矿用本安型测振传感器的研制

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

振动监测是各种设备最为重要 的监测手段之- ，但由于缺少可以直接在煤矿井下使用的振动加速度传感器，振动监测很难在井下开展，煤矿井下设备的状 态监测和故障诊断多停留在电气类和液压类故障的简单监测和阈值报警阶段，基于振动监测的很多重要研究如煤岩分界、载荷谱识别等都无法开展1 ]，因此 ，研制可应用于煤矿井下 的振动加速度传感器--本质安全型振动加速度传感器”成为当务之急 。

煤矿井下多为潮湿 、含瓦斯 、多粉尘的环境，其环境特点要求所有用于煤矿井下的设备必须符合现行国家标准 、收稿 日期：2012-08基金项目：国家 863重点(2008AA062201)资助项 目行业标准和矿山安全有关规定，满足安全生产要求 ，因此相关仪器仪表的设计不仅要符合相关设计要求，还要取得相应的安全标志证书方可应用于井下。

2 本质安全型振动传感器设计要求概述本质安全型振动加速度传感器属爆炸性气体环境用检测装置 ，对此类装置的设计有严格的国家和行业标准。

1)其电子电路设计必须保证在规定条件 (包括正常工作和规定的故障条件)下产生 的任何 电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境，为达到上述 目标 ，在GB 3836-2000”中，对使用 的电子元器件 、电路的电压 电· 95 ·第 36卷 电 子 测 量 技 术流、内部电容 、外部 电感 、电气间隙、电子电路外部防护等方面做了严格的规定 ，并有专业机构负责上述指标的技术 审查并出具审查报告。

2)信号检测和传输电路的设计应在使用性能、电磁兼容性 、可靠性，直至外观和结构上符合MT 209-1990煤矿通信、检测 、控制用电工电子产品通用技术条件”和MT210-1990煤矿通信、检测 、控制用 电工电子产品基本试验方法”的要求 。

3)电路板须加防护外壳，其防护外壳设计要根据煤矿井下环境 选用相应 防护等级 的材 料，并通过 GB 4208-2008中规定的实验验证防护外壳的可靠性 。

仪器整体设计过程中还要考虑GB/T 2423.1-2008”～GB/T 2423.4-2008”的相关要求，最终使其能够正常、安全地工作在煤矿井下环境中。

整体设计完成后要送安标 中心进行检测 ，检测合格并取得相应的安全标志证书后方能在井下使用。

3 本质安全型振动传感器总体设计煤安标准对井下使用的产 品有严格的要求 ，且井下空间有限，如若将传感器设计为-个整体设计难度极大 ，且成本和传感器体积不易控制，不利于井下的使用和推广。因此 ，采用化整为零的设计方法，将本质安全型振动加速度传感器划分为功能比较单-的拈按照本安的要求分别进行设计，包括：压电式振动加速度传感器、信号传输防护系统、本安信号调理板 、系统供电拈 、井下防护系统和接 口设计等部分，将复杂的本安振动加速度传感器设计拆解为易于实现的简单拈的设计 ，在达到现行国家标准、行业标准和矿山安全有关规定的要求的同时，极大的降低了设计难度，并有利于 申请煤安证书”，从而可以直接应用于煤矿井下。

本质安全型振动加速度传感器图 1 本质安全型振动加速度传感器总体设计方案3.1 压电式振动加速度传感器压电加速度传感器采用先进的剪切结构；IC电路由-阶高通滤波器、零点调整和灵敏度调整 电路组成。由- 阶高通滤波器确定传感器低频截止频率。采用两线制输出，即信号输出线与 Ic放大器供电共用-条线，信号地与电源地共用-条线。信号输出线用低噪声同轴电缆。其原理图如图 2所示 。

· 96 ·放大器图 2 传感器原理煤矿井下设备的设计每-环节都要严格按照本安 的要求设计，因此合理的简化系统能够降低设计的难度 ，同时也有利提高设备的可靠性和井下使用 的便捷性 ，内装 IC～集成电路放大器 ，将传统的压电加速度传感器与电荷放大器集于-体，能直接与记录和显示仪器连接 ，有效简化测试系统 ，提高测量精度和可靠性。其突出特点如下：低阻抗输出，抗干扰 ，噪声小；性价比高，安装方便，尤其适于多点测量；稳定可靠 、抗潮湿 、抗粉尘 、抗有害气体。

