CN115560662A - 一种pvdf压电传感器应变测量电路调理装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种PVDF压电传感器应变测量电路调理装置，包括粘贴于待测结构上的PVDF智能传感模块(I)，以及集成于同一印刷电路板中并依次连接设置的输入信号调理模块(II)、电荷转电压模块(III)、后级电信号放大去噪模块(IV)、输出信号保护模块(V)，所述PVDF智能传感模块(I)产生输入电荷信号时通过所述输入信号调理模块(II)后经过所述电荷转电压模块(III)后进入所述后级电信号放大去噪模块(IV)并通过所述输出信号保护模块(V)进入其它数据采集设备或者装置中。本发明旨在准确测量被测结构准静态与低频范围内应变信息，实现结构关键部位的健康监测。

Description

一种PVDF压电传感器应变测量电路调理装置

技术领域

本申请涉及压电传感器测量技术领域，特别涉及一种PVDF压电传感器应变测量电路调理装置。

背景技术

PVDF(聚偏二氟乙烯)压电传感器，由于其具有优良的压电效应、抗老化、耐化学药品、耐气候、耐紫外线等优良的特性，能适用于较恶劣环境下使用，目前其在应变测量方向展现出巨大的应用前景。PVDF压电传感器响应时间快、测量频率范围大，在动态高频应变测量应用居多，由于PVDF压电传感器输出电荷留存时间太短，限制了其在低频或者准静态频率范围内应变测量的应用。所以需要一种PVDF压电传感器应变测量电路调理装置，使PVDF在准静态状态下应变测量成为可能，目前市面上乃至实验室此类调理电路装置以大时间常数下的电荷放大器居多。

目前现有的电荷放大器普遍存在测量信号质量差，噪声大，输出灵敏度较低等问题，使得测量结果误差大。例如，Emad Alnasser提出了一种较低偏置电流影响的可以实现较低频率下应用的电荷放大器，但他的最低截止频率只能达到0.2Hz，对于结构准静态测量频率远远不够，另外对于降噪性能并未有过多的考虑(E.Alnasser,"A Novel Low OutputOffset Voltage Charge Amplifier for Piezoelectric Sensors,"in IEEE SensorsJournal,vol.20,no.10,pp.5360-5367,15May15,2020,doi:10.1109/JSEN.2020.2970839.)。周凌波等在实验中所用的电荷放大器通过时间常数调整，可以实现基本静态测量，但其使用的通用型电荷放大器输出灵敏度低且没有考虑降噪处理(周凌波,胡志宽,孙玉东,段勇&吴江海.(2021).水锤冲击过程的准静态测量方法及其不确定度分析..(eds.)第十八届船舶水下噪声学术讨论会论文集(pp.1127-1134).)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种PVDF压电传感器应变测量电路调理装置，旨在准确测量被测结构准静态与低频范围内应变信息，实现结构关键部位的健康监测。具体为采用四个运算放大器实现电荷信号的调理，前一级电路主要由两个电荷放大器构成，其目的主要是实现PVDF输出电荷信号转换成可以进行测量采集的电压信号，并且由于其对称设计，在相同配置的情况下，其输出灵敏度是常规单电荷放大器调理电路的两倍，提高了测量灵敏度。在PVDF输入端分别串联两个小容值电容器，减少了由于PVDF绝缘电阻不够而造成的电压漂移。后一级电压放大电路，采用对称结构的负反馈电压放大设计，通过调整反馈电阻阻值改变可以实现输出电压放大倍数的调整，以满足不同工程材料结构应变信息测量的需求，对称的结构设计可以抑制进入电路的共模噪声信号以及工频噪声，大大提高了采集信号质量。通过调整电荷放大器两端反馈电容器容值，便可以实现微弱电荷的检测效果。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案。

