基于压电加速度传感器的天车监测系统设计*

陈至坤, 逄 鹏, 王福斌, 王 一

(河北联合大学 电气工程学院,河北 唐山 063009)

0 引 言

压电加速度传感器属于惯性传感器，借助特殊介质材料的压电效应特点,当压电材料受力发生形变时，其表面会产生电荷，从而实现非电量测量。压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、灵敏度高、质量轻、体积小等特点，因此,成为最常用的振动测量传感器。在核爆炸、铁路、桥梁、地质、石油、自动控制、导航制导和机器人等领域得到了广泛的应用[1,2]。

天车(桥式起重机)在室内外仓库、厂房、码头和露天贮料场等处得到广泛的应用，国内大多数天车没有安装自动监测系统，少数能够定位天车的位置，但定位精度低，给生产带来了诸多不便。

针对上述问题，本文将压电加速度传感器应用到天车上，构成的天车监测系统能够监测到天车在任意时刻的运行状态和位置参数，实现了天车吊运系统的安全稳定运行。

1 压电加速度传感器

1.1 压电加速度传感器的原理

压电加速度传感器又称压电加速度计，是由质量块、压电元件和支座组成，如图1所示。支座与待测物(大车、小车的机匣)刚性的固定在一起。当待测物运动时，支座与待测物以同一加速度运动，压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性力作用，在晶体的2个表面上产生变化的电荷。当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷将正比于作用力[3]。

1.2 测点的选择

天车的振动测量，首先应选择合适的测振点安装加速度传感器。由于受到外界条件的限制和传感器技术水平有限，传感器受温度、体积和电缆噪声的影响，只能将测振点选择在小车和大车的外部机匣上，此时，传感器测出的振动信号能准确地反映天车的运行状况，同时避免了电缆噪声的影响[4]。

图1 压电加速度传感器原理图

2 天车振动信号采集系统

2.1 系统结构

机械振动频率有时很高，根据香农采样定理的要求，需要较高的采样频率才能够实现振动信号的准确测量。系统的整体结构如图2所示，传感器采用Lance公司的LC0103内置IC压电加速度传感器，配合使用LC0207信号调理器进行振动参数的检测和信号调理；数据采集模块采用研华PCI—1710数据采集卡对传感器信号进行高速采集。数据采集卡通过PCI接口插入研华工控机，构成系统的硬件平台，上位机使用虚拟仪器开发工具LabVIEW8.6进行软件开发。该系统能够实现对大车、小车振动参数测量、显示、存储和分析，结构简单，安装方便。

图2 系统整体结构

2.2 硬件系统构成

2.2.1 压电加速度传感器

LC0103内装IC压电加速度传感器由压电加速度传感器和微型IC放大器组成，压电传感器采用隔离剪切和三角剪切结构；微型IC放大器的基本组成为MOS场效应管，并由输入端的高阻值电阻器与传感器电容构成一个一阶高通滤波器，并由此确定传感器测量中的低频截止频率。该传感器的特点是低阻抗输出，抗干扰强，噪声小，可以长电缆输出；性价比高，尤其适用于多点测量；传感器前端有安装螺纹孔，用于安装磁性或其它固件表面上，稳定性高，能在恶劣环境下使用。LC0103内装IC压电加速度传感器的灵敏度为50 mV/gn，量程为100gn，频率范围为0.35～10 000 Hz(±10 %)。

2.2.2 信号调理电路

内装IC压电加速度传感器要求电源不是恒压源，而是恒流源，典型值为24 V,4 mA。它输出的被测交流振动加速度信号是叠加在加速度传感器的8～12 V直流偏压上，不便直接采用。LC0207恒流源模块是为LC01系列的压电加速度传感器进行信号调理而设计的，具有调理频率范围宽、体积小等特点[5]。

