IEPE型智能加速度传感器的设计∗

王占友 何 琳（海军工程大学振动与噪声研究所船舶振动噪声重点实验室武汉430033）

IEPE型智能加速度传感器的设计∗

王占友 何 琳
（海军工程大学振动与噪声研究所船舶振动噪声重点实验室武汉430033）

加速度传感器广泛应用于故障诊断、振动测试等领域，但目前普遍采用的是普通型的加速度传感器，这种加速度传感器不具备现场校验功能和数据表窗口功能，导致加速度测试的自动化程度不高。针对这种情况，论文提出了一种IEPE型智能加速度传感器方案，有效解决了传感器内部模块供电、模拟信号与数字信号的混合传输、抗干扰等关键技术难题，采用低功耗、小型化的理念设计了自校验功能模块和数据表窗口功能模块，并将二者集成于传感器内部，从而满足了实际工程应用的需求。实验结果表明，论文设计的IEPE型智能加速度传感器具有体积小、抗干扰能力强、智能化程度高的特点，可有效提高加速度测试的自动化水平。

智能加速度传感器；自校验；电子数据表

Class Num ber TP212.6

1 引言

加速度传感器广泛应用于故障诊断、振动测试、振动监测等领域［1~3］，对于加速度信号的采集、分析与处理是确定设备工作状态的重要依据，通过对该信号的分析可以提取故障特征、了解设备的固有特征、观察设备的振级趋势等［4~5］。但目前大部分采用的是普通型的加速度传感器［6~10］，采集装置为其提供恒流电源，加速度传感器在偏压的基础上叠加由内部前置放大器转换的反应振动信号的交变电压信号，采集装置去除直流偏压后采集交流信号。显然，该型加速度传感器完全处于开环状态，不能及时反映传感器内部故障，当传感器精度发生飘移时，外部采集装置就会采集到错误信号，导致测试结果错误，从而严重影响后续的数据分析、故障判断等。此外，由于加速度传感器的校验灵敏度差别较大，如果想得到准确的测试结果，必然要求采集装置分别设置各个加速度传感器的灵敏度，当现场需要布置的加速度传感器数量较多且分布较广时，该项工作势必非常繁冗复杂且容易出错。因此，需要设计一种智能型加速度传感器，使其具备自校验功能、电子数据表窗口功能，能够在现场及时对传感器进行校验，并且传感器可内置灵敏度等主要信息，采集装置可以现场读取各个传感器的信息分别进行设置，从而可大大提高加速度检测的效率、灵活性及准确性，有效提高加速度传感器的智能化水平。

2 方案设计

普通的加速度传感器如图1所示。该传感器主要由压电晶体和前置放大器两部分组成，工作时由外部恒流供电，振动信号叠加在偏置电压上输出至采集装置，采集装置经过隔直处理后进行采集。该传感器不具备自校验功能和电子数据表窗口功能。

本文设计的智能加速度传感器对传统加速度传感器进行了重大改进，使其具备自校验功能和电子数据表功能，有效提高其智能化水平。采用智能加速度传感器后的数据采集系统的工作原理如图2所示。该系统仍然包含智能型加速度传感器及采集装置两个部分。为了不增加现场布线的数量，两个部分之间的连接仍然采用两线制，模拟信号的采集与通信的功能采用分时复用的方式实现。智能加速度传感器的内部除了传统加速度传感器内部的压电晶体模块与前置放大器模块两部分外，增加了微控制器模块、电平转换模块、恒流监测模块、恒压源模块、储能模块、充电模块、精密信号发生电路模块、标准电容模块、信号源切换控制模块、前置放大器模块、供电通信切换控制模块，各个模块均采用低功耗、小型化器件。这些模块以微控制器模块为核心，根据采集装置的要求在传输模拟信号状态与数字通信状态两者之间进行切换。

智能加速度传感器与采集装置之间通信采用485电平，提高通信的抗干扰能力，保证通信的可靠性，满足实际工程应用的要求，通信时内部与外部的电平转换由传感器内部的通信电平转换模块完成。智能传感器与采集装置的通信握手，可采用事先定义好的双方认可并遵守的通信协议。

