基于压电加速度计速度测量信号调理电路设计

1、课 程 设 计 报 告 题目 基于单片机的压电加速度传感器 低频信号采集系统的设计 2014-2015 第二学期 专业班级 2012级电气5班 姓 名 赵 倩 学 号 201295014196 指导教师 马 鸣 教学单位 电子电气工程学院 2015年 7月 6日课 程 设 计 任 务 书1设计目的： 掌握电子系统的一般设计方法和设计流程；并完成加速器低频信号的理论设计。 掌握应用电路的multisim等软件对所设计的电路进行仿真，通过仿真结果验证设计的正确性，完成电路设计。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：压电式加速度传感器作为一种微型传感器，其输出信号比较微弱，通

2、常为几十个毫伏或几百个微伏。所以有必要对其输出电压进行信号调理。主要包括电源模块、放大模块、滤波模块等组成。3设计工作任务及工作量的要求： （1）查阅相关资料，完成系统总体方案设计； （2）完成系统硬件设计； （3）对所设计的电路进行仿真； （4）按照要求撰写设计说明书；一、压电式加速度传感器的概要4二、信号采集系统的总设计方案5三、信号采集系统分析61、电荷转换部分:62、适调放大部分63、低通滤波部分:74、输出放大部分75、积分器部分：8四、单片机软件设计8五、Multisim仿真分析101仿真电路图102.仿真波形及分析11六、误差分析111、连接电缆的固定112、接地点选择123、湿

3、度的影响124、环境温度的影响12七、改进措施12六、心得体会12七、参考文献13前言 在数据采集领域，NI作为虚拟仪器技术的开创者和领导者，也是基于PC的数据采集产品的领导者，为用户提供了最为广泛的数据采集设备选择。但配备NI公司的数据采集硬件及软件比较昂贵，并且对于本文中在实验室进行的压电加速度传感器信号的采集，其输出模拟量为缓变低频信号，采用总线型。 压电式加速度传感器是以压电原材料为转换元件，输出与加速度成正比的电荷或电压量的装置。由于它具有结构简单、工作可靠等性能，目前已成为冲击振动测试技术中使用广泛的一种传感器。世界各国作为量值传递标准的高频和中频基准的标准加速度传感器，都是压电式

4、的。本文基于上述特点对压电加速度传感器低频信号进行了分析，同时在参阅大量文献资料的情况下设计了基于单片机的压电加速度传感器低频信号的采集系统。基于单片机的压电加速度传感器低频信号采集系统的设计一、压电式加速度传感器的概要 压电式加速度传感器是一种典型的自发式传感器，又称压电加速度计，它也属于惯性式传感器。它是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的电压效应为转换原理的传感器。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。其主要电路由五部分组成，分别为电荷转换部分，适调放大部分，低通滤波部

5、分，高通滤波和同相放大部分与积分器部分。 压电加速度传感器的组成框图如图1所示，原理如图2所示。弹性辅助电源测量电路转换元件待测加速度输出信号图1 加速度传感器的组成框图压电元件质量块输出引线支座图2 压电加速度传感器原理图实际测量时，将图中的支座与待测物刚性地固定在一起。当待测物运动时，支座与待测物以同一加速度运动，压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性力的作用，在晶体的两个表面上产生交变电荷。当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷与作用力成正比。电信号经前置放大器放大，即可由一般测量仪器测试出电荷大小，从而得出物体的加速度。 低频信号采集系统是以低频信号的测量为主，具有较强

6、通用性的，比较完整的低成本、高性能测试系统。在硬件结构上，它主要由单片机、A/D转换器、采样保持器、多路开关和PC机组成。在软件结构上，它主要由多路信号采集、数字滤波、采样频率调整、PC机与单片机通讯、数据实时动态显示和数据处理及保存等程序模块组成。二、信号采集系统的总设计方案对数据采样过程采集时域信号，而计算机只能处理数字信号，故需要将用调理器和转换器来进行信号转换。具体转换过程：压电加速度传感器输出的是信号非常小的电荷信号，这种信号需要经过信号调理电路对其进行放大且滤波处理，实现电荷信号和电压信号的转换，并过滤掉干扰信号，因为计算机只能处理数字信号所以经由A/D转换器转换成数字信号。再经过

7、相关过程送及上位机，最后由LaVIEW软件读取、转换和显示信号。信号调理器传感器 震动 结果输出显示信号分析与处理信号采集与控制硬件系统框图 3单片机TTL-RS-232电平转换计算机（LaVIEW）A/D转换电路信号调理电路压电加速度传感器具体的采集系统的总体构成如图4图4：采集系统的总体结构 在进行数据采样过程中，采集的一半为时域信号，而计算机是对数字信号进行处理的，故需要将信号经过各种调理器和转换器来转变成数字信号。具体转换过程图4种可以看出：压电加速度传感器输出的为电荷信号，因为信号非常小，所以需要经过信号调理电路放大且滤波转换成可以测量的电压信号，并将一部分干扰信号滤波过滤，再经由A

