加速度上限报警电路设计--课程设计论学士学位论文.doc

本科生课程设计（论文） 辽 宁 工 业 大 学信号变换综合设计 课程设计（论文）题目： 加速度上限报警电路设计 课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：测控技术与仪器学 号学生姓名专业班级测控102班设计题目加速度上限报警电路设计课程设计（论文）任务设计任务：采用加速度传感器设计一个报警电路，可应用于闸门、生产机械等环境报警等。设计放大滤波和输出控制电路等信号处理电路；进行电路仿真；或进行电路板焊接，电路板完成后采用万用表检测输出电压值即可。技术要求:选择合适的压电式加速度传感器，要求电荷灵敏度至少为10000pC/g, g为重力加速度。设计电荷-电压变换电路，把加速度信号转换成为合适的电压信号。加速度的测量范围为0.1g，设计电压比较器，加速度的传感器信号与给定的报警上限0.05g相比较，如果大于0.05g，则报警。报警电路采用声光报警。说明书要求:1.格式规范，符合学校要求；2.说明书中应有加速度报警电路设计方法比较与方案论证，电路原理及具体的实现方案、电路器件型号、参数等；自行设计，焊接电路板3.硬件电路应由protel绘制；不能采用单片机设计。4.按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，详细阐述系统的设计过程，字数应在4000字以上。工作计划1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的设计要求。（2天）2、选择相应传感器、设计硬件电路图。（2天）3、计算器件参数、选择元器件型号绘制硬件电路图。（3天）4、仿真调试或硬件电路焊接、调试。（2天）5、撰写、打印设计说明书、答辩。（1天）指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 指导教师签字： 总成绩： 年 月 日 注：成绩：平时40% 论文质量40% 答辩20% 以百分制计算 摘要随着近几年我国电子技术的不断发展，许多原先的高端电子产品也逐渐步入人们的生活。现在价格低廉的压电式传感器得到了很大的普及。原本用于加速度上限报警器的传感器也进入了人们的生活安全保障中,在保护各方面安全工作中起着至关重要的作用。本次设计的加速度上限报警器能够应用于闸门、生产机械等环境报警等。压力变化，电压随即变化，依据此特性用它来作为压力加速度上限传感器的开关电路。一旦闸门的积水过深，超过它承受的力度，电压就会变化，电路就会报警。避免发生意外，造成不可挽回的损失。 本文介绍了一种基于压电式加速度传感器的电荷放大器的设计及优化。为了增加传感器测量的灵活性本实验在传统电荷放大电路的基础上增加了三运放增益电路，根据不同的测量需要可以进行调整，以达到提高性价比的目的。关键字： 压电加速度传感器， 三运放电路， 放大增益电路，电荷放大电路 目录第1章 绪论11.1 设计背景11.2 本次课设设计要求2第2章 方案论证32.1 任务分析32.2 常用加速度传感器32.3 目前常见的压电加速度振动测量系统3第3章 电路设计63.1 总体设计框图63.2 压电加速度传感器等效电路63.3.三运放高共模抑制比放大电路83.4 反相器93.5低通滤波电路10第4章 调试与仿真134.1仿真电路图13第5章 课程设计总结15参考文献16附录17附录18 1 第1章 绪论1.1 设计背景 随着现代科学技术的迅猛发展，非电物理量的测量与控制技术，已越来越广泛地应用于航天、航空、常规武器、船舶、交通运输、冶金、机械制造、化工、轻工、生物医学工程、自动检测与计量等技术领域，而且也正在逐步引入人们的日常生活中。可以说测试技术与自动控制技术水平的高低是科学技术现代化程度的重要标志，科学技术上很多新的发现和突破，都是以实验测试为基础的。现代工业和自动化生产过程中，非电物理量的测量和控制技术会涉及大量的动态测试问题。所谓动态测试是指量的瞬时值以及它随时间而变化的值的确定，也就是被测量为变量的连续测量过程。自1976年动态测试问题被列入第七界国际计量技术联合会大会的议程以来，动态测试受到各国的重视，取得了很大的进展，己经成为计量学的一个独立分支。它以动态信号为特征，研究了测试系统的动态特性问题，研究了测试系统的动态校准理论与技术问题，从而使计量单位量值能够向动态测试系统传递。