压电加速度传感器.doc

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1、摘 要现代工业和自动化生产过程中，非电物理量的测量和控制技术会涉及大量的动态测试问题。所谓动态测试是指量的瞬时值以及它随时间而变化的值的确定，也就是被测量为变量的连续测量过程。它以动态信号为特征，研究了测试系统的动态特性问题。而动态测试中振动和冲击的精确测量又显得尤其重要。振动与冲击测量的核心是传感器，对于冲击和振动信号的获取，最常见的是用压电加速度传感器。世界各国作为量值传递标准的高频和中频振动基准的标准加速度传感器就是压电式加速度传感器。由此可见，质量优良的压电加速度传感器在精度、长时间稳定性等方面都是有独到之处的。压电加速度传感器可以看作是一个能产生电荷的高内阻发电元件。但是此电荷量很小

2、，不能用一般的测量电路来进行测量，因为一般的测量电路的输入阻抗总是较小的，压电片上的电荷通过测量电路时会被输入电阻迅速泄漏引入测量误差，影响测量效果。如果压电加速度传感器没有与之配套的测量电路一起配合使用，那么压电加速度传感器的广泛应用就会受到非常大的限制。因此，与之配套的测量电路的研究及其硬件实现就显得非常重要。目前最常用的压电加速度传感器的测量电路就是电荷放大器，它能得到与输入电荷成比例的电压输出。它的特点之一就是使传感器的灵敏度和电缆长度无关，电缆可长达几千米，而在被测对象附近只有一个小的传感器。这对使用者来说非常方便。但是现在的电荷放大器电路都比较复杂，机器价格都比较高，性价比不是很理

3、想，这些因素都严重影响了压电加速度传感器的广泛使用，所以研制一种性价比较高的、实用的电荷放大器就非常的有必要。本文针对上述情况，对传感器的测量电路做了深入的研究工作，分析了各种测量电路的特点，提出采用一种集成芯片来取代大量分离元件实现电荷转换电路的设想，通过实验验证本设计的可行性和可靠性，对存在的干扰信号做了细致的理论分析，并采取相关办法进行解决，最后和标准电荷放大器的性能进行对比。实验结果表明本设计是可行的。关键词:压电加速度传感器 测量电路 电荷放大器 TLO8AbstractModern industrial and automation of the production proces

4、s, non-electric physical measurement and control technology will involve a large number of Dynamic test. The so-called dynamic testing means to determine the amount of the instantaneous value and its value varies with time is measured for the continuous measurement of the process variable. It is cha

5、racterized by dynamic signal, the test system Dynamic characteristics. Dynamic test accurate measurement of vibration and shock is particularly important. Vibration and Chong Chance measured core is a sensor for shock and vibration signal acquisition, the most common is to use a piezoelectric accele

6、rometer Sensors. The world as a value transfer standards high and medium frequency reference standard acceleration sensor Piezoelectric acceleration sensor. Thus, the excellent quality of the piezoelectric acceleration sensor accuracy, longTime stability is something unique to offer. The piezoelectr

7、ic acceleration sensor can be regarded as a generating High internal resistance of the charge generating components. However, this very small amount of electric charge, and not use the measuring circuit to be measured, Usually the input impedance of the measuring circuit are always smaller, when the

8、 charge on the piezoelectric sheet by the measurement circuitIs input resistor leak rapidly introduce measurement errors affecting the measurement results. If the piezoelectric acceleration sensor is notThe ancillary measurement circuit used in conjunction with a wide range of applications of piezoe

9、lectric accelerometer would be Very large limitations. Therefore, the the accompanying measurement circuit and its hardware implementation is very important.Currently, the most commonly used piezoelectric acceleration sensor measuring circuit is a charge amplifier can be obtained input powerCharge p

10、roportional to the voltage output. One of its features is to make the sensitivity of the sensor and cable regardless of the length of the electrical The cable can be up to several kilometers, while in the vicinity of the object to be measured, only a small sensor. This user is veryConvenient. But no

11、w the charge amplifier circuit is more complex, higher than the price of the machine, the price is not very satisfactory, these factors have a serious impact on the widespread use of the piezoelectric acceleration sensor, and so develop a higher bid, practical charge amplifier is very necessary. For

12、 the above, the sensor The measuring circuit to do a thorough research work, the analysis of the characteristics of the various measurement circuit is proposed to adopt a set Into the chip to replace a large number of separate components to achieve the charge conversion circuit is envisaged that the

