振动变送器的研究与实现.doc

第一章 绪论1.1 变送器技术的概述在自动控制原理理论中，变送器定义为能够把传感器输出的信号转变为可被控制器识别的信号的转换器。应用在工业现场中，变送器定义为能输出标准信号的传感器。变送器的术语有时与传感器通用，这是因为现代多数传感器的输出信号已经是通用控制器可以接收的信号，此信号可以不经过变送器的转换直接为控制器所识别。所以传统意义上的变送器应定义为：把传感器的输出信号转换为可以被控制器或者测量仪表所接受的标准信号的仪器。在系统中信号的处理过程如图1所示。图1 信号处理过程变送器种类很多，总体来说变送器就是根据传感器输入的信号发出一种标准信号来给控制器或者二次仪表，使控制器运作或者二次仪表显示测量数据。根据变送器的用途不同，一般可分为：温度/湿度变送器，压力变送器，差压变送器，液位变送器，电流变送器，电量变送器，流量变送器以及振动变送器等等。1.2 振动变送器技术的论述振动变送器主要用于检测旋转机械的绝对振动，如机壳振动、轴瓦振动、机械振动等等。监测由于转子的不平衡、不对中、机件松动、滚动轴承损坏等引起的振动变化。适用于汽轮机、水轮机、风机、压缩机、电机、齿轮箱等大型旋转机械，适用于不同类型的振动传感器。振动变送器可输出加速度的峰值、速度的有效值、位移峰峰值，三线制输出4-20mA的电流信号，同时可输出振动的动态波形，特别合适恶劣环境的长期状态监测。1.3 课题背景本论文所研究内容基于东安某型号燃气轮机发电机组（机组）。东安燃气轮机发电机组在服役期间，振动变送器的故障一直是较常出现的瑕疵之一，由于振动变送器的故障，往往会影响测振系统的可靠性，甚至导致整个机组的故障停机，无法正常起动。振动变送器这样小器件的故障，可能会威胁整个东安燃机的可靠性和信誉度，影响未来国内外市场的开拓。所以研究实现可靠的振动变送器对提升机组整体质量尤为重要。其二，现阶段振动变送器成品价格相对较高，所以研究实现成熟、廉价的振动变送器也是本论文的初衷之一。机组中振动变送器如图2所示，该振动变送器从属于燃气轮机发电机组的控制系统，同燃机水平、垂直振子（即水平、垂直振动传感器）共同组成测振部件，为PLC提供标准的电压信号。从而完成对燃气轮机发电机组运行的振动情况进行实时监测。图2 振动变送器燃机水平、垂直振动传感器属于飞机附件，分别水平和垂直的安装在燃机的燃烧室机匣上，如图3所示。图3 水平振动传感器他们分别负责测量燃机水平和垂直的振动值1。振动传感器的内部结构类似弹簧振子，是用一根轻弹簧一端固定，另一端连结一个质点。而振动传感器内部分布有磁感线，当质点感受到振动的时候就会往返的做简谐振动，振动的同时切割磁感线，根据麦克斯韦原理，在质点的两端就产生了感应电压。这样振动传感器就把输入的振动信号转换成电压信号输出。振动传感器感受到的振动越大，感应产生的交流电压幅值也就越大。振动传感器能准确测量振动的范围为0g-5g，对应输出的电压信号为252Hz，0-0.386V的交流电压信号，如图4所示。图4 振动传感器的输出信号燃气轮机发电机组的主控器件为PLC。在采集振动值时，PLC的模拟量输入模块对交流的电压信号是无法识别的。模拟量输入模块能够识别的模拟量信号为4-20mA的电流信号或者1-10V的电压信号。所以在振动传感器和模拟量输入模块之间就需要振动变送器把交流的电压信号转换成PLC能够识别的标准的直流电压信号。针对东安该型号燃气轮机发电机组测振部件的实际情况，要求振动变送器的输入为252Hz，0-0.386V的交流电压信号，输出为0-1.555V的直流电压信号。这也正是本论文的论题，研究并实现完成此功能的振动变送器。、第二章 振动变送器总体设计概述2.1 电源方案由于燃气轮机发电机组能够提供的直流电压是24V，而模拟电路尤其是在信号处理时采用的运算放大器，需要使用12V的直流电。所以设计稳定、可靠的电源模块是完成振动变送器设计的前提条件。