过去三十年来，不论国际还是国内，振动、冲击、噪声工程都获得了突飞猛进的发展，动态测试技术日新月异，其中冲击和振动的精确测量技术显得尤其重要。振动与冲击测量的核心是传感器，对于冲击和振动信号的获取，最常见的是用压电加速度传感器，压电加速度传感器又称压电加速度计或压电加速度表，由于加速度传感器的发明，使振动与冲击测量逐渐在工业界获得广泛应用。它是一种高度发展了的仪器。世界各国作为量值传递标准的高频和中频振动基准的标准加速度传感器就是压电式加速度传感器。由此可见，质量优良的压电加速度传感器在精度、长时间稳定性等方面都是有独到之处的。最早的加速度传感器于1938年在电阻应变计发明后不久就研制成功，并于1940年开始在航空和土木等工程中获得应用。压电加速度计优点很多，如压电晶体弹性模量大，能自主产生动态范围广阔的电信号，而且谐振贫率高、使用频带宽、灵敏度高、信噪比高、体积小、重量轻、安装简单、结构简单、工作可靠、适用于各种恶劣环境等优点，现在己经广泛应用于航空、航天、兵器、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测试、信号分析、振动校准、机械动态实验等中，特别是在航空和宇航领域中更是有它的特殊地位。压电加速度计于40年代末，50年代初开始大规模生产，并广泛应用于各个工业领域，很快成为振动、冲击测量中的主角。最早和目前主要的振动、冲击传感器生产厂家有:丹麦的B&K(1943年)、瑞士的Kistler(1944年，并于1954年在美国设分厂)，美国的Endevco (1947年), Wilcox (1960年)和PCB(1967年)，在我国则有扬州无线电厂，北京测振仪器厂，北戴河无线电厂等(20世纪70 80年代)。1.2 本次课设设计要求 本次课设采用加速度传感器设计一个报警电路，可应用于闸门、生产机械等环境报警等。设计放大滤波和输出控制电路等信号处理电路。 第2章 方案论证2.1 任务分析 针对任务要求：采用加速度传感器设计一个报警电路，可应用于闸门、生产机械等环境报警等。设计放大滤波和输出控制电路等信号处理电路；进行电路仿真；2.2 常用加速度传感器 方案一：压力式加速度 压电加速度传感器采用具有压电效应的压电材料做基本元件，是以压电材料受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。这些压电材料当沿着一定方向对其施力而是他变形时内部就产生极化现象，同时在它的两个相对的表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电的状态；当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。输出电荷与作用力成正比。电信号经前置放大电路，即可由一般测量仪器测试出电荷大小，从而得出物体的加速度。 方案二：电阻应变式加速度传感器 其基本原理是：物体运动的加速度与作用在它上面的力成正比，即。结合本次实际情况和各种方案的特点:采用加速度传感器设计一个报警路，可应用于闸门、生产机械等环境报警等。设计放大滤波和输出控制电路等信号处理电路；进行电路仿真；或进行电路板焊接，电路板完成后采用万用表检测输出电压值即可。所以采用第一种方案。2.3 目前常见的压电加速度振动测量系统 现在的自动测量系统中，各个组成部分常常以信息流的过程来划分。一般可以分为:信息的获得，信息的转换，信息的显示、信息的处理。作为一个完整的非电量电测系统，也包括了信息的获得、转换、显示和处理等几个部分。因为它首先要获得被测量的信息，把它变换成电量，然后通过信息的转换，把获得的信息变换、放大，再用指示仪或记录仪将信息显示出来，有的还需要把信息加以处理。因此非电量电测系统，具体来说，一般包括传感器(信息的获得)、测量电路(信息的转换)、放大器、指示器、记录仪(信息的显示)等几部分有时还有数据处理仪器(信息的处理)它们间的关系可用图2.1的框图来表示。 指示仪器 记录仪器 传感器 测量电路被测量 数据处理仪器 图2.1 测试系统的组成其中 传感器(Transducer)是一个把被测的非电物理变换成电量的装置，因此是一种获得信息的手段，它在非电量电测系统中占有重要的位置。它获得信息的正确与否，直接影响到整个测量系统的测量效果。