一种基于两线制模拟信号传输的振动温度一体传感器的制作方法

1.本发明涉及传感器技术领域，尤其是一种基于两线制模拟信号传输的振动温度一体传感器。


背景技术：

2.振动、温度传感器作为机械设备健康诊断的重要工具，在工业生产中扮演者越来约重要的作用，振动温度一体式传感器更是由于其集成度高，安装方便等优点而受到越来越多工程师的重视。但是传统振动温度一体式传感器多数是三线制、四线制模拟信号传输或两线制数字信号传输。
3.三线制模拟信号振动温度一体式传感器主要由振动(电源)信号正、gnd和温度信号输出三根导线，内置振动传感器部分是采用传统iepe接口，即传感器电源和信号输出共用同一根导线，温度传感部分和振动传感器部分共用电源和gnd，温度信号单独一根信号线，以电压的形式输出。
4.四线制模拟信号振动温度一体式传感器与三线制振动温度一体式传感器类似，只不过温度传感器部分的电源不与振动传感部分共用，而是另外独立出一更导线。这样四线制振动温度一体式传感器的四根导线的定义分别为：振动(电源)信号正、gnd、温度信号和温度电源。
5.数字信号传输传感器般采用rs485现场总线作为传输的接口，首先将传感器中的温度和振动信号转化为数字信号，然后通过rs485接口传输出来，这样传感器有三个明显的缺陷：1、传感器中需要集成数据采集处理电路，电路复杂传感器体积较大，影响振动采集频响范围；2、rs485信号线缆带宽较窄，高频的振动原始数据没有办法及时传出；3、需要额外的供电线缆，实际线缆数量并没有减少。


