CN107453754A - 冲击波超压信号调理系统 - Google Patents

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郭锐
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Abstract

本发明公开了一种冲击波超压信号调理系统,包括压力传感器、微弱信号放大模块和ADC信号调理模块;所述压力传感器,用以获取冲击波超压信号,冲击波超压信号作用于压力传感器上后,压力传感器产生相应的电荷;所述微弱信号放大模块,用以获取压力传感器产生的电荷信号,将电荷信号变成电压信号,且可通过软件编程实现不同的放大倍数;所述ADC信号调理模块,用以将微弱信号放大模块输出的正负电压信号转变为波形不变的正电压信号,并滤除其高频分量,减小噪声干扰;本发明的冲击波超压信号调理系统使得传感器元件和信号调理电路整体体积缩小到几毫米量级,提高信噪比的同时给测试技术带来极大地方便和应用空间。

Description

冲击波超压信号调理系统
技术领域
[0001] 本发明属于测试测量技术领域,特别是一种冲击波超压信号调理系统。
背景技术
[0002] 目前压力电测量多采用压电传感器,其中传统的压电传感器多采用电气石作为敏 感元件,在过去的研究中发现晶片尺寸直接影响测量波形,且晶体大小仅限于一个较小的 变化范围,并不适合敏感元件尺寸较大情形。电气石作为敏感元件主要考虑结构和表面涂 覆材料的问题,而在表面涂覆材料上主要使用油封的方法,将电气石晶体封存在一个装满 硅油的聚乙烯管中,晶体通过两根引线先连接一个内置放大器再连接同轴电缆,使得测试 电路的尺寸较大,且较长的同轴电缆容易引入噪声信号;如现在市场上最常用的是美国PCB 公司生产138系列压力传感器,其长度为193mm。采用电气石作为传感器敏感元件需要对填 料提出了既要对应力波有足够的阻尼,又要吸水性小,固着强度大的要求,加之天然优质的 电气石原料越来越稀有,使其造价很高,且其结构设计也较为复杂,体积大。
[0003] 在测量电路这一方面,现有的主流测试系统采用电荷放大器作为传感器信号调理 部分,后接数据采集卡进行数据采集,而市场上的电荷放大器大多价格昂贵,且体积很大, 不适合狭小空间测量。
发明内容
[0004] 本发明所解决的技术问题在于提供一种冲击波超压信号调理系统,以解决现有的 超压测量系统传感器和信号调理部分的电荷放大器体积大,价格昂贵,且传感器和电荷放 大器需通过很长的导线进行连接容易引入噪声信号的问题。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为:
[0006] —种冲击波超压信号调理系统,包括压力传感器,还包括微弱信号放大模块和ADC 信号调理模块:
[0007] 所述压力传感器,用以获取冲击波超压信号,冲击波超压信号作用于压力传感器 上后,压力传感器产生相应的电荷。
[0008] 所述微弱信号放大模块,用以获取压力传感器产生的电荷信号,将电荷信号变成 电压信号,且可通过软件编程实现不同的放大倍数。
[0009] 所述ADC信号调理模块,用以将微弱信号放大模块输出的正负电压信号转变为波 形不变的正电压信号,并滤除其高频分量,减小噪声干扰。
[0010] 本发明与现有技术相比,其显著优点:
[0011] (1)通过可编程数据放大器、ADC驱动器实现微弱信号放大模块和ADC信号调理模 块,替代了传统的电荷放大器,大大减少了元器件的种类和数量,使得价格大为降低,同时 冲击波信号调理部分体积可以缩小到几毫米量级,提高了系统的信噪比。
[0012] (2)压力传感器PVDF薄膜与微弱信号放大模块通过很短的导线连接,使得传感器 信号在传输过程中受到干扰的几率大为降低,提高了信号传输的信噪比。
[0013] (3)微弱信号放大模块采用可编程放大器,实现超压信号测量量程通过软件可编 程,满足测试电路在不同范围下的应用。
[0014] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
[0015] 图1为本发明的冲击波超压信号调理系统实施例的电路原理图。
[0016] 图2为图1中3.3V参考电压的电路原理图。
具体实施方式
[0017] 为了说明本发明的技术方案及技术目的,下面结合附图及具体实施例对本发明做 进一步的介绍。
[0018] 本发明的一种冲击波超压信号调理系统,包括压力传感器、微弱信号放大模块和 ADC信号调理模块;
[0019] 所述压力传感器,用以获取冲击波超压信号,冲击波超压信号作用于压力传感器 上后,压力传感器产生相应的电荷。
[0020] 所述微弱信号放大模块,用以获取压力传感器产生的电荷信号,将电荷信号变成 电压信号,电压信号关于OV对称,且可通过软件编程实现不同的放大倍数。