8、/D转换器，将模拟信号转变成计算机可以处理的数字信号。三、信号采集系统分析1、电荷转换部分:电荷转换部分是整个电荷放大器的核心部分，这部分的作用是将压电传感器的输出电荷信号Q转换成电压信号V。它是由运算放大器和反馈网络组成，同时为了保证电路的增益,反馈电容不能太大,考虑到压电加速度传感器的输出电荷量,反馈电容Cf一般不超过10000PF,但是反馈电容也不可以选的太小,一般Cf不小于100PF。电路如图5所示：图5：电荷转换部分电路原理图 参数确定：C1=220nF，C2=20pF,R1=2K,R2=2K。放大器供电电源为：±15V。2、适调放大部分这部分的作用是当被测非电量(加速度或

9、速度)一定时,用不同灵敏度的传感器去测量时,有相同的输出,以便处理记录下来的图形和数据。其电路原理图如图6所示： 图6：适调放大电路原理图 假定传感器的电荷灵敏度Sq=Qi/g,电荷转换部分的增益为Kq=Vi/Qi,适调部分的增益为Ki=Vo/Vi,则总的传递系数为三者的乘积:3、低通滤波部分:压电加速度传感器的幅频特性的高频段有一个很高的共振峰,因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。由于滤波器的阻抗频率特性没有随频率而极具改编的谐振性能,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

10、有一定的增益。我们采用的是二阶RC有源滤波器,其电路原理图如图7所示:图7：低通滤波部分电路原理图4、输出放大部分：这部分电路包括两个部分：高通滤波和同相电压放大。当Rf一定时，在切换增益档位时，电流直流放大倍数变化很大，输出零点跳动较大，并且为了减少直流漂移影响，所以在低通滤波器后面又加了一个高通滤波器，将滞留部分去掉。本设计的高通滤波器由一阶RC电路和运算放大器组成，其电路原理图如图8所示： 图8：输出放大部分电路原理图5、积分器部分： 压电加速度计的输出信号是代表加速度信号电压信号,将加速度电压信号积分后,会得到速度电压信号。我们用积分器实现这一功能，无源RC积分电路衰减大，频率范围较窄

11、，积分误差大，一般采用运算放大器组成的有源积分电路。四、单片机软件设计 单片机程序采用汇编语言编写，主要包括初始化程序“MAIN:和中断服务子程序“INTO”。程序流程图如图10所示: 图10：程序流程图 “MAIN“初始化主程序主要用来对单片机的串行通信初始化和定时中断初始化。串行通信初始化包括波特率，串口工作方式的初始化；定时中断初始化包括定时器的初始化和开中断。对于本文所用51单片机，需要对定时器工作方式控制寄存器TMOD和串行控制寄存器SCON进行设置。 中断服务子程序“Into“包括数据采集模块”RD-AD“和数据传输模块”SEND“，根据TLC2543的顺序，在时钟的下降沿开始数据

12、采集。 下面给出初始化程序段和中断服务程序段：MAIN: MOV TMOD,#21H ; MOV TH1,#OFDH ; MOV TL1,#OFDHMOV SCON,#50H ; SETB TR1 MOV TH0,#OECHMOV TL0,#078HSETB TROSETB ETOSETB EASJMP $INTO: MOV TH0,#OECHMOV TL0,#078HAC ALL ADACALL SENDRETIAD: MOV R7, #8 CLR CS CLR CK NOP SEYB CK NOP NOP CLR CK NOP NOP SETB CK NOP NOPLOOP: CLR CK

13、 MOV C, DO RLC A SETB CK NOP NOP DJNZ R7,LOOP SETB CS MOV R5,A RETSEND: MOV A,R5MOV SBUF,AL2: JNB T1,L2CLK TIRETEND五、Multisim仿真分析1仿真电路图仿真电路图如图11所示：图11:仿真电路原理图2.仿真波形及分析输入信号为方波，仿真波图形如图12所示：图12：仿真波形图仿真结果显示，输出波形为三角波，即输出输入满足积分运算关系。当输入信号为正弦信号，波形图如图13所示：图13：仿真波形图仿真结果显示，输出波形也为正弦波，相位超前输入90度，即输出输入满足积分运算关系。六、误

14、差分析1、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。2、接地点选择当电荷放大器与压电加速度传感器，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。3、湿度的影响 环境湿度对压电式传感器性能的影

15、响也很大。如果其长期在高湿度的环境下工作，其绝缘电阻将会减小，低频响应变坏。因此本设计的传感器尽量不要工作在高湿度的环境下。4、环境温度的影响环境温度的变化对压电材料的压电系数和介电常数的影响都很大，它将使传感器灵敏度发生变化。人工极化的压电陶瓷受温度的影响比石英的大的多，当温度低于400°C时，其压电系数和介电常数都很稳定。七、改进措施由于上述磁电式速度传感器存在响应频率范围小，机械运动部件容易损坏，传感器质量大造成附加质量大等缺点，近年发展了，压电式速度传感器，即在压电式加速度传感器的基础上，增加了积分电路，实现了速度输出。同样，这种传感器也全部实现了内置，具有替换磁电式速度传感器的趋向。六、心得体会课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，通过这次课程设计，让我更加深刻了解课本知识，和以往对知识的疏忽得以补充，也培养了我如何去做一件事情，在设计过程中，与同学相互探讨