一種電流源激勵的壓電加速度傳感器信號變換電路的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種壓電加速度傳感器檢測領域中，將傳感器的高輸入阻抗轉變成低輸入阻抗，實現傳感器輸出電荷轉換，電流至電壓信號變換的電路。
【背景技術】
[0002]壓電加速度傳感器是利用壓電效應，測量振動與沖擊等非電物理量的測量，例如在磁懸浮軸承領域中，通過壓電加速度傳感器獲取轉子受力錘激振后的數據，分析轉子剛性體的模態振型；在林業樹木無損檢測技術中，壓電加速度傳感器拾取敲擊的機械應力波振動波形，檢測計算應力波的傳播速度從而分析木材的彈性模量，推測木材的機械強度。
[0003]壓電加速度傳感器通過內部的壓電片受力變形產生電荷，電荷量很小，如接入常用的測量電路轉換為電壓，會由于普通測量電路的輸入阻抗低而產生測量誤差。一個高輸入阻抗的電壓放大器可以作為前置信號調理電路，將微弱的電荷信號轉換為電壓信號并放大，但是傳感器與放大器之間導線長度會產生分布電容，電壓放大器的靈敏度會變化，帶來測量誤差。電荷放大器是有深度負反饋的高增益運放電路，通過反饋電容可以得到與電荷變化成線性關系的電壓信號，但是電荷放大器的使用電路器件較多，且導線振動和彎曲易使輸出電壓受干擾。IEPE(Integrated Electronics Piezo Electric)型壓電加速度傳感器內部放大電路將電荷變換為電流輸出，但這種電路采用結型場效應管作為放大器件。結型場效應管的柵源極間的輸入電阻雖然可達ΜΩ以上，但還不是很高;放大電路在靜態工作時柵源極電壓是負值，不易調整靜態工作點，且結型場效應管溫度穩定性沒有絕緣柵型場效應管好，靜態工作點會漂移。
【實用新型內容】
[0004]本實用新型的目的在于提供一種可以實現壓電加速度傳感器兩線信號變換電路，具有結構簡單、成本低、易于調整、供電和信號輸出使用同一根導線的二線傳輸等優點。
[0005]本實用新型的壓電加速度傳感器電流輸出變換電路，包括:
[0006]偏置電壓模塊以及信號變換調理模塊;其中:
[0007]所述偏置電壓模塊，用于產生絕緣柵場效應管放大電路的靜態工作電壓，輸入端與外部電源相連，輸出端則與絕緣柵場效應管相連；
[0008]所述信號變換調理模塊，用于將電荷信號轉換為放大的電流信號，輸入端與壓電加速度傳感器的I端相連，輸出端接連接器的I端;壓電加速度傳感器的2端、連接器外端子和變換電路的公共端均與地電平連接。
[0009]信號變換調理模塊，包括并聯連接的電容Cl和電阻Rl;壓電加速度傳感器的I端輸出的交變電荷，經過電容Cl和電阻Rl并接的一端后與絕緣柵場效應管Ul的I端連接，電容Cl和電阻Rl并接的另一端則接地。
[0010]所述的偏置電壓模塊，包括基準源Tl、電阻R2、電阻R3以及電阻R4;其中:絕緣柵場效應管Ul具有三個端子，基準源Tl具有三個精密可調的端子；電阻Rl的一端、電阻R2的一端以及電阻R3的一端并聯后，與絕緣柵場效應管Ul的I端連接；電阻R1、R3的另一端接地，電阻R2的另一端分別與基準源Tl的3端、絕緣柵場效應管Ul的2端連接；電阻R4的一端與絕緣柵場效應管Ul的2端連接，另一端則與基準源Tl的I端并聯后，與M5連接器的I端連接。
[0011 ] 所述基準源Tl為三端精密可調的基準源TL431。
[0012]所述絕緣柵場效應管為N溝道增強型場效應管BS170。
[0013]所述連接器為M5連接器。
[0014]本實用新型的積極效果是:
[0015]本實用新型能在電路在外加電流源激勵下，通過采用N溝道增強型絕緣柵場效應管作為放大器件，三端精密電壓源能自己提供場效應管的正向工作電壓，可以易于調節變換電路的靜態工作點，溫度穩定性好。電路的結構簡單、使用元件少、成本低廉，不需要外加電壓源也能工作，輸入和輸出信號共用相同的接口，只需二根導線，方便與外部電路連接，提高可靠性，接口流過電流信號，可以用于遠距離測量。該壓電加速度傳感器兩線信號變換電路可廣泛用于各種類型的壓電加速度傳感器中。
【附圖說明】
[0016]圖1是本實用新型實施例提供的一種電流源激勵的壓電加速度傳感器信號變換電路結構框圖。
[0017]圖2是本實用新型實施例提供的一種電流源激勵的壓電加速度傳感器信號變換電路原理圖。
【具體實施方式】
[0018]附圖1和附圖2是本實用新型實施例提供的一種電流源激勵的壓電加速度傳感器信號變換電路結構框圖和原理圖。主要包括偏置電壓模塊和信號變換調理模塊。El和Il是外部的激勵源，Il通常采用國際通用的4?20mA。圖中虛線表示長距離電纜連接該電路輸出與外部激勵源，共用同一個M5連接器。三端精密可調的基準源Tl的I端分別與電阻R4的一端、M5連接器的I端連接;Tl的2端分別與地、M5連接器的2端連接。Tl的3端連接絕緣柵場效應管Ul的2端，同時與電阻R4的另一端相接，電阻R2的一端與TI的3端連接，電阻R2的另一端和電阻R3的一端連接，同時連接至絕緣柵場效應管Ul的I端。電阻R3的另一端接地，絕緣柵場效應管Ul的3端接地。通電時，流過三端精密可調的基準源Tl的I端至2端的電流為iT，3端產生參考基準電壓為Uref，經電阻R2和R3電阻分壓后，絕緣柵場效應管Ul的I端的電壓為Ur3= Uref*R3/(R2+R3)，提供場效應管的正向靜態工作電壓。按轉移特性曲線，場效應管靜態工作電流放大為iD，經電阻R4轉換成與電荷量相應的直流電壓，由M5連接器的I端輸出，其中I端輸入電流為場效應管靜態工作電流iD與三端精密可調的基準源Tl的工作電流iT之和。因靜態時壓電片無振動，故輸入交變電荷為零，M5連接器的I端輸出只有直流偏置電壓U0。
