矿用振动加速度传感器信号调理装置研制-上部
摘要：针对煤矿井下大型设备振动信号难以采集的问题，设计了一种矿用振动筛加速度传感器信号调理装置。详细介绍了该信号调理装置中振动加速度传感器的选型设计，振动信号调理板中的供电模块、激励电路、滤波电路设计及防护设计。测试结果验证了该信号调理装置的可靠性和实用性。
引言
针对煤矿井下环境恶劣所造成的大型设备振动信号难以获取、振动监测技术无法在煤矿井下设备管理和监测中应用等问题，研制了一种矿用振动加速度传感器信号调理装置。该装置用于实时采集和检测井下采掘设备的振动数据。
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装置设计
矿用振动加速度传感器信号调理装置的整体设
计主要包括振动筛加速度传感器的选型设计、振动信
号调理板设计、防护设计。
１．１ 振动加速度传感器的选型设计根据ＧＢ ３８３６．４—２０００《爆炸性气体环境用电气设备 第４部分：本质安全型“ｉ”》中对电子元器件、电路的电压电流、内部电容、外部电感、电气间隙、电子电路外部防护等方面的严格规定，对传感器进行选 型 设 计［３］。 本 文 选 用ＨＫ９１４１型 内 置ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ）压电式振动加速度传感 器。该传感器满足ＧＢ ３８３６．４—２０００的要求，而且设计简单。ＨＫ９１４１型振动加速度传感器由压电加速度传感器和ＩＣ放大电路组成，如图１所示。ＩＣ放大电路包括一阶高通滤波器（用于确定传感器的低频截止频率）、零点调整和灵敏度调整电路。该传感器最大特点是两线制输出，即信号输出线与ＩＣ放大器的供电共用一条线，信号地与电源地共用一条线。信号输出线可用低噪声同轴电缆，也可用普通同轴电缆。
图１ ＨＫ９１４１型振动加速度传感器组成及其外接电路
１．２ 振动信号调理板设计振动信号调理板主要完成对ＨＫ９１４１型振动加速度传感器的驱动，并将其采集的信号进行低通滤波。振动信号调理板的设计包括供电模块、激励电路及滤波电路的设计。
１．２．１ 供电模块设计供电模块由镍氢电池组和电源保护电路２个部分组成，其 中 镍 氢 电 池 组 的 输 出 电 压 为７．２ Ｖ。ＧＢ ３８３６．４—２０００中 规 定：电 源 的 短 路 电 流 应 在３Ａ以下，开路电压应在６Ｖ以下。因此，设计了电源保护电路，用于将供电模块的短路电流限制在２．８Ａ以下，开路电压限制在５Ｖ左右。供电模块的保护电路如图２所示。
图２ 供电模块的保护电路
１．２．２ 激励电路设计供电模块的输出电压为５Ｖ，ＨＫ９１４１型振动加速度传感器的激励电压为１８～３０Ｖ，因此，选用５Ｖ转２４Ｖ的ＤＣ／ＤＣ芯片为振动加速度传感器提供激励电压。电压转换电路如图３所示。
图３ 电压转换电路
ＨＫ９１４１型振动加速度传感器正常工作时需要２～２０ｍＡ恒定电流作为激励电流。设计的电流激励电路如图４所示。该电路选用输出电压可变的ＬＭ３１７芯片。ＬＭ３１７的输出电压为１．２５～３７Ｖ，输出电流可超过１．５Ａ，最小负载电流为３．５ｍＡ，具有０．１％的输入和负载调节率，同时具有限流、热断开等保护功能。ＣＢ１为去耦电容，用于消除电路中使用同一个电源而相互间产生的干扰和影响。
图４ 激励电路
ＬＭ３１７有３个引脚，分别是调整端（ＡＤＪ）、输出端（ＯＵＴ）和输入端（ＩＮ）。输出端和调整端之间电压差为Ｕｒｅｆ＝１．２５Ｖ，则ＬＭ３１７的输出电流为
将Ｒ5＝３００Ω代入式（１）得Ｉｏｕｔ＝４．１６ｍＡ，该值在２～２０ｍＡ恒定激励电流内，因此设计的激励电路能够保证振动加速度传感器正常工作。
1.2.2点的内容已完！下一章继续谈到：1.2.3滤波电路——矿用振动加速度传感器信号调理装置研制-下部
