压电式加速度传感器放大电路设计

SouthwestUniversityofScienceandTechnology信息工程学院本科课程设计报告西南科技大学信息工程学院制2019年01月课程名称:电子技术课程设计设计题目:加速度传感器放大电路设计专业班级:。。。学生姓名:。。。学生学号:。。。指导教师:。。。教师职称:。。。起止日期:2019.1.7-2019.1.17学生邮箱:。。。西南科技大学《电子技术课程设计》任务书专业班级。。。学生姓名。。。学号。。。设计题目加速度传感器放大电路设计设计任务书设计要求：1．完成大致方案设计，并合理选择器件。2．根据器件类型设计出合理的测量电路，并实现电路基本功能。3．实物焊接并调试完成。4．撰写设计方案、以及详细实现过程。交稿形式：手写稿；打印稿；软件；图纸；其他指导教师签名：年月日学生签名：年月日学生日志与师生见面情况时间完成工作进展情况或交流情况师生见面时间地点2019.1.7分配题目。。。2019.1.8进行设计准备。。。2019.1.9设计硬件电路。。。2019.1.10进行电路分析。。。2019.1.11完成仿真电路。。。2019.1.12准备元器件。。。2019.1.13开始焊接。。。2019.1.14请教电路疑问。。。2019.1.15完成实物，并调试。。。2019.1.16完成实验及实验报告。。。学生签名：年月日西南科技大学信息工程学院《电子技术课程设计》综合评价表专业班级。。。学生姓名。。。学号。。。设计题目加速度传感器放大电路设计过程评分（占总分比例为40%）评价环节课程目标指标点分值合格得分小计设计方案目标1文献阅读，方案比较与方案设计。106~10设计水平任务完成目标2应用基本原理与技术，展示的设计水平；软硬件设计、实验或仿真设计与分析、技术指标完成情况、工作量。2012-20学习意识目标5自主学习能力、按时完成设计。106~10同意答辩；不同意答辩。指导教师签名：年月日设计报告评分（占总分比例为30%）评价环节课程目标指标点分值合格得分小计设计方案设计能力目标1理论与实践的结合情况，设计的合理性；应用所学知识解决问题的能力。2012~20报告质量目标3报告撰写、文字、图表及格式的规范性。106~10评阅教师签名：年月日答辩评分（占总分比例为30%）评价环节课程目标指标点分值合格得分小计任务验收目标2软硬件设计或仿真实验完成度，指标完成情况。2012~20答辩目标4陈述效果、回答问题情况；论文文字表述、逻辑性、图表规范性。106~10答辩小组成员签名：年月日总评成绩（三项评分和）备注说明：（1）评分说明：优：90-100；良：80-89；中：70-79；及格：60-69；不及格：60。（2）优秀率：控制在总人数的15-20%之内，并且宁缺毋滥。（3）课程教学目标根据大纲需求进行调整。1加速度传感器放大电路设计摘要：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。本设计采用LM358P芯片对压电式加速度传感器的输出信号进行放大，通过电路的仿真设计与调试以及实际电路板的焊接,验证了该电路的可行性和可靠性。通过设计，掌握了电路设计的基本方法与技能，达到了课程设计的目的。关键词：放大电路加速度传感器LM358P2第1章设计任务分析与设计方案选择传感器是人们生活中常见的电子器件，而加速度传感器更是运用在生活的方方面面，本设计作为加速度传感器的放大电路，主要功能是将加速度传感器输入的脉冲信号进行放大后输出。方案设计将简单介绍部分原件以及加速度传感器的选择运用。综合比较多种加速度传感器，综合运用所学知识设计电路，完成设计要求。1.1设计任务分析本设计为压电式加速度传感器放大电路设计，其核心在于收集采样信号和信号放大两个方面。信号的输入需要选择合适的传感器，信号放大也需要相应的电荷放大器。本次课程设计的难点在于输入信号的产生与采集。输入信号的采集过程中会出现大量的杂波信号干扰信号的采集，如何排除干扰，采集到我需要的输入信号是本次课程设计的难点。1.2设计方案选择常用的加速度传感器有压电式传感器、压阻式传感器、电容式传感器。考虑到本设计所需要的灵敏度较高，且操作方便，材料易得，故选用压电式加速度传感器，以下是三种传感器的优劣分析。1.2.1压电式加速度传感器压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块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。压电式加速度传感器是基于压电晶体的压电效应工作的。某些晶体在一定方向上受力变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去除后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为“压电效应”，具有“压电效应”的晶体称为压电晶体。常用的压电晶体有石英、压电陶瓷等。这种传感器一般都具有测量频率范围宽、量程大、体积小、重量轻、结构简单坚固、受外界干扰小以及产生电荷信号不需要任何外界电源等优点，它最大的缺点是不能测量零频率信号。1.2.2压阻式加速度传感器压阻式传感器的敏感芯体为半导体材料制成电阻测量电桥来实现测量加速度信号，这种传感器的频率测量范围和量程也很大，体积小重量轻，但是缺点也很明显，就是受温度影响较大，一般都需要进行温度补偿。