13、 present design can be verified by experiment Feasibility and reliability, a detailed theoretical analysis of the existence of the interference signal, and take approach solution Summary, the final performance of the amplifier and the standard charge of contrast. The experimental results indicate th

14、at the present design is feasible.Key words: Piezoelectric acceleration sensor measuring circuit charge amplifier TLO8图表清单图1-1 测试系统的组成-图1-2 压电加速度传感器动态测量系统-图2-1 电桥电路-图2-2 四个桥臂同时工作的直流电桥-图2-3 两个相邻臂工作的电桥-图2-4 两个相对臂工作的电桥-图2-5 变压器式电桥电路图2-6 紧祸合电感臂电桥图2-7 紧祸合电感臂四端网络和T型网路图2-8 紧祸合电感臂等效电路图2-9 电容式传感器的等效电路图2-10 双

15、T二极管交流电桥图2-11 双T二极管电桥等效电路图2-12 运算放大器式电路图2-13 调频一鉴频电路原理图图3-1 晶体的压电效应图3-2 压电加速度传感器原理图图3-3 作用于压电元件两边的力图3-4 压电加速度传感器的等效电路图3-5 压电加速度传感器测试系统等效电路图3-6 压电加速度传感器简化电路图3-7 简化后的压电加速度传感器电压等效电路图3-8 电荷放大器示意图图4-1 传感器与电荷放大器连接的等效电路图图4-2 电荷放大器电压源实际等效测量电路图4-3 电荷放大器等效电路图图4-4 输入电缆影响的等效电路图4-5 电荷放大器框图图4-6 电荷转换部分电路图4-7 干扰源等效

16、电路图图4-8 适调放大电路原理图4-9 电荷转换电路及适调放大电路图4-10 有源滤波电路原理图图4-11 无源滤波器原理图图4-12 有源滤波器电流回路图图4-13 高通滤波和同相放大电路原理图图4-14 过载指示电路原理图图4-15 过载电路输出特性图4-16 稳压电源电路图4-17 本电荷放大器的主要电路图4-18 ICL7135和ICM7212的接口电路图图5-1 实验装置框图图5-2 实验波形和标准电荷放大器输出波形图5-3 有工频干扰下的信号频谱图5-4 标准电荷放大器TS5865的信号频谱图5-5 屏蔽工频干扰后的信号频谱图5-6 未加低通滤波时本设计的信号频谱图5-7 标准电

17、荷放大器低通上限截止频率为lOK Hz时的信号频谱图5-8 加了1K Hz有源低通滤波器后本设计的信号频谱图5-9 标准电荷放大器低通上限截止频率为1KHz时的信号频谱图5-10 都有1KHz低通滤波的两路信号波形图5-11 标准电荷放大器的直流分量分析图5-12 本设计未加高通滤波器时信号图5-13 本设计加高通滤波器后的信号表1 在不同加速度下本设计和TS5865的电压值比较表2 在不同频率下本设计和标准电荷放大器的灵敏度比值1 前 言1. 1 压电加速度传感器在动态测试中的意义随着现代科学技术的迅猛发展，非电物理量的测量与控制技术，已越来越广泛地应用于航天、航空、常规武器、船舶、交通运输

18、、冶金、机械制造、化工、轻工、生物医学工程、自动检测与计量等技术领域，而且也正在逐步引入人们的日常生活中。可以说测试技术与自动控制技术水平的高低是科学技术现代化程度的重要标志，科学技术上很多新的发现和突破，都是以实验测试为基础的。现代工业和自动化生产过程中，非电物理量的测量和控制技术会涉及大量的动态测试问题。所谓动态测试是指量的瞬时值以及它随时间而变化的值的确定，也就是被测量为变量的连续测量过程。自1976年动态测试问题被列入第七界国际计量技术联合会大会的议程以来，动态测试受到各国的重视，取得了很大的进展，己经成为计量学的一个独立分支。它以动态信号为特征，研究了测试系统的动态特性问题，研究了测

