基于壓電加速度傳感器的天車監測系統設計*

陳至坤, 逄 鵬, 王福斌, 王 一

(河北聯合大學 電氣工程學院,河北 唐山 063009)

0 引 言

壓電加速度傳感器屬于慣性傳感器，借助特殊介質材料的壓電效應特點,當壓電材料受力發生形變時，其表面會產生電荷，從而實現非電量測量。壓電式加速度傳感器具有動態范圍大、頻率范圍寬、靈敏度高、質量輕、體積小等特點，因此,成為最常用的振動測量傳感器。在核爆炸、鐵路、橋梁、地質、石油、自動控制、導航制導和機器人等領域得到了廣泛的應用[1,2]。

天車(橋式起重機)在室內外倉庫、廠房、碼頭和露天貯料場等處得到廣泛的應用，國內大多數天車沒有安裝自動監測系統，少數能夠定位天車的位置，但定位精度低，給生產帶來了諸多不便。

針對上述問題，本文將壓電加速度傳感器應用到天車上，構成的天車監測系統能夠監測到天車在任意時刻的運行狀態和位置參數，實現了天車吊運系統的安全穩定運行。

1 壓電加速度傳感器

1.1 壓電加速度傳感器的原理

壓電加速度傳感器又稱壓電加速度計，是由質量塊、壓電元件和支座組成，如圖1所示。支座與待測物(大車、小車的機匣)剛性的固定在一起。當待測物運動時，支座與待測物以同一加速度運動，壓電元件受到質量塊與加速度相反方向的慣性力作用，在晶體的2個表面上產生變化的電荷。當振動頻率遠低于傳感器的固有頻率時，傳感器的輸出電荷將正比于作用力[3]。

1.2 測點的選擇

天車的振動測量，首先應選擇合適的測振點安裝加速度傳感器。由于受到外界條件的限制和傳感器技術水平有限，傳感器受溫度、體積和電纜噪聲的影響，只能將測振點選擇在小車和大車的外部機匣上，此時，傳感器測出的振動信號能準確地反映天車的運行狀況，同時避免了電纜噪聲的影響[4]。

圖1 壓電加速度傳感器原理圖

2 天車振動信號采集系統

2.1 系統結構

機械振動頻率有時很高，根據香農采樣定理的要求，需要較高的采樣頻率才能夠實現振動信號的準確測量。系統的整體結構如圖2所示，傳感器采用Lance公司的LC0103內置IC壓電加速度傳感器，配合使用LC0207信號調理器進行振動參數的檢測和信號調理；數據采集模塊采用研華PCI—1710數據采集卡對傳感器信號進行高速采集。數據采集卡通過PCI接口插入研華工控機，構成系統的硬件平臺，上位機使用虛擬儀器開發工具LabVIEW8.6進行軟件開發。該系統能夠實現對大車、小車振動參數測量、顯示、存儲和分析，結構簡單，安裝方便。

圖2 系統整體結構

2.2 硬件系統構成

2.2.1 壓電加速度傳感器

LC0103內裝IC壓電加速度傳感器由壓電加速度傳感器和微型IC放大器組成，壓電傳感器采用隔離剪切和三角剪切結構；微型IC放大器的基本組成為MOS場效應管，并由輸入端的高阻值電阻器與傳感器電容構成一個一階高通濾波器，并由此確定傳感器測量中的低頻截止頻率。該傳感器的特點是低阻抗輸出，抗干擾強，噪聲小，可以長電纜輸出；性價比高，尤其適用于多點測量；傳感器前端有安裝螺紋孔，用于安裝磁性或其它固件表面上，穩定性高，能在惡劣環境下使用。LC0103內裝IC壓電加速度傳感器的靈敏度為50 mV/gn，量程為100gn，頻率范圍為0.35～10 000 Hz(±10 %)。

2.2.2 信號調理電路

內裝IC壓電加速度傳感器要求電源不是恒壓源，而是恒流源，典型值為24 V,4 mA。它輸出的被測交流振動加速度信號是疊加在加速度傳感器的8～12 V直流偏壓上，不便直接采用。LC0207恒流源模塊是為LC01系列的壓電加速度傳感器進行信號調理而設計的，具有調理頻率范圍寬、體積小等特點[5]。

