TWI724709B - 壓電感測電路及壓電感測系統 - Google Patents

Abstract

一種壓電感測系統，包含：壓電感測器、電壓維持子電路、電荷消除器以及作動感測器。壓電感測器根據本身受到的壓力的變化率於輸出端輸出感測訊號。電壓維持子電路具有電性連接輸出端的一正端。電壓維持子電路接收並儲存壓電感測器輸出之感測訊號，以及在壓力的變化率為零時維持感測訊號的電壓呈一定值。電荷消除器具有第一端、第二端及受控端。第一端連接正端。第二端電性接地。受控端接收觸發訊號以控制第一端及第二端之間為導通或斷路。作動感測器電性連接受控端。作動感測器感測產生壓力的一作動，並據以輸出觸發訊號。

Description

壓電感測電路及壓電感測系統

本發明涉及壓電感測領域，特別是一種可維持輸出電壓的壓電感測系統及壓電感測電路。

隨著全球物聯網興起，力感測器的市場逐年成長。國際大廠爭相投入於高階機械設備產線開發。如若整合智慧感測技術（包括力感測器）與加工物件數位圖檔，可望提昇加工效率與精度；整合後的智慧加工設備可提升產品良率、設備稼動率、生產效率，並應用於具備產業優勢的輕金屬加工市場，如高爾夫球頭、五金類、航太零組件等。

然而，目前用於力感測器的壓電感測器通常無法維持輸出準位，且即便針對壓電元件施加固定的力量，壓電感測器仍無法維持穩定的輸出電壓，因此無法準確量測目前力量與輸出電壓之相關性。

有鑑於此，本發明提出一種創新的電荷處理方式，使壓電感測器在受外力負載時，電路能維持儲存壓電電荷，使輸出電壓維持定值，並透過電荷消除技術裝置將殘存電荷消除，校正電路零點電位，提升壓電感測器力量輸出與電壓輸出相關性判別的準確度

依據本發明一實施例敘述的一種壓電感測系統，包含：壓電感測器、電壓維持子電路、電荷消除器以及作動感測器。壓電感測器具有輸出端。壓電感測器用以根據本身受到的壓力的變化率於輸出端輸出感測訊號。電壓維持子電路具有電性連接輸出端的一正端。電壓維持子電路用以接收並儲存壓電感測器輸出之感測訊號。電壓維持子電路用以在壓力的變化率為零時維持感測訊號的電壓呈一定值。電荷消除器具有第一端、第二端及受控端。第一端連接正端。第二端電性接地。受控端用以接收觸發訊號以控制第一端及第二端之間為導通或斷路。作動感測器電性連接受控端。作動感測器用以感測產生壓力的一作動，並依據此作動輸出觸發訊號。

依據本發明一實施例的一種壓電感測電路，包含：壓電感測器、電壓維持子電路以及電荷消除器。壓電感測器具有輸出端。壓電感測器用以根據本身受到的壓力的變化率於輸出端輸出感測訊號。電壓維持子電路具有電性連接輸出端的一正端。電壓維持子電路用以接收並儲存壓電感測器輸出之感測訊號。電壓維持子電路用以在壓力的變化率為零時維持感測訊號的電壓呈一定值。電荷消除器具有第一端、第二端及受控端。第一端連接正端。第二端電性接地。受控端用以接收觸發訊號以控制第一端及第二端之間為導通或斷路。觸發訊號關聯於產生壓力的一作動。

以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

請參考圖1，其繪示本發明第一實施例的壓電感測系統的架構圖。如圖1所示，本發明第一實施例的壓電感測系統可包含：壓電感測器1（piezoelectric sensor）、電壓維持子電路3、電荷消除器5、作動感測器7以及放大子電路9。然而，於本發明的其他實施例中，亦可視需求省略上述各元件中的至少一者，其細節將於後詳述。此外，上述元件之中的多個係共同構成一壓電感測電路，而此壓電感測電路至少包含壓電感測器1、電壓維持子電路3以及電荷消除器5。

請再參考圖1。壓電感測器1係具有輸出端1a，且壓電感測器1可根據本身受到的壓力的變化率於輸出端1a輸出感測訊號。詳言之，壓電感測器1中具有壓電材料，且此壓電材料在受到外力壓擠變形的過程中，其為了抵抗材料體內變短的電偶極距，會在相對的二表面之間產生等量的正負電荷；反之，在壓電材料因為原本施加於其上的外力消失而恢復原狀的過程中，由於電偶極距增長為原始長度，因而也會在上述二表面之間產生等量的正負電荷，惟此時在此二表面所累積的電荷極性與受擠壓時的電荷極性相反。此外，在本發明中，並不對壓電材料的類型予以限制。