模拟部分主要由两部分组成：校验部分与压电晶体信号转换部分。校验部分主要是对传感器的前置放大器进行校验，标准的校验信号由精密信号发生电路模块产生，再由标准电容模块耦合到前置放大器上，由于信号频率及强度均为事先定义的，因此前置放大器的输出也应该为一预期定值，由此可实现对前置放大器的现场校验。当传感器正常工作时，前置放大器的输入接在压电晶体的输出上，实现对加速度信号的转换与传输。这两者之间的切换由内部的微控制器模块根据采集装置的指令进行切换。

其它的辅助模块包括恒流监测模块、恒压源模块、储能模块、充电模块等，这些模块不是核心功能模块，但也是必不可少的部分，辅助核心功能模块完成其功能。其中充电模块、储能模块及恒压源模块属于辅助电源模块，主要完成电能的存储及恒流源与恒压源的转换。这是由于前置放大器需要恒流源供电，而传感器内部的其它模块需要恒压源供电，因此在不增加电源的情况下需要将恒流源转换为恒压源。

3 主要功能模块的设计如下

1）微控制器模块的设计

微控制器模块是智能加速度传感器的核心模块，根据采集装置的指令完成任务调度控制，实现自校验功能及传感器电子数据表窗口功能。由于该模块是集成于传感器的内部，因此尽量选用小型化、低功耗的微控制器，同时应具备通信接口、内部集成flash及IO接口、模数转换模块等，因此选用恩智浦Kinetis Mini MCU单片机，具体型号为MKL26Z128CAL4R。

2）精密信号发生电路模块的设计

精密信号发生电路模块发生一定频率及幅度的正弦交流信号，提供对前置放大器进行校验的信号。可以采用专门的波形发生器集成芯片，如ICL8038、MAX038、XR-2206。这些芯片集成有各种波形（如正弦波、方波、三角波）的强大功能，三种芯片的对比如表1所示。

表1 三种信号发生芯片的参数对比

由于是恒流源供电，故尽可能选择供电电源小的器件，同时温度范围尽可能宽、尺寸尽可能小。从耗电、尺寸、温度方面考虑，集成芯片的方案不可选。为此，可选择基于运放的文氏电桥振荡电路设计方法。文氏电桥正弦波振荡电路，也称为RC串并联选频网络正弦波振荡电路。典型的电路如图3所示。振荡频率决定于选频网络，即R和C。理论上，利用文氏电桥振荡电路可产生不高于1MHz的正弦波（R和C不能选太小），因此可以利用此方法产生1kHz的正弦波。

3）辅助电源模块的设计

采用LDO线性稳压器，实现电压调节作用，给后端模块提供恒压电源。该部分主要考虑：1）其输入最高电压应为传感器的供电电压，选取的芯片的供电电压应尽可能大于传感器的供电电压；2）因为传感器系ICP型，即恒流源供电，故LDO部分的静态电源要尽可能小；3）尺寸应选用小型贴片型。为此，选择TI的TPS7A41线性稳压器，参数如下：

宽范围输入电压：7V~50V

静态电流：25uA

最大输出电流：50mA

封装：具有高散热性能的MSOP-8PowerPAD

工作温度：-40℃~125℃

4）信号源切换控制模块的设计

信号源切换控制模块根据指令在正常工作时的压电晶体的电荷信号、精密信号发生电路信号之间进行切换。可以选择TI的TS5A3160，封装SC-70，导通电阻1Ω，静态电流500nA，导通可承受电流200mA，不影响信号质量。其封装原理如图4所示。

5）标准电容模块设计

标准电容模块将精密信号发生电路模块产生的校验信号转换为电荷信号，耦合到前置放大器后输出标准校验信号。该模块采用压电陶瓷设计，电荷量根据Q=C*U，例如，若电容1000pF，则1mV产生1pC电荷。

4 工作原理及流程

实际应用时，智能加速度传感器需要与采集装置配合，工作流程如下：

1）初次使用时，采集装置正常供电后，传感器模块首先通过充电模块对储能模块进行充电，为传感器正常工作积蓄电能；

2）经过采集系统预设的时间后，如果传感器系统正常，当传感器储能系统的供电电压超过设定的电压阈值上限时，此时恒压源模块开始工作，系统自动唤醒；

3）自动唤醒后，系统将信号源切换控制模块的开关位置设为校验模式，输出校验信号，此时恒流源一方面给前置放大器供电，另一方面可继续为储能模块充电；此时采集装置可对传感器进行校验，同时也表明传感器已经正常工作；如果采集装置未收到校验信号，表明传感器系统不正常，将该传感器标记为故障传感器；

