的模拟铁磁和非铁磁颗粒信号的卷积相乘,生成调制后的铁磁和非铁磁颗粒模拟信号;
第二乘法器对载波信号和数模转换带通放大后的传感器基础偏置信号的卷积相乘,生成调制后的传感器基础偏置模拟信号;
步骤4、第一带通滤波和差分输出电路滤除第一乘法器调制后的铁磁和非铁磁颗粒模拟信号频率以外噪音,再将单端信号变为差分信号,消除信号“地”引入的共模干扰,得到传感器颗粒感应电压信号;
第二带通滤波和差分输出电路滤除第二乘法器调制后传感器基础偏置模拟信号频率以外噪音,再将单端信号变为差分信号,消除信号“地”引入的共模干扰,得到传感器基础偏置感应电压信号;
步骤5、最后使用无源比例加法电路,将传感器颗粒感应电压信号和传感器基础偏置感应电压信号叠加,输出模拟的滑油金属屑传感器信号。
本发明的有益效果是:
1、本发明根据滑油金属屑传感器基本工作原理,利用处理器、数模转换器、乘法器、差分输出器、无源加法器等电路,设计了一种可变参数的滑油金属屑传感器信号模拟器。本模拟器能够根据通讯串口收到的颗粒大小、种类、感应信号相位延迟、流速和传感器输出基础偏置大小信息,灵活配置需要模拟的传感器特征和金属屑颗粒特征信息,模拟生成滑油金属屑传感器信号。相比于传统验证方法,本发明所设计的滑油金属屑传感器信号模拟器成本低、操作方便,可模拟生成各参数规格滑油金属屑传感器信号,以用于检测电子产品开发过程中设计的滑油金属屑调理电路功能性能,具有重要的应用价值。
2、相比于传统人工拉动铁磁颗粒经过滑油金属屑传感器来产生滑油金属屑信号的方法,利用本发明所述的滑油金属屑传感器信号模拟器可精确控制滑油流速,并避免传感器信号的相位延迟带来的信号误差,可得到高精度的滑油金属屑传感器信号。
附图说明
图1a是传感器线圈原理示意图;
图1b为信号调理后输出示意图;
图2是本发明可变参数的滑油金属屑传感器信号模拟器原理框图;
图3a是数模转换器模拟铁磁和非铁磁颗粒信号原理图;
图3b是模拟传感器基础偏置信号原理图;
图4是乘法器实现调制信号原理图;
图5是带通滤波和差分输出电路原理图;
图6是无源比例加法电路原理图;
图7是低纹波供电电路原理图;
图8模拟器输出信号仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明:
请同时参阅图2到图8,其中,图2是本发明可变参数的滑油金属屑传感器信号模拟器原理框图,图3a是数模转换器模拟铁磁和非铁磁颗粒信号原理图,图3b是模拟传感器基础偏置信号原理图,图4是乘法器实现调制信号原理图,图5是带通滤波和差分输出电路原理图,图6是无源比例加法电路原理图,图7是低纹波供电电路原理图,图8是模拟器输出信号仿真结果。
从图2可以看出,本发明可变参数的滑油金属屑传感器信号模拟器主要由处理器、数模转换和带通滤波电路、数模转换和低通滤波电路、第一乘法器、第二乘法器、第一带通滤波和差分输出电路、第二带通滤波和差分输出电路、无源比例加法电路、滞回比较电路及供电电路组成。
本模拟器***的处理器通过通讯串口接收需模拟的金属屑种类、大小等信息,生成模拟铁磁和非铁磁颗粒信号、模拟传感器基础偏置信号及载波信号;模拟铁磁和非铁磁颗粒信号经数模转换和带通滤波器,生成刷新频率能够满足精度要求的信号,并滤除模拟信号中的噪声干扰成分;再经第一乘法器电路,实现和载波信号卷积调制;最后,信号经第一带通滤波和差分输出电路,滤除第一乘法器调制后的铁磁和非铁磁颗粒模拟信号频率以外噪音,将单端信号变为差分信号,消除信号“地”引入的共模干扰,得到传感器颗粒感应电压信号。
