CN103954794A - 低频压电加速度传感器电荷放大及采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低频压电加速度传感器的电荷放大及采集系统。采用价格低廉的基本元件及运算放大器，运用“正反馈+负反馈”的方法提高放大电路的输入电阻和稳定性。供电电路与信息传输电路复合，只需两根传输线即可得到较大的加速度电流信息，且传输距离更远。对电流信息进行电流-电压转换和滤波处理，通过高精度A/D转换，得到精确的数字加速度信号。

Description

低频压电加速度传感器电荷放大及采集系统

技术领域

本发明涉及一种电荷放大及采集系统，具体涉及一种低频、压电陶瓷式加速度传感器的电荷放大及采集系统。

背景技术

压电加速度传感器可以看成一个产生电荷的高内阻发电元件。压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性力的作用，在晶体的两个表面上产生交变电荷，但是电荷量很小，一般的测量电路的输入阻抗较小，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，测量效果很差。如果压电加速度计没有与之配套的采集电路一起配合使用，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，与之配套的放大、采集电路的研究及其硬件实现对压电加速度传感器的使用、推广起着极其重要的作用。

目前最常用的压电加速度传感器的前端调理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，然后对放大的电压信号进行采集，得到加速度信息。它的特点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非常复杂，价格都比较高，性价比不很理想，这些因素都严重影响了压电加速度传感器的广泛使用。所以研制一种性价高的、实用的电荷放大、采集电路就非常的有必要。

针对上述情况，本发明对传感器的调理电路做了深入的研究。针对目前各种测量电路的缺点，提出一种简单、稳定的电荷放大及采集系统。采用价格低廉的基本运放，运用“正反馈+负反馈”的思想提高放大电路的输入电阻和稳定性。供电电路与信息传输电路复合，只需两根传输线即可得到较大的加速度电流信息，且传输距离更远。对电流信息进行高精度采集，减少量化误差，确保数据的精确。

发明内容

本发明提供一种压电式加速度传感器的电荷放大及采集系统，通过使用正反馈+负反馈的方式，用很少原件实现高输入阻抗的电荷放大功能和电流采集系统，在较小成本的情况下，实现高稳定性和高精确度的加速度信号采集。

高稳定性压电加速度传感器的电荷放大及采集系统包括电荷转换电压部分，电压放大部分，供电部分，电流输出部分，信号采集部分。

所述电荷转换电压部分，将压电陶瓷产生的微弱电荷转换为一个低内阻的电压源，其核心为集成运放A1，A1可采用高输入阻抗运算放大器。考虑压电陶瓷传输线距离、加速度信号频率和输出电压范围，反馈电容的取值在220PF-0.22μF之间选取。为了提高负反馈效果，达到100HZ以下的下限截止频率，需要较高的反馈电阻；为了使用较精确的低值电阻代替很大的反馈电阻，由电阻R1，R2，R3组成T型网络代替反馈电阻。为了提高电荷放大器的输入阻抗，保证对微弱电荷的采集，在电荷放大器中引入交直流共存的电压并联正反馈，反馈电阻为R4。

所述电压放大部分采用集成运算放大器实现，引入串联电压负反馈实现放大，由于前级的输出电阻较小，为了保证有适当的放大倍数，反馈电阻取值在50KΩ-100KΩ之间。

所述供电部分采用电阻分压的方法。为了减少传输线，信号线与电源线共用。输入电压正端直接接运放正电压端，经两个等值电阻后接负电压端，两个电阻之间接运算放大器的正输入端。

所述电流输出部分用晶体管实现。偏置电路可调，调整电阻RB可控制输出电流范围。集电极和发射极直接接电压输入，为了防止电压接反，可并联二极管作为保护。

所述信号采集部分首先将输出电流转换为电压，经过LC低通滤波器，然后用高精度A/D转换器将加速度信号转换为数字信号。为了提高转换精度，减少量化误差，A/D转换器的位数在20位以上，为了减少器件连接引脚，可采用串行方式输出。

由于本发明采用以上技术方案，通过正反馈+负反馈的方式解决输入阻抗不高的问题，同时供电部分和电流输出部分的简化，使得系统结构简单，可靠性高，价格低廉，很好的解决了现有加速度传感器信号采集系统电路复杂，性价比不高的问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征和优点将会变得更明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。附图中一些原件的参数可以改变，对传感器电荷的采集效果略有不同。

