CN114414842A - 一种可用于静态加速度测量的电路及测量装置 - Google Patents

一种可用于静态加速度测量的电路及测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种可用于静态加速度测量的电路及测量装置，测量电路包括MEMS加速度计、直流放大电路单元和供电处理电路单元；所述MEMS加速度计将外部加速度信号转换成对应的电压信号输出，所述直流放大电路单元对所述MEMS加速度计输出的电压信号进行放大调节，并做低通滤波，对带外高频进行衰减，所述供电处理电路单元产生输出的静态工作点电压，同时对滤波后的电压信号进一步放大；得到最终输出电压Vo；从而通过合理分配电流可使激励电流最的小值为2mA。本发明不仅能够测量静态加速度且兼容IEPE接口，而且可保证2mA外部激励电流下仍能够正常工作，从而兼容现有多数压电式加速度传感器的激励电流范围。

Description

一种可用于静态加速度测量的电路及测量装置
技术领域
本发明涉及加速度的测量电路领域，特别涉及一种可用于静态加速度测量的电路及测量装置。
背景技术
在轨道转向架、航空发动机或其他内燃动力机械中，都需要进行振动测量。目前用于测量振动的加速度传感器的敏感单元多采用具有优越特性的输出为电荷的压电效应型压电陶瓷或压电晶体，且为了减少线缆数量，多采用标准的压电集成电路接口(integralelectronic piezoelectric，IEPE)。IEPE接口的加速度传感器使用恒流源供电，同时在供电回路上输出电压信号，也即仅需两根信号线即可实现供电和信号的输出，该IEPE接口广泛应用在振动和加速度测量领域，但仍存在如下缺陷：1、敏感单元为压电陶瓷或者压电晶体的压电式加速度传感器，其仅能用于测量动态加速度，无法用于测量静态加速度，例如引力加速度。2、压电式加速度传感器，受压电陶瓷或者压电晶体本身材料、传感器结构型式的影响，其由温度引起的稳定性较差。3、压电式加速度传感器的组装涉及支架、质量块、陶瓷等，组装工序较繁琐，工时多。4、受材料、组装等影响，其灵敏度一致性较差，需通过电荷放大电路进行调节。5、大部分压电式加速度传感器的激励电流下限为2mA，上限一般为10mA或20mA，设计上往往低电流激励是难点。
于20170531公开的公开号为CN106771353A的中国发明揭示了一种加速度传感器，包括：至少适于测量静态加速度的加速度传感器芯体，所述加速度传感器芯体为三线工作加速度传感器芯体；耦接于所述加速度传感器芯体的电源端和接地端的稳压单元，所述稳压单元为加速度传感器芯体提供稳定的电压；耦接于所述加速度传感器芯体的电源端，输出端和接地端的滤波单元，所述滤波单元为加速度传感器芯体的输出提供降低高频干扰；耦接于所述加速度传感器芯体电源端，接地端和滤波单元的转换单元，所述转换单元用于将加速度传感器芯体的三线工作转换为两线工作。虽然其加速度传感器能够测量静态加速度且兼容IEPE接口，简化了布线并且能够弥补现有的IEPE传感器无静态响应的缺陷，但是电路相对复杂，无防反接、防浪涌或静电等措施且无法保证2mA外部激励电流下仍能够正常工作。
发明内容
本发明要解决的技术问题，在于提供一种可用于静态加速度测量的电路及测量装置，不仅能够测量静态加速度且兼容IEPE接口，而且可保证2mA外部激励电流下仍能够正常工作。
第一方面，本发明提供了一种可用于静态加速度测量的电路，包括MEMS加速度计、直流放大电路单元和供电处理电路单元；所述MEMS加速度计的输出端与所述直流放大电路单元连接，所述直流放大电路单元与所述供电处理电路单元连接，所述供电处理电路单元接受恒流源供电，并分别为所述MEMS加速度计和所述直流放大单元供电；
所述MEMS加速度计将外部加速度信号转换成对应的电压信号输出，所述直流放大电路单元对所述MEMS加速度计输出的电压信号进行放大调节，并做低通滤波，对带外高频进行衰减，所述供电处理电路单元产生输出的静态工作点电压，同时对滤波后电压信号进一步放大；得到最终输出电压Vo
所述MEMS加速度计包括加速度传感器芯体U1，所述加速度传感器芯体U1至少适于测量静态加速度，且芯体输出的偏置电压为芯体电源电压的1/2；
所述直流放大电路单元包括电流激励输入端V+和运算放大器U2；
