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振動(dòng)傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)及分析

發(fā)布時(shí)間:2018-12-26 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】本文介紹了一種壓電傳感器電荷/電壓轉(zhuǎn)換電路,并分析了反饋電容的溫度特性對(duì)開(kāi)關(guān)電路輸出的影響,同時(shí)分析了不同濾波器的特性,并根據(jù)實(shí)際傳感器帶寬配置了相應(yīng)的濾波電路。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明,該電路能夠有效地濾除振動(dòng)信號(hào)中的噪聲,準(zhǔn)確地獲得振動(dòng)信號(hào)。
 
1、控制電路設(shè)計(jì)
 
壓電加速度計(jì)獲得的沖擊和振動(dòng)信號(hào)需要用電荷放大器進(jìn)行放大和處理,為了研究出一種一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的電荷放大器,作者利用集成運(yùn)算放大器芯片代替大量分立器件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的濾波電路
 
1.1壓電傳感器等效電路
 
振動(dòng)傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)及分析
圖一壓電傳感器的等效電路
 
壓電傳感器是基于壓電效應(yīng)設(shè)計(jì)的,敏感元件由壓電材料制成,一旦受到外力作用,壓電材料表面就會(huì)產(chǎn)生一些弱電荷。當(dāng)壓電傳感器在敏感軸方向受迫時(shí),在兩個(gè)電極上產(chǎn)生極性相反的電荷,這兩個(gè)電極相當(dāng)于一個(gè)電荷源(靜電發(fā)生器)。經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)后得到如下等式:
 
振動(dòng)傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)及分析
 
由上式可知,時(shí)間常數(shù)τ越大,電荷泄漏越慢,傳感器的測(cè)量誤差越小。傳感器和信號(hào)輸入應(yīng)保持高絕緣電阻,以防止快速泄漏引起的電荷測(cè)量誤差。
 
1.2電荷電壓轉(zhuǎn)換電路
 
振動(dòng)傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)及分析
圖二電荷電壓轉(zhuǎn)換電路
 
運(yùn)算放大器的輸出電壓范圍為0.738~1.758 V。為了避免電容器C1長(zhǎng)期充電,使集成操作飽和,必須在電容器C1并聯(lián)連接電阻R2。另外一個(gè)重要作用是引入直流負(fù)反饋,有效地抑制集成運(yùn)算放大器引起的輸入偏置電壓。系統(tǒng)測(cè)試的低截止頻率為f=1/2πR2C1,輸入信號(hào)的截止頻率為0.1Hz,電阻為R2=10mΩ。運(yùn)算放大器逆變輸入的電阻R1在保護(hù)電路和限制電流中起主要作用。反饋電容C1的主要功能是將傳感器產(chǎn)生的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),因此反饋電容器需要選擇低漂移、低漂移溫度和高漏阻的電容。
 
振動(dòng)傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)及分析
圖三不同材料反饋電容的溫度特性對(duì)開(kāi)關(guān)電路輸出的影響
 
根據(jù)上圖作者選擇了聚苯乙烯電容器,減少環(huán)境變化引起的測(cè)量誤差。
 
振動(dòng)傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)及分析
圖四隔離電壓放大電路設(shè)計(jì)
 
因?yàn)殡姾煞糯笃鞯碾妷狠敵龇秶c后續(xù)AC/DC變換器的輸入范圍不一致,所以采用電壓放大電路來(lái)調(diào)節(jié)電壓,使U02輸入電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓信號(hào)U03。
 
作者利用高階低通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理,抑制噪聲信號(hào)和有效信號(hào)的混疊。作者將常見(jiàn)的濾波器: Butterworth濾波器、橢圓函數(shù)濾波器、Bessel型濾波器等進(jìn)行了對(duì)比,最終選擇了LTC1569濾波器,因?yàn)槠鋬?yōu)良的相頻特性而且信號(hào)在帶內(nèi)的輸出延遲與通帶的線性相位特性基本相同。由LTC1569組成的低通濾波器的直流偏置輸出偏差較小,通帶具有線性相位特性,可以保護(hù)信號(hào)不失真,保證信號(hào)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。
 
振動(dòng)傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)及分析
圖五低通濾波器
 
雖然LTC1569濾波器可以提供高質(zhì)量的濾波器特性,但芯片濾波原理是基于開(kāi)關(guān)電容效應(yīng),在輸出端產(chǎn)生高頻開(kāi)關(guān)噪聲,通過(guò)增加一個(gè)開(kāi)關(guān)噪聲對(duì)開(kāi)關(guān)噪聲進(jìn)行濾波通過(guò)添加一個(gè)二級(jí)低通濾波器后LTC1569濾波器。
 
振動(dòng)傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)及分析
圖六濾除開(kāi)關(guān)噪聲前后波形的比較
 
2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
 
包含振動(dòng)信號(hào)調(diào)理電路的測(cè)量系統(tǒng)首先將壓電傳感器與調(diào)幅電路連接起來(lái),以驗(yàn)證調(diào)諧電路的正確性,通過(guò)線性擬合標(biāo)定的測(cè)量系統(tǒng)得到的正弦掃描實(shí)驗(yàn)圖像如下:
 
振動(dòng)傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)及分析
圖七壓電傳感器正弦掃頻曲線
 
利用信號(hào)發(fā)生器對(duì)調(diào)理電路測(cè)試進(jìn)行掃描,得到了如圖八所示的信道頻率響應(yīng)曲線:
 
振動(dòng)傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)及分析
圖八頻率響應(yīng)曲線
 
用標(biāo)準(zhǔn)電荷發(fā)生器作為電荷源模擬振動(dòng)傳感器的輸出,并將其連接到測(cè)量電路上,計(jì)算理論電壓值,所測(cè)電壓與理論值基本一致,調(diào)理電路的測(cè)量誤差小于1%,能夠滿足振動(dòng)信號(hào)測(cè)量精度的要求,并能準(zhǔn)確地測(cè)量振動(dòng)信號(hào)。
 
3、 總結(jié)
 
本文以壓電傳感器為研究對(duì)象,詳細(xì)介紹了傳感器等效電路和調(diào)節(jié)電路,并對(duì)調(diào)節(jié)電路關(guān)鍵部件的電容和濾波器進(jìn)行了分析和研究,給出了作者所考慮范圍內(nèi)的合理解決方案,并對(duì)該方案進(jìn)行了測(cè)試,獲得的數(shù)據(jù)具有較高的精度,所采集的振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)為該電路的可靠性與實(shí)用性提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。
 
 
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