CN113029397A - 压电感测电路及压电感测系统 - Google Patents

压电感测电路及压电感测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种压电感测电路及压电感测系统。该压电感测系统，包含：压电传感器、电压维持子电路、电荷消除器以及操作传感器。压电传感器根据本身受到的压力的变化率在输出端输出感测信号。电压维持子电路具有电性连接输出端的一正端。电压维持子电路接收并存储压电传感器输出的感测信号，以及在压力的变化率为零时维持感测信号的电压呈一定值。电荷消除器具有第一端、第二端及受控端。第一端连接正端。第二端电性接地。受控端接收触发信号以控制第一端及第二端之间为导通或断路。操作传感器电性连接受控端。操作传感器感测产生压力的一操作，并据以输出触发信号。

Description

压电感测电路及压电感测系统
技术领域
本发明涉及一种可维持输出电压的压电感测系统及压电感测电路。
背景技术
随着全球物联网兴起，力传感器的市场逐年成长。国际大厂争相投入在高阶机械设备产线开发。如若整合智能感测技术(包括力传感器)与加工物件数字图档，可望提升加工效率与精度；整合后的智能加工设备可提升产品良率、设备稼动率、生产效率，并应用于具备产业优势的轻金属加工市场，如高尔夫球头、五金类、航太零组件等。
然而，目前用于力传感器的压电传感器通常无法维持输出电平，且即便针对压电元件施加固定的力量，压电传感器仍无法维持稳定的输出电压，因此无法准确测量目前力量与输出电压的相关性。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种创新的电荷处理方式，使压电传感器在受外力负载时，电路能维持存储压电电荷，使输出电压维持定值，并通过电荷消除技术装置将残存电荷消除，校正电路零点电位，提升压电传感器力量输出与电压输出相关性判别的准确度
依据本发明一实施例叙述的一种压电感测系统，包含：压电传感器、电压维持子电路、电荷消除器以及操作传感器。压电传感器具有输出端。压电传感器用以根据本身受到的压力的变化率在输出端输出感测信号。电压维持子电路具有电性连接输出端的一正端。电压维持子电路用以接收并存储压电传感器输出的感测信号。电压维持子电路用以在压力的变化率为零时维持感测信号的电压呈一定值。电荷消除器具有第一端、第二端及受控端。第一端连接正端。第二端电性接地。受控端用以接收触发信号以控制第一端及第二端之间为导通或断路。操作传感器电性连接受控端。操作传感器用以感测产生压力的一操作，并依据此操作输出触发信号。
依据本发明一实施例的一种压电感测电路，包含：压电传感器、电压维持子电路以及电荷消除器。压电传感器具有输出端。压电传感器用以根据本身受到的压力的变化率在输出端输出感测信号。电压维持子电路具有电性连接输出端的一正端。电压维持子电路用以接收并存储压电传感器输出的感测信号。电压维持子电路用以在压力的变化率为零时维持感测信号的电压呈一定值。电荷消除器具有第一端、第二端及受控端。第一端连接正端。第二端电性接地。受控端用以接收触发信号以控制第一端及第二端之间为导通或断路。触发信号关联于产生压力的一操作。
以上的关于本公开内容的说明及以下的实施方式的说明用以示范与解释本发明的精神与原理，并且提供本发明的专利申请范围更进一步的解释。
附图说明
图1是依据本发明第一实施例的压电感测系统的架构图。
图2是依据本发明第二实施例的压电感测系统的架构图。
图3是依据本发明第三实施例的压电感测系统的架构图。
图4是依据本发明第四实施例的压电感测系统的架构图。
图5是压电感测系统的输出电压与时间的关系图。
【符号说明】
1…压电传感器
1a…输出端
3…电压维持子电路
3a…正端
5…电荷消除器
5’…电荷消除器
5”…电荷消除器
5a…第一端
5b…第二端
5c…受控端
52…导通开关
52a…输入端点
52b…输出端点
52c…控制端点
54…触发子电路
