传感器课设加速度传感器.doc

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压电式加速度传感器电荷放大电路仿真

摘要

现代工业和自动化生产过程中，设备的冲击和振动信号通常采用压电加速度传感器来获取，然后需经电荷放大器对传感器输出的电荷信号进行电荷—电压转换，方可用于后续的方大、处理，因此电荷放大器是必不可少的二次仪表。但传统的电荷放大器电路设计存在设计复杂、价格较高、性价比不理想，严重影响了压电加速度的广泛使用。
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转换电路的基础上增加了放大增益选择电路，根据不同的测量需要可以进行智能调整，以达到提高性价比的目的。

关键字：压电加速度传感器 电荷转换电路 增益选择电路 低通滤波电路

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目录

第一章 电路结构设计思路
设计框图 ----------------------------------------------------------------------------------2
第二章 电路原理及理论分析
2.1压电加速度传感器介绍-------------------------------------------------------------2
2.2压电加速度传感器等效电路-------------------------------------------------------4
第三章 实验电路设计
3.1电路整体设计 ------------------------------------------------------------------------6
3.2各部分电路设计 --------------------------------------------------------------------7
第四章 Multisim仿真及分析
4.1仿真电路图 -------------------------------------------------------------------------10
4.2仿真波形及分析 -------------------------------------------------------------------11
第五章 实验原件的选择
5.1电荷转换电路原件的选择----------------------------------------------------------13
5.2增益选择电路原件的选择----------------------------------------------------------13
第六章 误差分析
6.1 连接电缆的固定----------------------------------------------------------------------13
6.2 接地点的确定-------------------------------------------------------------------------13

参考文献 ------------------------------------------------------------------------------------13

第一章 电路结构设计思路

总体设计框图如下：

第二章 电路原理和理论分析
一、压电加速度传感器介绍：
压电式传感器的工作原理是基于压电效应，是一种典型的有源传感器。某些介质材科在外力的作用下,在电介质的表面上产生电荷.从而实现非电量的转换。
在传统的压电加速度传感器中.几乎都用石英,仅有少数传感器可能用Rochdk盐。现在这些仪器中增加了具有铁电材料的极化陶瓷的传感器.这些材料有钛酸钡和其衍生物.在少数情况下用ADR各种石英型传感器通常都是大而重，因而对频率上限的限制很大：它们常和直流放大器一道使用，其第一级是绝缘电阻尽可能高的瑜入电路。Rochcllc盐型传感器尽管灵敏度高.但是因为在大多数实际运用的情况下其温度和湿度极隈太低.因而其应用范围受到了限制。

1、传统加速度传感器的结构
图1显示了传统的加速度传感器的结构.它具有两块X切向石英晶体,若对畕体施加压力则在中心电极上产生的电荷是叠加的，由环状弹賛施加的机槭顶载必须比预期沿向上方向所施最大加速度力要大。晶体的两外表面与壳罩相连因而处于低电位.此传感器具有0.62pC/g的输出，并在15kHz左右发生最低频率谐振。两晶体的电容仅有几个pF.从而与任一长度的电缆电容相比均可忽略不计。传感器重约250~300 g, 可用螺栓固定=加上电缆.若总电容是500 pF.则开路输出电压是

图1（用环状弹簧加载具有两石英晶片的加速度传感器）
这种传感器适合于测量中等的和高值的加速度.除非采用极短的电缆。

2、对传统速度传感器的结构改进及设计
图2表示了基于同样原理制作的传感器，但其灵敏度更高，其惯性质量增大，晶堆由11)个晶片并联组成，可产生约SU pOg的电荷输出。最低谐振频率是1 5LNJH;.此外，若设总电容为500 pF,则电压输出是160 mV/g.因此像地球引力的几分之一那样小加速度都可以容易地被测量出来，

图2（具有10个晶片的高灵敏度加速度传感器）
只是频率要达到300Hz才行。在制作石英晶堆特别是用的晶体圆片数量很多时，必须精心保证各晶片表面的平行：横向灵敏度必须用精确的、强度足够的定向弹簧来控制。在取向时.如果用单个圆晶片，应该注意的是晶片上）轴的方向，要设法按这样的方式安置它们，即在晶片上由于惯性力引起的横向灵敏度可以被抵消。尽管这种加速度传感器尺寸和重量较大，但在民用工程和地质的地面震动测量等方面应用仍较广泛。
图3是一个理论上具有横向i吴差补偿的加速度传感器，其