传感器有磁座安装或螺纹安装 2种方式可选，扩大 了其井下应用范围。其关键参数如表 1所示。

表 I 振动加速度传感器关键参数参数名 范围线性灵敏度/(mV/ms )测量范围/kHz横向灵敏度输出偏压/V恒定 电流/mA激励 电压/V温度范 围/口C3.2 信号传输防护系统设计传感器工作的环境为强电磁干扰、潮湿的环境 ，且在使用过程中极易遭受摩擦和弯折 ，因此信号传输系统需进行抗干扰和抗磨损设计。此部分涉及 的主要部件为传输 电缆 ，根据以上分析，采用 MHYVRP型矿用阻燃 电缆，此 电缆可保证在-30～60℃的环境条件下，通信 电缆的机械和电气性能均保持不变。同时由于采用全色谱绝缘、铝塑综合护套(即电缆的纵包屏蔽铝带与护套粘结成-体，形成密封护层)，保证 了井下信号传输的可靠性和使用安全 ，符合MT 209-1990煤矿通信 、检测、控 制用 电工电子 产品通用技术条件”要求。

值% % 型2 赵 国瑞 等：矿用本安型测振传感器的研制 第2期两路铜导体中-路为信号传输线；另-路为传感器供电，两路均由绝缘层包裹 ，既保证了信号不受干扰 ，也保证 了供电的稳定性。

图 3 信号传输电缆结构示意3.3 传感器本安设计3.3.1 传感器激励电路设计由传感器 的关 键参数可 知，其 正常工作 时需 要外加18～30 V的直流激励电压 和 2～20 mA的恒定激励 电流 ，因此在调理板中设计了传感器激励电路 ，如图 4所示。

图4 传感器激励电路激励电路选用输出电压可变 的 LM317型集成三端稳压块 组 成传 感 器 激 励 电 路。LM317输 出 电压 范 围 是1.25～37 V，输 出电流 可超 过 1.5 A，最 小 负载 电 流为3.5 mA，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。该稳压块有 3个引脚，分别是调整端、输出端和输入端。输出端和调整端之间电压是非常稳定的电压 ，其值为 1.25 V。

传感器激 励 电路 利用 电源模 块输 出的 24VDC作 为LM317的输入电压 ，图 4中 C -0.1 p.F为集成稳压块电源端的去耦电容，其作用是为了消除各电路因使用 同-个电源相互之间产生的干扰和影响。数字 电路 中典型的去耦电容值是 0.1 F。因为 0.1 F的去耦 电容有 5 H 的分布电感 ，它的并行共振频率大约在 7 MHz左右 ，因此对 于10 MHz以下的噪声有很好 的去耦效果。

图 4中R 为泄放电阻，根据最小负载电流(3.5 mA)可以计算出R的最大值：R-(1.25/0.003 5)Q-357 Q，实际取值-般略小于最大值 。本传感器激励 电路 中取 R 330 Q，利用输出端与调整端 1.25 V的恒定压差 ，产生 f -(1.25/330)-3.79 mA≈4 mA恒定输出电流为传感器提供激励。

3.3.2 振动信号调理本安电路设计传感器输出的信号 ：-部分是振动加速度信号经传感器转换而成的电信号，另-部分则是供电系统调制上的直流分量。因此，首先要滤掉信号中的直流成分，消除其对有用信号的影响 。在调理电路中可利用-个隔直电容实现上述功能。同时 ，由于加速度传感器输出阻抗较小 ，为了与后级滤波电路实现阻抗匹配需要外加阻抗变换 电路 ，因此设计完成的隔直与阻抗变换电路如图 5所示。 。

R31R2620kl-I图 5 信号调理板电路原理最终设计完成的单路振动信号调理电路如图 6所示。

图 6 单路振动信号调理电路· 97 ·-赵 国瑞 等：矿 用本安型测振传感器的研制 第2期效果受到现场工作人员的-致认可 。

图 12 实验测试图 13 正常割煤时振动时域图-ll.I. I 1 .I .。.1 JO 100 20o 300 400 500 6o0频率/Hz图 14 正常割煤时功率谱目前 ，此系统相应的企业标准已制定完成 ，并通过了煤安认证”，获得发 明专利-项。

5 结 论基于井下设备故 障诊断 的迫切需求和井下生产环境的特殊要求 ，提出并设计了-种本质安全型振动加速度传感器，并设计 了测试平台，验证 了其正确性。此传感 器已通过煤安认证”，可直接应用 于井下设备的振动测试 ，解决了基于振动的设备故障诊断研究数据获取问题 ，同时也为基于振动的其它相关研究提供 了有力工具。