請再參考圖1。電壓維持子電路3具有正端3a電性連接壓電感測器1的輸出端1a。在本實施例中，電壓維持子電路3較佳係與壓電感測器1呈並聯連接。透過連接於輸出端1a的正端3a，電壓維持子電路3能夠接收並儲存壓電感測器1輸出之感測訊號。詳言之，在壓電感測器1中的壓電元件因受到外力壓擠而變形的過程中，電壓維持子電路3係因壓電感測器1的壓電元件所產生的正電荷而在正端3a累積形成正電壓，並儲存電荷而維持此高電位；隨後，在壓電感測器1中的壓電元件因外力移除而復原的過程中，電壓維持子電路3則因壓電感測器1的壓電元件所產生的負電荷而由正端3a釋放先前所儲存的電荷而歸復為低電位。在上述運作中，藉由設置電壓維持子電路3，在壓電感測器1所承受的壓力的變化率為零時，電壓維持子電路3可有效維持感測訊號的電壓呈一定值。如圖1所示，在一種實施方式中，電壓維持子電路3具有一電容元件C，此電容元件C的正端即作為電壓維持子電路3的正端3a，而電容元件C的負端係電性接地，其中此電容元件C較佳由一電容器實現。承上所述，此電容元件C可在壓電感測器1感測到壓力時儲存感測訊號的正電荷，以便於壓力穩定時維持正端3a的高電位為定值；反之，此電容元件C係在壓電感測器1感測到壓力的移除時釋放之前儲存的正電荷，以便於壓力確實移除後使正端3a呈低電位。

請再參考圖1。本實施例的電荷消除器5具有第一端5a、第二端5b及受控端5c，其中第一端5a連接電壓維持子電路3的正端3a，第二端5b電性接地，受控端5c用以接收一觸發訊號以據此控制第一端5a及第二端5b之間為導通或斷路。設置此電荷消除器5的目的在於：由於壓電感測器1中的壓電元件在每次受壓變形時所產生的正電荷量及歸復時所產生的負電荷量可能不相等，因此在壓電感測器1感測到壓力移除後，較佳透過將電荷消除器5的第一端5a與第二端5b導通，以將電壓維持子電路3中殘存的電荷導引接地，予以釋放。

更詳言之，本實施例的電荷消除器5係具有導通開關52及觸發子電路54。此導通開關52具有輸入端點52a、輸出端點52b及控制端點52c，其中輸入端點52a係做為電荷消除器5之第一端5a，輸出端點52b則做為電荷消除器5之第二端5b，而控制端點52c係連接觸發子電路54。藉此，由控制端點52c所接收的訊號，可以決定輸入端點52a及輸出端點52b之間的電性連接關係。觸發子電路54具有訊號輸入端點54a及命令輸出端點54b，其中訊號輸入端點54a係做為電荷消除器5的受控端5c，而命令輸出端點54b則連接導通開關52的控制端點52c。在本實施例的一種實施方式中，觸發子電路54係具有電晶體開關541及分壓組件543，且此分壓組件543連接於電晶體開關541及訊號輸入端點54a之間，而電晶體開關541連接於分壓組件543及命令輸出端點54b之間。藉此，當分壓組件543由訊號輸入端點54a接獲前述的觸發訊號時，可將觸發訊號分壓調整為適於輸入電晶體開關541的電壓等級，則電晶體開關541即可對應於此觸發訊號產生並傳送一開關命令訊號至命令輸出端點54b，以輸出此開關命令訊號至導通開關52而決定第一端5a及第二端5b之間是否為導通。此外，藉由透過電阻元件而電性連接於電晶體開關541的汲極（當電晶體開關541為NMOS時）或集極（當電晶體開關541為BJT時）的直流電源，開關命令訊號的電壓級可大於觸發訊號的電壓級。

請再參考圖1，本實施例的作動感測器7係電性連接電荷消除器5的受控端5c。作動感測器7用以感測產生壓力的一作動，並依據此作動輸出觸發訊號。在一實施例中，作動感測器7例如係設置於沖壓機的近接開關（proximity switch），且此近接開關係在沖壓刀具的移動衝程中受致動。然而，本發明並不對作動感測器7的硬體類型及致動時機予以限制。

