基于压电式加速度传感器的船用振动测量仪设计

2013年第32卷第5期传感器与微系统（Transducer and Microsystem Technologies ）檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸殠殠殠殠设计与制造基于压电式加速度传感器的船用振动测量仪设计孙倩，尹菲，尚晶（中船重工第703研究所无锡分部，江苏无锡214151）摘要：振动测量在提高船舶动力设备的使用寿命和可靠性方面已经成为船舶工程测试的一项重要课题。

为了诊断船舶动力设备的机械故障并监测其运行时振动状态，设计了一种基于压电式加速度传感器，采用差分运算电路与电压并联负反馈电路实现信号的稳定转换，由巴特沃斯滤波电路等进行信号调理的船用振动测量仪。

该船用振动测量仪输出的电压信号稳定，满足机械设备振动测量的精度要求，且与市面上大多数的振动分析仪匹配，已在工程中得到了大量应用。

关键词：振动；加速度传感器；电压并联负反馈；巴特沃斯滤波中图分类号：TH 86文献标识码：A文章编号：1000—9787（2013）05—0071—03Design of marine vibration measuring instrument based onpiezoelectric acceleration transducerSUN Qian ，YIN Fei ，SHANG Jing（Wuxi Division of No．703Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation ，Wuxi 214151，China ）Abstract ：In the field of improving reliability and prolonging work time of marine power plant ，vibration measuring has been an important subject of marine engineering testing．In order to diagnose mechanical fault and monitor vibration state of marine power plant ，a marine vibration measuring instrument based on piezoelectric acceleration transducer is designed．Signal is converted stably by differential operational circuit and voltage shunt negative feedback circuit ，Butterworth filtering circuit and other circuits are used to modulate signal．The voltage signal output of instrument is stable which meets precision requirement for mechanical vibration measuring and matches most vibration analyzer on market ，and has been widely used in engineering．Key words ：vibration ；acceleration transducer ；voltage shunt negative feedback ；Butterworth filtering引言随着现代化工业的发展，船舶动力设备越来越大型、高速和复杂，由此产生的振动与噪声问题也越来越突出。

机械振动在大多数情况下是有害的，往往会降低机器性能，破坏其正常工作，缩短使用寿命，甚至导致事故［1］。

船舶动力设备的剧烈振动将导致轴承等的摩擦磨损，构件的疲劳破坏等问题。

振动测量属于动态传感测试技术［2］，能够反映出设备在运行过程的实际振动状态，设计出一种针对船舶动力设备的振动测量仪对日益壮大的船舶事业有着现实意义。

随着振动测试技术的完善，测量精度也越来越受到人们的重视。

船舶动力设备振动测量的条件比较恶劣，测量环境温度高，湿度高，因此，对传感器和振动测量仪的稳定性与测量准确性要求较高。

目前市面上大多数振动分析仪器的输入信号为交流电压0 5V ，而船舶动力设备所关心的振动频率范围一般集中在30 300Hz ，针对这些具收稿日期：2013—02—26体情况，本文设计了一种基于压电式加速度传感器，量程为0 70mm /s ，频率为30 300Hz 的振动测量仪，用于船舶动力设备的机械故障诊断和状态监测。

1振动测量仪的工作原理振动测量仪一般由振动传感器、转换电路、放大电路、积分电路和滤波电路等组成。

振动测量仪通过振动传感器将采集到的振动信号转换成对应的电荷量，通过调理电路将电荷量转换成标准模拟量信号，输入振动采集仪或上位机进行显示、分析和处理。

振动测量仪的工作原理如图1所示。

图1振动测量仪工作原理Fig 1Working principle of vibration measuring instrument17传感器与微系统第32卷2信号检测2．1振动传感器振动传感器是把被测的机械量转换为电量的一种传感器，最常用的振动传感器是压电式加速度传感器。

压电式加速度传感器是以压电效应为转换原理制成的，当传感器受振时，压电材料所受的力也随之变化，同时在其表面产生电荷，从而实现非电量测量。

压电式加速度传感器属于惯性式传感器［3］，本文采用B＆K8324型加速度传感器，灵敏度为10pC /m ·s －2，它能提供较宽的频率范围和动态范围［4］，同时还具有重量轻、体积小、耐高温，适合在船舶动力设备上使用。

2．2调理电路2．2．1转换电路压电加速度传感器产生的是电荷信号，而且很小，因此，必须采用特殊的测量电路来进行测量。

通常有电荷放大器与电压放大器2种典型的测量电路。

电压放大电路的电压灵敏度随引线电容改变而给测量带来不方便，现已基本采用电荷放大电路作为测量电路。

压电加速度传感器的输出电荷量为传感器的灵敏度S q 与输入加速度a 的乘积［5］，即q =S q ·a ．电荷q 对电容C 充电，充电电压U =qC，由此可得到与振动传感器输出信号大小对应的电压信号。