测量电路的作用是把传感器的输出变量变成易于处理的电压或电流信号，使信号能在指示仪上显示或在记录仪中记录。测量电路的种类由传感器的类型而定。压电加速度传感器常用的测量电路是电荷放大器。常用的压电加速度传感器的动态测量系统如图2.2所示:数据处理器记录器电荷放大器加速度传感器被测非电量校准设备 图2.2 压电加速度传感器动态测量系统 压电加速度传感器可以看作是一个能产生电荷的高内阻发电元件。但是此电荷量很小，不能用一般的测量电路来进行测量，因为一般的测量电路的输入阻抗总是较小的，压电片上的电荷通过测量电路时会被输入电阻迅速泄漏引入测量误差，影响测量效果。如果压电加速度传感器没有与之配套的测量电路一起配合使用，那么压电加速度传感器的广泛应用就会受到非常大的限制。因此，压电加速度传感器测量电路的研究及其硬件实现就显得非常重要。现在最常用的压电加速度传感器的测量电路就是电荷放大器，所谓电荷放大器是负反馈放大器的一种，能得到与输入电荷成比例的电压输出。它的特点之一就是使传感器的灵敏度和电缆长度无关，电缆可长达几千米，而在被测对象附近只有一个小的传感器。这对使用者来说非常方便。但是现在的电荷放大器电路都比较复杂，机器价格都比较高，性价比不是很理想，这些原因都严重影响了压电加速度传感器的广泛使用，所以研制一种性价比较高的、实用的电荷放大器就非常的有必要。 本设计中采用压电式加速度传感器。先通过传感器将电荷进转换为电压，在经过三运放放大电路，滤波电路得到输出信号，从而实现加速度上限报警作用。 第3章 电路设计3.1 总体设计框图总体设计如图3.1所示:归一放大电路电荷转换电路低通滤波电路积分电路模拟电路输出过载指示S1 控制电路S2 图3.13.2 压电加速度传感器等效电路压电式加速度传感器属于惯性式传感器，工作原理是以某些物质的压电效应为基础，在加速度计受振时，加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比，可以把被测的非电物理量加速度转化为电量。由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。为此，通常器信号选用电荷放大器作为电信号的测量电路。 图3.1（压电式加速度传感器等效电路图）电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。由压电式加速度传感器、电缆、电荷放大器组成。电荷放大器等效电路如图3.2所示: 图3.2（电荷放大器等效电路）上图中C为反馈电容，K为运算放大器的放大倍数，Q为压电传感器产生的总电荷，Ca、Ra为传感器的电容量和绝缘电阻，Cc为传输电缆电容量，Ci、Ri为放大器的输入电容和输入电阻。它的作用能把传感器的输出变量变成易于处理的电压电流信号。加速度的测量最后就可用电压信号来显示，经过电路的参数变换和计算，加速度计输出电压信号与被测物理量之间关系式： (3-1) 因为电荷放大器是高增益放大器，即K1，则有 (3-2)一般情况下（1+K）CF C， (3-3)又电荷灵敏度为 (3-4) 灵敏度单位是pc/ms2或pc/g由上述公式可得到电荷放大器输出电压与加速度之间的关系式为 (3-5)（式中电荷灵敏Sq度一般取小的数值，反馈电容参数CF范围一般100-10000pF）。上式表明加速度a与输出电压信号U成正比，与反馈电容CF成反比，而且受电缆电容的影响很小，这是电荷放大器的一个主要优点。由以上分析可以通过压电式加速度传感器跟电荷放大器组成测量系统而测得振动的加速度。3.3.三运放高共模抑制比放大电路 图3.5所示电路是目前广泛应用的三运放高共模抑制比放大电路。它由三个集成运算放大器组成，其中A1，A2为两个性能一致的同相输入通用集成运算放大器，构成平衡对称差动放大输入级，N3构成双端输入单端输出的输出级，用来进一步抑制A1，A2的共模信号，并适应接地负载的需要。 图3.3 其差模增益 (3-6) (3-7)选3，所以，为1K; 总共需要放大30倍。所以，为2K;，为20K。3.4 反相器 反相放大电路的基本形式如图3.4所示，其输入阻抗等于R7，闭环增益为 （3-8）其电压增益为1倍。 图 3.4 3.5低通滤波电路压电加速度传感器是一个弱阻尼的振动系统,因此它的幅频特性的高频段有一个很高的共振峰,此峰值严重地引起了高频噪声,并对输入信号产生失真和干扰。