振動變送器的研究與實現

摘 要：在燃氣輪機發電機組的服役期間，振動變送器的故障一直是較常出現的瑕疵之一，

而且振動變送器的價格相對較高。本論文以解決振動變送器故障頻發和造價高的問題為目的，對此器件進行研究。從振動變送器的輸入信號、輸出信號以及所承擔的功能入手，設計硬件電路結構。其中系統包括：電源模塊、低通濾波模塊、整流模塊、疊加模塊以及共模抑制放大模塊。電路采用低功耗的集成運算放大器TL062實現功能，基于Altium Designer軟件設計原理圖和PCB板。最終完成電路板的焊接、組裝以及測試。通過測試證明，本論文所設計的振動變送器提高了器件的可靠性，并且成本降到了原本的六分之一以下，為測振系統的設計提供了新的思路。

關鍵詞：振動變送器；燃氣輪機發電機組；運算放大器；Altium Designer

1 課題背景

振動變送器如圖1所示，從屬于燃氣輪機發電機組的控制系統，同燃機水平、垂直振子（即水平、垂直振動傳感器）共同組成測振部件，為PLC提供標準的電壓信號。

燃機水平、垂直振動傳感器屬于飛機附件，分別水平和垂直的安裝在燃機的燃燒室機匣上，如圖2所示。

他們分別負責測量燃機水平和垂直的振動值大小[1]。振動傳感器的內部結構類似彈簧振子，是用一根輕彈簧一端固定，另一端連結一個質點。而振動傳感器內部分布有磁感線，當質點感受到振動的時候就會往返的做簡諧振動，振動的同時切割磁感線，根據麥克斯韋原理，在質點的兩端就產生了感應電壓。這樣振動傳感器就把輸入的振動信號轉換成電壓信號輸出。振動傳感器感受到的振動越大，感應產生的交流電壓幅值也就越大。振動傳感器能準確測量振動的范圍為0g-5g，對應輸出的電壓信號為252Hz，0-0.386V的交流電壓信號，如圖3所示。

燃氣輪機發電機組的主控器件PLC采集振動值的模擬量輸入模塊，對交流的電壓信號是無法識別的。模擬量輸入模塊能夠識別的模擬量信號為4-20mA的電流信號或者1-10V的電壓信號。所以在振動傳感器和模擬量輸入模塊之間就需要振動變送器把交流的電壓信號轉換成PLC能夠識別的標準的直流電壓信號。振動變送器的輸入為252Hz，0-0.386V的交流電壓信號，輸出為0-1.555V的直流電壓信號。這也正是本論文的論題，研究與實現完成此功能的振動變送器。

2 總體方案

2.1 電源方案

由于燃氣輪機發電機組能夠提供的直流電壓是24V，而模擬電路尤其是在信號處理時采用的運算放大器，需要使用12V的直流電。所以設計穩定、可靠的電源模塊是完成振動變送器設計的前提條件。

本論文采用迪龍公司的DLM10-24S12，它擁有抗震性設計，滿足國軍標的要求可做車載電源使用，并且它加強了電磁兼容設計，可在強電磁環境工作。

2.2 信號處理方案

根據振動變送器對信號處理的要求，本論文主要采用集成運算放大器，完成濾波、整流、放大等功能的電路設計。集成運算放大器是由多級直接耦合放大電路組成的高增益模擬集成電路。它的增益高（可達60～180dB），輸入電阻大（幾十千歐至百萬兆歐），輸出電阻低（幾十歐），共模抑制比高（60～170dB），失調與飄移小，而且還具有輸入電壓為零時輸出電壓亦為零的特點，適用于正，負兩種極性信號的輸入和輸出[2]。

