CN202305560U - 超低相位差智能压电式加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种加速度传感器，具体公开一种超低相位差智能压电式加速度传感器，包括微型电荷放大器、Q/V变换电路、敏感元件、第一单向隔离二极管、微型存储器、第二单向隔离二极管、开关、第一恒流源、第二恒流源；敏感元件与Q/V变换电路的输入端并联，Q/V变换电路的输出端与微型电压放大器的输入连接，微型电压放大器的输出端与第一单向隔离二极管的负极连接，第一单向隔离二极管与开关的一个触点连接；敏感元件的输入端与微型存储器的输入端连接，微型存储器的输出端与第二单向隔离二极管的正极连接；开关另两个触点分别与第一恒流源、第二恒流源均连接。本实用新型的传感器集成度高、智能化程度高、兼容性强。

Description

超低相位差智能压电式加速度传感器

技术领域

本实用新型涉及一种加速度传感器，具体涉及一种具超低绝对相位差的智能压电式加速度传感器。

背景技术

不同传感器之间灵敏度不一致，导致在实际使用时需要花费大量时间在后续仪器上进行调整和设置；统的传感器采用电荷输出，容易受外界干扰，影响测试精度和可靠性差；传统的传感器需要外接电荷放大器，体积大，使用极为不便；在分布式多点测试时，传统传感器需要花费大量时间进行布点、布线和逐点设置调整，经常出现认为错误，导致最后的测试结果可信程度下降；传统的传感器还存在频率范围小、相位差大的问题。传统传感器的这些缺点已经成为制约智能化、网络化测试技术发展的瓶径。随着IEEE 1451.4国际标准的实施，开发一种高度集成、智能化、兼容性强的加速度传感器成为测试领域的迫切需求。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种超低相位差智能压电式加速度传感器，该传感器集成度高、智能化程度高、兼容性强。

实现本实用新型目的技术方案：一种超低相位差智能压电式加速度传感器，包括微型电荷放大器、Q/V变换电路、敏感元件、第一单向隔离二极管、微型存储器、第二单向隔离二极管、开关、第一恒流源、第二恒流源；敏感元件与Q/V变换电路的输入端并联，Q/V变换电路的输出端与微型电压放大器的输入连接，微型电压放大器的输出端与第一单向隔离二极管的负极连接，第一单向隔离二极管与开关的一个触点连接；敏感元件的输入端与微型存储器的输入端连接，微型存储器的输出端与第二单向隔离二极管的正极连接；开关另两个触点分别与第一恒流源、第二恒流源均连接。

所述的Q/V变换电路包括反馈电容、高阻抗场效应管，反馈电容与高阻抗场效应管的栅极和源极并联，高阻抗场效应管的源极接地，高阻抗场效应管的漏极与微型电压放大器的输入端连接。

所述的Q/V变换电路还包括第二反馈电阻，第二反馈电阻与反馈电容并联。

所述的微型电压放大器由第一反馈电阻、运算放大器、输入电阻组成，输入电阻的输入端与Q/V变换电路的漏极连接，输入电阻的输出端与运算放大器的输入负端连接，运算放大器的输入正端接地，第一反馈电阻的两端分别与运算放大器的输入负端和输出端连接，运算放大器的输出端与第一单向隔离二极管的负极连接。

本实用新型的技术优点在于：该压电加速度传感器电荷输出端接一个以场效应管为核心的IC电路(输入阻抗≥10¹³Ω)体积小阻抗高的IC电路保证了传感器下限频率为0.3Hz，0.3Hz工作时输入信号与输出信号相位差小于5⁰。该传感器中符合IEEE1451通讯协议要求的微型存储器，其实际尺寸只有原微型电荷放大器电路的1/5大小，重量很轻，可以将该微型存储器与微型电荷放大器集成在原有线路板上，加上二只隔离二极管也采用贴片式，在不增加原有体积的基础上所增加的重量不会影响原有的特性。因此，除尺寸非常小的IEPE传感器外，微型存储器芯片电路可以放置在任何IEPE传感器内。利用压电元件的正压电效应输出的高阻电荷量，经内部集成电路变换后输出与机械量成正比的低阻电压信号，直接进入读数、显示、记录仪表。传感器内部设置了固定的微型存储器，用于存储传感器的有关信息。并提供部分的存储空间让用户加入如通道号、安装方式、安装位置、安装方向、极性及标签号等信息。传感器内置低频电路(即微型存储器)使传感器的频率下限达到0.3Hz，0.3Hz工作时输入信号与输出信号相位差小于5⁰。

