CN220729507U - 一种带复位归零的石英晶体测力传感器电荷放大测试电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带复位归零的石英晶体测力传感器电荷放大测试电路，包括电源转换模块、放大器模块和复位模块，电源转换模块用于将输入电压转换成±5V的输出电压给放大器模块供电，放大器模块用于将机械形变产生微弱的电荷量放大并转换为电信号；其中，复位模块包括继电器JDQ1、晶体管Q1以及切换开关SW1，晶体管Q1和切换开关SW1通过电线与继电器JDQ1电连接，切换开关SW1通过控制晶体管Q1的通断来使得继电器JDQ1开启或闭合以实现对放大器模块增益控制的切换。即，通过复位模块对放大器模块的增益进行控制，可以实现石英晶体测力传感器的精确测量，提高测试的可靠性。

Description

一种带复位归零的石英晶体测力传感器电荷放大测试电路

技术领域

本实用新型涉及石英晶体测力传感器技术领域，更具体地说，是涉及一种带复位归零的石英晶体测力传感器电荷放大测试电路。

背景技术

石英晶体测力传感器是采用石英晶体做成用于测试力的一种传感器。石英晶体作为敏感件，采用高强度石英材料制作；具有极好的动态力测量特性、刚度高、动态范围宽、上升时间快、可测频率范围宽以及结构坚固等特点，石英晶体测力传感器及阻抗头坚固耐用，在较大的静载荷下检测微小的力变化，可准确测量瞬态冲击力或测量准静态力；被广泛应用于冲击、碰撞、跌落、疲劳、断裂及动态力监测等领域。

根据压电效应原理制造的石英晶体测力传感器，与接触表面的面积大小无关，当石英晶体受到力的作用时会产生机械形变，在其表面形成束缚电荷，电荷量的大小与作用力成正比，故测出其表面电荷量就可显示出作用力。大部分石英晶体测力传感器均采用压电系数较大的X切型或AT切型的晶体，X切型晶体的压电方程为：Q_X＝d₁₁F_X式中，d₁₁为压电常数，F_X为沿晶体X方向施加的压力，Q_X为垂直于X轴平面上的电荷。从此式可见，配以适当的电荷放大器就可以测出作用力。石英晶体测力传感器的结构多种多样，目前研制的环形石英晶体测力计由两个石英晶片、两块环形石英质量块组成，中间夹一金属片作为电极引出线，另一电极为晶体与壳体相连的引出线。

石英晶体测力传感器在各种工业应用中发挥着重要作用，其可以感知和测量各种物理量，如压力、张力、加速度等。然而，要实现精确测量，必须通过一种有效的测试电路对传感器进行准确的放大和调节，传统的测试电路通常难以实现高精度的控制，这在一定程度上限制了石英晶体测力传感器的应用范围。其次，在石英晶体测力传感器中，灵敏度是其重要的技术参数之一，它反映了石英晶体测力传感器对施加的力的响应能力，如果存在漏电流，即使施加轻微的力量，传感器也可能无法准确检测到，这极大地影响了石英晶体测力传感器的性能，使其无法在需要高灵敏度的应用中正常工作。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供一种带复位归零的石英晶体测力传感器电荷放大测试电路，通过复位模块，可以实现对放大器模块增益的精确控制，从而确保每次测试的准确性，提高测试的可靠性。

本实用新型技术方案如下所述：一种带复位归零的石英晶体测力传感器电荷放大测试电路，包括电源转换模块、放大器模块和复位模块，所述电源转换模块用于将输入电压转换成±5V的输出电压给所述放大器模块供电，所述放大器模块用于将机械形变产生微弱的电荷量放大并转换为电信号；其中，所述复位模块包括继电器JDQ1、晶体管Q1以及切换开关SW1，所述晶体管Q1和所述切换开关SW1通过电线与所述继电器JDQ1电连接，所述切换开关SW1通过控制所述晶体管Q1的通断来使得所述继电器JDQ1开启或闭合以实现对所述放大器模块增益控制的切换。

进一步地，所述电源转换模块包括芯片U2、连接器H3、稳压二极管D1、电容C5、电容C6以及电容C7，所述稳压二极管D1的负极以及所述电容C7的一端分别连接至所述芯片U2的第一引脚，稳压二极管D1的正极与所述连接器H3的第二接线端连接；所述电容C7的另一端、以及所述连接器H3的第一接线端分别连接至所述芯片U2的第二引脚；所述电容C5的一端、所述电容C6的一端以及所述芯片U2的第五引脚均接地，所述电容C5的另一端以及所述芯片U2的第六引脚接+5V电压；所述电容C6的另一端以及所述芯片U2的第四引脚接-5V电压。