請再參考圖1。本實施例的放大子電路9係為電壓放大器。放大子電路9具有放大輸入端9a及放大輸出端9b，其中放大輸入端9a連接電壓維持子電路3的正端3a，而放大輸出端9b用於傳送放大子電路9的輸出。放大子電路9可依據一預設比例放大電壓維持子電路3的正端3a的電壓，並由放大輸出端9b輸出放大後的電壓以做為壓電感測系統的輸出電壓。所述的預設比例可透過配置放大子電路9中電阻元件R1、R2的電阻值進行調整。

藉由本實施例的上述結構，在此壓電感測系統運作時，首先係作動感測器7在感測得到一作動而輸出觸發訊號至觸發子電路54的分壓組件543，且觸發訊號經分壓組件543調整後傳送至電晶體開關541，以控制命令輸出端點54b輸出呈低電位的開關命令訊號，此時導通開關52即對應此低電位的開關命令訊號而呈斷路（即輸入端點52a與輸出端點52b之間不導通）。隨後，當壓電感測器1測知由上述作動而產生的壓力而產生感測訊號時，此感測訊號即傳送至電壓維持子電路3，並使其正端3a呈高電位。由於電壓維持子電路3係將電荷儲存於電容元件C，因此只要壓電感測器1所承受的壓力未改變，正端3a因為電容元件C儲存電荷而呈現的高電位便會以定值的型態持續。此時，放大子電路9即以放大輸入端9a接收感測訊號，並在將此感測訊號放大後，由放大輸出端9b輸出。

反之，當壓電感測器1測知上述壓力降低甚至消失，其所輸出的感測訊號亦對應於此壓力而降低電位，導致電壓維持子電路3的正端3a逐漸由高電位降低至低電位。此時，放大子電路9由放大輸出端9b所輸出的放大後的感測訊號也隨之大幅降低。隨後，當作動感測器7測知前述的作動已消失，則終止輸出觸發訊號至觸發子電路54的分壓組件543，導致電晶體開關541呈截止狀態，進而使命令輸出端點54b輸出呈高電位的開關命令訊號。此時，導通開關52即對應此高電位的開關命令訊號而呈導通（即輸入端點52a與輸出端點52b之間導通），使任何仍殘存於電壓維持子電路3之中的電荷透過電荷消除器5接地排除。因此，可避免累積於電容元件C中的電荷影響下一次感測的正確性。

實務上，在實現上述實施例時，可根據需求而選擇性地配置放大子電路9。舉例來說，若對連接於本壓電感測系統的下一級電路而言，由電壓維持子電路3所維持而呈定值的感測訊號的電壓等級已足供後續處理之用，則本實施例的放大子電路9即可予以省略，直接以電壓維持子電路3的正端3a作為此壓電感測系統的輸出端。

請參考圖2，其繪示本發明第二實施例的壓電感測系統的架構圖。相較於前述的第一實施例，本實施例的電荷消除器5’係省略設置觸發子電路54，也就是直接以導通開關52的控制端點52c做為電荷消除器5’的受控端5c。換言之，在作動感測器7所輸出的觸發訊號的功率足以驅動導通開關52（即無須另以直流電源依據觸發訊號形成具有較高功率或電位的開關命令訊號）的情況下，便可省略設置觸發子電路5。本實施例亦適用如第一實施例省略放大子電路9的實施方式，本發明不就此予以限制。

請參考圖3，其繪示本發明第三實施例的壓電感測系統的架構圖。相較於前述的第一實施例，本實施例的電荷消除器5”除了省略設置觸發子電路54之外，另可選擇性地包含一突波消除元件56串接於電荷消除器5及正端3a之間；此外，本實施例更省略了作動感測器7。詳言之，當近接開關在切換時所產生的突波為壓電感測器1及放大子電路9所能承受的電壓等級時，或者藉由此突波消除元件56（例如光耦合器）可避免切換突波損壞壓電感測器1及放大子電路9時，即可直接以電荷消除器5” 的導通開關52做為近接開關。本實施例亦適用如第一實施例省略放大子電路9的實施方式，本發明不就此予以限制。

請參考圖4，其繪示本發明第四實施例的壓電感測系統的架構圖。此實施例與前述的第一實施例的差別在於：本實施例中的放大子電路9’為電荷放大器，此電荷放大器係透過配置電容元件C1與電容元件C2各自的電容值調整電壓放大的增益比例。