附图说明

图1为本实用新型所提供的一种超低相位差智能压电式加速度传感器的电路原理图；

图2为本实用新型所提供的一种Q/V变换电路。

图中：K为开关，1为开关的第一动触点，2为开关的第二动触点，3为开关的定触点；

4为第一恒流源，5为第二恒流源，C1为电容，D2为第二单向隔离二极管，TEDS为微型存储器；

6为微型电荷放大器，601为运算放大器，R1为第一反馈电阻，R2为输入电阻，D1为第一单向隔离二极管；

7为Q/V变换电路，701为高阻抗场效应管，Rf为第二反馈电阻，Cf为反馈电容；

8为敏感元件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型所提供的一种0.3Hz超低相位差智能压电式加速度传感器，包括微型电压放大器6、Q/V变换电路7、敏感元件8、微型存储器TEDS、第一单向隔离二极管D1、第二单向隔离二极管D2、电容C1、开关K、第一恒流源4、第二恒流源5。

如图1所示，敏感元件8与Q/V变换电路7的输入端并联，Q/V变换电路7的输出端与微型电压放大器6的输入连接，微型电压放大器6的输出端与第一单向隔离二极管D1的负极连接。敏感元件8的输入端与微型存储器TEDS的输入端连接，微型存储器TEDS的输出端与第二单向隔离二极管D2的正极连接。第二单向隔离二极管D2的负极与开关K的定触点3连接。开关K的第一动触点1分别与第一恒流源4的输出端、电容C1的输入端连接，第一恒流源4的输出端与电容C1的输入端并联，电容C1的输出端输出模拟信号，C1的作用是隔离传感器输出中的直流分流。第一恒流源4的输入端与电源Vcc的正极连接。开关的第二动触点2与第二恒流源5的输入端连接，第二恒流源5的输出端与电源Vcc的负极连接。开关的第二动触点2还与数字信号输入/输出端连接。

如图1所示，存储器TEDS的输出信号与电源采用了同一根线，采用这根线作为数字电路部分的信号线和电源线。由于微型电压放大器6工作时正向偏置，微型存储器TEDS反向偏置，信号和电源电流可以通过2只单向隔离二极管D1、D2。

如图1所示，当一个被测加速度量经惯性元件加力于敏感元件8两端时便会产生开路电压。当该传感器处于模拟工作模式时，开关K1的动触点1、定触点3相连，选择微型电压放大器6工作方式，第一恒流源4工作使第一单向隔离二极管D1正向导通，第二单向隔离二极管D2截止，微型电荷放大器6工作，微型存储器TEDS不工作。当开关K连接触点1时，第一恒流源4工作并提供输入电压为+VCC，该输入电压+VCC使第一单向隔离二极管D1正向导通，从而使微型电荷放大器6工作；该输入电压+VCC使第二单向隔离二极管D2截止，从而使TEDS芯片停止工作。此时，Q/V变换电路7处于正常工作状态，敏感元件8两端产生的开路电压的电荷输入给Q/V变换电路7，Q/V变换电路7将电荷变换为电压信号，Q/V变换电路7将电压信号输出给微型电荷放大器6；微型电荷放大器6将放大后的输出电压信号依次经过第一单向隔离二极管D1、开关K、电容C后，通过模拟信号输出端输出给信号放大器。

如图1所示，当该传感器处于数字工作模式时，开关K1的第二动触点2与定触点3相连，微型存储器TEDS用来产生反向偏压或反响脉冲电压，第二恒流源5工作并提供输入电压为-VCC，该输入电压-VCC使第二单向隔离二极管D2正向导通，从而使微型存储器TEDS读写电路开始工作，外部电路可以对微型存储器TEDS中存储的数据进行读写；该输入电压-VCC使第一单向隔离二极管D1截止，从而使微型电压放大器6停止工作。此时，敏感元件8两端产生的数字电压信号直接存储到微型存储器TEDS中，外部电路将微型存储器TEDS中存储的数据读出，该数字信号依次经过第二单向隔离二极管D2、开关K，从数字信号输出端输出给信号放大器。模拟信号输出端、数字信号输出端分别通过相同的两芯插座各自将模拟信号、数字信号信号传给信号放大器，然后通过RS-232C接口送入PC机。

第一恒流源4、第二恒流源5均为1～10mA恒流源供电，信号输出与恒流源4、5共用一根信号线。

如图1和图2所示，敏感元件8与Q/V变换电路7的输入端并联。Q/V变换电路7由第二反馈电阻Rf、反馈电容Cf、高阻抗场效应管701组成。第二反馈电阻Rf与反馈电容Cf并联，该并联电路与高阻抗场效应管701的栅极和源极并联，高阻抗场效应管701的源极接地。高阻抗场效应管701的漏极与微型电压放大器6的输入电阻R2的输入端连接。

