CN105092894B - 一种电流源激励的压电加速度传感器信号变换电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电流源激励的压电加速度传感器信号变换电路，包括偏置电压模块和信号变换调理模块。电路通过精密的电压源提供自基准电压，经电阻分压产生绝缘栅场效应管静态工作点，交变的电荷量叠加在静态工作点上，绝缘栅场效应管将电荷变换成电流，经电阻转换得到与交变电荷对应的电压信号。该电路易于调节变换电路的静态工作点，温度稳定性好。电路的结构简单、使用元件少、成本低廉，不需要外加电压源也能工作，输入和输出信号共用相同的接口且只需二根导线，方便与外部电路连接，提高可靠性。接口流过电流信号，可以用于远距离测量，有很大的广泛应用价值。

Description

一种电流源激励的压电加速度传感器信号变换电路

技术领域

本发明涉及一种压电加速度传感器检测领域中，将传感器的高输入阻抗转变成低输入阻抗，实现传感器输出电荷转换，电流至电压信号变换的电路。

背景技术

压电加速度传感器是利用压电效应，测量振动与冲击等非电物理量的测量，例如在磁悬浮轴承领域中，通过压电加速度传感器获取转子受力锤激振后的数据，分析转子刚性体的模态振型；在林业树木无损检测技术中，压电加速度传感器拾取敲击的机械应力波振动波形，检测计算应力波的传播速度从而分析木材的弹性模量，推测木材的机械强度。

压电加速度传感器通过内部的压电片受力变形产生电荷，电荷量很小，如接入常用的测量电路转换为电压，会由于普通测量电路的输入阻抗低而产生测量误差。一个高输入阻抗的电压放大器可以作为前置信号调理电路，将微弱的电荷信号转换为电压信号并放大，但是传感器与放大器之间导线长度会产生分布电容，电压放大器的灵敏度会变化，带来测量误差。电荷放大器是有深度负反馈的高增益运放电路，通过反馈电容可以得到与电荷变化成线性关系的电压信号，但是电荷放大器的使用电路器件较多，且导线振动和弯曲易使输出电压受干扰。IEPE（Integrated Electronics Piezo Electric）型压电加速度传感器内部放大电路将电荷变换为电流输出，但这种电路采用结型场效应管作为放大器件。结型场效应管的栅源极间的输入电阻虽然可达MΩ以上，但还不是很高；放大电路在静态工作时栅源极电压是负值，不易调整静态工作点，且结型场效应管温度稳定性没有绝缘栅型场效应管好，静态工作点会漂移。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以实现压电加速度传感器两线信号变换电路，具有结构简单、成本低、易于调整、供电和信号输出使用同一根导线的二线传输等优点。

本发明的压电加速度传感器电流输出变换电路，包括：

偏置电压模块以及信号变换调理模块；其中：

所述偏置电压模块，用于产生绝缘栅场效应管放大电路的静态工作电压，输入端与外部电源相连，输出端则与绝缘栅场效应管的相连；

所述信号变换调理模块，用于将电荷信号转换为放大的电流信号，输入端与压电加速度传感器的1端相连，输出端接连接器的1端；压电加速度传感器的2端、连接器外端子和变换电路的公共端均与地电平连接。

信号变换调理模块，包括并联连接的电容C1和电阻R1；压电加速度传感器的1端输出的交变电荷，经过电容C1和电阻R1并接的一端后与绝缘栅场效应管U1的1端连接，电容C1和电阻R1并接的另一端则接地。

所述的偏置电压模块，包括基准源T1、电阻R2、电阻R3以及电阻R4；其中：绝缘栅场效应管U1具有三个端子，基准源T1具有三个精密可调的端子；电阻R1的一端、电阻R2的一端以及电阻R3的一端并联后，与绝缘栅场效应管U1的1端连接；电阻R1、R3的另一端接地，电阻R2的另一端分别与基准源T1的3端、绝缘栅场效应管U1的2端连接；电阻R4的一端与绝缘栅场效应管U1的2端连接，另一端则与基准源T1的1端并联后，与M5连接器的1端连接。

所述基准源T1为三端精密可调的基准源TL431。

所述绝缘栅场效应管为N沟道增强型场效应管BS170。

所述连接器为M5连接器。

本发明的积极效果是：

本发明能在电路在外加电流源激励下，通过采用N沟道增强型绝缘栅场效应管作为放大器件，三端精密电压源能自己提供场效应管的正向工作电压，可以易于调节变换电路的静态工作点，温度稳定性好。电路的结构简单、使用元件少、成本低廉，不需要外加电压源也能工作，输入和输出信号共用相同的接口，只需二根导线，方便与外部电路连接，提高可靠性，接口流过电流信号，可以用于远距离测量。该压电加速度传感器两线信号变换电路可广泛用于各种类型的压电加速度传感器中。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种电流源激励的压电加速度传感器信号变换电路结构框图。

