低頻壓電加速度傳感器電荷放大及采集系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種低頻壓電加速度傳感器的電荷放大及采集系統(tǒng)。采用價(jià)格低廉的基本元件及運(yùn)算放大器，運(yùn)用“正反饋+負(fù)反饋”的方法提高放大電路的輸入電阻和穩(wěn)定性。供電電路與信息傳輸電路復(fù)合，只需兩根傳輸線(xiàn)即可得到較大的加速度電流信息，且傳輸距離更遠(yuǎn)。對(duì)電流信息進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換和濾波處理，通過(guò)高精度A/D轉(zhuǎn)換，得到精確的數(shù)字加速度信號(hào)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】低頻壓電加速度傳感器電荷放大及采集系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電荷放大及采集系統(tǒng)，具體涉及一種低頻、壓電陶瓷式加速度傳感器的電荷放大及采集系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電加速度傳感器可以看成一個(gè)產(chǎn)生電荷的高內(nèi)阻發(fā)電元件。壓電元件受到質(zhì)量塊與加速度相反方向的慣性力的作用，在晶體的兩個(gè)表面上產(chǎn)生交變電荷，但是電荷量很小，一般的測(cè)量電路的輸入阻抗較小，壓電片上的電荷通過(guò)測(cè)量電路時(shí)會(huì)被輸入電阻迅速泄漏引入測(cè)量誤差，測(cè)量效果很差。如果壓電加速度計(jì)沒(méi)有與之配套的采集電路一起配合使用，那么壓電加速度傳感器的廣泛應(yīng)用就會(huì)受到非常大的限制。因此，與之配套的放大、采集電路的研究及其硬件實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電加速度傳感器的使用、推廣起著極其重要的作用。
[0003]目前最常用的壓電加速度傳感器的前端調(diào)理電路就是電荷放大器，它能得到與輸入電荷成比例的電壓輸出，然后對(duì)放大的電壓信號(hào)進(jìn)行采集，得到加速度信息。它的特點(diǎn)是使傳感器的靈敏度和電纜長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，電纜可長(zhǎng)達(dá)幾千米，而在被測(cè)對(duì)象附近只有一個(gè)小的傳感器。這對(duì)使用者來(lái)說(shuō)非常方便。但是現(xiàn)在的電荷放大器電路都非常復(fù)雜，價(jià)格都比較高，性?xún)r(jià)比不很理想，這些因素都嚴(yán)重影響了壓電加速度傳感器的廣泛使用。所以研制一種性?xún)r(jià)高的、實(shí)用的電荷放大、采集電路就非常的有必要。
[0004]針對(duì)上述情況，本發(fā)明對(duì)傳感器的調(diào)理電路做了深入的研究。針對(duì)目前各種測(cè)量電路的缺點(diǎn)，提出一種簡(jiǎn)單、穩(wěn)定的電荷放大及采集系統(tǒng)。采用價(jià)格低廉的基本運(yùn)放，運(yùn)用“正反饋+負(fù)反饋”的思想提高放大電路的輸入電阻和穩(wěn)定性。供電電路與信息傳輸電路復(fù)合，只需兩根傳輸線(xiàn)即可得到較大的加速度電流信息，且傳輸距離更遠(yuǎn)。對(duì)電流信息進(jìn)行高精度采集，減少量化誤差，確保數(shù)據(jù)的精確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種壓電式加速度傳感器的電荷放大及采集系統(tǒng)，通過(guò)使用正反饋+負(fù)反饋的方式，用很少原件實(shí)現(xiàn)高輸入阻抗的電荷放大功能和電流采集系統(tǒng)，在較小成本的情況下，實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性和高精確度的加速度信號(hào)采集。
[0006]高穩(wěn)定性壓電加速度傳感器的電荷放大及采集系統(tǒng)包括電荷轉(zhuǎn)換電壓部分，電壓放大部分，供電部分，電流輸出部分，信號(hào)采集部分。
[0007]所述電荷轉(zhuǎn)換電壓部分，將壓電陶瓷產(chǎn)生的微弱電荷轉(zhuǎn)換為一個(gè)低內(nèi)阻的電壓源，其核心為集成運(yùn)放A1，A1可采用高輸入阻抗運(yùn)算放大器?？紤]壓電陶瓷傳輸線(xiàn)距離、力口速度信號(hào)頻率和輸出電壓范圍，反饋電容的取值在220PF-0.22 μ F之間選取。為了提高負(fù)反饋效果，達(dá)到100ΗΖ以下的下限截止頻率，需要較高的反饋電阻；為了使用較精確的低值電阻代替很大的反饋電阻，由電阻R1，R2，R3組成T型網(wǎng)絡(luò)代替反饋電阻。為了提高電荷放大器的輸入阻抗，保證對(duì)微弱電荷的采集，在電荷放大器中引入交直流共存的電壓并聯(lián)正反饋，反饋電阻為R4。[0008]所述電壓放大部分采用集成運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，引入串聯(lián)電壓負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)放大，由于前級(jí)的輸出電阻較小，為了保證有適當(dāng)?shù)姆糯蟊稊?shù)，反饋電阻取值在50ΚΩ-100ΚΩ之間。