請參考圖5，其繪示本發明壓電感測系統及習知壓電感測器的輸出電壓與時間的關係圖。圖5中曲線S1為採用本發明的壓電感測系統所得到的輸出電壓，曲線S2則為一般市售的習知壓電感測器的讀取電路所輸出的訊號。由圖5可看出，習知壓電感測器的運作過程中，當外部施加的壓力漸增至停止繼續增加時，原本隨此壓力的施加而達極值的輸出電壓便會由此極值隨時間而逐漸恢復為零；另一方面，在外部施加的壓力漸減而至完全移除（即停止繼續降低）的過程中，輸出電壓原本隨此壓力的移除而達極值的輸出電壓在此壓力將會。相較於習知壓電感測器，採用本發明的壓電感測系統可在外部施加的壓力到達最大時，藉由電壓維持子電路3將電壓維持於定值；同時，且外部施加的壓力開始降低時，本發明的壓電感測系統可以藉由電荷消除器5迅速的做出反應，且可確保在外部施力結束後的輸出電壓恢復為零電位。

綜合以上所述，本發明提出的壓電感測系統及壓電感測電路係透過電壓維持子電路的電荷消除技術，有效提升力量輸出與電壓輸出的準確度，而不會產生累加誤差。換言之，本發明提出的壓電感測系統及壓電感測電路可直接輸出無失真的力量特性行為，無需透過額外的軟體計算，便可藉由電路增益換算獲得輸入力量數值。整體而言，本發明的壓電感測器系統及其中的壓電感測電路，可增進輸出電壓的穩定度，並且提升壓電感測器力量輸出與電壓輸出相關性判別的準確度。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

1:壓電感測器 1a:輸出端 3:電壓維持子電路 3a:正端 5:電荷消除器 5’:電荷消除器 5”:電荷消除器 5a:第一端 5b:第二端 5c:受控端 52:導通開關 52a:輸入端點 52b:輸出端點 52c:控制端點 54:觸發子電路 54a:訊號輸入端點 54b:命令輸出端點 541:電晶體開關 543:分壓組件 56:突波消除元件 7:作動感測器 9、9’:放大子電路 9a:放大輸入端 9b:放大輸出端 C、C1、C2:電容元件 R1、R2:電阻元件 S1、S2:曲線

圖1係依據本發明第一實施例的壓電感測系統的架構圖。 圖2係依據本發明第二實施例的壓電感測系統的架構圖。 圖3係依據本發明第三實施例的壓電感測系統的架構圖。 圖4係依據本發明第四實施例的壓電感測系統的架構圖。 圖5係壓電感測系統的輸出電壓與時間的關係圖。

1:壓電感測器

1a:輸出端

3:電壓維持子電路

3a:正端

5:電荷消除器

5a:第一端

5b:第二端

5c:受控端

52:導通開關

52a:輸入端點

52b:輸出端點

52c:控制端點

54:觸發子電路

54a:訊號輸入端點

54b:命令輸出端點

541:電晶體開關

543:分壓組件

7:作動感測器

9:放大子電路

9a:放大輸入端

9b:放大輸出端

C:電容元件

R1、R2:電阻元件

Claims (16)