模拟传感器基础偏置信号经数模转换和低通滤波器,生成刷新频率能够满足精度要求的信号,并滤除模拟信号中的噪声干扰成分;再经第二乘法器电路,实现和载波信号卷积调制;最后,信号经第二带通滤波和差分输出电路滤除第二乘法器调制后传感器基础偏置模拟信号频率以外噪音,再将单端信号变为差分信号,消除信号“地”引入的共模干扰,得到传感器基础偏置感应电压信号。
最后使用无源比例加法电路,在不影响传感器金属屑颗粒感应信号精度的情况下,实现传感器基础偏置感应电压信号和传感器颗粒感应电压信号的叠加,生成金属屑传感器模拟信号。
从图3a与图3b可以看出,数模转换和带通滤波电路与数模转换和低通滤波电路中数模转换均采用AD5541数模转换芯片。既能够对电压信号的精确控制,又能满足对频率刷新率的要求。带通滤波电路传递函数为:可以根据放大系数和截止频率选择合适的阻容参数,低通滤波电路传递函数为:可以根据放大系数和截止频率选择合适的阻容参数。
从图4可以看出,第一乘法器与第二乘法器均采用集成芯片AD630。带宽可达2MHz,能够满足滑油金属屑传感器激励信号100KHz带宽要求,实现激励信号和滑油金属屑颗粒、激励信号和传感器偏置信号的调制,同时将信号幅值放大2倍。
从图5可以看出,第一带通滤波和差分输出电路与第二带通滤波和差分输出电路均包括电阻R17、电阻R18、电容C6、电容C7、电阻R19、电阻R20、运算放大器N6、电阻R21、电阻R22、电阻R23、运算放大器N7及运算放大器N8;第一带通滤波和差分输出电路中的电阻R17的一端与第一乘法器的输出端连接,第二带通滤波和差分输出电路中的电阻R17的一端与第二乘法器的输出端连接;电阻R17的另一端分别与电容C6、电容C7的一端连接,并通过电阻R18接地;电容C6的另一端与运算放大器N6反向输入端连接,电容C7的另一端与运算放大器N6输出端连接,运算放大器N6的反向输入端与输出端通过电阻R19连接,运算放大器N6的正向输入端通过电阻R20接地;运算放大器N6的输出端与运算放大器N7的正向输入端连接,并通过电阻R21与运算放大器N8的反向输入端连接;运算放大器N7的输出端与其反向输入端连接并与无源比例加法电路的输入端连接;运算放大器N8的正向输入端通过电阻R22接地,运算放大器N8的输出端通过电阻R23与其反向输入端连接,运算放大器N8的输出端与无源比例加法电路的输入端连接。带通滤波电路传递函数为:可以根据截止频率选择合适的阻容参数。
从图6可以看出,无源比例加法电路包括电阻R28、电阻R29、电阻R30、电阻R31、电阻R32、电阻R33及电阻R34;电阻R28的一端与第二带通滤波和差分输出电路中运算放大器N7的输出端连接;电阻R29的一端与第一带通滤波和差分输出电路中运算放大器N7的输出端连接;电阻R28的另一端与电阻R29的另一端均与电阻R32及电阻R33的一端连接;电阻R33的另一端作为模拟滑油金属屑信号输出正端;电阻R30的一端与第一带通滤波和差分输出电路中运算放大器N8的输出端连接;电阻R31的一端与第二带通滤波和差分输出电路中运算放大器N8的输出端连接;电阻R30的另一端与电阻R31的另一端均与电阻R32的另一端及电阻R34的一端连接;电阻R34的另一端作为模拟滑油金属屑信号输出负端。
从图7可以看出,供电电路包括两片低纹波电源芯片,分别处理正电压与负电压,电源纹波不大于40uVRMS。