进一步地，所述放大器模块包括集成放大器芯片U1、连接器H1、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、双向TVS瞬态抑制二极管D2以及连接器H2；所述连接器H1接入石英晶体测力传感器，所述连接器H1的第一接线端通过电阻R2与所述集成放大器芯片U1的第八引脚连接；所述连接器H1的第二接线端、所述集成放大器芯片U1的第一引脚以及所述集成放大器芯片U1的第二引脚均接地，所述集成放大器芯片U1的第四引脚以及所述电容C4的一端均接-5V电压，所述集成放大器芯片U1的第五引脚以及所述电容C3的一端均接+5V电压，所述电容C3的另一端和所述电容C4的另一端均接地；所述电容C1和所述电容C2并联，且所述电容C1一端和所述电容C2的一端分别与所述集成放大器芯片U1的第八引脚连接，所述电容C1的另一端、所述电容C2的另一端分别与所述集成放大器芯片U1的第六引脚连接，且所述集成放大器芯片U1的第六引脚通过电阻R5分别与所述连接器H2的第一接线端以及所述双向TVS瞬态抑制二极管D2的一端连接，所述双向TVS瞬态抑制二极管D2的另一端以及所述连接器H2的第二接线端均接地；所述集成放大器芯片U1的第七引脚接地。

进一步地，所述继电器JDQ1的第一引脚和第二引脚通过电阻R1与所述集成放大器芯片U1的第八引脚连接，所述继电器JDQ1的第三引脚与所述集成放大器芯片U1的第六引脚连接；所述继电器JDQ1的第四引脚与所述晶体管Q1的集电极连接，所述继电器JDQ1的第五引脚、所述切换开关SW1的第四引脚以及所述切换开关SW1的第五引脚均接+5V电压，所述晶体管Q1的发射极接地，所述晶体管Q1的基极通过电阻R6与所述晶体管Q1的发射极连接，所述晶体管Q1的基极通过电阻R3与所述切换开关SW1的第六引脚连接。

进一步地，所述集成放大器芯片U1为fA级输入偏置电流运算放大器器件，且所述集成放大器芯片U1内集成有保护环缓冲器。

进一步地，所述电容C3和所述电容C4均为滤波电容。

进一步地，所述晶体管Q1为NPN型三极管。

根据上述方案的本实用新型，其有益效果在于：本实用新型提供的一种带复位归零的石英晶体测力传感器电荷放大测试电路，包括电源转换模块、放大器模块和复位模块，电源转换模块用于将输入电压转换成±5V的输出电压给放大器模块供电，放大器模块用于将机械形变产生微弱的电荷量放大并转换为电信号；其中，复位模块包括继电器JDQ1、晶体管Q1以及切换开关SW1，晶体管Q1和切换开关SW1通过电线与继电器JDQ1电连接，切换开关SW1通过控制晶体管Q1的通断来使得继电器JDQ1开启或闭合以实现对放大器模块增益控制的切换。即，本实用新型提供的一种带复位归零的石英晶体测力传感器电荷放大测试电路，通过复位模块对放大器模块的增益进行控制，可以实现石英晶体测力传感器的精确测量，提高测试的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，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实用新型的一些实施例，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为本实用新型实施例中的一种带复位归零的石英晶体测力传感器电荷放大测试电路的电路原理图；

图2为本实用新型实施例中的一种带复位归零的石英晶体测力传感器电荷放大测试电路的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本实用新型的原理，但不能用来限制本实用新型的范围，即本实用新型不限于所描述的实施例。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有说明，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

为了更好地理解本实用新型，下面结合附图以及实施方式对本实用新型进行进一步的描述：

参见图1所示，本实用新型实施例提供的一种带复位归零的石英晶体测力传感器电荷放大测试电路，包括电源转换模块、放大器模块和复位模块，电源转换模块用于将输入电压转换成±5V的输出电压给放大器模块供电，放大器模块用于将机械形变产生微弱的电荷量放大并转换为电信号；其中，复位模块包括继电器JDQ1、晶体管Q1以及切换开关SW1，晶体管Q1和切换开关SW1通过电线与继电器JDQ1电连接，切换开关SW1通过控制晶体管Q1的通断来使得继电器JDQ1开启或闭合以实现对放大器模块增益控制的切换。即，本实用新型提供的一种带复位归零的石英晶体测力传感器电荷放大测试电路，通过复位模块对放大器模块的增益进行控制，可以实现石英晶体测力传感器的精确测量，提高测试的可靠性。