[0019]當壓電加速度傳感器受振動變形產生電荷時，壓電加速度傳感器的I端輸出交變電荷，與絕緣柵場效應管UI的I端連接，壓電加速度傳感器的2端接地。電容Cl和電阻Rl的一端分別與場效應管Ul的I端連接，電容Cl和電阻Rl的另一端分別接地。電容Cl影響到該壓電加速度傳感器的靈敏度，其兩端電壓大小與電容Cl成反比。電阻Rl與電容Cl構成下限截止頻率，其下限截止頻率頻率與時間常數RlCl成反比。交變電荷經電容Cl轉換成交變電壓uq0，疊加在正向靜態工作電壓上，再經過場效應管Ul的交直電流放大，由電阻R4變換，在M5連接器的I端為最終輸出電壓U = Uo+Uql，即Uo是直流偏置電壓，Uql是放大后的交流電壓。后續處理電路對最終輸出電壓U進行低通濾波，濾除直流電壓Uo成分，可得與交變電荷對應的交流電壓信號。
[0020]綜上所述，本方法采用結構簡單的電路實現加速度電荷信號的采集。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本實用新型技術方案范圍情況下，都可利用上述的方法和技術內容對本實用新型技術方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本實用新型技術方案的內容，依據本實用新型的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本實用新型技術方案保護的范圍內。
【主權項】
1.一種電流源激勵的壓電加速度傳感器信號變換電路，其特征在于，所述變換電路包括偏置電壓模塊以及信號變換調理模塊;其中: 所述偏置電壓模塊，用于產生絕緣柵場效應管放大電路的靜態工作電壓，輸入端與外部電源相連，輸出端則與絕緣柵場效應管相連； 所述信號變換調理模塊，用于將電荷信號轉換為放大的電流信號，輸入端與壓電加速度傳感器的I端相連，輸出端接連接器的I端;壓電加速度傳感器的2端、連接器外端子和變換電路的公共端均與地電平連接。2.根據權利要求1所述的電流源激勵的壓電加速度傳感器信號變換電路，其特征在于:信號變換調理模塊，包括并聯連接的電容Cl和電阻Rl;壓電加速度傳感器的I端輸出的交變電荷，經過電容Cl和電阻Rl并接的一端后與絕緣柵場效應管Ul的I端連接，電容Cl和電阻Rl并接的另一端則接地。3.根據權利要求2所述的電流源激勵的壓電加速度傳感器信號變換電路，其特征在于:所述的偏置電壓模塊，包括基準源Tl、電阻R2、電阻R3以及電阻R4;其中:絕緣柵場效應管Ul具有三個端子，基準源Tl具有三個精密可調的端子；電阻Rl的一端、電阻R2的一端以及電阻R3的一端并聯后，與絕緣柵場效應管Ul的I端連接;電阻R1、R3的另一端接地，電阻R2的另一端分別與基準源Tl的3端、絕緣柵場效應管Ul的2端連接；電阻R4的一端與絕緣柵場效應管Ul的2端連接，另一端則與基準源Tl的I端并聯后，與M5連接器的I端連接。4.根據權利要求3所述的電流源激勵的壓電加速度傳感器信號變換電路，其特征在于:所述基準源Tl為三端精密可調的基準源TL431。5.根據權利要求1或3所述的電流源激勵的壓電加速度傳感器信號變換電路，其特征在于:所述絕緣柵場效應管為N溝道增強型場效應管BSl 70。6.根據權利要求1或3所述的電流源激勵的壓電加速度傳感器信號變換電路，其特征在于:所述連接器為M5連接器。
【專利摘要】本實用新型提供了一種電流源激勵的壓電加速度傳感器信號變換電路，包括偏置電壓模塊和信號變換調理模塊。電路通過精密的電壓源提供自基準電壓，經電阻分壓產生絕緣柵場效應管靜態工作點，交變的電荷量疊加在靜態工作點上，絕緣柵場效應管將電荷變換成電流，經電阻轉換得到與交變電荷對應的電壓信號。該電路易于調節變換電路的靜態工作點，溫度穩定性好。電路的結構簡單、使用元件少、成本低廉，不需要外加電壓源也能工作，輸入和輸出信號共用相同的接口且只需二根導線，方便與外部電路連接，提高可靠性。接口流過電流信號，可以用于遠距離測量，有很大的廣泛應用價值。
【IPC分類】G01P15/09
【公開號】CN205229184
【申請號】CN201520697377
【發明人】王軍, 趙茂程, 黃聰, 周國平, 徐磊, 鄒明哲
【申請人】南京林業大學
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2015年9月9日