图2是本发明实施例提供的一种电流源激励的压电加速度传感器信号变换电路原理图。

具体实施方式

附图1和附图2是本发明实施例提供的一种电流源激励的压电加速度传感器信号变换电路结构框图和原理图。主要包括偏置电压模块和信号变换调理模块。E1和I1是外部的激励源，I1通常采用国际通用的4~20mA。图中虚线表示长距离电缆连接该电路输出与外部激励源，共用同一个M5连接器。三端精密可调的基准源T1的1端分别与电阻R4的一端、M5连接器的1端连接；T1的2端分别与地、M5连接器的2端连接。T1的3端连接绝缘栅场效应管U1的2端，同时与电阻R4的另一端相接，电阻R2的一端与T1的3端连接，电阻R2的另一端和电阻R3的一端连接，同时连接至绝缘栅场效应管U1的1端。电阻R3的另一端接地，绝缘栅场效应管U1的3端接地。通电时，流过三端精密可调的基准源T1的1端至2端的电流为i_T，3端产生参考基准电压为U_ref，经电阻R2和R3电阻分压后，绝缘栅场效应管U1的1端的电压为U_R3=U_ref*R3/( R2+ R3)，提供场效应管的正向静态工作电压。按转移特性曲线，场效应管静态工作电流放大为i_D，经电阻R4转换成与电荷量相应的直流电压，由M5连接器的1端输出，其中1端输入电流为场效应管静态工作电流i_D与三端精密可调的基准源T1的工作电流i_T之和。因静态时压电片无振动，故输入交变电荷为零，M5连接器的1端输出只有直流偏置电压U₀。

当压电加速度传感器受振动变形产生电荷时，压电加速度传感器的1端输出交变电荷，与绝缘栅场效应管U1的1端连接，压电加速度传感器的2端接地。电容C1和电阻R1的一端分别与场效应管U1的1端连接，电容C1和电阻R1的另一端分别接地。电容C1影响到该压电加速度传感器的灵敏度，其两端电压大小与电容C1成反比。电阻R1与电容C1构成下限截止频率，其下限截止频率频率与时间常数R1C1成反比。交变电荷经电容C1转换成交变电压u_q0，叠加在正向静态工作电压上，再经过场效应管U1的交直电流放大，由电阻R4变换，在M5连接器的1端为最终输出电压U=U₀+U_q1，即U₀是直流偏置电压，U_q1是放大后的交流电压。后续处理电路对最终输出电压U进行低通滤波，滤除直流电压U₀成分，可得与交变电荷对应的交流电压信号。

综上所述，本方法采用结构简单的电路实现加速度电荷信号的采集。任何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，都可利用上述的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，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、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (3)

1.一种电流源激励的压电加速度传感器信号变换电路，其特征在于，所述变换电路包括偏置电压模块以及信号变换调理模块；其中：所述偏置电压模块，用于产生绝缘栅场效应管放大电路的静态工作电压，输入端与外部电源相连，输出端则与绝缘栅场效应管相连；所述信号变换调理模块，用于将电荷信号转换为放大的电流信号，输入端与压电加速度传感器的1端相连，输出端接M5连接器的1端；压电加速度传感器的2端、M5连接器的2端和变换电路的公共端均与地电平连接；所述信号变换调理模块包括并联连接的电容C1和电阻R1，以及绝缘栅场效应管U1和电阻R4；压电加速度传感器的1端输出的交变电荷，经过电容C1和电阻R1并接的一端后与绝缘栅场效应管U1的1端连接，电容C1和电阻R1并接的另一端则接地；所述的偏置电压模块包括基准源T1、电阻R2和电阻R3；其中：绝缘栅场效应管U1具有三个端子，基准源T1具有三个精密可调的端子；电阻R1的一端、电阻R2的一端以及电阻R3的一端并联后，与绝缘栅场效应管U1的1端连接；电阻R1、R3的另一端接地，电阻R2的另一端分别与基准源T1的3端、绝缘栅场效应管U1的2端连接；电阻R4的一端与绝缘栅场效应管U1的2端连接，另一端则与基准源T1的1端并联后，与M5连接器的1端连接。

2.根据权利要求1所述的电流源激励的压电加速度传感器信号变换电路，其特征在于：所述基准源T1为三端精密可调的基准源TL431。

3.根据权利要求1所述的电流源激励的压电加速度传感器信号变换电路，其特征在于：所述绝缘栅场效应管为N沟道增强型场效应管BS170。