本论文采用迪龙公司的DLM10-24S12，它拥有抗震性设计，满足国军标的要求可做车载电源使用，并且它加强了电磁兼容设计，可在强电磁环境中工作。2.2 信号处理方案根据振动变送器对信号处理的要求，本论文主要采用集成运算放大器，完成滤波、整流、放大等功能的电路设计。集成运算放大器是由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路。它的增益高（可达60180dB），输入电阻大（几十千欧至百万兆欧），输出电阻低（几十欧），共模抑制比高（60170dB），失调与飘移小，而且还具有输入电压为零时输出电压亦为零的特点，适用于正，负两种极性信号的输入和输出2。为完成输入252Hz，0-0.386V交流电压信号，输出0-1.555V直流电压信号的功能。本论文基于集成运算放大器设计，通过低通滤波模块、整流模块、叠加模块以及共模抑制放大模块来共同完成信号的转换。振动变送器系统电路图如5所示，其中Vi1+为振动变送器输入、Vo1+为输出、X为运算放大器、R为电阻、C为电容。图5 总体电路结构第三章 振动变送器电路设计本章将从电源模块、低通滤波模块、整流模块、叠加模块以及共模抑制模块的电路及原理对振动变送器电路的设计进行分别表述。3.1 电源模块在采用迪龙公司DLM10-24S12电源的同时，本论文采用了两个极性电容C30，C31。分别连接在+12V和-12V的输出端，共同组成电源模块，如图6所示。其中加在电源旁的电容C30，C31所起到的作用主要为实现旁路、去藕、滤波和储能。在1，2引脚间输入24V直流电，在4，5引脚间产生稳定的+12V电压；在4，3引脚间产生-12V电压。通过此电压模块可以产生稳定、可靠的12V电压。图6 电源模块电路图3.2 低通滤波模块3.2.1 低通滤波模块的作用振动变送器的输入信号来源于振动传感器。由于振动传感器自身的精准度以及传输过程中的干扰，在振动传感器输出的交流电压信号中很容易夹杂高频的干扰信号。如果这样的信号不经过滤波，而直接将这样的信号送给PLC，将使测振系统失去准确性，扰乱PLC控制程序，甚至损坏振动变送器或者PLC。所以要在交流电压信号变换之前进行滤波，滤除高频的噪声信号。低通滤波器是容许低于截止频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置，图7为低通滤波器的频率相应。低通滤波器可分为无源滤波器和有源滤波器。有源滤波器具有更好的放大倍数和抗干扰能力，所以本论文采用基于集成运算放大器的有源低通滤波器。图7 低通滤波器频率响应3.2.2 低通滤波模块的结构如图8所示为典型的有源低通滤波器电路图。X1为集成运算放大器，Vi1+为振动传感器输出的夹杂高频噪声信号的交流电压信号，Vo1_1为滤波器输出信号。该滤波器的增益：Au1=图8 低通滤波模块电路图3令，那么：这样夹杂高频噪声的交流电压信号Vi1+，通过低通滤波模块后变为干净的，反向的交流电压信号Vo1_1，电压的幅值不变，幅值的变化范围仍为0-0.386V。3.3 整流模块3.3.1 整流模块的作用振动变送器的输入信号和输出信号最大的区别就在于把交流的电压信号变为直流的电压信号。所以整流模块是振动变送器的核心部分。典型的整流策略采用四组二极管，利用二极管的单向导电性构成桥式整流电路，进而把交流电变成直流电，图9为桥式整流电路图。图9 桥式整流电路但是振动变送器的交流电压信号最大的幅值只有0.386V，十分微弱，如果直接整流成毫伏级直流电压信号的话，将极易受到外界信号的干扰而使测振系统失效。所以本论文采用整流兼放大的电路类型。3.3.2 整流模块的结构图10为本论所采用的整流模块电路，其中由X2集成运算放大器构成反向比例放大器，对输入的交流电压信号进行放大。D1，D2为开关二极管4148，对通过的正电平和负电平进行选择判断。当输入为正电平时，输出为Vo1_2+；当输入为负电平时，输出为Vo1_2-。