所述供电处理电路单元包括电流激励输入端S+、达林顿管Q1和稳压管D3；
激励电流由所述电流激励输入端S+进入后，分别流向所述运算放大器U2的电流激励输入端V+和所述达林顿管Q1，由所述达林顿管Q1的发射极E分为两路，一路给所述稳压管D3提供稳压电流，一路给所述加速度传感器芯体U1提供电源电流；
其中，所述激励电流最的小值为2mA，所述加速度传感器芯体U1的工作电流为不超过1mA的静态电流。
第二方面，本发明提供了一种静态加速度的测量装置，其具有第一方面所述的测量电路。
本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：本发明提供了一种可用于静态加速度测量的电路，包括MEMS加速度计、直流放大电路单元和供电处理电路单元；由MEMS加速度计将外部加速度信号转换成对应的电压信号输出，经直流放大电路单元对电压信号进行放大调节，并做低通滤波，对带外高频进行衰减，再由供电处理电路单元产生输出的静态工作点电压，同时对所述滤波后电压信号进一步放大，得到最终输出电压Vo；通过直流放大电路单元和供电处理电路单元对MEMS加速度计进行优化电流分配，可以使激励电流大大降低，最低可达到2mA。
除此以外还具有如下优点：
1、采用两线制，即电流激励和电压信号输出在同一根线上，减少线束数量；
2、MEMS加速度计具有优秀的温度稳定性和参数一致性，在组装过程中可以节省或免去调试工时；
3、相较于敏感芯体为压电陶瓷或压电晶体的加速度传感器，可以节省组装环节，减少组装工时；
4、充分结合了MEMS加速度计和IEPE接口两者的优势，简化布线且弥补现有的IEPE传感器无静态响应的缺陷。
5、可原位替代原有压电式加速度传感器的敏感组件，从而可以沿用原有其他结构件等。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明静态加速度的测量电路的基本原理结构示意图；
图2为本发明静态加速度的测量电路激励电流的流向分配示意图；
图3为本发明静态加速度的测量电路的总体电路结构示意图；
图4为本发明MEMS加速度计的电路结构示意图；
图5为本发明直流放大电路单元的电路结构示意图；
图6为本发明供电处理电路单元的电路结构示意图。
具体实施方式
在发明的任何实施例被详细地解释之前，可以理解的，本发明不限于陈述于本申请的下面描述或下面图示的结构和组分安排的细节。本发明以不同的方式适于其他实施例和被实践或被实施。同样地，可以理解的，于此被运用的措辞和术语是为了描述的目的而不应当被认为是限制。“包含”，“包括”或“具有”和在此它们的变型的运用有意要包含其后列出的项目及它的等同和额外的项目。术语“安装”，“连接”和“耦合”被广泛地应用并且包含既直接又间接地安装，连接和耦合。进一步地，“连接”和“耦合”不受限于物理或机械连接或偶接，并且能包括电学连接或耦合，无论直接或间接。另外，电子通讯和通知可以用包括直接连接，无线连接等任何已知的手段被执行。
本申请实施例中的技术方案，总体思路如下：包括MEMS加速度计、直流放大电路单元和供电处理电路单元；由MEMS加速度计将外部加速度信号转换成对应的电压信号输出，经直流放大电路单元对电压信号进行放大调节，并做低通滤波，对带外高频进行衰减，再由供电处理电路单元产生输出的静态工作点电压，同时对所述滤波后电压信号进一步放大，得到最终输出电压Vo；通过直流放大电路单元和供电处理电路单元对MEMS加速度计进行优化电流分配，可以使激励电流大大降低，最低可达到2mA。
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种可用于静态加速度测量的电路，包括MEMS加速度计、直流放大电路单元和供电处理电路单元；所述MEMS加速度计的输出端与所述直流放大电路单元连接，所述直流放大电路单元与所述供电处理电路单元连接，所述供电处理电路单元接受恒流源供电，并分别为所述MEMS加速度计和所述直流放大单元供电；
如图2所示，其中，电路的整体工作原理：所述MEMS加速度计将外部加速度信号转换成对应的电压信号输出，所述直流放大电路单元对所述MEMS加速度计输出的电压信号进行放大调节，并做低通滤波，对带外高频进行衰减，所述供电处理电路单元产生输出的静态工作点电压，同时对滤波后电压信号进一步放大；得到最终输出电压Vo。