在本实施例中，电源转换模块包括芯片U2、连接器H3、稳压二极管D1、电容C5、电容C6以及电容C7，稳压二极管D1的负极以及电容C7的一端分别连接至芯片U2的第一引脚，稳压二极管D1的正极与连接器H3的第二接线端连接；电容C7的另一端、以及连接器H3的第一接线端分别连接至芯片U2的第二引脚；电容C5的一端、电容C6的一端以及芯片U2的第五引脚均接地，电容C5的另一端以及芯片U2的第六引脚接+5V电压；电容C6的另一端以及芯片U2的第四引脚接-5V电压。在本实施例中，电容C5、电容C6以及电容C7组成电源滤波电路，具体地，电容C5和电容C6的作用是滤除电源中高频交流分量，从而抑制电源的噪声，而电容C7则被用作退耦电容，其作用是吸收电路中因瞬态电流产生的感应电压，防止电源噪声影响到电路的正常工作，电源滤波电路能够滤除交流电源中的高频噪声，防止其进入电路影响电路的正常工作，可以有效地抑制电源供电的高频干扰。

在本实施例中，放大器模块包括集成放大器芯片U1、连接器H1、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、双向TVS瞬态抑制二极管D2以及连接器H2；连接器H1接入石英晶体测力传感器，连接器H1的第一接线端通过电阻R2与集成放大器芯片U1的第八引脚连接；连接器H1的第二接线端、集成放大器芯片U1的第一引脚以及集成放大器芯片U1的第二引脚均接地，集成放大器芯片U1的第四引脚以及电容C4的一端均接-5V电压，集成放大器芯片U1的第五引脚以及电容C3的一端均接+5V电压，电容C3的另一端和电容C4的另一端均接地；电容C1和电容C2并联，且电容C1一端和电容C2的一端分别与集成放大器芯片U1的第八引脚连接，电容C1的另一端、电容C2的另一端分别与集成放大器芯片U1的第六引脚连接，且集成放大器芯片U1的第六引脚通过电阻R5分别与连接器H2的第一接线端以及双向TVS瞬态抑制二极管D2的一端连接，双向TVS瞬态抑制二极管D2的另一端以及连接器H2的第二接线端均接地；集成放大器芯片U1的第七引脚接地。更为具体地，电容C3和电容C4是集成放大器芯片U1的电源滤波电容，用于吸收高频噪声并将电压波动降至最低，从而过滤电源波动，提供稳定的直流电压，以保障集成放大器芯片U1的正常运行。

在本实施例中，继电器JDQ1的第一引脚和第二引脚通过电阻R1与集成放大器芯片U1的第八引脚连接，继电器JDQ1的第三引脚与集成放大器芯片U1的第六引脚连接；继电器JDQ1的第四引脚与晶体管Q1的集电极连接，继电器JDQ1的第五引脚、切换开关SW1的第四引脚以及切换开关SW1的第五引脚均接+5V电压，晶体管Q1的发射极接地，晶体管Q1的基极通过电阻R6与晶体管Q1的发射极连接，晶体管Q1的基极通过电阻R3与切换开关SW1的第六引脚连接。在本实施例中，晶体管Q1为NPN型三极管。

在本实施例中，集成放大器芯片U1为fA级输入偏置电流运算放大器器件，且集成放大器芯片U1内集成有保护环缓冲器。集成放大器芯片U1为fA级(飞安级)极低输入偏置电流运算放大器器件，能够提供超低输入偏置电流，其次，集成放大器芯片U1内集成有保护环缓冲器，能够隔离输入引脚以防其受到印刷电路板(PCB)漏电流的影响，而且能减少电路板元件数，从而简化电路设计，具有低失调电压、低失调漂移、低电压噪声和低电流噪声特性，以使得英晶体测力传感器能够适应具有极低漏电流的场景的测试要求。值得一提的是，本实用新型利用石英晶体测力传感器配以电荷放大测试电路就可以测出各种机械作用力。石英晶体测力传感器主要应用于测量机床的切削力、机械工具上的实际应力、枪炮的后座力、发射火箭的推力等。

为了进一步解释说明，本实施例还提供了一种带复位归零的石英晶体测力传感器电荷放大测试电路的工作原理，具体如下：

石英晶体测力传感器电荷放大测试电路主要由电源转换模块、放大器模块和复位模块组成，其中，集成放大器芯片U1、连接器H1、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、双向TVS瞬态抑制二极管D2、连接器H2、电阻R1和电阻R2组成了电荷电压放大电路，连接器H1接入石英晶体测力传感器，当石英晶体测力传感器受到力的作用时，会出现机械形变以产生微弱的电荷量，通过电阻R2将输入信号耦合到集成放大器芯片U1中，然后集成放大器芯片U1将这个电荷信号放大并转换为电信号，电容C1和电容C2为放大器负反馈增益调整电容，电容C3和电容C4是集成放大器芯片U1的电源滤波电容；之后电压信号由电阻R5、双向TVS瞬态抑制二极管D2以及连接器H2耦合输出；芯片U2、连接器H3、稳压二极管D1、电容C5、电容C6以及电容C7组成DC-DC电源转换电路，用于将输入电压转换成±5V的输出电压给放大器模块供电；继电器JDQ1、晶体管Q1、切换开关SW1、电阻R3、电阻R4以及电阻R6组成复位电路，用于将测试信号放大或复位归零，通过切换开关SW1以及晶体管Q1来使得继电器JDQ1开启或闭合以实现放大器增益控制的切换。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