本申请实施例公开了一种PVDF压电传感器应变测量电路调理装置，包括粘贴于待测结构上的PVDF智能传感模块(I)，以及集成于同一印刷电路板中并依次连接设置的输入信号调理模块(II)、电荷转电压模块(III)、后级电信号放大去噪模块(IV)、输出信号保护模块(V)，所述PVDF智能传感模块(I)产生输入电荷信号时通过所述输入信号调理模块(II)后经过所述电荷转电压模块(III)后进入所述后级电信号放大去噪模块(IV)并通过所述输出信号保护模块(V)进入其它数据采集设备或者装置中，

所述PVDF智能传感模块(I)包括粘贴于框架结构(1)与悬臂梁(2)上的PVDF传感器，由于结构受到外界影响从而使所述PVDF压电传感器产生代表结构应变信息的电荷信号，产生的电荷信号进入所述输入信号调理模块(II)，

所述输入信号调理模块(II)包括电阻R₁、R₂和电容C₁、C₂，电阻R₁串联在所述PVDF压电传感器产生的正电荷接口与电容C₁之间，电阻R₂串联在所述PVDF压电传感器产生的负电荷接口与电容C₂之间，电容C₁、C₂背离电阻R₁、R₂的一端分别连接于所述电荷转电压模块(III)，

所述电荷转电压模块(III)包括轻触开关SW₁和SW₂、电阻R₁₁和R₁₂、运算放大器N₁和N₂、反馈电阻R₃和R₄、反馈电容C₃和C₄，轻触开关SW₁并联在反馈电阻R₃和反馈电容C₃两端，轻触开关SW₂并联在反馈电阻R₄和反馈电容C₄两端，反馈电容C₃并联在运算放大器N₁的输出端与反向输入端之间形成电路负反馈，反馈电容C₄并联在运算放大器N₂的输出端与反向输入端之间形成电路负反馈，反馈电阻R₃并联在反馈电容C₃两端，反馈电阻R₄并联在反馈电容C₄两端，电阻R₁₁串联在运算放大器N₁反向输入端的端口与电容C₂之间，电阻R₁₂串联在运算放大器N₂反向输入端的端口与电容C₁之间，

所述后级电信号放大去噪模块(IV)包括输入电阻R₅和R₆、负反馈电阻R₇和R₈、运算放大器N₃和N₄，输入电阻R₅串联在运算放大器N₁的输出端与运算放大器N₈的反向输入端之间，输入电阻R₆串联在运算放大器N₂的输出端与运算放大器N₄的反向输入端之间，负反馈电阻R₇并联在运算放大器N₃的输出端和负反馈输入端两端，负反馈电阻R₈并联在运算放大器N₄的输出端和负反馈输入端两端，

所述输出信号保护模块(V)包括电阻R₉、R₁₀，电阻R₉串联于运算放大器N₃的输出端，电阻R₁₀串联于运算放大器N₄的输出端。

优选的，在上述的PVDF压电传感器应变测量电路调理装置中，所述电阻R₃和R₄阻值为TΩ级别。

优选的，在上述的PVDF压电传感器应变测量电路调理装置中，所述反馈电容C₃和C₄规格一致，反馈电阻R₃和R₄规格一致。

优选的，在上述的PVDF压电传感器应变测量电路调理装置中，负反馈电阻R₇和R₈阻值搭配相同或不同，其阻值范围为1-100KΩ。

优选的，在上述的PVDF压电传感器应变测量电路调理装置中，轻触开关SW₁和SW₂是编程控制的模拟开关或轻触开关或常开开关。

优选的，在上述的PVDF压电传感器应变测量电路调理装置中，反馈电容C₃和C₄为通过模拟开关容值可调的CB14聚苯乙烯精密电容。

与现有技术相比，本发明的优点在于：利用PVDF压电传感器测量结构应变信息而设计的PVDF压电传感器应变测量电路调理装置。对于PVDF压电传感器应变测量电路调理装置设计，其输出灵敏度是常规单电荷放大器调理电路的两倍，提高了测量灵敏度；减少了由于PVDF绝缘电阻不够而造成的电压漂移，提升了采集信号的准确性；抑制进入电路的共模噪声信号以及工频噪声，大大提高了采集信号质量；防止输出端短路造成的设备烧损，提高了装置运行的可靠性与安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本发明具体实施例中PVDF压电传感器应变测量电路调理装置的电路原理图；