19、试系统的动态校准理论与技术问题，从而使计量单位量值能够向动态测试系统传递。过去三十年来，不论国际还是国内，振动、冲击、噪声工程都获得了突飞猛进的发展，动态测试技术日新月异，其中冲击和振动的精确测量技术显得尤其重要。振动与冲击测量的核心是传感器，对于冲击和振动信号的获取，最常见的是用压电加速度传感器，压电加速度传感器又称压电加速度计或压电加速度表，由于加速度传感器的发明，使振动与冲击测量逐渐在工业界获得广泛应用。它是一种高度发展了的仪器。世界各国作为量值传递标准的高频和中频振动基准的标准加速度传感器就是压电式加速度传感器。由此可见，质量优良的压电加速度传感器在精度、长时间稳定性等方面都是有独到之

20、处的。最早的加速度传感器于1938年在电阻应变计发明后不久就研制成功，并于1940年开始在航空和土木等工程中获得应用。压电加速度计优点很多，如压电晶体弹性模量大，能自主产生动态范围广阔的电信号，而且谐振贫率高、使用频带宽、灵敏度高、信噪比高、体积小、重量轻、安装简单、结构简单、工作可靠、适用于各种恶劣环境等优点，现在己经广泛应用于航空、航天、兵器、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测试、信号分析、振动校准、机械动态实验等中，特别是在航空和宇航领域中更是有它的特殊地位。压电加速度计于40年代末，50年代初开始大规模生产，并广泛应用于各个工业领域，很快成为振动、冲击测量中的主角。最早和目前主要的振动、冲

21、击传感器生产厂家有:丹麦的B&K(1943年)、瑞士的Kistler(1944年，并于1954年在美国设分厂)，美国的Endevco (1947年), Wilcox (1960年)和PCB(1967年)，在我国则有扬州无线电厂，北京测振仪器厂，北戴河无线电厂等(20世纪70 80年代)。1.2 压电加速度传感器的动态测量系统现在的自动测量系统中，各个组成部分常常以信息流的过程来划分。一般可以分为:信息的获得，信息的转换，信息的显示、信息的处理。作为一个完整的非电量电测系统，也包括了信息的获得、转换、显示和处理等几个部分。因为它首先要获得被测量的信息，把它变换成电量，然后通过信息的转换，把获得的

22、信息变换、放大，再用指示仪或记录仪将信息显示出来，有的还需要把信息加以处理。因此非电量电测系统，具体来说，一般包括传感器(信息的获得)、测量电路(信息的转换)、放大器、指示器、记录仪(信息的显示)等几部分有时还有数据处理仪器(信息的处理)，它们间的关系可用图1-1的框图来表示。指 示 仪 器测 量 电 路传 感 器记 录 仪 器 被测量数据处理仪器图 1- 1测试系统的组成其中 传感器(Transducer)是一个把被测的非电物理变换成电量的装置，因此是一种获得信息的手段，它在非电量电测系统中占有重要的位置。它获得信息的正确与否，直接影响到整个测量系统的测量效果。测量电路的作用是把传感器的输出

23、变量变成易于处理的电压或电流信号，使信号能在指示仪上显示或在记录仪中记录。测量电路的种类由传感器的类型而定。压电加速度传感器常用的测量电路是电荷放大器。常用 的 压 电加速度传感器的动态测量系统如图1-2所示:电荷放大器压电加速度传感器数据处理器记录器被测非电量校准设备图 1-2 压电加速度传感器动态测量系统压电加速度传感器可以看作是一个能产生电荷的高内阻发电元件。但是此电荷量很小，不能用一般的测量电路来进行测量，因为一般的测量电路的输入阻抗总是较小的，压电片上的电荷通过测量电路时会被输入电阻迅速泄漏引入测量误差，影响测量效果。如果压电加速度传感器没有与之配套的测量电路一起配合使用，那么压电加

24、速度传感器的广泛应用就会受到非常大的限制。因此，压电加速度传感器测量电路的研究及其硬件实现就显得非常重要。现在最常用的压电加速度传感器的测量电路就是电荷放大器，所谓电荷放大器是负反馈放大器的一种，能得到与输入电荷成比例的电压输出。它的特点之一就是使传感器的灵敏度和电缆长度无关，电缆可长达几千米，而在被测对象附近只有一个小的传感器。这对使用者来说非常方便。但是现在的电荷放大器电路都比较复杂，机器价格都比较高，性价比不是很理想，这些原因都严重影响了压电加速度传感器的广泛使用，所以研制一种性价比较高的、实用的电荷放大器就非常的有必要。1.3 本文所做的工作本文在理论方面对传感器测量电路作了进一步分析

