CN108195460A - 一种基于场效应管栅极敏感效应的二次滤波振动传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明针对振动信号难以提取的现状，提供一种振动信号提取的装置。悬臂梁的静电激励振动装置由悬臂梁、接地端、静电驱动极板、交流信号源、底板、金金属层、侧板、压电片、驱动开关和导线组成。所述振动信号提取装置由场效应管、电源、电容、带通滤波器、电源组、高通滤波器、高频信号提取器、低通滤波器、低频信号提取器、开关和导线组成。悬臂梁在交流信号激励作用下产生受迫振动；当悬臂梁振动时，压电片随着悬臂梁的振动发生变形，产生电压。振动信号提取回路上的高通滤波器留下3ω左右的频率，低通滤波器留下ω左右的频率，得到悬臂梁的振动频率。
Description
技术领域
本发明专利是一种振动信号检测装置，特别是一种用于振动信号提取装置，属于振动信号检测领域。
背景技术
振动信号的提取广泛应用于机械振动研究、汽车系统、传感器等领域中。在振动信号的提取中，如何消除外部因素对信号的影响是决定信号精度的主要因素。对于一些振动信号的提取方法，在提取信号时受到一些外部因素如噪声或其他振动的影响等，使得振动信号的提取和检测有较大的误差。为了实现更好的信号提取灵敏度，需要采用影响更小的测量方式，然而如何降低外部因素的影响，成为制约振动信号提取精度提高的难题之一。压电片具有变形后能产生电压的特点，产生的电压信号较强，非常适合用于测量振动信号。场效应管具有输入电阻高、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象安全工作区域宽等优点。滤波器具有频率选择作用，可以滤除噪声，分离各种不同的信号，使用滤波器能得到更准确可靠的振动信号。本发明可以广泛应用于机械振动、力学分析等领域的振动信号检测和提取工作。
发明内容
本发明针对振动信号难以提取的现状，提供一种振动信号提取的装置。
本发明专利解决其技术问题所采用的方案是：所述基于场效应管栅极敏感效应的二次滤波振动传感装置，包括悬臂梁的静电激励振动装置、振动信号提取装置两部分。所述悬臂梁的静电激励振动装置，其特征在于：所述悬臂梁的静电激励振动装置由悬臂梁、接地端、静电驱动极板、交流信号源、底板、金金属层、侧板、压电片、驱动开关和导线组成。所述悬臂梁左端固定在侧板上，右端自由，在悬臂梁下表面镀一层金金属层；所述静电驱动极板位于悬臂梁的正下方，固结于底板上，长度比悬臂梁稍微短一些，悬臂梁下表面的金金属层的左端通过导线连接交流信号源的左端，交流信号源的右端通过导线连接驱动开关的左端，驱动开关的右端通过导线连接静电驱动极板的右端；所述压电片固结在悬臂梁上表面的左端，压电片的右端通过导线与接地端连接，压电片的左端伸出导线(即a端)，与振动信号提取回路上带通滤波器的右端(即a端)连接。
所述振动信号提取装置由场效应管、电源、电容、带通滤波器、电源组、高通滤波器、高频信号提取器、低通滤波器、低频信号提取器、开关和导线组成。所述带通滤波器的右端通过导线连接悬臂梁上压电片的左端(即a端)，带通滤波器的左端通过导线连接电容，电容的右端通过导线连接电源，电源通过导线连接场效应管的b端，所述场效应管的c端通过导线连接电源组负极，电源组正极通过导线分别连接高通滤波器和低通滤波器的左端，两种滤波器并联，高通滤波器和低通滤波器的右端通过导线连接开关的下端，开关上端通过导线连接场效应管的d端，高频信号提取器与高通滤波器并联，低频信号提取器与低通滤波器并联。
所述场效应管由金属电极、漏极、源极和栅极组成。所述栅极接出的导线为b端，源极接出的导线为c端，漏极接出的导线为d端。
悬臂梁在交流信号激励作用下产生受迫振动；当悬臂梁振动时，压电片随着悬臂梁的振动发生变形，不断被压缩和拉伸，产生电压。当产生的电压为左正右负时，与场效应管的栅极所连接的电源叠加，使场效应管内通过的电流增大。相反，产生的电压为左负右正时，相当于降低了与场效应管的栅极所连接的电源电压，使场效应管内通过的电流减小。压电片与电容之间的带通滤波器可以初步过滤噪声等外部因素的影响，大约主要留下悬臂梁的振动频率ω至3ω之间的频率。振动信号提取回路上的高通滤波器留下3ω左右的频率，低通滤波器留下ω左右的频率，用这两个频率去计算悬臂梁的振动频率。悬臂梁上下振动，其频率和振动信号提取回路上电流的变化频率是一样的，这样就完成了振动信号的提取。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.静电驱动方法是一种无接触驱动方法，测量干扰因素少，测量灵敏度高。
2.场效应管应用于机械敏感时，可以使得机械敏感信号能够同电子信号处理与逻辑电路直接耦合，从而使引入的寄生效应最小化。
附图说明
图1悬臂梁的静电激励振动装置图；
图2振动信号提取电路图；
图3场效应管结构图；
图中，1、悬臂梁2、接地端3、静电驱动极板4、驱动开关5、交流信号源6、底板7、金金属层8、侧板9、压电片10、电容11、带通滤波器12、开关13、高频信号提取器14、高通滤波器15、低频信号提取器16、低通滤波器17、电源组18、场效应管19、电源20、金属电极21、漏极22、源极23、栅极