4）此时采集系统可切断恒流源进入通信模式，传感器中的恒流监测模块会监测到线路中电流的大小及方向，自动判断是供电模式还是通信模式，如果是通信模式，立即通知微控制器模块转入通信模式，此时双方可按事先约定的协议进行握手通信，采集装置可以向传感器发送命令，读写传感器的信息、通知传感器切换工作模式等；

5）如果在通信模式下，传感器电能即将耗完，微控制器模块会监测到电压低于阈值下限，此时会向采集装置发出充电请求，采集装置立即转换为供电模式，传感器的恒流监测模块会监测到恒流信号，也立即切换为充电模式，并将前置放大器的输入信号接地，将前置放大器模块输出置零并自动转入步骤2，充电完成后继续完成余下的工作；如果在通信模式下电能充足，则继续进行通信；

6）采集装置收集完信息并进行正确的设置后，控制传感器开始正常工作。

智能加速度传感器数据采集系统的工作流程如图5所示。

5 实验

针对本文的IEPE型智能加速度传感器，设计了功能上与之配套的数据采集装置，主要在功能设计上采用分时复用的方式与智能传感器配合实现模拟信号与数字信号的混合传输，数据采集装置与加速度传感器之间的连线仍采用2线制，不增加布线的成本及强度，实验方法如下：

1）实验时在线路上注入干扰信号，结果表明智能加速度传感器与数据采集装置可以正常通信，证明本文的方案具有良好的抗干扰性能；

2）测试了自校验功能，在传感器内部的前置放大器上设置了故障，将一个关键电阻更换为热敏电阻，使传感器的转换精度随温度发生改变，此时启用自校验功能，采集装置发现了该故障并报警；

3）系统上电后，采集装置会自动读取智能传感器内部的关键信息，并自动准确地设置该路传感器的灵敏度，有效保证了采集数据转换的准确性。

6 结语

本文针对目前普通型加速度传感器的缺陷，设计了智能型加速度传感器，并试制了样机，实验证明该智能型加速度传感器有效克服了普通型加速度传感器的缺陷，能够现场对自身进行校验，并可方便设置加速度传感器的灵敏度等参数，同时具备较强的抗干扰能力，有效提高了传感器的智能化水平，大大提高了加速度检测的自动化程度，测试效果良好，具有良好的推广应用价值。

［1］辛卫东，马志勇，腾伟，等.振动监测技术在风电机组齿轮箱故障诊断中的应用［J］.中国电力，2012，45（5）：77-80.

［2］刘春时，孙伟，李小彭，等.数控机床整机振动测试方法研究［J］.中国工程机械学报，2009，7（3）：330-335.

［3］杨风艳.基于振动测试的结构损伤诊断方法研究［D］.青岛：中国海洋大学，2006：9-10.

［4］郑磊，余桐奎，韩宇亮.振动噪声特征的主成分分析方法应用研究［J］.舰船电子工程，2009，29（2）：184-187.

［5］邹志强，吴斌.基于振动的结构损伤识别方法研究［J］.舰船电子工程，2014，34（4）：152-156.

［6］Mannini A，Sabatini A M.Machine learningmethods for classifying human physical activity from on-body acceler⁃ometers［J］.Sensors，2010，10（2）：1154-1175.

［7］He Z，Jin L，Zhen L，et al.Gesture recognition based on 3D accelerometer for cell phones interaction［C］//IEEE Asia Pacific Conference on Circuits and Systems，APC⁃CAS 2008，IEEE，2008：217-220.

［8］Mathie M J，Coster A C，Celler BG.Classification of Ba⁃sic Daily Movements Using a Triaxial Accelerometer［J］. Medical and Biological Engineering and Computing，2004，42：670-687.

［9］赵圣占，毕文辉.振动测试中传感器的选择和使用［J］.仪器仪表用户，2011，18（1）：86-89.

［10］陈云花.基于振动测试的大型风力发电机组运行状态监测研究［D］.包头：内蒙古科技大学，2009：23-26.

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，工程师，研究方向：检测与控制。何琳，男，硕士，教授，博士生导师，研究方向：振动与噪声控制。