技术实现要素：

6.本发明解决了现有振动温度一体式传感器体积大、无法传输原始数据且需要额外供电线缆的问题，提出一种基于两线制模拟信号传输的振动温度一体传感器，可以节省信号线缆的线芯数量，减少线径、减少线缆重量对振动传感器频响范围的影响，模拟信号不影响信号带宽，并可以显著降低线缆成本。
7.为实现上述目的，提出以下技术方案：
8.一种基于两线制模拟信号传输的振动温度一体传感器，包括传感器和数据采集装置，所述传感器和数据采集装置均设有iepe接口，所述iepe接口上接有两线制同轴线缆，通过两线制同轴线缆连接传感器和数据采集装置，所述传感器设有振动敏感器件和温度敏感器件；所述两线制同轴线缆设有2条导线，分别为信号电源正接线和信号电源负接线。
9.本发明的通信接口为iepe接口，利用两线制同轴线缆的2条导线即可实现温度信号及振动信号从传感器传输到数据采集装置，同时实现数据采集装置为传感器供电，相较于传统振动温度一体传感器节省了信号线缆的线芯数量，同时减少线径、减少线缆重量对
振动传感器频响范围的影响，此外本发明的传感器通过两线制同轴线缆输出的是模拟信号，模拟信号不影响信号带宽，并可以显著降低线缆成本。
10.作为优选，所述传感器还设有电源管理模块，由信号电源正接线为电源管理模块供电，所述电源管理模块对传感器其余用电元件进行配电。
11.作为优选，所述传感器设有低通滤波电路、带通滤波电路和加法电路，所述振动敏感器件通过带通滤波电路连接到加法电路的第一输入端，所述温度敏感器件通过低通滤波电路连接到加法电路的第二输入端，加法电路的输出端连接到信号电源正接线。
12.作为优选，所述数据采集装置设有信号调理模块、模数转换模块和处理器，所述信号调理模块的输入端和信号电源正接线并接有恒流源，所述信号调理模块的输出端连接于模数转换模块的输入端，所述模数转换模块的输出端连接于处理器。
13.作为优选，所述加法电路包括信号叠加单元和信号功率放大单元，所述信号叠加单元将经过低通滤波的温度信号及经过带通滤波的振动信号进行叠加得到温度振动叠加信号，所述信号功率放大单元对温度振动叠加信号进行放大并传输到信号电源正接线。
14.作为优选，所述处理器设有低通数字滤波器和带通数字滤波器，温度振动叠加信号经信号调理模块调理及模数转换模块转换后变成温度振动叠加数字信号，所述温度振动叠加数字信号通过低通数字滤波器后获得温度信号，所述温度振动叠加数字信号通过带通数字滤波器后获得振动信号。
15.本发明的有益效果是：节省信号线缆的线芯数量，减少线径、减少线缆重量对振动传感器频响范围的影响，模拟信号不影响信号带宽，并可以显著降低线缆成本。
附图说明
16.图1是实施例的硬件构成图；
17.图2是实施例的时域信号波形图；
18.图3是实施例的信号频域波形图；
19.图4是实施例的信号合成过程图；
20.图5是实施例的信号解析过程图。
具体实施方式
21.实施例：
22.本实施例提出一种基于两线制模拟信号传输的振动温度一体传感器，参考图1，包括传感器和数据采集装置，传感器和数据采集装置均设有iepe接口，iepe接口上接有两线制同轴线缆，两线制同轴线缆设有2条导线，分别为信号电源正接线和信号电源负接线；传感器设有电源管理模块、振动敏感器件、温度敏感器件、低通滤波电路、带通滤波电路和加法电路；电源管理模块输入端连接于信号电源正接线，电源管理模块为振动敏感器件、温度敏感器件、低通滤波电路、带通滤波电路和加法电路进行配电；振动敏感器件的输出端连接到带通滤波电路的输入端，带通滤波电路的输出端连接到加法电路的第一输入端；温度敏感器件的输出端连接到低通滤波电路的输入端，低通滤波电路的输出端连接到加法电路的第二输入端，加法电路的输出端连接到信号电源正接线；数据采集装置设有信号调理模块、模数转换模块和处理器，信号调理模块的输入端和信号电源正接线并接有恒流源，信号调
理模块的输出端连接于模数转换模块的输入端，模数转换模块的输出端连接于处理器。加法电路包括信号叠加单元和信号功率放大单元，信号叠加单元将经过低通滤波的温度信号及经过带通滤波的振动信号进行叠加得到温度振动叠加信号，信号功率放大单元对温度振动叠加信号进行放大并传输到信号电源正接线。处理器设有低通数字滤波器和带通数字滤波器，温度振动叠加信号经信号调理模块调理及模数转换模块转换后变成温度振动叠加数字信号，温度振动叠加数字信号通过低通数字滤波器后获得温度信号，温度振动叠加数字信号通过带通数字滤波器后获得振动信号。
23.本发明振动温度一体传感器振动的感知部分使用传统压电式振动传感器，本发明的通信接口为iepe接口，iepe接口是振动信号输出和振动传感器供电共用两根导线的信号接口，主要工作原理是从信号电源导线引入恒流源，传感器工作将振动信号采集后以电压的形式输出，其输出为具有一定电压偏置的电压波形，由于振动信号为动态的交变的信号，其直流偏置部分没有实际意义，在使用的过程中会被直接滤除。本发明即利用输出信号的直流偏置部分传输温度信号，其时域信号波形如图2所示，其信号频域波形如图3所示。温度信号是一种变化较为缓慢的信号，在频谱上其所体现的频率范围在低频段，振动信号为高频信号，在频谱上所表现的范围在高频段。因此可以将两种信号合成，在同一条信号线缆上传输。信号被采集后只要通过带通滤波器就可以将两种信号还原出来，从而实现两种信号共用同一条导线传输的功能。
24.本发明信号合成过程如图4所示，首先从温度敏感器件获取的温度信号是具有全频段的信号，为了防止其高频部分对振动信号的干扰，首先对其进行低通滤波，只保留较低频率部分。同理为防止振动信号中低频部分对温度信号的干扰和过高带外信号引起的混叠，首先要将振动信号进行带通滤波。温度信号和振动信号经过滤波之后进行信号叠加。信号功率放大是为了提高带载能力，保证长距离传输不失真。
25.本发明信号解析过程如图5所示，首先将输入的模拟信号进行模数转换，得到数字信号，然后使用低通数字滤波器将高频的振动信号滤除，就可以获得温度信号，将数字信号进行带通滤波，可以获取特定频率段的振动信号。
26.本实施例中：
27.振动温度一通传感器内部温度敏感器件输出灵敏度为100mv/℃；25℃输出电压为8v。内部振动敏感器件输出灵敏度为100mv/g；其频响范围为2～10khz。则当传感器处于温度为25摄氏度；振动为160hz，幅值为1g的正弦振动环境中时。温度敏感器件输出为8v，敏感器件输出为幅值为100mv，频率为160hz的正弦波。温度信号做低通滤波，设置滤波器截止频率为1hz；设置振动传感器带通滤波器的下线截止频率为2hz，上线截止频率为10khz；进行滤波后两信号引入加法器进行合成，得到的信号经过运算放大器进行功率放大后输出。此时获得的输出为有一个8v电压偏置的幅值为100mv，频率为160hz的正弦电压信号。信号在采集终端中被接收并进行模数转换，转换后的数字信号，经过低通数字滤波，获取0～1hz信号，将滤波之后的数据取平均值，即可得到温度信号电压8v经过转换可以得到温度为25℃。将转换后的数字信号通过，下线截止频率为2hz，上线截止频率为10khz数字滤波器，可以获得幅值为100mv，频率为160hz的正弦波，经过单位转换可以得到振动为160hz，幅值为1g的正弦振动信号。