如图2所示，Q/V变换电路(电荷变换电路)7的输入电荷Q输入到高阻抗场效应管701的栅极，V₀为高阻抗场效应管701漏极的输出电压。具有开环增益A的高阻抗场效应管701通过反馈电容Cf进行反馈。当A＞＞1时，由运放的理论得知：高阻抗场效应管701的栅极电位V₀→0，高阻抗场效应管701的源极为虚地点。由于高阻抗场效应管701输入阻抗很高，放大器6输入端没有分流作用，电荷Q只对Cf充电，其电流方向为：当微型电压放大器6的out点为负时，电流方向是从运算放大器602的输入负(-)端经电容Cf到微型电压放大器6的out端；当微型电压放大器6的out点为正时，电流方向是从微型电压放大器6的out端经电容Cf到运算放大器602的输入负(-)端。Q/V变换电路7的输出电压为：

$V_0=-\frac{Q}{\mathrm{Cf}}$

Q/V变换电路7将电荷转换为电压输出给微型电压放大器6进行电压放大。反馈电阻Rf的作用是释放Q/V变换电路7产生的电流、避免过载。

本实用新型的电荷变换电路采用场效应管电路，使该传感器的低频下限达到0.3Hz。

如图1所示，微型电压放大器6由第一反馈电阻R1、运算放大器601、输入电阻R2组成。输入电阻R2的输入端与Q/V变换电路7的输出端连接。输入电阻R2的输出端与运算放大器602的输入负(-)端连接，运算放大器602的输入正(+)端接地。第一反馈电阻R1的两端分别与运算放大器602的输入负(-)端和输出端连接。运算放大器602的输出端与第一单向隔离二极管D1的负极连接。第一单向隔离二极管D1的正极与开关K的定触点3连接。

当微型电压放大器6的输入端有从Q/V变换电路7传输来的电压时，通过输入电阻R2输入到运算放大器601的输入负(-)端，由第一反馈电阻R1的反馈作用形成放大电路。由运算放大理论可知，微型电压放大器6的电压放大倍数B为：

$B=-\frac{R1}{R2}.$

即，微型电压放大器6将高阻抗场效应管701输出的电压放大

倍。

本实用新型的数字信号和模拟信号共用一根传输线。通过开关K的切换，分别选择不同的电流源(第一恒流源4、第二恒流源5)，来实现传感器处于模拟工作模式和数字工作模式两种状态。

上面结合附图和实施例对本实用新型作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。本实用新型中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (4)

1.一种超低相位差智能压电式加速度传感器，其特征在于：它包括微型电荷放大器(6)、Q/V变换电路(7)、敏感元件(8)、第一单向隔离二极管(D1)、微型存储器(TEDS)、第二单向隔离二极管(D2)、开关(K)、第一恒流源(4)、第二恒流源(5)；敏感元件(8)与Q/V变换电路(7)的输入端并联，Q/V变换电路(7)的输出端与微型电压放大器(6)的输入连接，微型电压放大器(6)的输出端与第一单向隔离二极管(D1)的负极连接，第一单向隔离二极管(D1)与开关(K)的一个触点连接；敏感元件(8)的输入端与微型存储器(TEDS)的输入端连接，微型存储器(TEDS)的输出端与第二单向隔离二极管(D2)的正极连接；开关(K)另两个触点分别与第一恒流源(4)、第二恒流源(5)均连接。

2.根据权利要求1所述的一种超低相位差智能压电式加速度传感器，其特征在于：所述的Q/V变换电路(7)包括反馈电容(Cf)、高阻抗场效应管(701)，反馈电容(Cf)与高阻抗场效应管(701)的栅极和源极并联，高阻抗场效应管(701)的源极接地，高阻抗场效应管(701)的漏极与微型电压放大器(6)的输入端连接。

3.根据权利要求2所述的一种超低相位差智能压电式加速度传感器，其特征在于：所述的Q/V变换电路(7)还包括第二反馈电阻(Rf)，第二反馈电阻(Rf)与反馈电容(Cf)并联。

4.根据权利要求2或3所述的一种超低相位差智能压电式加速度传感器，其特征在于：所述的微型电压放大器(6)由第一反馈电阻(R1)、运算放大器(601)、输入电阻(R2)组成，输入电阻(R2)的输入端与Q/V变换电路(7)的漏极连接，输入电阻(R2)的输出端与运算放大器(602)的输入负端连接，运算放大器(602)的输入正端接地，第一反馈电阻(R1)的两端分别与运算放大器(602)的输入负端和输出端连接，运算放大器(602)的输出端与第一单向隔离二极管(D1)的负极连接。

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