为此,需在放大器中采用低通滤波器,以补偿传感器引起的高频幅频特性.另外,在某些振动测试中,电荷放大器的通频带有时远远高于实际的需要,而无用的高频带的存在对低频测试只会带来坏的影响,所以在系统中就非常有必要采用低通滤波器,他只能让低频交流分量通过,使无用的高频分量受到较大的衰减。滤波器种类很多,有LC的,也有RC的,又分为有源和无源的.无源的RC低通滤波器具有线路简单,抗干扰性强,有较好的低频范围工作性能等优点,并且体积较小,成本较低,所以在系统中被广泛采用.但是,由于他的阻抗频率特性没有随频率而极具改编的谐振性能,故选择欠佳,为了克服这个缺点,在RC网络上加上运算放大器等有源元件,组成有源RC低通滤波器.有源RC低通滤波器在通带内不仅可以没有衰减,还可以有一定的增益.因为我们测量的信号频率不是很高,所以我们采用的是二阶RC有源滤波器,其特点是简单,易调节,其电路原理图如下: 图3.5 由压控电压源型低通滤波器的传函式（3-9）知其固有频率和增益分别为式（3-10）和式（3-11）。 （3-9） (3-10) (3-11) 由于本次设计中，传感器输出信号无需放大，仅需滤除信号中所带的工频干扰和相应的低频信号，参数选择图3.1中各元件标注。经计算，传递函数为 (3-12) 固有角频率为 （3-13）截止频率为 （3-14） 增益 （3-15） 故选用的R10，R11阻值为100，功率为0.25W的电阻。C1，C2为47F的电容。此时的固有角频率由式（3-13）即可求出，截止频率根据式（3-14）即能得到。R12，R13构成低通滤波器的增益部分，由于传感器输出的电压幅值已经足够大了，故设置增益为1，选用的R12为100K，R13为10，由式（3-14）知，增益近似为1。 第4章 调试与仿真本次设计电路图运用目前比较流行的Protel 99 SE，因此仿真也使用该软件，其具备仿真功能。运用其参数扫描分析功能可以方便的实现检测到电压的变化造成电路的变化。仿真软件运用了直流，交流电源，3个运算放大器，14个纯电阻与2个电容。仿真电路图如图4.1所示：4.1仿真电路图 图4.2 波形仿真图 图4.2 为由三运放高共模抑制比放大电路，反相器电路，二阶低通滤波电路组成的复合电路的仿真波形图。由于三运放高共模抑制比放大电路误差小，精密度高，该仿真波形图体现了经二阶低通滤波电路滤过后，原来有噪音，不平滑的波形变成平滑的波形，符合课设的要求。 第5章 课程设计总结 在课程设计中，我们学习到了很多的东西： 首先，怎么样去查阅资料，收集与课设要用的有关的知识。其次，要完成一件工作，还得专心致志才行，细心耐心。第三，遇到困难要冷静，要多想解决办法，多尝试。本次研究设计的压电式加速度传感器采用了通用电子元件，利用压电式传感器，三运放高共模抑制比放大电路，反相器，二阶低通滤波电路实现加速度上限压力传感器报警器功能。通过这次实验，我们也进一步熟悉电荷放大，二阶滤波电路的原理与特点，同时也基本掌握了如何用用滤波电路来滤除干扰信号。而且让我们了解了压力加速度传感器的工作机理。 加速度上限报警器是本次课程设计中原理比较简单的一个，但是它的组成部分多，组成电路复杂，出现问题后分析起来比较困难，所以我们养成了完成一个部分就调试检验一个部分，确保正确才进行下一步工作。 参考文献1 潘永雄，沙河.电子线路CAD实用教程.第四版.西安电子科技大学出版社2 陈尚松，郭庆，黄新.电子测量与仪器.第三版.电子工业大学出版社3 张国雄，李醒飞.测控电路.第四版.机械工业出版社4 高西全，丁玉美，阔永红.数字信号处理.第二版.电子工业大学出版社5 单成祥. 传感器的理论与设计基础及其应用.国防工业出版社6 叶伟国. 压电式加速度传感器的结构改进与设计.沈国伟.绍兴文理学院出 版设7 刘迎春，叶湘滨.传感器原理设计与应用.编著国防科技大学出版社8 王琦. 电阻应变式称重传感器的设计J.木材加工机械9 施昌彦.称重传感器计量规程J.试验技术与试验机 附录 附录元件清单列表序号名称符号规格个数1电容C147uf12电容C247uf13电阻R01K14电阻R11K15电阻R21K16电阻R32K17电阻R42K18电阻R520K19电阻R620K110电阻R72K111电阻R81K112电阻R92K113电阻 R10100114电阻R11 100115 电阻R12100K116电阻R1310117运算放大器ALCL402318