3 電路設計

以下對電源模塊、低通濾波模塊、整流模塊、疊加模塊以及共模抑制模塊的電路及原理進行分別表述。

3.1 電源模塊

在采用迪龍公司DLM10-24S12電源的同時，本論文采用了兩個極性電容C30，C31。分別連接在+12V和-12V的輸出端，共同組成電源模塊，如圖4所示。其中加在電源旁的電容C30，C31所起到的作用主要為實現旁路、去藕、濾波和儲能。在1，2引腳間輸入24V直流電，在4，5引腳間產生穩定的+12V電壓；在4，3引腳間產生-12V電壓。通過此電壓模塊可以產生穩定、可靠的±12V電壓。

3.2 低通濾波模塊

振動變送器的輸入信號來源于振動傳感器。由于振動傳感器自身的精準度以及傳輸過程中的干擾，振動傳感器輸出的交流電壓信號中很容易夾雜高頻的干擾信號。如果這樣的信號不經過濾波，而直將這樣的信號送給PLC，將使測振系統失去準確性，擾亂PLC控制程序，甚至損壞振動變送器或者PLC。所以要在交流電壓信號變換之前進行濾波，濾除高頻的噪聲信號。

3.3 整流模塊

振動變送器的輸入信號和輸出信號最大的區別就在于把交流的電壓信號變為直流的電壓信號。所以整流模塊是振動變送器的核心部分。典型的整流策略采用四組二極管，利用二極管的單向導電性構成橋式整流電路，進而把交流電變成直流電。但是振動變送器的交流電壓信號最大的幅值只有0.386V，十分微弱，如果直接整流成毫伏級電壓信號的話，將極易受到外界信號的干擾而使測振系統失效。

4 振動變送器的測試

針對振動變送器的功能要求和使用條件，振動變送器的測試主要從：輸出信號的穩定性和線性度方面進行測試。

首先從兩路通道中任選一路進行檢驗。本論文從通道1開始測試。在引腳+12V和GND之間輸入+24V的直流電壓。用信號發生器模擬振動傳感器的輸入信號，在振動變送器的Vi1+和Vi1-引腳之間輸入0.386V，252Hz的正弦波信號，模擬燃機5g振動的效果。用示波器采集引腳Vo1+和Vo1-之間的輸出信號。觀察輸出信號是否穩定，并調節電位器R22，使輸出電壓為1.555V。再次觀察輸出信號是否穩定。關閉示波器，使通道1的Vi1+和Vi1-引腳之間沒有信號輸入，用示波器采集Vo1+和Vo1-之間的輸出信號，調節電位器R23使輸出電壓為零，達到有效共模抑制的效果，觀察輸出信號是否穩定。圖15為振動變送器通道1，穩定輸出1.555V的電壓信號。采用此策略多次模擬0g-5g的輸入信號，檢查振動變送器通道1的線性度。

再次選擇通道2，采用通道1的測試手段，調節電位器R20和R21。測試通道2的穩定性和線性度。

6 結束語

至此振動變送器已經全部設計完成。通過對兩通道的測試，證明此振動變送器符合測振系統對穩定性和線性度的要求，可以在東安燃機發電機組上配套使用。

此振動變送器的設計方案更多考慮了電源的可靠性，在信號的處理過程中，增加了濾波和共模抑制等模塊，大大地提高了信號處理電路的穩定性和可靠性。同時此設計方案大大地降低了振動變送器的成本，價格低于購買原來振動變送器價格的六分之一。

應用此振動變送器，為東安東安燃氣輪機發電機組的技術革新和私有化以及穩定、順利的服役提供了進一步的保障。

參考文獻

[1] 鮑興財，王長志.燃機裝配試車工[M].中航工業哈爾濱東安發動機（集團）有限公司.2009，1-3.

[2] 王文輝，劉淑英，菜勝樂.電路與電子學[M].電子工業出版社.2005，248-300.

[3] 高偉濤.電路設計實例精粹[M].北京：國防工業出版社，2002，35-39.

[4] 姜雪松.可編程邏輯器件和EDA設計技術[M].北京：機械工業出版社，2006，14-15.

作者簡介

高金巍（1984-），男，黑龍江省哈爾濱市人，民族：漢 職稱：工程師，學歷：碩士研究生。研究方向：電路與系統。單位：通用電氣。