传感器课设加速度传感器.doc

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压电式加速度传感器电荷放大电路仿真

摘要

现代工业和自动化生产过程中，设备的冲击和振动信号通常采用压电加速度传感器来获取，然后需经电荷放大器对传感器输出的电荷信号进行电荷—电压转换，方可用于后续的方大、处理，因此电荷放大器是必不可少的二次仪表。

但传统的电荷放大器电路设计存在设计复杂、价格较高、性价比不理想，严重影响了压电加速度的广泛使用。

本文介绍了一种基于压电式加速度传感器的电荷放大器的设计及优化。

为了增加传感器测量的灵活性本实验在传统电荷转换电路的基础上增加了放大增益选择电路，根据不同的测量需要可以进行智能调整，以达到提高性价比的目的。

关键字：

压电加速度传感器电荷转换电路增益选择电路低通滤波电路

燕山大学课程设计说明书

目录

第一章电路结构设计思路

设计框图----------------------------------------------------------------------------------2

第二章电路原理及理论分析

2.1压电加速度传感器介绍-------------------------------------------------------------2

2.2压电加速度传感器等效电路-------------------------------------------------------4

第三章实验电路设计

3.1电路整体设计------------------------------------------------------------------------6

3.2各部分电路设计--------------------------------------------------------------------7

第四章Multisim仿真及分析

4.1仿真电路图-------------------------------------------------------------------------10

4.2仿真波形及分析-------------------------------------------------------------------11

第五章实验原件的选择

5.1电荷转换电路原件的选择----------------------------------------------------------13

5.2增益选择电路原件的选择----------------------------------------------------------13

第六章误差分析

6.1连接电缆的固定----------------------------------------------------------------------13

6.2接地点的确定-------------------------------------------------------------------------13

参考文献------------------------------------------------------------------------------------13

第一章电路结构设计思路

总体设计框图如下：

第二章电路原理和理论分析

一、压电加速度传感器介绍：

压电式传感器的工作原理是基于压电效应，是一种典型的有源传感器。

某些介质材科在外力的作用下,在电介质的表面上产生电荷.从而实现非电量的转换。

在传统的压电加速度传感器中.几乎都用石英,仅有少数传感器可能用Rochdk盐。

现在这些仪器中增加了具有铁电材料的极化陶瓷的传感器.这些材料有钛酸钡和其衍生物.在少数情况下用ADR各种石英型传感器通常都是大而重，因而对频率上限的限制很大：

它们常和直流放大器一道使用，其第一级是绝缘电阻尽可能高的瑜入电路。

Rochcllc盐型传感器尽管灵敏度高.但是因为在大多数实际运用的情况下其温度和湿度极隈太低.因而其应用范围受到了限制。

1、传统加速度传感器的结构

图1显示了传统的加速度传感器的结构.它具有两块X切向石英晶体,若对畕体施加压力则在中心电极上产生的电荷是叠加的，由环状弹賛施加的机槭顶载必须比预期沿向上方向所施最大加速度力要大。

晶体的两外表面与壳罩相连因而处于低电位.此传感器具有0.62pC/g的输出，并在15kHz左右发生最低频率谐振。

两晶体的电容仅有几个pF.从而与任一长度的电缆电容相比均可忽略不计。

传感器重约250~300g,可用螺栓固定=加上电缆.若总电容是500pF.则开路输出电压是

图1（用环状弹簧加载具有两石英晶片的加速度传感器）

这种传感器适合于测量中等的和高值的加速度.除非采用极短的电缆。

2、对传统速度传感器的结构改进及设计

图2表示了基于同样原理制作的传感器，但其灵敏度更高，其惯性质量增大，晶堆由11）个晶片并联组成，可产生约SUpOg的电荷输出。

最低谐振频率是15LNJH;.此外，若设总电容为500pF,则电压输出是160mV/g.因此像地球引力的几分之一那样小加速度都可以容易地被测量出来，

图2（具有10个晶片的高灵敏度加速度传感器）

只是频率要达到300Hz才行。

在制作石英晶堆特别是用的晶体圆片数量很多时，必须精心保证各晶片表面的平行：

横向灵敏度必须用精确的、强度足够的定向弹簧来控制。

在取向时.如果用单个圆晶片，应该注意的是晶片上）轴的方向，要设法按这样的方式安置它们，即在晶片上由于惯性力引起的横向灵敏度可以被抵消。

尽管这种加速度传感器尺寸和重量较大，但在民用工程和地质的地面震动测量等方面应用仍较广泛。

图3是一个理论上具有横向i吴差补偿的加速度传感器，其

图3（孪生型加速度传感器示意图）

中两个独立的惯性系统这样安置在让纵向加速度力（沿传感H轴向）引起叠加的输出，而如果晶体的）轴指向同一方向，由横向力引起的输出则互相抵消。

由空气传来的声压输出也是由于这种安排而得到补偿。

但是.这两个独立的振动系统的谐振频率之间有拍频的危险.而且由于两个系统相似.所以拍频频率很低且必然落在传感器有用的频段之内。

通过以上叠加和差分的方法可有效地提高传感器的测量精度。

二、压电加速度传感器等效电路

压电式加速度传感器属于惯性式传感器，工作原理是以某些物质的压电效应为基础，在加速度计受振时，加在压电元件上的力也随之变化。

当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比，可以把被测的非电物理量加速度转化为电量。

由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。

为此，通常器信号选用电荷放大器作为电信号的测量电路。

图4（压电式加速度传感器等效电路图）

电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。

由压电式加速度传感器、电缆、电荷放大器组成。

电荷放大器等效电路如下:

图5（电荷放大器等效电路）

上图中CF为反馈电容，K为运算放大器的放大倍数，Q为压电传感器产生的总电荷，Ca、Ra为传感器的电容量和绝缘电阻，Cc为传输电缆电容量，Ci、Ri为放大器的输入电容和输入电阻。

它的作用能把传感器的输出变量变成易于处理的电压电流信号。

加速度的测量最后就可用电压信号来显示，经过电路的参数变换和计算，加速度计输出电压信号与被测物理量之间关系式：

因为电荷放大器是高增益放大器，即K>>1，一般情况下（1+K）CF>>C，则有

又电荷灵敏度为

灵敏度单位是　pc/ms^2　或　pc/g

由上述公式可得到电荷放大器输出电压与加速度之间的关系式为

（式中电荷灵敏Sq度一般取小的数值，反馈电容参数CF范围一般为100-10000pF）。

上式表明加速度a与输出电压信号U成正比，与反馈电容CF成反比，而且受电缆电容的影响很小，这是电荷放大器的一个主要优点。

由以上分析可以通过压电式加速度传感器跟电荷放大器组成测量系统而测得振动的加速度。

第三章实验电路设计

一、电路整体设计

图6（电荷转换电路整体设计图）

电荷转换整体电路由两级电路组成，第一级为电荷转换电路，将传感器输出的电荷量转换为电压量；第二级为增益选择电路，根据前一级输出的电压值选择合适的增益便于后续电路处理。

两级之间由继电器相连，当继电器的控制端赋予不同的高低电平时，常开和常闭触点进行切换，形成不同的反馈回路。

在第一级电路中C2（C3）和R2（R3）组成反馈回路，R2（R3）使得电路的输出呈现阻尼很小的阻尼震荡。

由上一章分析可知，压电测量系统中，被测物理量的下限频率由反馈电容CF（这里指图中的C2和C3）和反馈电阻RF（图3-4中的R2和R3）决定，在CF一定

的情况下，要保证低的下限截止频率，反馈电阻RF就必须特别大，实验中电荷转换电路的反馈电阻最大取为1G。

R4用于平衡从运算放大器输入端看上去的电阻，C1用于减小压电传感器因为绝缘电阻不够高而带来的零漂，Cl的选取一般为Cl>10CF，它对电路的积分常数并无影响。

由于整个电路的失调电压及漂移与第一级（电荷转换）有密切关系，电路的放大倍数主要由第一级决定。

第二级的漂移和失调电压对整个电路的作用大大降低，但其共模抑制比CMRR对整个电路CMRR的影响很大。

根据第二级在电路中承担的作用，第二级选用价格低廉性能优越的低漂移集成运放TL062。

TL062是一个内部集成两个运算放大器的芯片，输入失调电压Vos=3mV，输入失调电流Ios=5pA，输入偏置电压IB=30pA，共模抑制比CMRR=86dB。

第二级电路主要是针对前级输出的不同大小的电压值设计的增益控制电路。

单片集成化的程控放大器价格昂贵并且放大倍数无法自行定义，当需要较高的增益时，必须多级串联，使得电路造价过高。

吸收传统电荷放大器手动切换增益的特点，用单片机控制继电器来选择通道，构成可编程电荷增益控制电路，克服了传统电荷放大器容易发生误动作，干扰大等难以克服的缺点。

这里选择继电器切换增益的原因是，相比较模拟开关继电器的最大优点是静态特性和动态特性都很好，通道未被选择时绝缘电阻可达到100M，导通电阻特性接近于0（毫欧级），在小信号下保证通道选择正确而且对放大器的影响可以忽略不计；继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系，它的控制电源和信号电源可以完全隔离，有利于消除干扰，提高直流放大精度。

本文选用的继电器是电磁继电HRS2H-S-DC5V，与单片机的电源电压一致，容易控制。

选用继电器的缺点是需要设计驱动电路。

二、各部分电路设计

各部分电路的设计及参数参数选择

1、电荷转换电路

2、增益选择电路

3、低通滤波电路：

压电加速度传感器是一个弱阻尼的振动系统,因此它的幅频特性的高频段有一个很高的共振峰,此峰值严重地引起了高频噪声,并对输入信号产生失真和干扰。

为此,需在放大器中采用低通滤波器,以补偿传感器引起的高频幅频特性.另外,在