2.2.3 数据采集卡

数据采集卡选用研华的PCI—1710多功能数据采集卡，符合PCI规格Rev2.1标准，支持即插即用，所有与总线相关的配置，比如基地址、中断，均由即插即用功能完成。该卡为16路单端或8路差分模拟量输入，或组合方式输入；12位A/D转换器，采样速率可达100 kHz，能够满足一般振动测试系统的数据采集；每个通道的增益可编程；单端或差分输入自由组合，是功能强大的数据采集卡。

3 软件设计

本测控系统软件主要采用LabVIEW8.6，通过程序设计实现数据采集、显示存储和数据处理程序。具体程序采集流程参考图3。

图3 程序流程图

数据采集程序是对传感器信号进行高速采集；显示存储程序是将数据直观显示并保存；数据处理程序是实现采集信号的后续分析[6]；利用数据采集卡驱动程序中封装的LabVIEW编程工具包，同时带有大量的例程供参考，编程时可直接调用子VI或对例程进行适当的修改即可。PCI—1710数据采集卡支持的采集方式包括软件触发模拟量采集、单通道中断模拟量采集和多通道中断模拟量采集。软件触发模式采集速度较慢，单通道中断方式仅适用于单个传感器连接，扩展性不强，因此,为保证振动参数的准确检测，实现数据的高速采集，程序采用多通道中断模拟量采集方式编程，由于数据的存储速度小于数据的采集速度，这样产生了冲突，为解决这一问题，利用LabVIEW中的队列技术将高速采集的数据由采集程序内部传递至存储和显示程序模块中。队列输出的数组类型为二维数组，利用数组索引将数组每一行数据导出，即为对应端口采样数据。在LabVIEW中，可采用文本文件、数据记录Datalog文件、二进制文件、波形数据文件和测试数据文件等5种文件格式存储或者获得数据。为了处理数据方便和减少数据处理的时间，本文采用了Microsoft的链接方式，数据直接存储为Excel文件，方便了对数据的处理，能及时将采集的数据存入计算机中，采集与保存并行，可以有效提高采集速度[7]。

4 实验结果

为验证压电加速度传感器在天车吊运系统上的实用性，在天车模型平台上进行实验。

根据加速度传感器的输出电压值，并利用灵敏度、输出电压和加速度的关系求解小车、大车的实际加速度；也可根据加速度值进一步积分求解大车、小车的速度和位置，实现大车、小车的运动状态监测。采集来的部分加速度数据和计算数据如表1所示。

表1 实验数据

5 结束语

本文将压电加速度传感器首次应用到天车监测系统中。首先，对传感器进行校正，并针对测点的选择进行了有效的分析，提高了传感器数据的采集精度；其次，给出了监测系统从硬件的选型到上位机软件的设计方法。该测试系统硬件结构简单，可移植性强，适用于各种机械振动参数的测试；软件平台适用性与扩展性强，数据采集系统封装后可在不同测试系统中调用。本文对大车和小车的运行状态能达到实时监测，对传感器获得的振动信号进行有效分析。根据振动信号可以对天车的运行状况做出及时有效的调整与维护，使天车能在安全、稳定的状态下运行。

参考文献:

[1] 殷红彩.压电加速度传感器测量电路的研究[D].合肥:安徽大学，2007.

[2] 薛 洋.基于单个加速度传感器的人体运动模式识别[D].广州:华南理工大学，2011.

[3] 高迎慧,孙海淇,杨義葵.基于压电加速度传感器的井下机车定位系统[J].压电与声光，2012,34(5)：782-784.

[4] 陆兆峰,曹源文,秦 旻.压电加速度计在工程测振中的应用分析[J].重庆交通大学学报:自然科学版,2008,27(4):643-646.

[5] 邢丽娟,杨世忠.压电加速度测量系统的设计[J]. 压电与声光,2009,31(2):215-217.

[6] 李智慧,姜印平,邵 磊.新型压电加速度传感器[J].传感技术学报,2003,16(3):345-347.

[7] 郭山国,任立军,王国章,等.基于LabVIEW和PCI—1710的虚拟仪器系统[J]. 仪表技术与传感器，2011(10):35-37.