25、和研究。通过对压电加速度传感器测量电路原理的深入研究，并参阅大量文献和资料，在前人研究成果的基础上提出采用TL081运放芯片取代大量的分离元件进行优化设计，提高电路的集成度，简化电路的复杂度，使得整个电路达到体积小、功耗小，寄生因素小和抗千扰性能好等优点。同时，本文也对测量电路在调试与试验过程中出现的干扰、噪音和漂移等问题进行细致的理论分析并采取有效措施予以排除。通过实验验证本文提出的压电加速度传感器信号测量电路的可靠性及可行性。最后与己商品化的标准电荷放大器进行比较。实验结果表明本设计是可行的。同时本设计电路在制作和调试上更简单，设计成本大大降低，电路的研发周期大大缩短，提高了电路的性价比，

26、具有非常大的实际价值。2 传感器信号预处理的一般理论传感器的种类很多，分类方法也很多，有按基本效应、构成原理、输入量、能量关系、工作原理等分类方法。根据工作原理分类的优点是对于传感器的工作原理比较清楚，有利于触类旁通，且划分类别少，有利于比较分析。有时还常把用途和工作原理结合起来命名某种传感器，如电感式位移传感器，压电式加速度传感器、光纤温度传感器等。本章就对按工作原理分类的几种传感器的信号预处理电路作进一步的分析。2. 1 电阻式传感器的测量电路电阻式传感器是把非电物理量(如压力、位移、加速度、扭矩等参数)转换为电阻变化的一种传感器。电阻式传感器主要包括:电阻应变式传感器、电位计式传感器以及

27、锰铜压阻式传感器等。电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测压、称重，测位移、加速度、扭矩、温度等测试系统，目前已成为冶金、电力、交通、石化、外贸、生物医学及国防等部门进行自动称重、过程检测以及实现生产自动化不可缺少的手段之一。在电式传感器的电测技术中，应用最为广泛的测量电路是惠斯(Wheatstone) 电桥电路。测量电桥由于具有灵敏度高、测量范围宽、电路结构简单、精度高、容易实现温度补偿等优点，因此能很好地满足应变测量的要求。下面我们就详细介绍一下这种电桥电路的工作原理。电桥根据电源的性质分为直流电桥和交流电桥两类。电桥的供桥电压U。称为桥压。U。为直流时该电桥为直流电桥，U。为交流时，

28、则该电桥为交流电桥。由于交流电桥的分析方法与基本公式均与直流电桥相似，所以我们只分析直流电桥。电桥电路如图2-1所示，A R1 R2 I1 USC C I2 D R3 R4B U0图 2-1 电桥电路它有四个电阻，称为桥臂，其中任一个臂都可以是应变计电阻。桥压U。为直流，它的四个桥臂由R1, R2, R3, R4组成。当四个臂的电阻R1=R2=R3=R4=R时，称为等臂电桥;当R1=R2=R3=R4=R(RR)时，称为对输出对称电压(或称卧式桥);当R1=R4=R, R2=R3=R(RR)时，称为对电源对称电桥(或称立式桥)1) 单个桥臂工作时，应变(或电阻变化率)与电桥输出电压之间的关系。当

29、电桥输出端接入应变仪中放大器的输入端时，由于放大器的输入阻抗一般很高(它一般放大的是电压)，故可以认为电桥的负载电阻为无穷大，此时的电桥输出端相当于开路状态(基本没有电流通过)，即只有电压输出，这样的电桥称为电压桥。根据分压原理，从DAC这半个电桥来看，由D经过A到C(即DC间的电压)的电压降为Uo，通过R1和R2两臂的电流, 而R2上的电压降为I1R2，将I1代入后，则R2上的电压降为同样，DBC半个电桥的电压降也是Uo(因为R1, R2和R3, R4都是并接在电压U。上的)。R3上的电压降为则输出电压Usc是UBC和UAC之间的差，即 (2-2)由（2-2）可知，当电桥各桥臂的电阻满足如下

30、条件时，即 或 则电桥的输出电压为零，即电桥处于平衡状态。为了保证测量的准确性，在实测之前应使电桥平衡(称为预调平衡)，使得输出电压只与应变计感受应变所引起的电阻变化有关。设电桥中仅有一个桥臂R1为应变计参与应变，其余桥臂均为固定电阻，此时当R1感受应变而产生电阻增量R1时，由于R1= R1，则电桥由于R1产生不平衡而引起的输出电压为 （2-4）对输出对称电桥（卧式桥），此时 , ，当R1臂（应变计）的电阻发生变化时，根据公式（2-4）其输出电压为 (2-5)对电源对称电桥（立式桥），R1=R4=R,R2=R3=R .当R1臂（应变计）的电阻增量时，由式（2-5）可得其输出电压为 (2-6)等