具体实施方式
以下结合附图做作进一步详述：
本实施例的主体结构包括悬臂梁的静电激励振动装置、振动信号提取装置两部分。所述悬臂梁的静电激励振动装置由悬臂梁1、接地端2、静电驱动极板3、交流信号源5、底板6、金金属层7、侧板8、压电片9、驱动开关4和导线组成。所述悬臂梁1左端固定在侧板8上，右端自由，在悬臂梁1下表面镀一层金金属层7；所述静电驱动极板3位于悬臂梁1的正下方，固结于底板6上，长度比悬臂梁1稍微短一些，悬臂梁1下表面的金金属层7的左端通过导线连接交流信号源5的左端，交流信号源5的右端通过导线连接驱动开关4的左端，驱动开关4的右端通过导线连接静电驱动极板3的右端；所述压电片9固结在悬臂梁1上表面的左端，压电片9的右端通过导线与接地端2连接，压电片9的左端伸出导线(即a端)，与振动信号提取回路上带通滤波器11的右端(即a端)连接。
所述振动信号提取装置由场效应管18、电源19、电容10、带通滤波器11、电源组17、高通滤波器14、高频信号提取器13、低通滤波器16、低频信号提取器15、开关12和导线组成。所述带通滤波器11的右端通过导线连接悬臂梁1上压电片9的左端(即a端)，带通滤波器11的左端通过导线连接电容10，电容10的右端通过导线连接电源19，电源19通过导线连接场效应管18的b端，所述场效应管18的c端通过导线连接电源组17负极，电源组17正极通过导线分别连接高通滤波器14和低通滤波器16的左端，两种滤波器并联，高通滤波器14和低通滤波器16的右端通过导线连接开关12的下端，开关12上端通过导线连接场效应管18的d端，高频信号提取器13与高通滤波器14并联，低频信号提取器15与低通滤波器16并联。
所述场效应管18由金属电极20、漏极21、源极22和栅极23组成。所述栅极23接出的导线为b端，源极22接出的导线为c端，漏极21接出的导线为d端。
悬臂梁1在交流信号激励作用下产生受迫振动；当悬臂梁1振动时，压电片9随着悬臂梁1的振动发生变形，不断被压缩和拉伸，产生电压。当产生的电压为左正右负时，与场效应管18的栅极23所连接的电源叠加，使场效应管18内通过的电流增大。相反，产生的电压为左负右正时，相当于降低了与场效应管18的栅极23所连接的电源电压，使场效应管18内通过的电流减小。压电片9与电容10之间的带通滤波器11可以初步过滤噪声等外部因素的影响，大约主要留下悬臂梁1的振动频率ω至3ω之间的频率。振动信号提取回路上的高通滤波器14留下3ω左右的频率，低通滤波器16留下ω左右的频率，用这两个频率去计算悬臂梁1的振动频率。悬臂梁1上下振动，其频率和振动信号提取回路上电流的变化频率是一样的，这样就完成了振动信号的提取。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进，均应包含在本发明所述的保护范围之内。
Claims (1)
1.所述悬臂梁的静电激励振动装置由悬臂梁(1)、接地端(2)、静电驱动极板(3)、交流信号源(5)、底板(6)、金金属层(7)、侧板(8)、压电片(9)、驱动开关(4)和导线组成；所述悬臂梁(1)左端固定在侧板(8)上，右端自由，在悬臂梁(1)下表面镀一层金金属层(7)；所述静电驱动极板(3)位于悬臂梁(1)的正下方，固结于底板(6)上，长度比悬臂梁(1)稍微短一些，悬臂梁(1)下表面的金金属层(7)的左端通过导线连接交流信号源(5)的左端，交流信号源(5)的右端通过导线连接驱动开关(4)的左端，驱动开关(4)的右端通过导线连接静电驱动极板(3)的右端；所述压电片(9)固结在悬臂梁(1)上表面的左端，压电片(9)的右端通过导线与接地端(2)连接，压电片(9)的左端伸出导线(即a端)，与振动信号提取回路上带通滤波器(11)的右端(即a端)连接；所述振动信号提取装置由场效应管(18)、电源(19)、电容(10)、带通滤波器(11)、电源组(17)、高通滤波器(14)、高频信号提取器(13)、低通滤波器(16)、低频信号提取器(15)、开关(12)和导线组成；所述带通滤波器(11)的右端通过导线连接悬臂梁(1)上压电片(9)的左端(即a端)，带通滤波器(11)的左端通过导线连接电容(10)，电容(10)的右端通过导线连接电源(19)，电源(19)通过导线连接场效应管(18)的b端，所述场效应管(18)的c端通过导线连接电源组(17)负极，电源组(17)正极通过导线分别连接高通滤波器(14)和低通滤波器(16)的左端，两种滤波器并联，高通滤波器(14)和低通滤波器(16)的右端通过导线连接开关(12)的下端，开关(12)上端通过导线连接场效应管(18)的d端，高频信号提取器(13)与高通滤波器(14)并联，低频信号提取器(15)与低通滤波器(16)并联；所述场效应管(18)由金属电极(20)、漏极(21)、源极(22)和栅极(23)组成；所述栅极(23)接出的导线为b端，源极(22)接出的导线为c端，漏极(21)接出的导线为d端。
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