图2所示为本发明具体实施例中PVDF压电传感器应变测量电路信号采集测试流程图；

图3所示为实验中所采用的PVDF压电传感器应变测量电路信号采集测试的框架结构

图4所示为实验中所采用的PVDF压电传感器应变测量电路信号采集测试的悬臂梁。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1-3所示，整个PVDF压电传感器应变测量电路调理装置由PVDF智能传感模块I、输入信号调理模块II、电荷转电压模块III、后级电信号放大去噪模块IV、输出信号保护模块V五部分组成。电荷信号由PVDF压电传感器产生以后分别经过电阻R₁，R₂以及电容C₁，C₂后，在一定程度上抑制PVDF压电传感器由于绝缘电阻不够高而造成的电压漂移问题，电荷信号进入到电荷转电压模块，通过标号为N₁和N₂的TL034CN运算放大器与反馈电容和反馈电阻组成的电荷放大器以后，实现电荷信息转换成电压信号的转变，转换完成后电压信息进入到后一级电路中，通过TL034CN运算放大器的负反馈电路对称结构设计，实现采集信号去噪与电压放大功能。此时，整个PVDF压电传感器应变测量电路调理装置完成采集到传感器电信号调整的目的，待最后接上标准的信号采集设备便可以实现相应的结构应变信号的采集功能。

整个测试流程所需要的装置及设置由粘贴于框架结构1和悬臂梁2上的电阻应变片，PVDF压电传感器，程控应变放大仪，PVDF压电传感器的应变测量电路调理装置，示波器，以及上位机处理数据软件组成。首先，分别将一块PVDF和电阻应变片粘贴于框架结构1和悬臂梁2产生应变最大位置处，电阻应变片粘贴与PVDF压电传感器于同一位置。PVDF产生的电荷信号，由压电传感器的应变测量电路调理装置调理，之后由示波器进行信号的采集；电阻应变片产生的信号由程控应变放大仪进行信号的调制，之后同时由示波器进行信号的采集，将储存的数据一同输入至上位机软件中进行信号质量分析，达到分别测试此PVDF压电传感器应变测量电路调理装置对于简单结构和复杂结构采集信号的质量评估。

具体内容如下：

PVDF压电传感器应变测量调理装置由粘贴于待测结构上的PVDF智能传感模块(I)、集成于同一印刷电路板中并依次连接设置的输入信号调理模块II、电荷转电压模块III、后级电信号放大去噪模块IV、输出信号保护模块V。PVDF智能传感模块I产生输入电荷信号时通过输入信号调理模块II经过电荷转电压模块III后进入后级电信号放大去噪模块IV通过输出信号保护模块V进入其它数据采集设备或者装置中。

对于PVDF压电传感器应变测量电路调理装置设计，采用四个运算放大器实现电荷信号的调理，前一级电路主要由两个电荷放大器构成，其目的主要是实现PVDF输出电荷信号转换成可以进行测量采集的电压信号，并且由于其对称设计，在相同配置的情况下，其输出灵敏度是常规单电荷放大器调理电路的两倍，提高了测量灵敏度。在PVDF输入端分别串联两个小容值电容器，减少了由于PVDF绝缘电阻不够而造成的电压漂移。后一级电压放大电路，采用对称结构的负反馈电压放大设计，通过调整反馈电阻阻值改变可以实现输出电压放大倍数的调整，以满足不同工程材料结构应变信息测量的需求，对称的结构设计可以抑制进入电路的共模噪声信号以及工频噪声，大大提高了采集信号质量。通过调整电荷放大器两端反馈电容器容值，便可以实现微弱电荷的检测效果。