图1为低频压电加速度传感器电荷放大及采集系统；包括电荷转换部分，电压放大部分，电源部分，电流输出部分，滤波部分和A/D转换部分。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

发明提供的压电式加速度传感器的电荷放大及采集系统如附图所示。

图1中电荷转换电压部分；in+和in-为压电陶瓷的输出，A1为高输入阻抗运算放大器，C1为反馈电容，电阻R1，R2，R3组成T型网络代替负反馈电阻，R4为正反馈电阻，以保证对微弱电荷的采集。

图1中电压放大部分；A2和A1为同类型的运算放大器，主要是起电压放大作用。由R5、R6构成负反馈，R5的大小与输出部分的晶体管参数有密切的关系。C2和C3为耦合电容，在低频的情况下，其容值一般不低于1μF。

图1中电源部分；+V和-V送给运放供电，R8和R7为等阻值电阻，阻值大小根据供电电压大小和运放的参数确定，通常在10KΩ左右；R12和R9为等阻值电阻，阻值比R7小一个数量级。C4为消除电源高频噪声的滤波电容。

图1中电流输出部分；晶体管T为小功率、中低频NPN型三极管。R10和R11的取值保证T处于微放大状态，而且其输出电流在最大输入电压时不会产生失真。两输出端可以通过长距离的传输线输出，使用时两端加上+12V的电压。

图1中滤波部分；传感器的输出电流经传输线后对加速度信号进行采集。传输线长度可达1000米。首先输出为电流信号，需要对电流信号转换为电压信号；采用电阻R13取样的方法实现，由于输出电流的范围一般在5mA-30mA之间，根据A/D转换器对输入电压的范围要求，电阻阻值一般不超过200Ω。

传输的加速度信号含有噪声，根据压电陶瓷的参数，转换后的电压信号需要进行预滤波处理，采用低通滤波器处理，截止频率在20K左右。这里选取2阶LC低通滤波器，由C5-C9和L1、L2构成，具有结构简单，滤波效果好等优点。

图1中A/D转换部分；滤波后的信号可直接输入A/D转换器。A/D转换器的串行输出方式大大的减少了引脚数量，只需工作时钟clk，数据时钟sclk和数据线data三根即可，由控制器实现对A/D转换器的控制。Vdd和Vref由A/D转换器的使用参数决定。

综上所述，本方法采用极为简单的电路实现了电荷放大，能极为稳定的实现高精度的加速度信号采集。熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施，这并不影响本发明的实质内容，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (5)

1.所述的电荷放大及采集系统提供一个能对压电加速度信号进行电荷转换、电压放大、电源供电、电流输出、信号采集的电路；

所述电荷转换部分能对微弱的电荷进行稳定的电压转换的电路；

所述电压放大部分能对转换后的电压进行放大的电路；

所述电源供电能对电路中的运算放大器进行供电的电路；

所述电流输出部分能对放大后的电压以电流的形式进行输出，同时供电线路和信号传输电路复用的部分；

所述的信号采集电路部分能对采集的加速度信号进行低通滤波，有效消除高频干扰电路；对滤波后的加速度信号进行高精度采集。

2.根据权利要求1所述的电荷转换部分，其特征在于，用T型电阻网络作为负反馈电阻，使用正反馈电阻提高电路的输入阻抗，正反馈电阻一端连接输入正端，另一端连接输出耦合电容之后。

3.根据权利要求1所述的电源供电电路，其特征在于，使用四个电阻分压给电路供电，R9和R12大小相等，R7和R8大小相等，中间点为电路零电位点。

4.根据权利要求1所述的电流输出电路，其特征在于，晶体管的基极和发射极之间连接电阻，基极和集电极之间连接电阻；输入电压直接加于集电极和发射极之间；同时电压线可输出加速度电流值。

5.根据权利要求1所述的信号采集电路，其特征在于，电阻R13将电流信号转换为电压信号，两级LC滤波可消除高频噪声，消噪后的信号直接送入A/D转换器的输入；A/D转换器使用串行输出方式，提高转换精度，减少连接引脚，简化电路连接。