[0021] 所述ADC信号调理模块,用以将微弱信号放大模块输出的正负电压信号转变为波 形不变的正电压信号,并滤除其高频分量,以减小噪声干扰。
[0022] 进一步的,所述微弱信号放大模块包括差分输入级、可编程数据放大器;所述差分 输入级包括串联的第一电阻RU第二电阻R2;所述第一电阻RU第二电阻R2的阻值相同;所 述第一电阻RU第二电阻R2的中间节点接地,形成差分输入模式,以提高前级共模抑制比。
[0023] 所述压力传感器与串联后的第一电阻RU第二电阻R2并联,压力传感器与电阻RU R2形成回路,构成电流输入模式。
[0024] 所述第一电阻RU第二电阻R2的两端分别与可编程数据放大器的正、反向输入端 连接;所述可编程数据放大器电源采用双电源供电;
[0025] 所述可编程数据放大器参考电压输入端接地,以地为参考点,使得压力传感器受 到压力作用时信号波形关于OV电压对称;所述可编程数据放大器的可编程控制引脚M、 AO、Al均与微控制器连接;
[0026] 当尿瓦保持在逻辑高或逻辑低电平(一般分别为5V和0V)时,可编程数据放大器会 处于锁存增益模式。当胃信号从逻辑高电平转换到逻辑低电平时,在它的下降沿上读取AO 和Al上的电压,这是锁存AO和Al上的逻辑电平,导致增益的变化;
[0027] 所述可编程数据放大器输出端与ADC信号调理模块的同相输入端相连。
[0028] 进一步,所述双电源供电的正电源+9V,负电源为-9V。
[0029] 进一步的,所述双电源的正电源通过两个旁路电容C6和C7与地连接,两个旁路电 容C6和C7并联;所述双电源的负电源通过两个旁路电容C4和C5与地连接,两个旁路电容C4 和C5并联;通过旁路电容,避免引脚上的噪声会对可编程数据放大器的性能产生干扰。
[0030] 进一步的,所述ADC信号调理模块包括ADC驱动器、一阶RC滤波器;所述RC滤波器包 括串联第三电阻R3与电容Cl;所述ADC驱动器的同相输入端接入可编程数据放大器的输出 端,反向输入端与地相连接;ADC驱动器的输出端与第三电阻R3相连;电容Cl接地;所述ADC 驱动器采用单电源供电,负电源接地。所述ADC驱动器的第一参考电压输入端REFl接地,第 二参考电压输入端REF2接入正电压;ADC驱动器的SENSE引脚与输出端连接。
[0031] 进一步的,所述ADC驱动器的第二参考电压输入端REF2接入正电压的电压为3.3V。
[0032] 进一步的,所述ADC驱动器的正电源电压为5V。
[0033] 进一步的,所述ADC驱动器的正电源通过旁路电容C2接地,第二参考电压输入端 REF2通过旁路电容C3接地;通过旁路电容,避免引脚上的噪声会对ADC驱动器的性能产生干 扰。
[0034] 进一步的,3.3V基准参考电压由参考电压基准芯片产生,参考电压基准芯片产生 的电压精度能达到小数点后四位;所述的参考电压基准芯片输入端接入的正电压为5V;所 述的参考电压基准芯片输入端通过旁路电容C8接地,避免电源纹波对3.3V参考电压产生干 扰;所述的参考电压基准芯片输出端与ADC驱动器的第二参考电压输入端REF2连接。
[0035] 优选的,所述压力传感器采用PVDF薄膜的压力传感器,PVDF薄膜具有响应快、压电 系数高、测压范围大、声阻抗低、尺寸可裁剪、价格便宜的优点。
[0036] 本发明的一种冲击波超压信号调理系统的工作过程为:
[0037] 冲击波超压作用于PVDF薄膜的极化方向产生电荷信号,PVDF薄膜上下表面引出的 电极通过导线与微弱信号放大模块连接。微弱信号放大模块前级将微弱的电荷信号转变为 差分输入的电压信号,输入到可编程数据放大器。上电时,可编程放大器在锁存增益模式下 默认增益为1,在锁存增益模式下,在W的下降沿锁存增益之前,AO和Al上的逻辑电平必须 在最短建立时间内保持不变,同样,在^的下降沿之后,AO和Al的逻辑电平也必须在最短 保持时间内不变,以确保正确锁存增益。当由高至低电平时,AO为低电平,Al为低电平, 增益变化为1;当尿育由高至低电平时,AO为高电平,Al为低电平,增益变化为10;当由高 至低电平时,AO为低电平,Al为高电平,增益变化为100;当_由高至低电平时,AO为高电 平,Al为高电平,增益变化为1000;设置合适的放大倍数,使得信号放大到接近电源电压,输 出给ADC信号调理模块。ADC驱动器采用单电源供电,正电源为+5V,负电源接地,正相输入端 与可编程放大器输出端相连接,反向输入端与地相连接,第一参考电压端REFl接地,第二参 考电压端REF2接3.3V,此时,输出
Figure CN107453754AD00051
当输入信号为+9V时,输 出为3.25V,当输入信号为-9V时,输出为0.15V,满足输出信号为0到3.3V的要求。ADC驱动器 输出端与电阻R3连接,电阻R3通过电容Cl与地连接形成一阶RC低通滤波器,低通滤波器的 截止频率为f=l/23iRC,其取值大小由所测量的压力信号的频率分量所决定,低通滤波器输 出的信号可直接由微控制器的ADC进行采集处理。