对于PVDF智能传感模块I中，主要由粘贴于铝制悬臂梁上的PVDF传感器组成，由于结构受到外界影响从而使PVDF压电传感器产生代表结构应变信息的电荷信号。产生的输入电荷信号进入信号调理模块II，其中信号调理模块II由小阻值电阻R₁、R₂和小容量电容C₁、C₂组成。电阻R₁、R₂分别串联在PVDF压电传感器产生正电荷和负电荷接口之后电容C₁、C₂之前，在电路中起阻尼作用，可以在一定程度上抑制电路振荡。电容C₁、C₂分别串联在电阻R₁、R₂之后电荷转电压模块III之前，可以减小因为压电传感器的绝缘阻抗不够大而造成的零点漂移，吸收尖峰状态的过电压以防止电压突变。

信号在电荷转电压模块III实现了从电荷信号到电压信号的转变。其由两个轻触开关SW₁和SW₂，两个小阻值电阻R₁₁和R₁₂，两个精密运算放大器N₁和N₂,两个高精度阻值在TΩ级别的反馈电阻R₃和R₄，两个精度高、漏电阻高的反馈电容C₃和C₄组成。轻触开关SW₁和SW₂分别并联在反馈电阻R₃、R₄和反馈电容C₃、C₄两端，其特征只要满足在开始测量前能够闭合，放尽电路中残存的电荷信息即可，其可以是能编程控制的模拟开关，轻触开关以及常开开关等等，其功能是在每次起始测量时形成短路回路以放尽反馈电容C₃、C₄中存在的残余电荷以消除测量误差。反馈电容C₃和C₄作为整个电路调理装置核心器件之一分别并联在电荷放大器N₁和N₂的输出端与反向输入端之间形成电路负反馈，使PVDF压电传感器产生的电荷量转换为电压信息，须确保其精度足够高，漏电阻足够大，同时为了保证此电路调理模块能有较大的时间常数以满足其在准静态应变测量领域的应用需要较大容值的CB14聚苯乙烯精密电容或者其它相类似同功能的精密电容。反馈电阻R₃、R₄作为反馈电容C₃、C₄中电荷泄放的通道并联在电容C₃、C₄两端，须确保其阻值足够大，选用在TΩ级别以上阻值的高精度电阻以使时间常数足够大，以满足准静态应变测量应用需求。需说明，电路中反馈电容C₃、C₄与反馈电阻R₃、R₄严格对称，其阻值与容值的选择应该严格一致。电阻R₁₁和R₁₂分别串接在运算放大器N₁和N₂反向输入端的端口，防止电流过大烧坏电荷放大器。运算放大器N₁和N₂作为整套装置的核心器件，连接在电阻R₁₁和R₁₂之后后级电信号放大去噪模块IV之前，需保证其受温度影响小，稳定性足够高，输入阻抗足够大。

后级电信号放大去噪模块IV由输入电阻R₅、R₆，负反馈电阻R₇、R₃以及两个精密运放N₃和N₄组成。R₆、R₆分别串联接在电荷转电压模块III之后运放N₃和N₄反向输入端之前，电阻R₇、R₈分别并联接在运放N₃和N₄的输出端和负反馈输入端。输入电阻R₅、R₆，负反馈电阻R₇、R₈的配合实现由电荷转电压模块III输出的电压可调放大，其阻值范围应该选择在1-100KΩ范围内。由于此部分严格对称设计，可以消除外界环境中的共模噪声信号。电阻R₇、R₈可通过不同阻值搭配，实现后级放大电路的电压放大倍数选择。最后输出信号保护模块V由小阻值电阻R₉、R₁₀组成。电阻R₉、R₁₀分别串联在后级电信号放大去噪模块IV之后，防止外部器件故障或者输出线路短接造成PVDF压电传感器应变测量电路调理装置烧损。

本发明是一种利用PVDF压电传感器测量结构应变信息而设计的PVDF压电传感器应变测量电路调理装置。对于PVDF压电传感器应变测量电路调理装置设计，其输出灵敏度是常规单电荷放大器调理电路的两倍，提高了测量灵敏度；减少了由于PVDF绝缘电阻不够而造成的电压漂移，提升了采集信号的准确性；抑制进入电路的共模噪声信号以及工频噪声，大大提高了采集信号质量；防止输出端短路造成的设备烧损，提高了装置运行的可靠性与安全性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (6)