上面结合附图对本实用新型专利进行了示例性的描述，显然本实用新型专利的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型专利的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本实用新型专利的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围内。

Claims (7)

1.一种带复位归零的石英晶体测力传感器电荷放大测试电路，其特征在于，包括电源转换模块、放大器模块和复位模块，所述电源转换模块用于将输入电压转换成±5V的输出电压给所述放大器模块供电，所述放大器模块用于将机械形变产生微弱的电荷量放大并转换为电信号；其中，所述复位模块包括继电器JDQ1、晶体管Q1以及切换开关SW1，所述晶体管Q1和所述切换开关SW1通过电线与所述继电器JDQ1电连接，所述切换开关SW1通过控制所述晶体管Q1的通断来使得所述继电器JDQ1开启或闭合以实现对所述放大器模块增益控制的切换。

2.如权利要求1所述的一种带复位归零的石英晶体测力传感器电荷放大测试电路，其特征在于：所述电源转换模块包括芯片U2、连接器H3、稳压二极管D1、电容C5、电容C6以及电容C7，所述稳压二极管D1的负极以及所述电容C7的一端分别连接至所述芯片U2的第一引脚，稳压二极管D1的正极与所述连接器H3的第二接线端连接；所述电容C7的另一端、以及所述连接器H3的第一接线端分别连接至所述芯片U2的第二引脚；所述电容C5的一端、所述电容C6的一端以及所述芯片U2的第五引脚均接地，所述电容C5的另一端以及所述芯片U2的第六引脚接+5V电压；所述电容C6的另一端以及所述芯片U2的第四引脚接-5V电压。

3.如权利要求1所述的一种带复位归零的石英晶体测力传感器电荷放大测试电路，其特征在于：所述放大器模块包括集成放大器芯片U1、连接器H1、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、双向TVS瞬态抑制二极管D2以及连接器H2；所述连接器H1接入石英晶体测力传感器，所述连接器H1的第一接线端通过电阻R2与所述集成放大器芯片U1的第八引脚连接；所述连接器H1的第二接线端、所述集成放大器芯片U1的第一引脚以及所述集成放大器芯片U1的第二引脚均接地，所述集成放大器芯片U1的第四引脚以及所述电容C4的一端均接-5V电压，所述集成放大器芯片U1的第五引脚以及所述电容C3的一端均接+5V电压，所述电容C3的另一端和所述电容C4的另一端均接地；所述电容C1和所述电容C2并联，且所述电容C1一端和所述电容C2的一端分别与所述集成放大器芯片U1的第八引脚连接，所述电容C1的另一端、所述电容C2的另一端分别与所述集成放大器芯片U1的第六引脚连接，且所述集成放大器芯片U1的第六引脚通过电阻R5分别与所述连接器H2的第一接线端以及所述双向TVS瞬态抑制二极管D2的一端连接，所述双向TVS瞬态抑制二极管D2的另一端以及所述连接器H2的第二接线端均接地；所述集成放大器芯片U1的第七引脚接地。

4.如权利要求3所述的一种带复位归零的石英晶体测力传感器电荷放大测试电路，其特征在于：所述继电器JDQ1的第一引脚和第二引脚通过电阻R1与所述集成放大器芯片U1的第八引脚连接，所述继电器JDQ1的第三引脚与所述集成放大器芯片U1的第六引脚连接；所述继电器JDQ1的第四引脚与所述晶体管Q1的集电极连接，所述继电器JDQ1的第五引脚、所述切换开关SW1的第四引脚以及所述切换开关SW1的第五引脚均接+5V电压，所述晶体管Q1的发射极接地，所述晶体管Q1的基极通过电阻R6与所述晶体管Q1的发射极连接，所述晶体管Q1的基极通过电阻R3与所述切换开关SW1的第六引脚连接。

5.如权利要求4所述的一种带复位归零的石英晶体测力传感器电荷放大测试电路，其特征在于：所述集成放大器芯片U1为fA级输入偏置电流运算放大器器件，且所述集成放大器芯片U1内集成有保护环缓冲器。

6.如权利要求4所述的一种带复位归零的石英晶体测力传感器电荷放大测试电路，其特征在于：所述电容C3和所述电容C4均为滤波电容。

7.如权利要求4所述的一种带复位归零的石英晶体测力传感器电荷放大测试电路，其特征在于：所述晶体管Q1为NPN型三极管。