[發明專利]低頻壓電加速度傳感器電荷放大及采集系統

無效

• 申請號: 201410201600.4
• 申請日: 2014-05-13
• 公開（公告）號: CN103954794A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發明（設計）人: 郭來功;歐陽名三
• 申請（專利權）人: 安徽理工大學
• 主分類號: G01P15/09
• 分類號: G01P15/09
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種電荷放大及采集系統，具體涉及一種低頻、壓電陶瓷式加速度傳感器的電荷放大及采集系統。

背景技術

壓電加速度傳感器可以看成一個產生電荷的高內阻發電元件。壓電元件受到質量塊與加速度相反方向的慣性力的作用，在晶體的兩個表面上產生交變電荷，但是電荷量很小，一般的測量電路的輸入阻抗較小，壓電片上的電荷通過測量電路時會被輸入電阻迅速泄漏引入測量誤差，測量效果很差。如果壓電加速度計沒有與之配套的采集電路一起配合使用，那么壓電加速度傳感器的廣泛應用就會受到非常大的限制。因此，與之配套的放大、采集電路的研究及其硬件實現對壓電加速度傳感器的使用、推廣起著極其重要的作用。

目前最常用的壓電加速度傳感器的前端調理電路就是電荷放大器，它能得到與輸入電荷成比例的電壓輸出，然后對放大的電壓信號進行采集，得到加速度信息。它的特點是使傳感器的靈敏度和電纜長度無關，電纜可長達幾千米，而在被測對象附近只有一個小的傳感器。這對使用者來說非常方便。但是現在的電荷放大器電路都非常復雜，價格都比較高，性價比不很理想，這些因素都嚴重影響了壓電加速度傳感器的廣泛使用。所以研制一種性價高的、實用的電荷放大、采集電路就非常的有必要。

針對上述情況，本發明對傳感器的調理電路做了深入的研究。針對目前各種測量電路的缺點，提出一種簡單、穩定的電荷放大及采集系統。采用價格低廉的基本運放，運用“正反饋+負反饋”的思想提高放大電路的輸入電阻和穩定性。供電電路與信息傳輸電路復合，只需兩根傳輸線即可得到較大的加速度電流信息，且傳輸距離更遠。對電流信息進行高精度采集，減少量化誤差，確保數據的精確。

發明內容

本發明提供一種壓電式加速度傳感器的電荷放大及采集系統，通過使用正反饋+負反饋的方式，用很少原件實現高輸入阻抗的電荷放大功能和電流采集系統，在較小成本的情況下，實現高穩定性和高精確度的加速度信號采集。

高穩定性壓電加速度傳感器的電荷放大及采集系統包括電荷轉換電壓部分，電壓放大部分，供電部分，電流輸出部分，信號采集部分。

所述電荷轉換電壓部分，將壓電陶瓷產生的微弱電荷轉換為一個低內阻的電壓源，其核心為集成運放A1，A1可采用高輸入阻抗運算放大器?？紤]壓電陶瓷傳輸線距離、加速度信號頻率和輸出電壓范圍，反饋電容的取值在220PF-0.22μF之間選取。為了提高負反饋效果，達到100HZ以下的下限截止頻率，需要較高的反饋電阻；為了使用較精確的低值電阻代替很大的反饋電阻，由電阻R1，R2，R3組成T型網絡代替反饋電阻。為了提高電荷放大器的輸入阻抗，保證對微弱電荷的采集，在電荷放大器中引入交直流共存的電壓并聯正反饋，反饋電阻為R4。

所述電壓放大部分采用集成運算放大器實現，引入串聯電壓負反饋實現放大，由于前級的輸出電阻較小，為了保證有適當的放大倍數，反饋電阻取值在50KΩ-100KΩ之間。

所述供電部分采用電阻分壓的方法。為了減少傳輸線，信號線與電源線共用。輸入電壓正端直接接運放正電壓端，經兩個等值電阻后接負電壓端，兩個電阻之間接運算放大器的正輸入端。

所述電流輸出部分用晶體管實現。偏置電路可調，調整電阻RB可控制輸出電流范圍。集電極和發射極直接接電壓輸入，為了防止電壓接反，可并聯二極管作為保護。

所述信號采集部分首先將輸出電流轉換為電壓，經過LC低通濾波器，然后用高精度A/D轉換器將加速度信號轉換為數字信號。為了提高轉換精度，減少量化誤差，A/D轉換器的位數在20位以上，為了減少器件連接引腳，可采用串行方式輸出。

由于本發明采用以上技術方案，通過正反饋+負反饋的方式解決輸入阻抗不高的問題，同時供電部分和電流輸出部分的簡化，使得系統結構簡單，可靠性高，價格低廉，很好的解決了現有加速度傳感器信號采集系統電路復雜，性價比不高的問題。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明及其特征和優點將會變得更明顯。在全部附圖中相同的標記指示相同的部分。附圖中一些原件的參數可以改變，對傳感器電荷的采集效果略有不同。

圖1為低頻壓電加速度傳感器電荷放大及采集系統；包括電荷轉換部分，電壓放大部分，電源部分，電流輸出部分，濾波部分和A/D轉換部分。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步的說明：

發明提供的壓電式加速度傳感器的電荷放大及采集系統如附圖所示。