1
、控製電路設計

 

壓(ya)電(dian)加(jia)速(su)度(du)計(ji)獲(huo)得(de)的(de)衝(chong)擊(ji)和(he)振(zhen)動(dong)信(xin)號(hao)需(xu)要(yao)用(yong)電(dian)荷(he)放(fang)大(da)器(qi)進(jin)行(xing)放(fang)大(da)和(he)處(chu)理(li)，為(wei)了(le)研(yan)究(jiu)出(chu)一(yi)種(zhong)一(yi)種(zhong)經(jing)濟(ji)實(shi)用(yong)的(de)電(dian)荷(he)放(fang)大(da)器(qi)，作(zuo)者(zhe)利(li)用(yong)集(ji)成(cheng)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)芯(xin)片(pian)代(dai)替(ti)大(da)量(liang)分(fen)立(li)器(qi)件(jian)進(jin)行(xing)優(you)化(hua)設(she)計(ji)
，並(bing)設(she)計(ji)了(le)相(xiang)應(ying)的(de)濾(lv)波(bo)電(dian)路(lu)

 

1.1壓電傳感器等效電路

 

圖一壓電傳感器的等效電路

 

壓(ya)電(dian)傳(chuan)感(gan)器(qi)是(shi)基(ji)於(yu)壓(ya)電(dian)效(xiao)應(ying)設(she)計(ji)的(de)
，敏(min)感(gan)元(yuan)件(jian)由(you)壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao)製(zhi)成(cheng)

，一(yi)旦(dan)受(shou)到(dao)外(wai)力(li)作(zuo)用(yong)，壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao)表(biao)麵(mian)就(jiu)會(hui)產(chan)生(sheng)一(yi)些(xie)弱(ruo)電(dian)荷(he)。當(dang)壓(ya)電(dian)傳(chuan)感(gan)器(qi)在(zai)敏(min)感(gan)軸(zhou)方(fang)向(xiang)受(shou)迫(po)時(shi)，在(zai)兩(liang)個(ge)電(dian)極(ji)上(shang)產(chan)生(sheng)極(ji)性(xing)相(xiang)反(fan)的(de)電(dian)荷(he)，這(zhe)兩(liang)個(ge)電(dian)極(ji)相(xiang)當(dang)於(yu)一(yi)個(ge)電(dian)荷(he)源(yuan)(靜電發生器)。經過化簡後得到如下等式：

 

 

由上式可知，時間常數τ越大
，電荷泄漏越慢，傳感器的測量誤差越小。傳感器和信號輸入應保持高絕緣電阻
，以防止快速泄漏引起的電荷測量誤差。

 

1.2電荷電壓轉換電路

 

圖二電荷電壓轉換電路

 

運算放大器的輸出電壓範圍為0.738~1.758 V。為了避免電容器C1長期充電
，使集成操作飽和，必須在電容器C1並聯連接電阻R2。另外一個重要作用是引入直流負反饋，有效地抑製集成運算放大器引起的輸入偏置電壓。係統測試的低截止頻率為f=1/2πR2C1，輸入信號的截止頻率為0.1Hz，電阻為R2=10mΩ。運算放大器逆變輸入的電阻R1在保護電路和限製電流中起主要作用。反饋電容C1的主要功能是將傳感器產生的電荷信號轉換為電壓信號，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。

 

圖三不同材料反饋電容的溫度特性對開關電路輸出的影響

 

根據上圖作者選擇了聚苯乙烯電容器，減少環境變化引起的測量誤差。

 

圖四隔離電壓放大電路設計

 

因為電荷放大器的電壓輸出範圍與後續AC/DC變換器的輸入範圍不一致，所以采用電壓放大電路來調節電壓，使U02輸入電壓轉換成交流電壓信號U03。

 

作者利用高階低通濾波器對信號進行進一步處理，抑製噪聲信號和有效信號的混疊。作者將常見的濾波器： Butterworth濾波器、橢圓函數濾波器、Bessel型濾波器等進行了對比，最終選擇了LTC1569濾波器
，因為其優良的相頻特性而且信號在帶內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
，可以保護信號不失真
，保證信號測量結果的準確性。

 

圖五低通濾波器

 

雖然LTC1569濾lv波bo器qi可ke以yi提ti供gong高gao質zhi量liang的de濾lv波bo器qi特te性xing，但dan芯xin片pian濾lv波bo原yuan理li是shi基ji於yu開kai關guan電dian容rong效xiao應ying，在zai輸shu出chu端duan產chan生sheng高gao頻pin開kai關guan噪zao聲sheng
，通tong過guo增zeng加jia一yi個ge開kai關guan噪zao聲sheng對dui開kai關guan噪zao聲sheng進jin行xing濾lv波bo通tong過guo添tian加jia一yi個ge二er級ji低di通tong濾lv波bo器qi後houLTC1569濾波器。

 

圖六濾除開關噪聲前後波形的比較

 

2
、實驗結果與分析

 

包(bao)含(han)振(zhen)動(dong)信(xin)號(hao)調(tiao)理(li)電(dian)路(lu)的(de)測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)首(shou)先(xian)將(jiang)壓(ya)電(dian)傳(chuan)感(gan)器(qi)與(yu)調(tiao)幅(fu)電(dian)路(lu)連(lian)接(jie)起(qi)來(lai)，以(yi)驗(yan)證(zheng)調(tiao)諧(xie)電(dian)路(lu)的(de)正(zheng)確(que)性(xing)，通(tong)過(guo)線(xian)性(xing)擬(ni)合(he)標(biao)定(ding)的(de)測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)得(de)到(dao)的(de)正(zheng)弦(xian)掃(sao)描(miao)實(shi)驗(yan)圖(tu)像(xiang)如(ru)下(xia)：

 

圖七壓電傳感器正弦掃頻曲線

 

利用信號發生器對調理電路測試進行掃描，得到了如圖八所示的信道頻率響應曲線：

 

圖八頻率響應曲線

 

用yong標biao準zhun電dian荷he發fa生sheng器qi作zuo為wei電dian荷he源yuan模mo擬ni振zhen動dong傳chuan感gan器qi的de輸shu出chu，並bing將jiang其qi連lian接jie到dao測ce量liang電dian路lu上shang，計ji算suan理li論lun電dian壓ya值zhi
，所suo測ce電dian壓ya與yu理li論lun值zhi基ji本ben一yi致zhi

，調tiao理li電dian路lu的de測ce量liang誤wu差cha小xiao於yu1%，能夠滿足振動信號測量精度的要求
，並能準確地測量振動信號。

 

3

、 總結

 

benwenyiyadianchuanganqiweiyanjiuduixiang，xiangxijieshaolechuanganqidengxiaodianluhetiaojiedianlu，bingduitiaojiedianluguanjianbujiandedianronghelvboqijinxinglefenxiheyanjiu，geichulezuozhesuokaolvfanweineidehelijiejuefangan
，bingduigaifanganjinxingleceshi
，huodedeshujujuyoujiaogaodejingdu，suocaijidezhendongxinhaoshujuweigaidianludekekaoxingyushiyongxingtigonglekekaodeshujuzhichi。

 

 

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