Claims (10)

1. 一种冲击波超压信号调理系统,包括压力传感器,其特征在于,还包括微弱信号放大 模块和ADC信号调理模块; 所述压力传感器,用以获取冲击波超压信号,冲击波超压信号作用于压力传感器上后, 压力传感器产生相应的电荷; 所述微弱信号放大模块,用以获取压力传感器产生的电荷信号,将电荷信号变成电压 信号,且可通过软件编程实现不同的放大倍数; 所述ADC信号调理模块,用以将微弱信号放大模块输出的正负电压信号转变为波形不 变的正电压信号,并滤除其高频分量,减小噪声干扰。
2. 如权利要求1所述冲击波超压信号调理系统,其特征在于,所述微弱信号放大模块包 括差分输入级、可编程数据放大器;所述差分输入级包括串联的第一电阻RU第二电阻R2; 所述第一电阻RU第二电阻R2的阻值相同;所述第一电阻RU第二电阻R2的中间节点接地; 所述压力传感器与串联后的第一电阻RU第二电阻R2并联; 所述第一电阻RU第二电阻R2的两端分别与可编程数据放大器的正、反向输入端连接; 所述可编程数据放大器电源采用双电源供电;所述可编程数据放大器参考电压输入端接 地,所述可编程数据放大器的可编程控制引脚尿f、A0、A1均与微控制器连接; 所述可编程数据放大器输出端与ADC信号调理模块的同相输入端相连。
3. 如权利要求2所述冲击波超压信号调理系统,其特征在于,所述双电源供电的正电源 +9V,负电源为-9V。
4. 如权利要求2所述冲击波超压信号调理系统,其特征在于,所述双电源的正电源通过 两个旁路电容C6和C7与地连接,两个旁路电容C6和C7并联;所述双电源的负电源通过两个 旁路电容C4和C5与地连接,两个旁路电容C4和C5并联。
5. 如权利要求1所述冲击波超压信号调理系统,其特征在于,所述ADC信号调理模块包 括ADC驱动器、一阶RC滤波器;所述RC滤波器包括串联第三电阻R3与电容Cl;所述ADC驱动器 的同相输入端接入可编程数据放大器的输出端,反向输入端与地相连接;ADC驱动器的输出 端与第三电阻R3相连;电容Cl接地;所述ADC驱动器采用单电源供电,负电源的接地;所述 ADC驱动器的第一参考电压输入端REFl接地,第二参考电压输入端REF2接入正电压;所述 ADC驱动器的SENSE引脚与输出端连接。
6. 如权利要求5所述冲击波超压信号调理系统,其特征在于,所述ADC驱动器的第二参 考电压输入端REF2接入正电压的电压为3.3V。
7. 如权利要求5所述冲击波超压信号调理系统,其特征在于,所述ADC驱动器的正电源 电压为5V。
8. 如权利要求5所述冲击波超压信号调理系统,其特征在于,所述ADC驱动器的正电源 通过旁路电容C2接地,第二参考电压输入端REF2通过旁路电容C3接地。
9. 如权利要求5所述冲击波超压信号调理系统,其特征在于,所述的参考电压基准芯片 输入端接入的正电压为3.3V;所述的参考电压基准芯片输入端通过旁路电容C8接地;所述 的参考电压基准芯片输出端与ADC驱动器的第二参考电压输入端REF2连接。
10. 如权利要求1所述冲击波超压信号调理系统,其特征在于,所述压力传感器采用 PVDF薄膜的压力传感器。
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