54a…信号输入端点
54b…命令输出端点
541…晶体管开关
543…分压组件
56…突波消除元件
7…操作传感器
9、9’…放大子电路
9a…放大输入端
9b…放大输出端
C、C1、C2…电容元件
R1、R2…电阻元件
S1、S2…曲线
具体实施方式
以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征，其内容足以使本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所公开的内容、权利要求书及附图，本领域技术人员可轻易地理解本发明。以下的实施例进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的范围。在本申请中，压力的来源可能来自人为操作或者来自于自动化工厂或自动化流水线的非人为的自动化操作。
请参考图1，其绘示本发明第一实施例的压电感测系统的架构图。如图1所示，本发明第一实施例的压电感测系统可包含：压电传感器1(piezoelectric sensor)、电压维持子电路3、电荷消除器5、操作传感器7以及放大子电路9。然而，在本发明的其他实施例中，也可视需求省略上述各元件中的至少一个，其细节将在后详述。此外，上述元件之中的多个共同构成一压电感测电路，而此压电感测电路至少包含压电传感器1、电压维持子电路3以及电荷消除器5。
请再参考图1。压电传感器1具有输出端1a，且压电传感器1可根据本身受到的压力的变化率在输出端1a输出感测信号。详言之，压电传感器1中具有压电材料，且此压电材料在受到外力压挤变形的过程中，其为了抵抗材料体内变短的电偶极距，会在相对的二表面之间产生等量的正负电荷；反之，在压电材料因为原本施加在其上的外力消失而恢复原状的过程中，由于电偶极距增长为原始长度，因而也会在上述二表面之间产生等量的正负电荷，然而此时在此二表面所累积的电荷极性与受挤压时的电荷极性相反。此外，在本发明中，并不对压电材料的类型予以限制。
请再参考图1。电压维持子电路3具有正端3a电性连接压电传感器1的输出端1a。在本实施例中，电压维持子电路3较佳是与压电传感器1呈并联连接。通过连接在输出端1a的正端3a，电压维持子电路3能够接收并存储压电传感器1输出的感测信号。详言之，在压电传感器1中的压电元件因受到外力压挤而变形的过程中，电压维持子电路3因压电传感器1的压电元件所产生的正电荷而在正端3a累积形成正电压，并存储电荷而维持此高电位；随后，在压电传感器1中的压电元件因外力移除而复原的过程中，电压维持子电路3则因压电传感器1的压电元件所产生的负电荷而由正端3a释放先前所存储的电荷而归复为低电位。在上述运作中，藉由设置电压维持子电路3，在压电传感器1所承受的压力的变化率为零时，电压维持子电路3可有效维持感测信号的电压呈一定值。如图1所示，在一种实施方式中，电压维持子电路3具有一电容元件C，此电容元件C的正端即作为电压维持子电路3的正端3a，而电容元件C的负端电性接地，其中此电容元件C较佳由一电容器实现。承上所述，此电容元件C可在压电传感器1感测到压力时存储感测信号的正电荷，以便于压力稳定时维持正端3a的高电位为定值；反之，此电容元件C在压电传感器1感测到压力的移除时释放之前存储的正电荷，以便于压力确实移除后使正端3a呈低电位。
请再参考图1。本实施例的电荷消除器5具有第一端5a、第二端5b及受控端5c，其中第一端5a连接电压维持子电路3的正端3a，第二端5b电性接地，受控端5c用以接收一触发信号以据此控制第一端5a及第二端5b之间为导通或断路。设置此电荷消除器5的目的在于：由于压电传感器1中的压电元件在每次受压变形时所产生的正电荷量及归复时所产生的负电荷量可能不相等，因此在压电传感器1感测到压力移除后，较佳通过将电荷消除器5的第一端5a与第二端5b导通，以将电压维持子电路3中残存的电荷导引接地，予以释放。