本文采用带有电容反馈的差分运算电路配合电压并联负反馈电路将振动传感器输出的电荷信号转换成一个稳定的电压信号，如图2所示。

振动传感器输出的电荷信号Q i 1和Q i 2经过反馈电容器C1与C2转换成电压信号U 1和U 2。

振动传感器产生的电荷量很小，输出阻抗很高，因此，将转换好的电压信号U 1，U 2通过一个高输入阻抗的差分运算电路，不仅避免了与它相连的仪器的输入阻抗对该电荷放大器的性能产生重大影响，而且很强地抑制零点漂移与抑制噪声与干扰。

电压并联负反馈电路是一个高阻抗输入的电流控制的电压源，它能抑制非线性失真和噪声，A 处电压信号U 1得到了B 处电压信号U 2的反馈校正，得到了一个稳定的电压信号U o 。

差分运算电路与电压并联负反馈电路的配合使用将从振动传感器输出的电荷信号转换成了一个稳定、真实的电压信号，给后续的信号处理提供了一个良好的基础。

图2电荷转换电路Fig 2Charge converter circuit2．2．2前置放大电路由于转换后的电压信号比较微弱，因此，需要对其进行放大。

放大器可以从多方面提高输入信号的质量，增强测量工具的分辨率，提供差动输入来抑制噪音等，本文设计了一种可以调节增益的负反馈放大电路，如图3所示。

图3前置放大电路Fig 3Preposing amplification circuit2．2．3积分电路在机械故障诊断和状态检测中，常用到位移、速度和加速度3种振动参量，振动位移反映了振动幅度的大小，振动速度反映了能量的大小，振动加速度反映了冲击力的大小。

这3个参量中只要知道了一个量就可以通过微积分等手段求得另外2个参量。

测量船舶动力设备的振动，如大机组轴承箱和缸体、中小型机泵等，通常是在机器壳体上安装压电式加速度传感器来测量，用振动速度的有效值（mm /s ）来描述。

加速度振动传感器所测得的电荷量是正比于振动信号加速度的，因此，通过图2电荷转换电路和图3前置放大电路得到的电压信号也正比于振动加速度的，想要得到和振动速度有关的电信号就需要通过积分电路来实现［6］。

有源积分电路电路衰减小、频率范围较宽、积分误差小，因此，本文设计了如图4所示的积分电路。

图4积分电路Fig 4Integration circuit2．2．4滤波电路在振动信号的测量中往往夹杂着许多复杂的噪声信号，而且，船舶动力设备所关心的振动频率范围一般集中在30 300Hz ，因此，设计出一种信噪比较高的滤波电路尤为重要。

根据滤波器的幅频特性分析，常用的滤波器可分为巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器和椭圆滤波器等，由于巴特沃斯滤波器通频带的频率响应曲线最平滑，没有突峰，因此，本文采用一种由四阶巴特沃斯低通滤波器和四阶巴特沃斯高通滤波器组合而成的滤波电路来进行信号的提取。

滤波电路与滤波器参数设定［7］如图5所示。

3试验数据本文采用B＆K1047励磁控制器，B＆K2719功率放大器，B＆K4809振动台作为信号发生器，如图6所示，提供标27第5期孙倩，等：基于压电式加速度传感器的船用振动测量仪设计图5低通与高通巴特沃斯滤波电路Fig 5Low-pass ＆high-pass Butterworth filtering circuit准的振动信号［8］。

测试前先将振动测量仪预热10min ，再进行标定。

给定振动信号频率160Hz ，所得幅值线性数据如表1所示；给定振动信号峰值20mm /s ，所得与频响特性数据如表2所示。

图6振动信号发生器Fig 6Vibration signal generator 表1振动测量仪幅值线性数据表Tab 1Amplitude linearity data of vibration measuring instrumentB＆K1047给定振动峰值（mm /s ）振动测量仪理论输出交流电压（V ）振动测量仪实际输出交流电压（V ）100．7070．727201．4141．439302．1212．151503．5353．597704．9495．106振动测量仪的测试结果误差都在ʃ5%以内，满足机械设备振动测量的精度要求。

4结论本文设计的振动测量仪巧妙使用了差分运算电路与电压并联负反馈电路等信号调理电路，将从振动传感器输出的电荷信号转换成了标准的交流电压信号，精度高、稳定性好，能够准确反映出船舶动力设备的振动情况，为机械故障诊断和状态监测提供了良好的手段，为设备的安全运行提供了依据和保障。