其中Vo1_2+和Vo1_2-是类似脉冲波的信号，占空比为50%，幅值大小分别为Vo1_2+和Vo1_2： 本论文令，那么：当Vo1_1为正电平时 当Vo1_1为负电平时 图10 整流模块电路图3这样干净的反向的交流电压信号Vo1_1，就变为两路占空比为50%，幅值扩大2倍的脉冲波信号，幅值的变化范围为0-0.772V。3.4 叠加模块3.4.1 叠加模块的作用振动变送器的最终输出需要0-1.555V的直流电压信号，但是经过整流模块输出的是两路脉冲信号。所以需要将这两个占空比都是50%的脉冲信号相叠加，结果便组成了标准的直流电压信号，其中两个脉冲信号波形如图11所示。所以本论文设计了两个脉冲信号相叠加的叠加电路。图11 两个脉冲信号波形3.4.2 叠加模块的结构本论文设计的叠加模块电路如图12所示，其中由X3集成运算放大器构成加法器，最终输出的信号Vo1_3，为输入信号Vo1_2+和Vo1_2的叠加。图12 叠加模块电路图令R6=R7=R8=9.1K，那么：这样两个占空比各为50%的脉冲信号就组成了占空比为100%的脉冲信号，也就是直流的电压信号。经过叠加模块，输出的信号Vo1_3为反方向的，幅值等于Vo1_2的直流电压信号。幅值的变化范围仍为0-0.772V。3.5 共模抑制放大模块3.5.1 共模抑制放大模块的作用任何两个信号都可以分解为共模信号和差模信号。共模信号是作用在差分放大器或仪表放大器两个输入端的相同信号，通常是由于线路传导和空间磁场干扰产生的，是不希望出现的信号。差模信号是两个输入端信号的相位相差180度。如果共模信号被放大很多，将会影响到真正需要放大的差模信号。在振动变送器的最后输出部分，设计了共模抑制放大电路，保证振动变送器输出信号的可靠性。3.5.2 共模抑制放大模块的结构图13为本论文所设计的共模抑制放大模块的电路，它由集成运算放大器X4构成反向比例放大器，通过调节电位器R22的阻值可以控制输出信号Vo1+的放大倍数4：图13 共模抑制模块电路图令，。由此可见，电位器R22的电阻值越大，反向比例放大器的增益Au4的值也就越大。通过调节R22的阻值，可以实现把经过叠加模块输出的范围为0-0.772V的直流电压信号放大为0-1.555V的电压信号输出。放大电路所放大的信号是差模输入信号。而共模信号是外界客观存在的，例如环境温度或外界电磁扰动等等。所以在器件的输出端需要设计共模抑制电路，该电路能够在很强的共模干扰中把微小的有用信号提炼出来。图13中的电阻R35，R36和电位器R23组成共模抑制电路。令，。通过调节电位器R23的阻值，可以在+12V和-12V之间找到零电位点，保证集成运放X4的输入端共模信号为零，运放的输入全部由Vo1_3承担。采用这样的输入信号放大策略，极大的减少了温度、电磁干扰等共模信号的干扰5。信号通过共模抑制放大模块，最终振动变送器输出PLC采集所需要的，范围为0-1.555V的，稳定的直流电压信号。第四章 振动变送器的实现4.1 运算放大器的选型在振动变送器的实现过程中，集成运算放大器采用了低功耗，结型场效应管，输入式运算放大器TL062，它的内部由两个运算放大器组成，如图14所示。图14 TL062引脚连接图引脚2、3、5、6分别为两个运放的输入，1、7为两个运放的输出，4脚和8脚分别提供+12V和-12V的电压。鉴于东安某型号燃气轮机发电机组而言，需要测量的振动值有水平和垂直两路信号。所以在振动变送器内部应设计两路信号的处理电路，分别与水平和垂直振动传感器输入的交流电压信号相匹配。其中一路以Vi1+和Vi1-作输入端，Vo1+和Vo1-作输出端，命名为通道1。另一路以Vi2+和Vi2-作输入端，Vo2+和Vo2-作输出端，命名为通道2。而两个通道共用一个12V的电源。电源模块的电路板和信号处理的电路板之间通过12引脚的接插件J2实现连接。电源模块的电路板通过J2把12V的电压信号输送给信号处理的电路板，信号处理的电路板把输出信号输送给电源模块。