[0009]所述供電部分采用電阻分壓的方法。為了減少傳輸線(xiàn)，信號(hào)線(xiàn)與電源線(xiàn)共用。輸入電壓正端直接接運(yùn)放正電壓端，經(jīng)兩個(gè)等值電阻后接負(fù)電壓端，兩個(gè)電阻之間接運(yùn)算放大器的正輸入端。
[0010]所述電流輸出部分用晶體管實(shí)現(xiàn)。偏置電路可調(diào)，調(diào)整電阻RB可控制輸出電流范圍。集電極和發(fā)射極直接接電壓輸入，為了防止電壓接反，可并聯(lián)二極管作為保護(hù)。
[0011]所述信號(hào)采集部分首先將輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓，經(jīng)過(guò)LC低通濾波器，然后用高精度A/D轉(zhuǎn)換器將加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。為了提高轉(zhuǎn)換精度，減少量化誤差，A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)在20位以上，為了減少器件連接引腳，可采用串行方式輸出。
[0012]由于本發(fā)明采用以上技術(shù)方案，通過(guò)正反饋+負(fù)反饋的方式解決輸入阻抗不高的問(wèn)題，同時(shí)供電部分和電流輸出部分的簡(jiǎn)化，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，價(jià)格低廉，很好的解決了現(xiàn)有加速度傳感器信號(hào)采集系統(tǒng)電路復(fù)雜，性?xún)r(jià)比不高的問(wèn)題。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明及其特征和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯。在全部附圖中相同的標(biāo)記指示相同的部分。附圖中一些原件的參數(shù)可以改變，對(duì)傳感器電荷的采集效果略有不同。
[0014]圖1為低頻壓電加速度傳感器電荷放大及采集系統(tǒng)；包括電荷轉(zhuǎn)換部分，電壓放大部分，電源部分，電流輸出部分，濾波部分和A/D轉(zhuǎn)換部分。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的說(shuō)明:
[0016]發(fā)明提供的壓電式加速度傳感器的電荷放大及采集系統(tǒng)如附圖所示。
[0017]圖1中電荷轉(zhuǎn)換電壓部分；in+和in-為壓電陶瓷的輸出，Al為高輸入阻抗運(yùn)算放大器，Cl為反饋電容，電阻Rl，R2，R3組成T型網(wǎng)絡(luò)代替負(fù)反饋電阻，R4為正反饋電阻，以保證對(duì)微弱電荷的采集。
[0018]圖1中電壓放大部分；A2和Al為同類(lèi)型的運(yùn)算放大器，主要是起電壓放大作用。由R5、R6構(gòu)成負(fù)反饋，R5的大小與輸出部分的晶體管參數(shù)有密切的關(guān)系。C2和C3為耦合電容，在低頻的情況下，其容值一般不低于I μ F。
[0019]圖1中電源部分；+V和-V送給運(yùn)放供電，R8和R7為等阻值電阻，阻值大小根據(jù)供電電壓大小和運(yùn)放的參數(shù)確定，通常在IOK Ω左右；R12和R9為等阻值電阻，阻值比R7小一個(gè)數(shù)量級(jí)。C4為消除電源高頻噪聲的濾波電容。
[0020]圖1中電流輸出部分；晶體管T為小功率、中低頻NPN型三極管。RlO和Rll的取值保證T處于微放大狀態(tài)，而且其輸出電流在最大輸入電壓時(shí)不會(huì)產(chǎn)生失真。兩輸出端可以通過(guò)長(zhǎng)距離的傳輸線(xiàn)輸出，使用時(shí)兩端加上+12V的電壓。
[0021]圖1中濾波部分；傳感器的輸出電流經(jīng)傳輸線(xiàn)后對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行采集。傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度可達(dá)1000米。首先輸出為電流信號(hào)，需要對(duì)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；采用電阻R13取樣的方法實(shí)現(xiàn)，由于輸出電流的范圍一般在5mA-30mA之間,根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入電壓的范圍要求，電阻阻值一般不超過(guò)200 Ω。