更详言之，本实施例的电荷消除器5具有导通开关52及触发子电路54。此导通开关52具有输入端点52a、输出端点52b及控制端点52c，其中输入端点52a做为电荷消除器5的第一端5a，输出端点52b则做为电荷消除器5的第二端5b，而控制端点52c连接触发子电路54。藉此，由控制端点52c所接收的信号，可以决定输入端点52a及输出端点52b之间的电性连接关系。触发子电路54具有信号输入端点54a及命令输出端点54b，其中信号输入端点54a做为电荷消除器5的受控端5c，而命令输出端点54b则连接导通开关52的控制端点52c。在本实施例的一种实施方式中，触发子电路54具有晶体管开关541及分压组件543，且此分压组件543连接在晶体管开关541及信号输入端点54a之间，而晶体管开关541连接在分压组件543及命令输出端点54b之间。藉此，当分压组件543由信号输入端点54a接获前述的触发信号时，可将触发信号分压调整为适于输入晶体管开关541的电压等级，则晶体管开关541即可对应于此触发信号产生并传送一开关命令信号至命令输出端点54b，以输出此开关命令信号至导通开关52而决定第一端5a及第二端5b之间是否为导通。此外，藉由通过电阻元件而电性连接在晶体管开关541的漏极(当晶体管开关541为NMOS时)或集极(当晶体管开关541为BJT时)的直流电源，开关命令信号的电压级可大于触发信号的电压级。
请再参考图1，本实施例的操作传感器7电性连接电荷消除器5的受控端5c。操作传感器7用以感测产生压力的一操作，并依据此操作输出触发信号。在一实施例中，操作传感器7例如设置在冲压机的近接开关(proximity switch)，且此近接开关在冲压刀具的移动冲程中受致动。然而，本发明并不对操作传感器7的硬件类型及致动时机予以限制。
请再参考图1。本实施例的放大子电路9为电压放大器。放大子电路9具有放大输入端9a及放大输出端9b，其中放大输入端9a连接电压维持子电路3的正端3a，而放大输出端9b用于传送放大子电路9的输出。放大子电路9可依据一预设比例放大电压维持子电路3的正端3a的电压，并由放大输出端9b输出放大后的电压以做为压电感测系统的输出电压。所述的预设比例可通过配置放大子电路9中电阻元件R1、R2的电阻值进行调整。
藉由本实施例的上述结构，在此压电感测系统运作时，首先操作传感器7在感测得到一操作而输出触发信号至触发子电路54的分压组件543，且触发信号经分压组件543调整后传送至晶体管开关541，以控制命令输出端点54b输出呈低电位的开关命令信号，此时导通开关52即对应此低电位的开关命令信号而呈断路(即输入端点52a与输出端点52b之间不导通)。随后，当压电传感器1测知由上述操作而产生的压力而产生感测信号时，此感测信号即传送至电压维持子电路3，并使其正端3a呈高电位。由于电压维持子电路3将电荷存储在电容元件C，因此只要压电传感器1所承受的压力未改变，正端3a因为电容元件C存储电荷而呈现的高电位便会以定值的形态持续。此时，放大子电路9即以放大输入端9a接收感测信号，并在将此感测信号放大后，由放大输出端9b输出。
反之，当压电传感器1测知上述压力降低甚至消失，其所输出的感测信号亦对应于此压力而降低电位，导致电压维持子电路3的正端3a逐渐由高电位降低至低电位。此时，放大子电路9由放大输出端9b所输出的放大后的感测信号也随之大幅降低。随后，当操作传感器7测知前述的操作已消失，则终止输出触发信号至触发子电路54的分压组件543，导致晶体管开关541呈截止状态，进而使命令输出端点54b输出呈高电位的开关命令信号。此时，导通开关52即对应此高电位的开关命令信号而呈导通(即输入端点52a与输出端点52b之间导通)，使任何仍残存在电压维持子电路3之中的电荷通过电荷消除器5接地排除。因此，可避免累积在电容元件C中的电荷影响下一次感测的正确性。
实务上，在实现上述实施例时，可根据需求而选择性地配置放大子电路9。举例来说，若对连接在本压电感测系统的下一级电路而言，由电压维持子电路3所维持而呈定值的感测信号的电压等级已足供后续处理之用，则本实施例的放大子电路9即可予以省略，直接以电压维持子电路3的正端3a作为此压电感测系统的输出端。