1. 一種壓電感測系統，包含：一壓電感測器，具有一輸出端，該壓電感測器用以根據本身受到的一壓力的變化率於該輸出端輸出一感測訊號；一電壓維持子電路，具有一正端電性連接該輸出端，該電壓維持子電路接收並儲存該壓電感測器輸出之該感測訊號，並用以在該壓力的變化率為零時維持該感測訊號的電壓呈一定值；一電荷消除器，具有一第一端、一第二端及一受控端，其中該第一端連接該正端，該第二端電性接地，當該受控端接收一觸發訊號時，該受控端控制該第一端與該第二端之間為斷路，當該受控端未接收該觸發訊號時，該第一端與該第二端之間為導通；以及一作動感測器，電性連接該受控端，該作動感測器用以感測產生該壓力的一作動，並依據該作動輸出該觸發訊號。
2. 如請求項1所述的壓電感測系統，其中該電壓維持子電路具有一電容元件，該電容元件的一正端是該電壓維持子電路的該正端，且該電容元件的一負端電性接地。
3. 如請求項1所述的壓電感測系統，其中該電荷消除器具有一導通開關，該導通開關具有一輸入端點、一輸出端點及一控制端點，該輸入端點為該電荷消除器之該第一端，該輸出端點為該電荷消除器之該第二端，該控制端點為該電荷消除器之該受控端，其中在該電荷消除器之該第一端及該第二端導通的情況下，該電壓維持子電路儲存的電能被釋放。
4. 如請求項1所述的壓電感測系統，其中該電荷消除器具有一導通 開關及一觸發子電路，該導通開關具有一輸入端點、一輸出端點及一控制端點，該輸入端點為該電荷消除器之該第一端，該輸出端點為該電荷消除器之該第二端，該控制端點連接該觸發子電路，該觸發子電路具有一訊號輸入端點及一命令輸出端點，該訊號輸入端點為該電荷消除器之該受控端，且該命令輸出端點連接該控制端點，其中在該第一端及該第二端導通的情況下，該電壓維持子電路儲存的電能被釋放。
5. 如請求項4所述的壓電感測系統，其中該觸發子電路還具有一電晶體開關及一分壓組件，該分壓組件連接於該電晶體開關及該訊號輸入端點之間，該電晶體開關連接於該分壓組件及該命令輸出端點之間，且該電晶體開關用以對應該觸發訊號產生一開關命令訊號，以輸出該開關命令訊號至該導通開關，其中該開關命令訊號的電壓級大於該觸發訊號的電壓級。
6. 如請求項1所述的壓電感測系統，更包含一放大子電路，該放大子電路具有一放大輸入端及一放大輸出端，該放大輸入端連接該電壓維持子電路的該正端，且該放大子電路用以依據一預設比例放大該電壓維持子電路的該正端的電壓並由該放大輸出端輸出。
7. 如請求項6所述的壓電感測系統，其中該放大子電路為一電壓放大器。
8. 如請求項6所述的壓電感測系統，其中該放大子電路為一電荷放大器。
9. 一種壓電感測電路，包含：一壓電感測器，具有一輸出端，該壓電感測器用以根據本身受到的一壓力的變化率於該輸出端輸出一感測訊號； 一電壓維持子電路，具有一正端電性連接該輸出端，該電壓維持子電路用以接收並儲存該壓電感測器輸出之該感測訊號，並用以在該壓力的變化率為零時維持該感測訊號的電壓呈一定值；以及一電荷消除器，具有一第一端、一第二端及一受控端，其中該第一端連接該正端，該第二端電性接地，當該受控端接收一觸發訊號時，該受控端控制該第一端與該第二端之間為斷路，當該受控端未接收該觸發訊號時，該第一端與該第二端之間為導通，且該觸發訊號關聯於產生該壓力的一作動。
10. 如請求項9所述的壓電感測電路，其中該電壓維持子電路具有一電容元件，該電容元件的一正端是該電壓維持子電路的該正端，且該電容元件的一負端電性接地。
11. 如請求項9所述的壓電感測電路，其中該電荷消除器具有一導通開關，該導通開關具有一輸入端點、一輸出端點及一控制端點，該輸入端點為該電荷消除器之該第一端，該輸出端點為該電荷消除器之該第二端，該控制端點為該電荷消除器之該受控端，其中在該第一端及該第二端導通的情況下，該電壓維持子電路儲存的電能被釋放。
12. 如請求項9所述的壓電感測電路，其中該電荷消除器具有一導通開關及一觸發子電路，該導通開關具有一輸入端點、一輸出端點及一控制端點，該輸入端點為該電荷消除器之該第一端，該輸出端點為該電荷消除器之該第二端，該控制端點連接該觸發子電路，該觸發子電路具有一訊號輸入端點及一命令輸出端點，該訊號輸入端點為該電荷消除器之該受控端，且該命令輸出端點連接該控制端點，其中在該第一端及該第二端導通的情況下，該電壓維持 子電路儲存的電能被釋放。
13. 如請求項12所述的壓電感測電路，其中該觸發子電路具有一電晶體開關及一分壓組件，該分壓組件連接於該電晶體開關及該訊號輸入端點之間，該電晶體開關連接於該分壓組件及該命令輸出端點之間，且該電晶體開關用以對應該觸發訊號產生一開關命令訊號，以輸出該開關命令訊號至該導通開關，其中該開關命令訊號的電壓級大於該觸發訊號的電壓級。
14. 如請求項9所述的壓電感測電路，更包含一放大子電路，該放大子電路具有一放大輸入端及一放大輸出端，該放大輸入端連接該電壓維持子電路的該正端，且該放大子電路用以依據一預設比例放大該電壓維持子電路的該正端的電壓並由該放大輸出端輸出。
15. 如請求項13所述的壓電感測電路，其中該放大子電路為一電壓放大器。
16. 如請求項13所述的壓電感測電路，其中該放大子電路為一電荷放大器。

Images