[0022]傳輸?shù)募铀俣刃盘?hào)含有噪聲，根據(jù)壓電陶瓷的參數(shù)，轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)需要進(jìn)行預(yù)濾波處理，采用低通濾波器處理，截止頻率在20K左右。這里選取2階LC低通濾波器，由C5-C9和L1、L2構(gòu)成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，濾波效果好等優(yōu)點(diǎn)。
[0023]圖1中A/D轉(zhuǎn)換部分；濾波后的信號(hào)可直接輸入A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器的串行輸出方式大大的減少了引腳數(shù)量，只需工作時(shí)鐘clk，數(shù)據(jù)時(shí)鐘sclk和數(shù)據(jù)線(xiàn)data三根即可，由控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的控制。Vdd和Vref由A/D轉(zhuǎn)換器的使用參數(shù)決定。
[0024]綜上所述，本方法采用極為簡(jiǎn)單的電路實(shí)現(xiàn)了電荷放大，能極為穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)高精度的加速度信號(hào)采集。熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述方法和技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案做出許多可能的變動(dòng)和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單修改，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.所述的電荷放大及采集系統(tǒng)提供一個(gè)能對(duì)壓電加速度信號(hào)進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)換、電壓放大、電源供電、電流輸出、信號(hào)采集的電路； 所述電荷轉(zhuǎn)換部分能對(duì)微弱的電荷進(jìn)行穩(wěn)定的電壓轉(zhuǎn)換的電路； 所述電壓放大部分能對(duì)轉(zhuǎn)換后的電壓進(jìn)行放大的電路； 所述電源供電能對(duì)電路中的運(yùn)算放大器進(jìn)行供電的電路； 所述電流輸出部分能對(duì)放大后的電壓以電流的形式進(jìn)行輸出，同時(shí)供電線(xiàn)路和信號(hào)傳輸電路復(fù)用的部分； 所述的信號(hào)采集電路部分能對(duì)采集的加速度信號(hào)進(jìn)行低通濾波，有效消除高頻干擾電路；對(duì)濾波后的加速度信號(hào)進(jìn)行高精度采集。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電荷轉(zhuǎn)換部分，其特征在于，用T型電阻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)反饋電阻，使用正反饋電阻提高電路的輸入阻抗，正反饋電阻一端連接輸入正端，另一端連接輸出耦合電容之后。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源供電電路，其特征在于，使用四個(gè)電阻分壓給電路供電，R9和R12大小相等，R7和R8大小相等，中間點(diǎn)為電路零電位點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流輸出電路，其特征在于，晶體管的基極和發(fā)射極之間連接電阻，基極和集電極之間連接電阻；輸入電壓直接加于集電極和發(fā)射極之間；同時(shí)電壓線(xiàn)可輸出加速度電流值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的信號(hào)采集電路，其特征在于，電阻R13將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，兩級(jí)LC濾波可消除高頻噪聲，消噪后的信號(hào)直接送入A/D轉(zhuǎn)換器的輸入；A/D轉(zhuǎn)換器使用串行輸出方式，提高轉(zhuǎn)換精度，減少連接引腳，簡(jiǎn)化電路連接。
【文檔編號(hào)】G01P15/09GK103954794SQ201410201600
【公開(kāi)日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月13日
【發(fā)明者】郭來(lái)功, 歐陽(yáng)名三 申請(qǐng)人:安徽理工大學(xué)