振动变送器的研究与实现

　　摘 要：在燃气轮机发电机组的服役期间，振动变送器的故障一直是较常出现的瑕疵之一，
　　而且振动变送器的价格相对较高。本论文以解决振动变送器故障频发和造价高的问题为目的，对此器件进行研究。从振动变送器的输入信号、输出信号以及所承担的功能入手，设计硬件电路结构。其中系统包括：电源模块、低通滤波模块、整流模块、叠加模块以及共模抑制放大模块。电路采用低功耗的集成运算放大器TL062实现功能，基于Altium Designer软件设计原理图和PCB板。最终完成电路板的焊接、组装以及测试。通过测试证明，本论文所设计的振动变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，为测振系统的设计提供了新的思路。
　　关键词：振动变送器；燃气轮机发电机组；运算放大器；Altium Designer
　　1 课题背景
　　振动变送器如图1所示，从属于燃气轮机发电机组的控制系统，同燃机水平、垂直振子（即水平、垂直振动传感器）共同组成测振部件，为PLC提供标准的电压信号。
　　燃机水平、垂直振动传感器属于飞机附件，分别水平和垂直的安装在燃机的燃烧室机匣上，如图2所示。
　　他们分别负责测量燃机水平和垂直的振动值大小[1]。振动传感器的内部结构类似弹簧振子，是用一根轻弹簧一端固定，另一端连结一个质点。而振动传感器内部分布有磁感线，当质点感受到振动的时候就会往返的做简谐振动，振动的同时切割磁感线，根据麦克斯韦原理，在质点的两端就产生了感应电压。这样振动传感器就把输入的振动信号转换成电压信号输出。振动传感器感受到的振动越大，感应产生的交流电压幅值也就越大。振动传感器能准确测量振动的范围为0g-5g，对应输出的电压信号为252Hz，0-0.386V的交流电压信号，如图3所示。
　　燃气轮机发电机组的主控器件PLC采集振动值的模拟量输入模块，对交流的电压信号是无法识别的。模拟量输入模块能够识别的模拟量信号为4-20mA的电流信号或者1-10V的电压信号。所以在振动传感器和模拟量输入模块之间就需要振动变送器把交流的电压信号转换成PLC能够识别的标准的直流电压信号。振动变送器的输入为252Hz，0-0.386V的交流电压信号，输出为0-1.555V的直流电压信号。这也正是本论文的论题，研究与实现完成此功能的振动变送器。
　　2 总体方案
　　2.1 电源方案
　　由于燃气轮机发电机组能够提供的直流电压是24V，而模拟电路尤其是在信号处理时采用的运算放大器，需要使用12V的直流电。所以设计稳定、可靠的电源模块是完成振动变送器设计的前提条件。
　　本论文采用迪龙公司的DLM10-24S12，它拥有抗震性设计，满足国军标的要求可做车载电源使用，并且它加强了电磁兼容设计，可在强电磁环境工作。
　　2.2 信号处理方案
　　根据振动变送器对信号处理的要求，本论文主要采用集成运算放大器，完成滤波、整流、放大等功能的电路设计。集成运算放大器是由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路。它的增益高（可达60～180dB），输入电阻大（几十千欧至百万兆欧），输出电阻低（几十欧），共模抑制比高（60～170dB），失调与飘移小，而且还具有输入电压为零时输出电压亦为零的特点，适用于正，负两种极性信号的输入和输出[2]。
　　3 电路设计
　　以下对电源模块、低通滤波模块、整流模块、叠加模块以及共模抑制模块的电路及原理进行分别表述。
　　3.1 电源模块
　　在采用迪龙公司DLM10-24S12电源的同时，本论文采用了两个极性电容C30，C31。分别连接在+12V和-12V的输出端，共同组成电源模块，如图4所示。其中加在电源旁的电容C30，C31所起到的作用主要为实现旁路、去藕、滤波和储能。在1，2引腳间输入24V直流电，在4，5引脚间产生稳定的+12V电压；在4，3引脚间产生-12V电压。通过此电压模块可以产生稳定、可靠的±12V电压。
　　3.2 低通滤波模块
　　振动变送器的输入信号来源于振动传感器。由于振动传感器自身的精准度以及传输过程中的干扰，振动传感器输出的交流电压信号中很容易夹杂高频的干扰信号。如果这样的信号不经过滤波，而直将这样的信号送给PLC，将使测振系统失去准确性，扰乱PLC控制程序，甚至损坏振动变送器或者PLC。所以要在交流电压信号变换之前进行滤波，滤除高频的噪声信号。
　　3.3 整流模块
　　振动变送器的输入信号和输出信号最大的区别就在于把交流的电压信号变为直流的电压信号。所以整流模块是振动变送器的核心部分。典型的整流策略采用四组二极管，利用二极管的单向导电性构成桥式整流电路，进而把交流电变成直流电。但是振动变送器的交流电压信号最大的幅值只有0.386V，十分微弱，如果直接整流成毫伏级电压信号的话，将极易受到外界信号的干扰而使测振系统失效。
　　4 振动变送器的测试
　　针对振动变送器的功能要求和使用条件，振动变送器的测试主要从：输出信号的稳定性和线性度方面进行测试。
　　首先从两路通道中任选一路进行检验。本论文从通道1开始测试。在引脚+12V和GND之间输入+24V的直流电压。用信号发生器模拟振动传感器的输入信号，在振动变送器的Vi1+和Vi1-引脚之间输入0.386V，252Hz的正弦波信号，模拟燃机5g振动的效果。用示波器采集引脚Vo1+和Vo1-之间的输出信号。观察输出信号是否稳定，并调节电位器R22，使输出电压为1.555V。再次观察输出信号是否稳定。关闭示波器，使通道1的Vi1+和Vi1-引脚之间没有信号输入，用示波器采集Vo1+和Vo1-之间的输出信号，调节电位器R23使输出电压为零，达到有效共模抑制的效果，观察输出信号是否稳定。图15为振动变送器通道1，稳定输出1.555V的电压信号。采用此策略多次模拟0g-5g的输入信号，检查振动变送器通道1的线性度。
　　再次选择通道2，采用通道1的测试手段，调节电位器R20和R21。测试通道2的稳定性和线性度。
　　6 结束语
　　至此振动变送器已经全部设计完成。通过对两通道的测试，证明此振动变送器符合测振系统对稳定性和线性度的要求，可以在东安燃机发电机组上配套使用。
　　此振动变送器的设计方案更多考虑了电源的可靠性，在信号的处理过程中，增加了滤波和共模抑制等模块，大大地提高了信号处理电路的稳定性和可靠性。同时此设计方案大大地降低了振动变送器的成本，价格低于购买原来振动变送器价格的六分之一。
　　应用此振动变送器，为东安东安燃气轮机发电机组的技术革新和私有化以及稳定、顺利的服役提供了进一步的保障。
　　参考文献
　　[1] 鲍兴财，王长志.燃机装配试车工[M].中航工业哈尔滨东安发动机（集团）有限公司.2009，1-3.
　　[2] 王文辉，刘淑英，菜胜乐.电路与电子学[M].电子工业出版社.2005，248-300.
　　[3] 高伟涛.电路设计实例精粹[M].北京：国防工业出版社，2002，35-39.
　　[4] 姜雪松.可编程逻辑器件和EDA设计技术[M].北京：机械工业出版社，2006，14-15.
　　作者简介
　　高金巍（1984-），男，黑龙江省哈尔滨市人，民族：汉 职称：工程师，学历：硕士研究生。研究方向：电路与系统。单位：通用电气。

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