1.一种PVDF压电传感器应变测量电路调理装置，其特征在于，包括粘贴于待测结构上的PVDF智能传感模块(I)，以及集成于同一印刷电路板中并依次连接设置的输入信号调理模块(II)、电荷转电压模块(III)、后级电信号放大去噪模块(IV)、输出信号保护模块(V)，所述PVDF智能传感模块(I)产生输入电荷信号时通过所述输入信号调理模块(II)后经过所述电荷转电压模块(III)后进入所述后级电信号放大去噪模块(IV)并通过所述输出信号保护模块(V)进入其它数据采集设备或者装置中，

所述PVDF智能传感模块(I)包括粘贴于框架结构(1)与悬臂梁(2)上的PVDF传感器，由于结构受到外界影响从而使所述PVDF压电传感器产生代表结构应变信息的电荷信号，产生的电荷信号进入所述输入信号调理模块(II)，

所述输入信号调理模块(II)包括电阻R₁、R₂和电容C₁、C₂，电阻R₁串联在所述PVDF压电传感器产生的正电荷接口与电容C₁之间，电阻R₂串联在所述PVDF压电传感器产生的负电荷接口与电容C₂之间，电容C₁、C₂背离电阻R₁、R₂的一端分别连接于所述电荷转电压模块(III)，

所述电荷转电压模块(III)包括轻触开关SW₁和SW₂、电阻R₁₁和R₁₂、运算放大器N₁和N₂、反馈电阻R₃和R₄、反馈电容C₃和C₄，轻触开关SW₁并联在反馈电阻R₃和反馈电容C₃两端，轻触开关SW₂并联在反馈电阻R₄和反馈电容C₄两端，反馈电容C₃并联在运算放大器N₁的输出端与反向输入端之间形成电路负反馈，反馈电容C₄并联在运算放大器N₂的输出端与反向输入端之间形成电路负反馈，反馈电阻R₃并联在反馈电容C₃两端，反馈电阻R₄并联在反馈电容C₄两端，电阻R₁₁串联在运算放大器N₁反向输入端的端口与电容C₂之间，电阻R₁₂串联在运算放大器N₂反向输入端的端口与电容C₁之间，

所述后级电信号放大去噪模块(IV)包括输入电阻R₆和R₆、负反馈电阻R₇和R₈、运算放大器N₃和N₄，输入电阻R₅串联在运算放大器N₁的输出端与运算放大器N₃的反向输入端之间，输入电阻R_∈串联在运算放大器N₂的输出端与运算放大器N₄的反向输入端之间，负反馈电阻R₇并联在运算放大器N₃的输出端和负反馈输入端两端，负反馈电阻R₈并联在运算放大器N₄的输出端和负反馈输入端两端，

所述输出信号保护模块(V)包括电阻R₉、R₁₀，电阻R₉串联于运算放大器N₃的输出端，电阻R₁₀串联于运算放大器N₄的输出端。

2.根据权利要求1所述的PVDF压电传感器应变测量电路调理装置，其特征在于，所述电阻R₃和R₄阻值为TΩ级别。

3.根据权利要求1所述的PVDF压电传感器应变测量电路调理装置，其特征在于，所述反馈电容C₃和C₄规格一致，反馈电阻R₃和R₄规格一致。

4.根据权利要求1所述的PVDF压电传感器应变测量电路调理装置，其特征在于，负反馈电阻R₇和R₈阻值搭配相同或不同，其阻值范围为1-100KΩ。

5.根据权利要求1所述的PVDF压电传感器应变测量电路调理装置，其特征在于，轻触开关SW₁和SW₂是编程控制的模拟开关或轻触开关或常开开关。

6.根据权利要求1所述的PVDF压电传感器应变测量电路调理装置，其特征在于，反馈电容C₃和C₄为通过模拟开关容值可调的CB14聚苯乙烯精密电容。

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