所述MEMS加速度计包括加速度传感器芯体U1及外围电路，所述加速度传感器芯体U1至少适于测量静态加速度，可选为可变电容型MEMS加速度传感器、可变电阻型MEMS加速度传感器或其他类型MEMS加速度传感器；且芯体输出的偏置电压为芯体电源电压的1/2；由于加速度传感器芯体U1内部经过处理，一般情况下，芯体输出的灵敏度及其温漂在参考值的±5％内，具有优秀的稳定性和一致性；芯体输出的偏置电压(0g时的输出电压)为芯体电源电压的1/2；为了保证2mA外部激励电流下能够正常工作，因此所述加速度传感器芯体U1的静态工作电流为不超过1mA；外围电路主要为芯体电源引脚的旁路电容。
所述直流放大电路单元包括电流激励输入端V+和运算放大器U2；考虑到需测量静态加速度，放大电路须采用直流放大电路。通过基本的反向放大电路，调节其增益，使得信号链上最终增益满足指标要求，同时反馈回路电路上并联电容实现低通滤波作用，用以调整传感器的高频特性。
所述供电处理电路单元包括电流激励输入端S+、达林顿管Q1和稳压管D3；供电处理电路单元，接受恒流源供电，提供电源和电压基准给其他部分电路，同时实现最终输出电压信号和电流激励信号共线。
激励电流由所述电流激励输入端S+进入后，分别流向所述运算放大器U2的电流激励输入端V+和所述达林顿管Q1，由所述达林顿管Q1的发射极E分为两路，一路给所述稳压管D3提供稳压电流，一路给所述加速度传感器芯体U1提供电源电流；所述激励电流最的小值为2mA。优化电流分配，实现最低2mA激励电流下能正常工作。
如图3和图4所示，所述MEMS加速度计还包括滤波电容C4，所述的加速度传感器芯体U1为三线工作加速度传感器芯体，包括电源输入端VDD、输出端VOUT和接地端VSS，所述电源输入端VDD连接所述达林顿管Q1的发射极E，所述滤波电容C4连接于所述电源输入端VDD，所述输出端VOUT与所述直流放大电路单元连接，所述接地端VSS接地；其中，所述电源输入端VDD连接所述达林顿管Q1的发射极E，使MEMS加速度计芯体电源输入端VDD由稳压单元D3产生的稳定电压Vz提供，供电电压为2.5-5V。在无加速度条件下，信号输出端即V1为电源输入端电压的一半，也即无加速度条件下，V1＝Vz/2。
如图3和图5所示，所述直流放大电路单元还包括电阻R2、电阻R4、电阻R5、电阻R6，电容C2、电容C6，所述运算放大器U2包括同相输入端+IN，反相输入端-IN，电压输出端，电源输入端V+，电源输出端V-；所述同相输入端+IN通过电阻R5连接所述加速度传感器芯体U1的电源输入端VDD；反相输入端-IN通过电阻R4连接所述加速度传感器芯体U1的输出端VOUT，并分别通过电阻R2、电容C2连接电压输出端，电源输入端V+连接所述电流激励输入端S+，电源输出端V-接地；所述电阻R5和电阻R6串接分压。
所述直流放大电路单元是一个典型的反相放大电路，同相输入端+IN的电压V2为Vz经R5和R6分压后的电压，即V2＝Vz*R6/(R5+R6)。该放大电路为负反馈，运算放大器的输入端符合虚短，也即V2＝V3。假定R5＝R6，使V2＝Vz/2，也即V3＝Vz/2。由于在无加速度下，V1＝Vz/2，此时，V1＝V3，R4电阻上无电流，自然地，由于运算放大器输入端虚断，R2电阻上亦无电流，则V4＝V3＝V2。故在无加速度条件下，放大电路无放大作用，此时的V4＝V3＝V2＝Vz/2。当加速度计芯体因加速度产生输出信号ΔV1时，则运算放大器U2输出ΔV4＝-R2*ΔV1/R4，增益为-R2/R4。C2在该部分起到滤除高频信号的作用，截止频率f＝1/(2πR2*C2)。
如图3和图6所示，所述供电处理电路单元还包括电源端S-、电阻R1、电阻R3、电容C1、电容C5、开关二极管D1和信号输出端Vcc；信号输出端Vcc的输出电压Vcc的信号线也是激励电流的输入线；电阻R1连接在信号输出端Vcc与达林顿管Q1的B极极之间，电阻R3连接在所述运算放大器U2的电压输出端与达林顿管Q1的B极极之间，电容C1与R1并接，电容C5与稳压管D3并接；其中，电阻R1、电阻R3、达林顿管Q1组成了信号放大电路，对U2输出的电压信号进行放大，放大倍数为R1/R3；开关二极管D1连接在所述电流激励输入端S+与信号输出端Vcc之间。
