[發明專利]一種PVDF壓電傳感器應變測量電路調理裝置

在審

• 申請號: 202211031890.3
• 申請日: 2022-08-26
• 公開（公告）號: CN115560662A
• 公開（公告）日: 2023-01-03
• 發明（設計）人: 徐超;姜迪午;杜飛
• 申請（專利權）人: 西北工業大學太倉長三角研究院
• 主分類號: G01B7/16
• 分類號: G01B7/16
• 代理公司: 蘇州市港澄專利代理事務所(普通合伙) 32304
• 代理人: 趙維達

本申請公開了一種PVDF壓電傳感器應變測量電路調理裝置，包括粘貼于待測結構上的PVDF智能傳感模塊(I)，以及集成于同一印刷電路板中并依次連接設置的輸入信號調理模塊(II)、電荷轉電壓模塊(III)、后級電信號放大去噪模塊(IV)、輸出信號保護模塊(V)，所述PVDF智能傳感模塊(I)產生輸入電荷信號時通過所述輸入信號調理模塊(II)后經過所述電荷轉電壓模塊(III)后進入所述后級電信號放大去噪模塊(IV)并通過所述輸出信號保護模塊(V)進入其它數據采集設備或者裝置中。本發明旨在準確測量被測結構準靜態與低頻范圍內應變信息，實現結構關鍵部位的健康監測。

技術領域

本申請涉及壓電傳感器測量技術領域，特別涉及一種PVDF壓電傳感器應變測量電路調理裝置。

背景技術

PVDF(聚偏二氟乙烯)壓電傳感器，由于其具有優良的壓電效應、抗老化、耐化學藥品、耐氣候、耐紫外線等優良的特性，能適用于較惡劣環境下使用，目前其在應變測量方向展現出巨大的應用前景。PVDF壓電傳感器響應時間快、測量頻率范圍大，在動態高頻應變測量應用居多，由于PVDF壓電傳感器輸出電荷留存時間太短，限制了其在低頻或者準靜態頻率范圍內應變測量的應用。所以需要一種PVDF壓電傳感器應變測量電路調理裝置，使PVDF在準靜態狀態下應變測量成為可能，目前市面上乃至實驗室此類調理電路裝置以大時間常數下的電荷放大器居多。

目前現有的電荷放大器普遍存在測量信號質量差，噪聲大，輸出靈敏度較低等問題，使得測量結果誤差大。例如，Emad Alnasser提出了一種較低偏置電流影響的可以實現較低頻率下應用的電荷放大器，但他的最低截止頻率只能達到0.2Hz，對于結構準靜態測量頻率遠遠不夠，另外對于降噪性能并未有過多的考慮(E.Alnasser,A Novel Low OutputOffset Voltage Charge Amplifier for Piezoelectric Sensors,in IEEE SensorsJournal,vol.20,no.10,pp.5360-5367,15May15,2020,doi:10.1109/JSEN.2020.2970839.)。周凌波等在實驗中所用的電荷放大器通過時間常數調整，可以實現基本靜態測量，但其使用的通用型電荷放大器輸出靈敏度低且沒有考慮降噪處理(周凌波,胡志寬,孫玉東,段勇吳江海.(2021).水錘沖擊過程的準靜態測量方法及其不確定度分析..(eds.)第十八屆船舶水下噪聲學術討論會論文集(pp.1127-1134).)。

發明內容

本發明的目的在于提供一種PVDF壓電傳感器應變測量電路調理裝置，旨在準確測量被測結構準靜態與低頻范圍內應變信息，實現結構關鍵部位的健康監測。具體為采用四個運算放大器實現電荷信號的調理，前一級電路主要由兩個電荷放大器構成，其目的主要是實現PVDF輸出電荷信號轉換成可以進行測量采集的電壓信號，并且由于其對稱設計，在相同配置的情況下，其輸出靈敏度是常規單電荷放大器調理電路的兩倍，提高了測量靈敏度。在PVDF輸入端分別串聯兩個小容值電容器，減少了由于PVDF絕緣電阻不夠而造成的電壓漂移。后一級電壓放大電路，采用對稱結構的負反饋電壓放大設計，通過調整反饋電阻阻值改變可以實現輸出電壓放大倍數的調整，以滿足不同工程材料結構應變信息測量的需求，對稱的結構設計可以抑制進入電路的共模噪聲信號以及工頻噪聲，大大提高了采集信號質量。通過調整電荷放大器兩端反饋電容器容值，便可以實現微弱電荷的檢測效果。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案。

本申請實施例公開了一種PVDF壓電傳感器應變測量電路調理裝置，包括粘貼于待測結構上的PVDF智能傳感模塊(I)，以及集成于同一印刷電路板中并依次連接設置的輸入信號調理模塊(II)、電荷轉電壓模塊(III)、后級電信號放大去噪模塊(IV)、輸出信號保護模塊(V)，所述PVDF智能傳感模塊(I)產生輸入電荷信號時通過所述輸入信號調理模塊(II)后經過所述電荷轉電壓模塊(III)后進入所述后級電信號放大去噪模塊(IV)并通過所述輸出信號保護模塊(V)進入其它數據采集設備或者裝置中，