图3（孪生型加速度传感器示意图）
中两个独立的惯性系统这样安置在让纵向加速度力（沿传感H 轴向）引起叠加的输出，而如果晶体的）轴指向同一方向，由横向力引起的输出则互相抵消。由空气传来的声压输出也是由于这种安排而得到补偿。但是.这两个独立的振动系统的谐振频率之间有拍频的危险.而且由于两个系统相似.所以拍频频率很低且必然落在传感器有用的频段之内。
通过以上叠加和差分的方法可有效地提高传感器的测量精度。

二、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4（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下:

图5（电荷放大器等效电路）

上图中CF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：

因为电荷放大器是高增益放大器，即K>>1，一般情况下（1+K）CF >>C，则有

又电荷灵敏度为

灵敏度单位是　pc/ms^2　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

（式中电荷灵敏Sq度一般取小的数值，反馈电容参数CF范围一般为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。
第三章 实验电路设计
一、电路整体设计

图6（电荷转换电路整体设计图）

电荷转换整体电路由两级电路组成，第一级为电荷转换电路，将传感器输出的电荷量转换为电压量；第二级为增益选择电路，根据前一级输出的电压值选择合适的增益便于后续电路处理。两级之间由继电器相连，当继电器的控制端赋予不同的高低电平时，常开和常闭触点进行切换，形成不同的反馈回路。
在第一级电路中C2(C3)和R2（R3)组成反馈回路，R2(R3)使得电路的输出呈现阻尼很小的阻尼震荡。由上一章分析可知，压电测量系统中，被测物理量的下限频率由反馈电容CF(这里指图中的C2和C3)和反馈电阻RF(图3-4中的R2和R3)决定，在CF一定
的情况下，要保证低的下限截止频率，反馈电阻RF就必须特别大，实验中电荷转换电路的反馈电阻最大取为1G。R4用于平衡从运算放大器输入端看上去的电阻，C1用于减小压电传感器因为绝缘电阻不够高而带来的零漂，Cl的选取一般为Cl>10CF，它对电路的积分常数并无影响。
由于整个电路的失调电压及漂移与第一级(电荷转换)有密切关系，电路的放大倍数主要由第一级决定。第二级的漂移和失调电压对整个电路的作用大大降低，但其共模抑制比CMRR对整个电路CMRR的影响很大。根据第二级在电路中承担的作用，第二级选用价格低廉性能优越的低漂移集成运放TL062。TL062是一个内部集成两个运算放大器的芯片，输入失调电压Vos=3mV，输入失调电流Ios=5pA，输入偏置电压IB=30pA，共模抑制比CMRR=86dB。
第二级电路主要是针对前级输出的不同大小的电压值设计的增益控制电路。单片集成化的程控放大器价格昂贵并且放大倍数无法自行定义，当需要较高的增益时，必须多级串联，使得电路造价过高。吸收传统电荷放大器手动切换增益的特点，用单片机控制继电器来选择通道，构成可编程电荷增益控制电路，克服了传统电荷放大器容易发生误动作，干扰大等难以克服的缺点。这里选择继电器切换增益的原因是，相比较模拟开关继电器的最大优点是静态特性和动态特性都很好，通道未被选择时绝缘电阻可达到100M，导通电阻特性接近于0(毫欧级)，在小信号下保证通道选择正确而且对放大器的影响可以忽略不计；继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系，它的控制电源和信号电源可以完全隔离，有利于消除干扰，提高直流放大精度。本文选用的继电器是电磁继电HRS2H-S-DC5V，与单片机的电源电压一致，容易控制。选用继电器的缺点是需要设计驱动电路。

二、各部分电路设计
各部分电路的设计及参数参数选择

1、 电荷转换电路

2、 增益选择电路

3、 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7（低通滤波部分电路原理图）
参数确定：C4=50nF，C5=100nF,R7=10KΩ,R8=10KΩ.
放大器供电电源为：±5V。
令R1=R7,R2=R8,C2=C4,C1=C5,流过R7的电流为I1(自右向左),流过R8的电流为I2(自右向左),流过C5的电流为I3（自右向左）流过C4的电流为I4(自下而上),可列出回路方程为:

联立解以上五个方程可得电路的传递函数：

当K=1时，传递函数为：

由特征方程同样可得线路固有角频率和阻尼系数：

适当选择参数，可以使电路工作在临界阻尼状态。在临界时，ζ=0.707，此时传递函数为：

在此电路中，我们选择了三个限截止频率，分别为1KHz，10KHz和100KHz，为了保证在切换上限截止频率时ζ值不变，我们选择了C1=2C2=100Nf,R1=R2=R,代入前面公式：

第四章、Multisim仿真及分析
1．仿真电路图

2．仿真波形及分析
（1）输入为正弦波是输出波形：

输出为也为正弦波，相角落后90度。
（2）输入为脉冲波时输出的波形：

第五章 实验原件的选择：
一、电荷转换电路实验原件的选取：
电荷转换电路是整个电荷放大器的核心部分，因此实验元件的选取就是电荷放大器电路设计的关键。从电荷放大器的基本原理的分析可知，要想在低频下，电路对压电传感器的输出有响应，理想情况下这部分电路的输入电阻应该无穷大。一般输入级多采用场效应晶体管，输入阻抗可以达到10次方Ω。现在随着集成电路的发展，已出现集成了高阻抗输入级的运放，输入阻抗可达到12次方Ω以上。高阻运放的出现使得在输入级可以不用再采用由场效应管组成的高阻电路来提升输入阻抗，这就简化了这部分电路的设计和调试，提高了这部分电路的集成度和性能，降低了设计成本。
前几章对电荷放大器的理论推导中，基于的最基本条件就是运放具有高增益和高输入阻抗。电荷放大器的下限频率为Fl=l／2πRFCF，CF由输出电压及输入电荷范围确定。当CF一定时，要得到低频响应特性好的电路，理论上反馈电阻越大越好，但是偏置电流限制了反馈电阻不能过大，即运放选择时还要求具有非常小的偏置电流。输入电流经过估算为nA级，芯片的偏置电流应比它低一个数量级，考虑选择一款偏置电流为pA级的运算放大器。
BB公司生产的OPAl28集成芯片采用了最新集合形状的介质隔离场效应管输入级，
所以其偏置电流极小(<0．075PA)，输入阻抗极高，其共模输入阻抗达15次方Ω。常规的场效应管输入型运放，其栅极与衬底之间采用了隔离PN结，为防止该PN结因过流而损坏，常需要在输入端引入保护措施，而OPAl28因采用了介质隔离工艺，一般不需
要专门的保护。另外由于该芯片采用了低噪声共源—共栅放大电路及有关的低噪声工
艺，因而能放大极微弱的信号且其闪变噪声也相当小。综合上述特点，选用OPAl28作为电荷放大电路的核心原件。

二、增益选择电路的原件选取：
由于整个电路的失调电压及漂移与第一级(电荷转换)有密切关系，电路的放大倍数主要由第一级决定。第二级的漂移和失调电压对整个电路的作用大大降低，但其共模抑制比CMRR对整个电路CMRR的影响很大。根据第二级在电路中承担的作用，第二级选用价格低廉性能优越的低漂移集成运放TL062。TL062是一个内部集成两个运算放大器的芯片，输入失调电压Vos=3mV，输入失调电流Ios=5pA，输入偏置电压IB=30pA，共模抑制比CMRR=86dB。
第六章 误差分析
一、连接电缆的固定
连接的电缆虽然是低噪音电缆，但若固定不当，也会产生一些噪音，电缆的机械运动会引起电缆电容和电荷的变化，主要是低频噪音，所以在实验室时应在传感器近端，把电缆固定，使电缆在传感器近端尽可能平直。

二、 接地点的确定
当电荷放大器、压电加速度传感器、记录仪器组成测试系统时，往往由于接地点选择不当，引入很大的干扰，严重时使测量无法进行。其原因是各点地电位不相等，如果在不同接触点与连接电缆间形成对地的回路电流，此电流就形成了一个干扰源。因此测量系统最好只有一个接地点。接地点位置的选择往往需要用实测方法决定，但一般来说最好选在记录和读出装置上。

参考文献

《传感器的理论与设计基础及其应用》单成祥 国防工业出版社

《压电式加速度传感器的结构改进与设计》叶伟国 沈国伟 绍兴文理学院

《传感器原理设计与应用》 刘迎春 叶湘滨 编著国防科技大学出版社

《一种用于涡街流量计的差分电荷放大器的研制》刘三山 徐科军 朱志海 合肥工业大学

《基于orACD的电荷灵敏前置放大器仿真设计》刘良军 南华大学

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