因为供电为恒流源两线制，激励电流和输出电压信号为同一根线，所以不同于电压供电电路，需对电源部分做处理。激励电流由所述电流激励输入端S+进入后，经达林顿管Q1的CE端给稳压管D3提供稳压电流，使得稳压管D3端产生稳压电压Vz并连接到加速度计芯体U1的电源输入端VDD，同时稳压电压Vz经电阻R5和电阻R6分压后连接至运算放大器U2的同相输入端+IN；直流放大电路单元和供电处理电路单元的信号总增益为R2*R1/(R4*R3)。所述稳压管D3为分流型稳压器、稳压二极管串联型稳压器或开关型稳压器。达林顿管Q1采用NPN型达林顿管，稳压管D3选用低稳压电流型，以降低恒流源激励电流的下限。
如图3所示，假定R5＝R6，则V2＝Vz/2，当无加速度时：
V4＝V3＝V2＝Vz/2；Q1的B极电压V5＝Vz+Vbe，其中V5为达林顿管Q1的基极电压，Vbe为达林顿管Q1的BE极电压，约1.4V。
因此，R3电阻上的降压为VR3＝V5-V4＝Vz+Vbe-Vz/2＝Vz/2+Vbe。
而由于Q1的增益非常大，可以认为流过电阻R1的电流和电阻R4的电流几乎相等，故电阻R1上的压降VR1＝VR3*R1/R3＝(Vz/2+Vbe)*R1/R3。
所以输出电压Vcc＝VR1+V5＝VR1+Vz+Vbe＝(Vz/2+Vbe)*R1/R3+Vz+1.4V；
最终输出直流电压Vo＝Vcc+VD1＝Vcc+0.7V。
假设Vz＝5V,R1＝100K,R3＝68K,代入计算得Vo＝12.1V+0.7V＝12.8V。
如图6所示，所述供电处理电路单元还包括保护二极管D2和电容C3；保护二极管D2连接在电流激励输入端S+和电源端S-之间，电容C3一端连接于开关二极管D1，另一端接地。其中，开关二极管D1为用以防止S+和S-反接，当反接时，由于D1的单向导通特性，电流路无法工作，从而保护了电路不被损坏。D2为保护器件，用以保护后端电路不被浪涌、静电等损坏。
所述信号输出端Vcc的输出电压Vcc同时也是给运算放大器U2供电的电源，信号输出端Vcc采用兼容IEPE接口电路。使本实施例的测量电路能够测量静态加速度且兼容IEPE接口的设计电路。设计电路所需元器件极其简单，以适用小尺寸传感器。
实施例二
如图7所示，本实施例提供一种静态加速度的测量装置，具有如实施例一所述的测量电路。由于本发明实施例二所介绍的装置，包括实施本发明实施例一的电路，故而基于本发明实施例一所介绍的电路，本领域所属人员能够了解该装置的具体结构及变形，故而在此不再赘述。
本申请实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：通过直流放大电路单元和供电处理电路单元对MEMS加速度计进行优化电流分配，可以使激励电流大大降低，最低可达到2mA。除此以外还具有如下优点：
1、采用两线制，即电流激励和电压信号输出在同一根线上，减少线束数量；
2、MEMS加速度计具有优秀的温度稳定性和参数一致性，在组装过程中可以节省或免去调试工时；
3、相较于敏感芯体为压电陶瓷或压电晶体的加速度传感器，可以节省组装环节，减少组装工时；
4、充分结合了MEMS加速度计和IEPE接口两者的优势，简化布线且弥补现有的IEPE传感器无静态响应的缺陷。
5、可原位替代原有压电式加速度传感器的敏感组件，从而可以沿用原有其他结构件等。
本领域内的技术人员应明白，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种可用于静态加速度测量的电路，其特征在于：包括MEMS加速度计、直流放大电路单元和供电处理电路单元；所述MEMS加速度计的输出端与所述直流放大电路单元连接，所述直流放大电路单元与所述供电处理电路单元连接，所述供电处理电路单元接受恒流源供电，并分别为所述MEMS加速度计和所述直流放大单元供电；
所述MEMS加速度计将外部加速度信号转换成对应的电压信号输出，所述直流放大电路单元对所述MEMS加速度计输出的电压信号进行放大调节，并做低通滤波，对带外高频进行衰减，所述供电处理电路单元产生输出的静态工作点电压，同时对滤波后的电压信号进一步放大；得到最终输出电压Vo；
所述MEMS加速度计包括加速度传感器芯体U1，所述加速度传感器芯体U1至少适于测量静态加速度，且芯体输出的偏置电压为芯体电源电压的1/2；
所述直流放大电路单元包括电流激励输入端V+和运算放大器U2；
