低頻壓電加速度傳感器電荷放大及采集系統的制作方法
【專利摘要】本發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。采用價格低廉的基本元件及運算放大器，運用“正反饋+負反饋”的方法提高放大電路的輸入電阻和穩定性。供電電路與信息傳輸電路復合，只需兩根傳輸線即可得到較大的加速度電流信息，且傳輸距離更遠。對電流信息進行電流-電壓轉換和濾波處理，通過高精度A/D轉換，得到精確的數字加速度信號。
【專利說明】低頻壓電加速度傳感器電荷放大及采集系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電荷放大及采集系統，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。
【背景技術】
[0002]壓電加速度傳感器可以看成一個產生電荷的高內阻發電元件。壓電元件受到質量塊與加速度相反方向的慣性力的作用，在晶體的兩個表面上產生交變電荷，但是電荷量很小，一般的測量電路的輸入阻抗較小，壓電片上的電荷通過測量電路時會被輸入電阻迅速泄漏引入測量誤差，測量效果很差。如果壓電加速度計沒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用就會受到非常大的限制。因此，與之配套的放大、采集電路的研究及其硬件實現對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，然后對放大的電壓信號進行采集，得到加速度信息。它的特點是使傳感器的靈敏度和電纜長度無關，電纜可長達幾千米，而在被測對象附近只有一個小的傳感器。這對使用者來說非常方便。但是現在的電荷放大器電路都非常復雜，價格都比較高，性價比不很理想，這些因素都嚴重影響了壓電加速度傳感器的廣泛使用。所以研制一種性價高的、實用的電荷放大、采集電路就非常的有必要。
[0004]針對上述情況，本發明對傳感器的調理電路做了深入的研究。針對目前各種測量電路的缺點，提出一種簡單、穩定的電荷放大及采集系統。采用價格低廉的基本運放，運用“正反饋+負反饋”的思想提高放大電路的輸入電阻和穩定性。供電電路與信息傳輸電路復合，只需兩根傳輸線即可得到較大的加速度電流信息，且傳輸距離更遠。對電流信息進行高精度采集，減少量化誤差，確保數據的精確。
【發明內容】
[0005]本發明提供一種壓電式加速度傳感器的電荷放大及采集系統，通過使用正反饋+負反饋的方式，用很少原件實現高輸入阻抗的電荷放大功能和電流采集系統，在較小成本的情況下，實現高穩定性和高精確度的加速度信號采集。
[0006]高穩定性壓電加速度傳感器的電荷放大及采集系統包括電荷轉換電壓部分，電壓放大部分，供電部分，電流輸出部分，信號采集部分。
[0007]所述電荷轉換電壓部分，將壓電陶瓷產生的微弱電荷轉換為一個低內阻的電壓源，其核心為集成運放A1，A1可采用高輸入阻抗運算放大器。考慮壓電陶瓷傳輸線距離、力口速度信號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。為了提高負反饋效果，達到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型網絡代替反饋電阻。為了提高電荷放大器的輸入阻抗，保證對微弱電荷的采集，在電荷放大器中引入交直流共存的電壓并聯正反饋，反饋電阻為R4。[0008]所述電壓放大部分采用集成運算放大器實現，引入串聯電壓負反饋實現放大，由于前級的輸出電阻較小，為了保證有適當的放大倍數，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，信號線與電源線共用。輸入電壓正端直接接運放正電壓端，經兩個等值電阻后接負電壓端，兩個電阻之間接運算放大器的正輸入端。
[0010]所述電流輸出部分用晶體管實現。偏置電路可調，調整電阻RB可控制輸出電流范圍。集電極和發射極直接接電壓輸入，為了防止電壓接反，可并聯二極管作為保護。
[0011]所述信號采集部分首先將輸出電流轉換為電壓，經過LC低通濾波器，然后用高精度A/D轉換器將加速度信號轉換為數字信號。為了提高轉換精度，減少量化誤差，A/D轉換器的位數在20位以上，為了減少器件連接引腳，可采用串行方式輸出。
[0012]由于本發明采用以上技術方案，通過正反饋+負反饋的方式解決輸入阻抗不高的問題，同時供電部分和電流輸出部分的簡化，使得系統結構簡單，可靠性高，價格低廉，很好的解決了現有加速度傳感器信號采集系統電路復雜，性價比不高的問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明及其特征和優點將會變得更明顯。在全部附圖中相同的標記指示相同的部分。附圖中一些原件的參數可以改變，對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；包括電荷轉換部分，電壓放大部分，電源部分，電流輸出部分，濾波部分和A/D轉換部分。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步的說明:
[0016]發明提供的壓電式加速度傳感器的電荷放大及采集系統如附圖所示。
[0017]圖1中電荷轉換電壓部分；in+和in-為壓電陶瓷的輸出，Al為高輸入阻抗運算放大器，Cl為反饋電容，電阻Rl，R2，R3組成T型網絡代替負反饋電阻，R4為正反饋電阻，以保證對微弱電荷的采集。
[0018]圖1中電壓放大部分；A2和Al為同類型的運算放大器，主要是起電壓放大作用。由R5、R6構成負反饋，R5的大小與輸出部分的晶體管參數有密切的關系。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送給運放供電，R8和R7為等阻值電阻，阻值大小根據供電電壓大小和運放的參數確定，通常在IOK Ω左右；R12和R9為等阻值電阻，阻值比R7小一個數量級。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，而且其輸出電流在最大輸入電壓時不會產生失真。兩輸出端可以通過長距離的傳輸線輸出，使用時兩端加上+12V的電壓。
[0021]圖1中濾波部分；傳感器的輸出電流經傳輸線后對加速度信號進行采集。傳輸線長度可達1000米。首先輸出為電流信號，需要對電流信號轉換為電壓信號；采用電阻R13取樣的方法實現，由于輸出電流的范圍一般在5mA-30mA之間,根據A/D轉換器對輸入電壓的范圍要求，電阻阻值一般不超過200 Ω。
[0022]傳輸的加速度信號含有噪聲，根據壓電陶瓷的參數，轉換后的電壓信號需要進行預濾波處理，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構成，具有結構簡單，濾波效果好等優點。
[0023]圖1中A/D轉換部分；濾波后的信號可直接輸入A/D轉換器。A/D轉換器的串行輸出方式大大的減少了引腳數量，只需工作時鐘clk，數據時鐘sclk和數據線data三根即可，由控制器實現對A/D轉換器的控制。Vdd和Vref由A/D轉換器的使用參數決定。
[0024]綜上所述，本方法采用極為簡單的電路實現了電荷放大，能極為穩定的實現高精度的加速度信號采集。熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案范圍情況下，都可利用上述方法和技術內容對本發明技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施，這并不影響本發明的實質內容，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改，均仍屬于本發明技術方案保護的范圍內。
【權利要求】
1.所述的電荷放大及采集系統提供一個能對壓電加速度信號進行電荷轉換、電壓放大、電源供電、電流輸出、信號采集的電路； 所述電荷轉換部分能對微弱的電荷進行穩定的電壓轉換的電路； 所述電壓放大部分能對轉換后的電壓進行放大的電路； 所述電源供電能對電路中的運算放大器進行供電的電路； 所述電流輸出部分能對放大后的電壓以電流的形式進行輸出，同時供電線路和信號傳輸電路復用的部分； 所述的信號采集電路部分能對采集的加速度信號進行低通濾波，有效消除高頻干擾電路；對濾波后的加速度信號進行高精度采集。
2.根據權利要求1所述的電荷轉換部分，其特征在于，用T型電阻網絡作為負反饋電阻，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.根據權利要求1所述的電源供電電路，其特征在于，使用四個電阻分壓給電路供電，R9和R12大小相等，R7和R8大小相等，中間點為電路零電位點。
4.根據權利要求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射極之間；同時電壓線可輸出加速度電流值。
5.根據權利要求1所述的信號采集電路，其特征在于，電阻R13將電流信號轉換為電壓信號，兩級LC濾波可消除高頻噪聲，消噪后的信號直接送入A/D轉換器的輸入；A/D轉換器使用串行輸出方式，提高轉換精度，減少連接引腳，簡化電路連接。
【文檔編號】G01P15/09GK103954794SQ201410201600
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月13日 優先權日:2014年5月13日
【發明者】郭來功, 歐陽名三 申請人:安徽理工大學