2.2.3 數據采集卡

數據采集卡選用研華的PCI—1710多功能數據采集卡，符合PCI規格Rev2.1標準，支持即插即用，所有與總線相關的配置，比如基地址、中斷，均由即插即用功能完成。該卡為16路單端或8路差分模擬量輸入，或組合方式輸入；12位A/D轉換器，采樣速率可達100 kHz，能夠滿足一般振動測試系統的數據采集；每個通道的增益可編程；單端或差分輸入自由組合，是功能強大的數據采集卡。

3 軟件設計

本測控系統軟件主要采用LabVIEW8.6，通過程序設計實現數據采集、顯示存儲和數據處理程序。具體程序采集流程參考圖3。

圖3 程序流程圖

數據采集程序是對傳感器信號進行高速采集；顯示存儲程序是將數據直觀顯示并保存；數據處理程序是實現采集信號的后續分析[6]；利用數據采集卡驅動程序中封裝的LabVIEW編程工具包，同時帶有大量的例程供參考，編程時可直接調用子VI或對例程進行適當的修改即可。PCI—1710數據采集卡支持的采集方式包括軟件觸發模擬量采集、單通道中斷模擬量采集和多通道中斷模擬量采集。軟件觸發模式采集速度較慢，單通道中斷方式僅適用于單個傳感器連接，擴展性不強，因此,為保證振動參數的準確檢測，實現數據的高速采集，程序采用多通道中斷模擬量采集方式編程，由于數據的存儲速度小于數據的采集速度，這樣產生了沖突，為解決這一問題，利用LabVIEW中的隊列技術將高速采集的數據由采集程序內部傳遞至存儲和顯示程序模塊中。隊列輸出的數組類型為二維數組，利用數組索引將數組每一行數據導出，即為對應端口采樣數據。在LabVIEW中，可采用文本文件、數據記錄Datalog文件、二進制文件、波形數據文件和測試數據文件等5種文件格式存儲或者獲得數據。為了處理數據方便和減少數據處理的時間，本文采用了Microsoft的鏈接方式，數據直接存儲為Excel文件，方便了對數據的處理，能及時將采集的數據存入計算機中，采集與保存并行，可以有效提高采集速度[7]。

4 實驗結果

為驗證壓電加速度傳感器在天車吊運系統上的實用性，在天車模型平臺上進行實驗。

根據加速度傳感器的輸出電壓值，并利用靈敏度、輸出電壓和加速度的關系求解小車、大車的實際加速度；也可根據加速度值進一步積分求解大車、小車的速度和位置，實現大車、小車的運動狀態監測。采集來的部分加速度數據和計算數據如表1所示。

表1 實驗數據

5 結束語

本文將壓電加速度傳感器首次應用到天車監測系統中。首先，對傳感器進行校正，并針對測點的選擇進行了有效的分析，提高了傳感器數據的采集精度；其次，給出了監測系統從硬件的選型到上位機軟件的設計方法。該測試系統硬件結構簡單，可移植性強，適用于各種機械振動參數的測試；軟件平臺適用性與擴展性強，數據采集系統封裝后可在不同測試系統中調用。本文對大車和小車的運行狀態能達到實時監測，對傳感器獲得的振動信號進行有效分析。根據振動信號可以對天車的運行狀況做出及時有效的調整與維護，使天車能在安全、穩定的狀態下運行。

參考文獻:

[1] 殷紅彩.壓電加速度傳感器測量電路的研究[D].合肥:安徽大學，2007.

[2] 薛 洋.基于單個加速度傳感器的人體運動模式識別[D].廣州:華南理工大學，2011.

[3] 高迎慧,孫海淇,楊義葵.基于壓電加速度傳感器的井下機車定位系統[J].壓電與聲光，2012,34(5)：782-784.

[4] 陸兆峰,曹源文,秦 旻.壓電加速度計在工程測振中的應用分析[J].重慶交通大學學報:自然科學版,2008,27(4):643-646.

[5] 邢麗娟,楊世忠.壓電加速度測量系統的設計[J]. 壓電與聲光,2009,31(2):215-217.

[6] 李智慧,姜印平,邵 磊.新型壓電加速度傳感器[J].傳感技術學報,2003,16(3):345-347.

[7] 郭山國,任立軍,王國章,等.基于LabVIEW和PCI—1710的虛擬儀器系統[J]. 儀表技術與傳感器，2011(10):35-37.