这样的设计可以保证容易受到干扰的信号处理电路远离电源的干扰。接插件J2的选择使两块电路板连接更加安全，可靠。4.2 振动变送器电路板的制作采用制版软件Altium Designer，设计两个电路板的原理图。图15 用于信号处理的电路图3电源模块的原理图已在图6中给出，此处不再详述。最终实现的振动变送器用于信号处理的电路原理图如图15所示。根据信号处理电路的原理图和电源模块电路的原理图，基于Altium Designer软件设计两个模块的PCB板。图16为依据振动变送器电源模块原理图制成的PCB板。图16 电源模块的PCB板图17为振动变送器信号处理电路的PCB板。图17 信号处理电路的PCB板图18为振动变送器电源模块实物图。图18 电源模块实物图图19为振动变送器信号处理电路板的实物图。图19 信号处理电路板实物图4.3 振动变送器的焊接完成两块电路板的焊接，并参照东安某型号燃气轮机发电机组控制柜的布局情况，选择合适的壳体组装成型。如图20为最终完成焊接和组装的振动变送器内部结构图。图20 振动变送器内部结构图第五章 振动变送器的测试针对振动变送器的功能要求和使用条件，振动变送器的测试主要从：振动变送器输出信号的稳定性和线性度两方面进行测试。5.1 振动变送器稳定性测试首先从两路通道中任选一路进行测试。本论文从通道1开始测试。在引脚+12V和GND之间输入+24V的直流电压。用信号发生器模拟振动传感器的输入信号，在振动变送器的Vi1+和Vi1-引脚之间输入0.386V，252Hz的正弦波信号，模拟燃机5g振动的效果。用示波器采集引脚Vo1+和Vo1-之间的输出信号。观察输出信号是否稳定，并调节电位器R22，使输出电压为1.555V。再次观察输出信号是否稳定。关闭信号发生器，使通道1的输入引脚Vi1+和Vi1-之间没有信号输入，用示波器采集Vo1+和Vo1-之间的输出信号，调节电位器R23使输出电压为零，达到有效共模抑制的效果，观察输出信号是否稳定。图21显示为振动变送器通道1，输出的1.555V的直流电压信号。从图中可以看出振动变送器输出信号稳定，达到预期论题要求。图21 振动变送器通道1输出信号再次选择通道2，在Vi2+和Vi2-引脚之间输入0.386V，252Hz的正弦波信号，用示波器采集引脚Vo2+和Vo2-之间的输出信号。采用通道1的测试手段，调节电位器R20和R21，采集波形。通道2输出的信号同样稳定，达到预期论题要求。5.2 振动变送器线性度测试这项测试中同样从通道1开始测试。在引脚+12V和GND之间输入+24V的直流电压。用信号发生器模拟振动传感器的输入信号，在振动变送器的Vi1+和Vi1-引脚之间输入幅值为0.386V，252Hz的正弦波信号，模拟燃机5g振动的效果，用万用表测量引脚Vo1+和Vo1-之间输出的直流电压信号，并记录。然后在0-0.386V之间插值，分别输入幅值为0V、0.13V、0.18V、0.23V、0.28V、0.33V的正弦波信号，再次用万用表测量引脚Vo1+和Vo1-之间的直流电压信号，并记录。以振动变送器的交流输入为自变量，以振动变送器的直流输出为函数建立联系，并在平面直角坐标系中画出折线图。再次选择通道2，在Vi2+和Vi2-引脚之间输入幅值为0V、0.13V、0.18V、0.23V、0.28V、0.33V以及0.386V，252Hz的正弦波信号，用万用表测量引脚Vo2+和Vo2-之间输出的直流电压信号，并记录。采取同样策略在平面直角坐标系中画出折线图。表1为振动变送器在测试过程中，记录的通道1和通道2的输入、输出数据。交流输入（V）00.130.180.230.280.330.386通道1输出(mV)00.530.7320.9361.1341.3361.555通道2输出(mV)00.4140.640.8651.0881.311.555表1 振动变送器输入输出数据图22为通道1和通道2在平面直角坐标系中，以