请参考图2，其绘示本发明第二实施例的压电感测系统的架构图。相较于前述的第一实施例，本实施例的电荷消除器5’省略设置触发子电路54，也就是直接以导通开关52的控制端点52c做为电荷消除器5’的受控端5c。换句话说，在操作传感器7所输出的触发信号的功率足以驱动导通开关52(即无须另以直流电源依据触发信号形成具有较高功率或电位的开关命令信号)的情况下，便可省略设置触发子电路5。本实施例亦适用如第一实施例省略放大子电路9的实施方式，本发明不就此予以限制。
请参考图3，其绘示本发明第三实施例的压电感测系统的架构图。相较于前述的第一实施例，本实施例的电荷消除器5”除了省略设置触发子电路54之外，另可选择性地包含一突波消除元件56串接在电荷消除器5及正端3a之间；此外，本实施例更省略了操作传感器7。详言之，当近接开关在切换时所产生的突波为压电传感器1及放大子电路9所能承受的电压等级时，或者藉由此突波消除元件56(例如光耦合器)可避免切换突波损坏压电传感器1及放大子电路9时，即可直接以电荷消除器5”的导通开关52做为近接开关。本实施例亦适用如第一实施例省略放大子电路9的实施方式，本发明不就此予以限制。
请参考图4，其绘示本发明第四实施例的压电感测系统的架构图。此实施例与前述的第一实施例的差别在于：本实施例中的放大子电路9’为电荷放大器，此电荷放大器通过配置电容元件C1与电容元件C2各自的电容值调整电压放大的增益比例。
请参考图5，其绘示本发明压电感测系统及已知压电传感器的输出电压与时间的关系图。图5中曲线S1为采用本发明的压电感测系统所得到的输出电压，曲线S2则为一般市售的已知压电传感器的读取电路所输出的信号。由图5可看出，已知压电传感器的运作过程中，当外部施加的压力渐增至停止继续增加时，原本随此压力的施加而达极值的输出电压便会由此极值随时间而逐渐恢复为零；另一方面，在外部施加的压力渐减而至完全移除(即停止继续降低)的过程中，输出电压原本随此压力的移除而达极值的输出电压在此压力将会。相较于已知压电传感器，采用本发明的压电感测系统可在外部施加的压力到达最大时，藉由电压维持子电路3将电压维持在定值；同时，且外部施加的压力开始降低时，本发明的压电感测系统可以藉由电荷消除器5迅速的做出反应，且可确保在外部施力结束后的输出电压恢复为零电位。
综合以上所述，本发明提出的压电感测系统及压电感测电路通过电压维持子电路的电荷消除技术，有效提升力量输出与电压输出的准确度，而不会产生累加误差。换句话说，本发明提出的压电感测系统及压电感测电路可直接输出无失真的力量特性行为，无需通过额外的软件计算，便可藉由电路增益换算获得输入力量数值。整体而言，本发明的压电传感器系统及其中的压电感测电路，可增进输出电压的稳定度，并且提升压电传感器力量输出与电压输出相关性判别的准确度。

Claims (16)

1.一种压电感测系统，包含：
压电传感器，具有输出端，该压电传感器用以根据本身受到的压力的变化率在该输出端输出感测信号；
电压维持子电路，具有正端电性连接该输出端，该电压维持子电路接收并存储该压电传感器输出的该感测信号，并用以在该压力的变化率为零时维持该感测信号的电压呈一定值；
电荷消除器，具有第一端、第二端及受控端，其中该第一端连接该正端，该第二端电性接地，该受控端用以接收触发信号以控制该第一端及该第二端之间为导通或断路；以及
操作传感器，电性连接该受控端，该操作传感器用以感测产生该压力的操作，并依据该操作输出该触发信号。
2.如权利要求1所述的压电感测系统，其中该电压维持子电路具有电容元件，该电容元件的正端是该电压维持子电路的该正端，且该电容元件的负端电性接地。