31、臂电桥的R1=R2=R3=R4=R,当R1臂（应变计）的电阻增量R1=R时，由式（2-6）可得其输出电阻为 (2-7)上述三种电桥，当桥臂电阻（即应变计）的电阻发生变化时，电桥的输出电压也随着发生变化。当R1=R1时，其输出电压与电阻变化率R/R（或应变e）成线性关系。当桥臂电阻发生相同变化的情况下，等臂电桥与对输出对称电桥（卧式桥）的输出电压相同，他们的输出均比对电源对称电桥（立式桥）的输出电压大，即它们的灵敏度高。因此应变仪多采用等臂电桥或卧式桥。2）多个桥臂同时工作是，应变（或电阻变化率）与电桥输出电压的关系。图2-2为一全等臂电桥，它的四个桥臂均由应变计组成。当工作时各桥臂的电阻都将发

32、生变化。 A R1+R1 R2+R2 I1 D I2 C USC R3+R3 R4+R4 B + - U0图 2-2 四个桥臂同时工作的直流电桥当供桥电压一定且R1=R1时，首先对式（2-2）进行全微分，即可求得电桥的输出电压增量为 = (2-8)由于全等臂电桥的R1=R2=R3=R4=R，同时当Ri=Ri时，且在电桥已预调平衡的条件下，上式可以写为 (2-9)将R/R=Ke代入上式，同时当各桥臂应变计的灵敏系数K相同时，则 (2-10)式（2-10）表明，相邻桥臂的应变若极性一致（即同为拉应变或同为压应变）时，电桥输出电压为两者之差；若极性不一致（即一为拉应变，一为压应变）时，输出电压为两者

33、之和。而相对桥臂则相反，极性一致时输出电压为两者之和，极性不一致时为两者之差。式（2-10）可作为在不同受力条件下提高电桥的灵敏度、解决温度补偿等问题时，合理布置应变计的依据。这一重要特性有时称之为电桥的加减特性。下面对电桥的加减特性进行具体的分析。（1）单臂工作时，即电桥只有桥臂R1为工作臂，并且工作时电阻由R变为R+R,其余各臂为固定电阻R(R2=R3=R4=0),则式（2-10）变为 (2-11)两个相邻臂工作时，如图2-3所示，电桥的桥臂R1、R2为工作臂，且工作时有电阻增量R1、R2，而R3和R4臂为固定电阻R, R1+R1 R2+R2 USC R R U0图 2-3 两个相邻臂工作

34、的电桥则式（2-10）变为 (2-12)当R1=R2=R时，则有 (2-13)若R1=R，R2=-R时，则有 (2-14)此时电桥的输出比单臂工作时增大一倍，提高了测量的灵敏度。（3）两个相对臂工作时，如图2-4所示，即电桥臂R1、R3为工作臂，且有电阻增量R1和R3，而R2和R4为固定电阻， R1+R1 R USC R3+R3 R U0图 2-4 两个相对臂工作的电桥则式（2-10）变为 (2-15)当R1=R时，则有 (2-16)而当R1=R，R3=-R时，则有 (2-17)以上分析了几种情况下电桥的输出，其结果虽然是在直流电桥情况下得到的，但分析交流电桥时也可得到相似的结果，因此上面的分析适用于应变仪交流电桥的情况，对电桥的输出可归纳为： 不论全等臂电桥或半等臂电桥，电桥的输出均与电桥工作桥臂的电阻相对变化率R/R成正比。 电桥的灵敏度。电桥的输出电压（或输出电流）与被测应变在电桥的一个桥臂上引起的电阻变化率之间的比值，称为电桥的灵敏度，对于电压输出桥可表示为 (2-18)令则式（2-18）可以变为式中n电桥的桥臂系数。峭壁系数是：因为电桥的输出与每个桥臂都有关，往往电桥的输出为某一应变计单独输出的倍数。说明倍数的这个系数为“对某一应变计的电桥系数”，简称电桥系数或峭壁系数，以n表示，即