为了验证所设计的滑油金属屑传感器模拟器的功能,建立模拟器仿真模型,步骤如下:
步骤1:由通讯串口向处理器输入滑油金属屑仿真参数为:滑油颗粒流速50Hz,载波频率100KHz,随机噪音幅值0.2V,直流基础偏置电压2.0V,颗粒感应幅值电压3.0V。处理器根据输入的参数信息,输出模拟铁磁和非铁磁颗粒信号、传感器基础偏置信号;
步骤2:数模转换电路采用SPI接口、16位的AD5541数模转换芯片如图3、所示,对于要模拟的传感器铁磁颗粒信号及基础偏置信号进行数模转换,频率范围10Hz~300Hz,数模输出信号再经过带通滤波和放大,滤除数模芯片输出的阶次噪音并将信号幅值进行有效放大;
步骤3:第一乘法器电路与第二乘法器电路均采用集成芯片AD630实现模拟乘法功能如图4所示(注:图中电阻、电容的数值可根据所需模拟信号进行配置),带宽可达2MHz,能够满足滑油金属屑传感器激励信号100KHz带宽要求,实现载波信号和经过数模转换带通放大后的模拟铁磁和非铁磁颗粒信号的卷积相乘,载波信号和数模转换带通放大后的传感器基础偏置信号的卷积相乘,同时将信号幅值放大2倍。对于要模拟的传感器铁磁颗粒和非铁磁颗粒信号,乘法器输入电压为交流信号,对于要模拟的传感器基础偏置信号,乘法器输入电压为直流信号。
步骤4:调制后的信号再经带通滤波和差分输出电路如图5所示(注:图中电阻、电容的数值可根据所需模拟信号进行配置),带通滤波器截止频率分别为61KHz、152KHz,滤除信号频率以外噪音,再通过跟随器和反相器使单端信号变为差分信号;
步骤5:最后使用无源比例加法电路如图6所示,R28=R31=200Ω、R32=10Ω、R29=R30=100kΩ,实现传感器基础偏置感应电压信号和传感器颗粒感应电压信号的叠加,输出模拟的滑油金属屑传感器信号。
步骤6:低纹波稳压源为整个***提供供电如图7所示,例可采用两片低纹波电源芯片供电,电源纹波不大于40uVRMS,能够有效减小电源和地纹波,提高***精度。
图8为模拟器器输出信号仿真结果。仿真结果说明模拟器输出的信号中基础偏置电压为约0.5V,颗粒信号为微弱的微伏级信号,能够模实现滑油金属屑传感器颗粒信号和基础偏置信号的叠加和模拟。
实际工作中,本发明已用于滑油金属屑传感器模拟***中,经过各种***试验验证,***运行稳定可靠,能够便捷、有效的模拟各种滑油金属屑传感器信号,并且在高、低温试验中精度和量程都能满足要求。
以上所述,仅为本申请的具体实施方式,但本申请的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此,本申请的保护范围以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种可变参数的滑油金属屑传感器信号模拟器,其特征在于:包括处理器、数模转换和带通滤波电路、数模转换和低通滤波电路、第一乘法器、第二乘法器、第一带通滤波和差分输出电路、第二带通滤波和差分输出电路、无源比例加法电路、滞回比较电路及供电电路;
所述处理器用于根据需要模拟的滑油金属屑传感器类型,确定不同类型颗粒通过情况下所需模拟生成信号的基本特性,并依据需模拟的金属屑颗粒大小、种类、感应信号延迟、滑油流速信息,输出模拟铁磁和非铁磁颗粒信号及模拟传感器基础偏置信号,并根据滞回比较电路处理过的传感器激励信号,得到激励信号的幅值及频率,以模拟生成载波信号;