所述供电处理电路单元包括电流激励输入端S+、达林顿管Q1和稳压管D3；
激励电流由所述电流激励输入端S+进入后，分别流向所述运算放大器U2的电流激励输入端V+和所述达林顿管Q1，由所述达林顿管Q1的发射极E分为两路，一路给所述稳压管D3提供稳压电流，一路给所述加速度传感器芯体U1提供电源电流；
其中，所述激励电流最的小值为2mA，所述加速度传感器芯体U1的工作电流为不超过1mA的静态电流。
2.根据权利要求1所述的一种可用于静态加速度测量的电路，其特征在于：
所述MEMS加速度计还包括滤波电容C4，所述的加速度传感器芯体U1为三线工作加速度传感器芯体，包括电源输入端VDD、输出端VOUT和接地端VSS，所述电源输入端VDD连接所述达林顿管Q1的发射极E，所述滤波电容C4连接于所述电源输入端VDD，所述输出端VOUT与所述直流放大电路单元连接，所述接地端VSS接地；
所述直流放大电路单元还包括电阻R2、电阻R4、电阻R5、电阻R6，电容C2、电容C6，所述运算放大器U2包括同相输入端+IN，反相输入端-IN，电压输出端，电源输入端V+，电源输出端V-；所述同相输入端+IN通过电阻R5连接所述加速度传感器芯体U1的电源输入端VDD；反相输入端-IN通过电阻R4连接所述加速度传感器芯体U1的输出端VOUT，并分别通过电阻R2、电容C2连接电压输出端，电源输入端V+连接所述电流激励输入端S+，电源输出端V-接地；所述电阻R5和电阻R6串接分压；
所述供电处理电路单元还包括电源端S-、电阻R1、电阻R3、电容C1、电容C5、开关二极管D1和信号输出端Vcc；信号输出端Vcc的输出电压Vcc的信号线也是激励电流的输入线；电阻R1连接在信号输出端Vcc与达林顿管Q1的B极之间，电阻R3连接在所述运算放大器U2的电压输出端与达林顿管Q1的B极之间，电容C1与R1并接，电容C5与稳压管D3并接；其中，电阻R1、电阻R3、达林顿管Q1组成了信号放大电路，对U2输出的电压信号进行放大，放大倍数为R1/R3；开关二极管D1连接在所述电流激励输入端S+与信号输出端Vcc之间；
激励电流由所述电流激励输入端S+进入后，经达林顿管Q1的CE端给稳压管D3提供稳压电流，使得稳压管D3端产生稳压电压Vz并连接到加速度计芯体U1的电源输入端VDD，同时稳压电压Vz经电阻R5和电阻R6分压后连接至运算放大器U2的同相输入端+IN；直流放大电路单元和供电处理电路单元的信号总增益为R2*R1/(R4*R3)。
3.根据权利要求2所述的一种可用于静态加速度测量的电路，其特征在于：最终输出直流电压Vo＝Vcc+VD1，其中Vcc为信号输出端Vcc的输出电压Vcc，VD1为开关二极管D1上的压降；
当无加速度时，取R5＝R6，则：
Vcc＝VR1+V5＝VR1+Vz+Vbe＝(Vz/2+Vbe)*R1/R3+Vz+1.4V，其中VR1为电阻R1上的压降，V5为达林顿管Q1的基极电压，Vbe为达林顿管Q的基极和发射极之间的电压。
4.根据权利要求2所述的一种可用于静态加速度测量的电路，其特征在于：所述供电处理电路单元还包括保护二极管D2和电容C3；保护二极管D2连接在电流激励输入端S+和电源端S-之间，电容C3一端连接于开关二极管D1，另一端接地。
5.根据权利要求1或2所述的一种可用于静态加速度测量的电路，其特征在于：所述信号输出端Vcc的输出电压Vcc同时也是给运算放大器U2供电的电源，信号输出端Vcc采用兼容IEPE接口电路。
6.根据权利要求4所述的一种可用于静态加速度测量的电路，其特征在于：所述加速度传感器芯体为MEMS加速度传感器，所述MEMS加速度传感器包括可变电容型MEMS加速度传感器和可变电阻型MEMS加速度传感器，且供电电压为2.5V-5V。
7.根据权利要求5所述的一种可用于静态加速度测量的电路，其特征在于：所述稳压管D3为分流型稳压器、稳压二极管串联型稳压器或开关型稳压器。
8.根据权利要求1所述的一种可用于静态加速度测量的电路，其特征在于：达林顿管Q1采用NPN型达林顿管，稳压管D3选用低稳压电流型，以降低恒流源激励电流的下限。
9.一种可用于静态加速度测量的测量装置，其特征在于：具有如权利要求1至8任一项所述的测量电路。
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