3.如权利要求1所述的压电感测系统，其中该电荷消除器具有导通开关，该导通开关具有输入端点、输出端点及控制端点，该输入端点为该电荷消除器的该第一端，该输出端点为该电荷消除器的该第二端，该控制端点为该电荷消除器的该受控端，其中在该电荷消除器的该第一端及该第二端导通的情况下，该电压维持子电路存储的电能被释放。
4.如权利要求1所述的压电感测系统，其中该电荷消除器具有导通开关及触发子电路，该导通开关具有输入端点、输出端点及控制端点，该输入端点为该电荷消除器的该第一端，该输出端点为该电荷消除器的该第二端，该控制端点连接该触发子电路，该触发子电路具有信号输入端点及命令输出端点，该信号输入端点为该电荷消除器的该受控端，且该命令输出端点连接该控制端点，其中在该第一端及该第二端导通的情况下，该电压维持子电路存储的电能被释放。
5.如权利要求4所述的压电感测系统，其中该触发子电路还具有晶体管开关及分压组件，该分压组件连接在该晶体管开关及该信号输入端点之间，该晶体管开关连接在该分压组件及该命令输出端点之间，且该晶体管开关用以对应该触发信号产生开关命令信号，以输出该开关命令信号至该导通开关，其中该开关命令信号的电压级大于该触发信号的电压级。
6.如权利要求1所述的压电感测系统，还包含放大子电路，该放大子电路具有放大输入端及放大输出端，该放大输入端连接该电压维持子电路的该正端，且该放大子电路用以依据预设比例放大该电压维持子电路的该正端的电压并由该放大输出端输出。
7.如权利要求6所述的压电感测系统，其中该放大子电路为电压放大器。
8.如权利要求6所述的压电感测系统，其中该放大子电路为电荷放大器。
9.一种压电感测电路，包含：
压电传感器，具有输出端，该压电传感器用以根据本身受到的压力的变化率在该输出端输出感测信号；
电压维持子电路，具有正端电性连接该输出端，该电压维持子电路用以接收并存储该压电传感器输出的该感测信号，并用以在该压力的变化率为零时维持该感测信号的电压呈一定值；以及
电荷消除器，具有第一端、第二端及受控端，其中该第一端连接该正端，该第二端电性接地，该受控端用以接收触发信号以控制该第一端及该第二端之间为导通或断路，且该触发信号关联于产生该压力的操作。
10.如权利要求9所述的压电感测电路，其中该电压维持子电路具有电容元件，该电容元件的正端是该电压维持子电路的该正端，且该电容元件的负端电性接地。
11.如权利要求9所述的压电感测电路，其中该电荷消除器具有导通开关，该导通开关具有输入端点、输出端点及控制端点，该输入端点为该电荷消除器的该第一端，该输出端点为该电荷消除器的该第二端，该控制端点为该电荷消除器的该受控端，其中在该第一端及该第二端导通的情况下，该电压维持子电路存储的电能被释放。
12.如权利要求9所述的压电感测电路，其中该电荷消除器具有导通开关及触发子电路，该导通开关具有输入端点、输出端点及控制端点，该输入端点为该电荷消除器的该第一端，该输出端点为该电荷消除器的该第二端，该控制端点连接该触发子电路，该触发子电路具有信号输入端点及命令输出端点，该信号输入端点为该电荷消除器的该受控端，且该命令输出端点连接该控制端点，其中在该第一端及该第二端导通的情况下，该电压维持子电路存储的电能被释放。
13.如权利要求12所述的压电感测电路，其中该触发子电路具有晶体管开关及分压组件，该分压组件连接在该晶体管开关及该信号输入端点之间，该晶体管开关连接在该分压组件及该命令输出端点之间，且该晶体管开关用以对应该触发信号产生开关命令信号，以输出该开关命令信号至该导通开关，其中该开关命令信号的电压级大于该触发信号的电压级。
14.如权利要求9所述的压电感测电路，还包含放大子电路，该放大子电路具有放大输入端及放大输出端，该放大输入端连接该电压维持子电路的该正端，且该放大子电路用以依据预设比例放大该电压维持子电路的该正端的电压并由该放大输出端输出。
15.如权利要求13所述的压电感测电路，其中该放大子电路为电压放大器。
16.如权利要求13所述的压电感测电路，其中该放大子电路为电荷放大器。
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