所述数模转换和带通滤波电路用于对模拟铁磁和非铁磁颗粒信号进行处理,产生刷新频率能够满足精度要求的模拟信号,并滤除阶次噪音和直流分量并将信号幅值进行有效放大;
所述数模转换和低通滤波电路用于对模拟传感器基础偏置信号进行处理,产生刷新频率能够满足精度要求的模拟信号,并滤除模拟信号中的噪声干扰成分并将信号幅值进行有效放大;
所述第一乘法器用于实现载波信号和经过数模转换带通放大后的模拟铁磁和非铁磁颗粒信号的卷积相乘,生成调制后的铁磁和非铁磁颗粒模拟信号;
所述第二乘法器用于实现载波信号和数模转换低通放大后的传感器基础偏置信号的卷积相乘,生成调制后的传感器基础偏置模拟信号;
所述第一带通滤波和差分输出电路用于滤除第一乘法器调制后的铁磁和非铁磁颗粒模拟信号频率以外噪音,再将单端信号变为差分信号,消除信号“地”引入的共模干扰,得到传感器颗粒感应电压信号;
所述第二带通滤波和差分输出电路用于滤除第二乘法器调制后传感器基础偏置模拟信号频率以外噪音,再将单端信号变为差分信号,消除信号“地”引入的共模干扰,得到传感器基础偏置感应电压信号;
所述无源比例加法电路用于将传感器颗粒感应电压信号和传感器基础偏置感应电压信号叠加,输出信号即为模拟的滑油金属屑传感器信号;
所述供电电路为模拟器供电。
3.根据权利要求1或2所述的可变参数的滑油金属屑传感器信号模拟器,其特征在于:所述第一乘法器与第二乘法器均采用集成芯片AD630。
5.根据权利要求4所述的可变参数的滑油金属屑传感器信号模拟器,其特征在于:所述供电电路为低波纹供电电路,包括两片低纹波电源芯片,电源纹波不大于40uVRMS。
6.一种基于权利要求1-5任一所述的可变参数的滑油金属屑传感器信号模拟器的模拟方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1、处理器根据需要模拟的滑油金属屑传感器类型,确定需模拟的金属屑颗粒类型,依据需模拟的金属屑颗粒大小、种类、感应信号延迟、滑油流速信息,输出模拟铁磁和非铁磁颗粒信号及模拟传感器基础偏置信号,并根据滞回比较电路处理过的传感器激励信号,得到激励信号的幅值及频率,以模拟生成载波信号;
步骤2、数模转换和带通滤波电路对模拟铁磁和非铁磁颗粒信号进行处理,产生刷新频率能够满足精度要求的模拟信号,并滤除阶次噪音和直流分量并将信号幅值进行有效放大;
数模转换和低通滤波电路对模拟传感器基础偏置信号进行处理,产生刷新频率能够满足精度要求的模拟信号,并滤除模拟信号中的噪声干扰成分并将信号幅值进行有效放大;
步骤3、第一乘法器对载波信号和经过数模转换带通放大后的模拟铁磁和非铁磁颗粒信号的卷积相乘,生成调制后的铁磁和非铁磁颗粒模拟信号;
第二乘法器对载波信号和数模转换带通放大后的传感器基础偏置信号的卷积相乘,生成调制后的传感器基础偏置模拟信号;
步骤4、第一带通滤波和差分输出电路滤除第一乘法器调制后的铁磁和非铁磁颗粒模拟信号频率以外噪音,再将单端信号变为差分信号,消除信号“地”引入的共模干扰,得到传感器颗粒感应电压信号;
第二带通滤波和差分输出电路滤除第二乘法器调制后传感器基础偏置模拟信号频率以外噪音,再将单端信号变为差分信号,消除信号“地”引入的共模干扰,得到传感器基础偏置感应电压信号;
步骤5、最后使用无源比例加法电路,将传感器颗粒感应电压信号和传感器基础偏置感应电压信号叠加,输出模拟的滑油金属屑传感器信号。
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