压阻式加速度传感器的输出阻抗低，输出电平高，内在噪声低，对电磁和静电干扰的敏感度低，所以易于进行信号调理。它对底座应变和热3瞬变不敏感，在承受大冲击加速度作用时零漂很小。压阻式加速度传感器的一个最大优点就是工作频带很宽，并且频率响应可以低到零频（直流响应），因此可以用于低频振动的测量和持续时间长的冲击测量，如军工冲击波试验。压阻式加速度传感器的灵敏度通常比较低，因此非常适合冲击测量，广泛用于汽车碰撞测试、运输过程中振动和冲击的测量、颤振研究等。1.2.3电容式加速度传感器电容式传感器中一般有个可运动质量块与一个固定电极组成一个电容，当受加速度作用时，质量块与固定电极之间的间隙会发生变化，从而使电容值发生变化。它的优点很突出，灵敏度高、零频响应、受环境（尤其是温度）影响小等，缺点也同样突出，主要是输入输出非线形对应、量程很有限以及本身是高阻抗信号源，需后继电路给予改善。1.2.4伺服式加速度传感器伺服式加速度传感器是一种闭环测试系统，具有动态性能好、动态范围大和线性度好等特点。其工作原理，传感器的振动系统由m-k”系统组成，与一般加速度计相同，但质量m上还接着一个电磁线圈，当基座上有加速度输入时，质量块偏离平衡位置，该位移大小由位移传感器检测出来，经伺服放大器放大后转换为电流输出，该电流流过电磁线圈，在永久磁铁的磁场中产生电磁恢复力，力图使质量块保持在仪表壳体中原来的平衡位置上，所以伺服加速度传感器在闭环状态下工作。由于有反馈作用，增强了抗干扰的能力，提高测量精度，扩大了测量范围，伺服加速度测量技术广泛地应用于惯性导航和惯性制导系统中，在高精度的振动测量和标定中也有应用。1.3总体方案经方案研究，最终确定为采用LM358P芯片构成同相放大器，将同相放大器并联电容过滤衰减干扰波，减小由干扰波带来的误差。给同相放大器加一个大电阻构成电压放大器，对压电式加速度传感器进行信号放大，最后将放大后的输出信号与加速度传感器的输入信号用示波器显示出来，对比波形，分析数据。4第2章硬件电路设计方案设计完毕以后，接下来是实际电路的选择设计。硬件电路不同于仿真电路，合理的选择实际的元器件是实验能否成功的决定性因素。将理论值改为实际值，将理论分析改为实践分析。考虑到元器件的价格等方面，使用简单方便的电路或元器件代替不可实现的仿真器件是每个设计者的必修课。2.1放大电路放大电路亦称为放大器，它是使用最为广泛的电子电路之一、也是构成其他电子电路的基础单元电路。所谓放大，就是将输入的微弱信号(简称信号，指变化的电压、电流等)放大到所需要的幅度值且与原输入信号变化规律一致的信号，即进行不失真的放大。只有在不失真的情况下放大才有意义。本设计中可用到电荷放大器或电压放大器对传感器输入信号进行放大。2.1.1电荷放大器压电传感器与电荷放大器的连接电路如图：图2-1电荷放大器在理想运放条件下，图中R和C两端电压均为0，即流过电流为0，因此电荷源电流全部流过2Z，即FF//CR。故有：(2-1)5电荷放大器输出电压与输入电荷之间的转换关系为式中可见电荷放大器输出电压与输入电荷之间的转换关系具有一阶高通滤波特性，其转换灵敏度为即可见电荷放大器输出电压0U与压力传感器所受力也具有一阶高通滤波特性，其转换灵敏度为由此可见，在采用电荷放大器的情况下，灵敏度只取决于反馈电容FC，而与电缆电容cC无关，因此在更换电缆或需要使用较长电缆时，无需重新矫正灵敏度。在电荷放大器的实际电路中，灵敏度的调节可采用切换FC的办法。通常FC在100~10000pF之间选择。为了减小零漂，提高放大器工作的稳定性，一般在反馈电容的两(2-2)(2-3)(2-4)(2-5)(2-6)6端并联一个大电阻FR，约141010~10，其功用是提供直流负反馈。电荷放大器的时间常数FFCR相当大，下限截至频率低达Hz103-6，上限高达100kHz，输入阻抗大于1210，输出阻抗小于100，因此压电式传感器配用电荷放大器时，低频响应比配用电压放大器好得多，可对准静态的物理量进行有效的测量。上式中不能为0，所以不论采用电压放大还是电荷放大，压电式传感器都不能测量频率太低的的被测量，特别是不能测量静态参数。因此压电传感器多用来测量加速度和动态力或压力。2.1.2电压放大器压电传感器与电压放大器的连接电路如图所示：图2-2电压放大器图中电压放大器输入电压为式中电压放大器增益为输出电压为jwwKCiKQUU010jwwCQjwcRQjwcRIiU0111jw1RCw10RRK211(2-7)(2-8)(2-9)(2-10)7输出电压与输入电荷之间的转换关系为由式可见电压放大器输出电压与输入电压之间的转换关系具有一阶高通滤波特性，其转换灵敏度为即由式可见为扩展传感器工作频带的低频端，须减小0，据式就应增大C或增大R，但增大C会降低灵敏度，所以一般采取增大R，应配置输入电阻R1很大的前置放大器。连接电缆电容cC改变会引起C改变，进而引起灵敏度改变，所以当更换传感器连接电缆时必须对传感器进行标定，这是采用电压放大器的一个弊端。2.2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.jwwKCQKUQU01i02000)(11||CKQUQU2000)(11||CKdFUFU(2-11)(2-12)(2-13)8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,2.3Multisim仿真在初步分析好电路后，我采用Multisi