加速度上限报警电路设计课程设计论文

本科生课程设计（论文）辽宁工业大学信号变换综合设计课程设计（论文）题目：加速度上限报警电路设计

课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：测控技术与仪器学号学生姓名专业班级测控102班设计题目加速度上限报警电路设计课程设计（论文）任务设计任务：采用加速度传感器设计一个报警电路，可应用于闸门、生产机械等环境报警等。设计放大滤波和输出控制电路等信号处理电路；进行电路仿真；或进行电路板焊接，电路板完成后采用万用表检测输出电压值即可。技术要求:选择合适的压电式加速度传感器，要求电荷灵敏度至少为10000pC/g,g为重力加速度。设计电荷-电压变换电路，把加速度信号转换成为合适的电压信号。加速度的测量范围为～0.1g，设计电压比较器，加速度的传感器信号与给定的报警上限0.05g相比较，如果大于0.05g，则报警。报警电路采用声光报警。说明书要求:1.格式规范，符合学校要求；2.说明书中应有加速度报警电路设计方法比较与方案论证，电路原理及具体的实现方案、电路器件型号、参数等；自行设计，焊接电路板3.硬件电路应由protel绘制；不能采用单片机设计。4.按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，详细阐述系统的设计过程，字数应在4000字以上。工作计划1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的设计要求。（2天）2、选择相应传感器、设计硬件电路图。（2天）3、计算器件参数、选择元器件型号绘制硬件电路图。（3天）4、仿真调试或硬件电路焊接、调试。（2天）5、撰写、打印设计说明书、答辩。（1天）指导教师评语及成绩平时：论文质量：答辩：指导教师签字：总成绩：年月日注：成绩：平时40%论文质量40%答辩20%以百分制计算摘要随着近几年我国电子技术的不断发展，许多原先的高端电子产品也逐渐步入人们的生活。现在价格低廉的压电式传感器得到了很大的普及。原本用于加速度上限报警器的传感器也进入了人们的生活安全保障中,在保护各方面安全工作中起着至关重要的作用。本次设计的加速度上限报警器能够应用于闸门、生产机械等环境报警等。压力变化，电压随即变化，依据此特性用它来作为压力加速度上限传感器的开关电路。一旦闸门的积水过深，超过它承受的力度，电压就会变化，电路就会报警。避免发生意外，造成不可挽回的损失。本文介绍了一种基于压电式加速度传感器的电荷放大器的设计及优化。为了增加传感器测量的灵活性本实验在传统电荷放大电路的基础上增加了三运放增益电路，根据不同的测量需要可以进行调整，以达到提高性价比的目的。关键字：压电加速度传感器，三运放电路，放大增益电路，电荷放大电路目录TOC\o"1-2"\h\u12675第1章绪论 第1章绪论1.1设计背景随着现代科学技术的迅猛发展，非电物理量的测量与控制技术，已越来越广泛地应用于航天、航空、常规武器、船舶、交通运输、冶金、机械制造、化工、轻工、生物医学工程、自动检测与计量等技术领域，而且也正在逐步引入人们的日常生活中。可以说测试技术与自动控制技术水平的高低是科学技术现代化程度的重要标志，科学技术上很多新的发现和突破，都是以实验测试为基础的。现代工业和自动化生产过程中，非电物理量的测量和控制技术会涉及大量的动态测试问题。所谓动态测试是指量的瞬时值以及它随时间而变化的值的确定，也就是被测量为变量的连续测量过程。自1976年动态测试问题被列入第七界国际计量技术联合会大会的议程以来，动态测试受到各国的重视，取得了很大的进展，己经成为计量学的一个独立分支。它以动态信号为特征，研究了测试系统的动态特性问题，研究了测试系统的动态校准理论与技术问题，从而使计量单位量值能够向动态测试系统传递。过去三十年来，不论国际还是国内，振动、冲击、噪声工程都获得了突飞猛进的发展，动态测试技术日新月异，其中冲击和振动的精确测量技术显得尤其重要。振动与冲击测量的核心是传感器，对于冲击和振动信号的获取，最常见的是用压电加速度传感器，压电加速度传感器又称压电加速度计或压电加速度表，由于加速度传感器的发明，使振动与冲击测量逐渐在工业界获得广泛应用。它是一种高度发展了的仪器。世界各国作为量值传递标准的高频和中频振动基准的标准加速度传感器就是压电式加速度传感器。由此可见，质量优良的压电加速度传感器在精度、长时间稳定性等方面都是有独到之处的。最早的加速度传感器于1938年在电阻应变计发明后不久就研制成功，并于1940年开始在航空和土木等工程中获得应用。压电加速度计优点很多，如压电晶体弹性模量大，能自主产生动态范围广阔的电信号，而且谐振贫率高、使用频带宽、灵敏度高、信噪比高、体积小、重量轻、安装简单、结构简单、工作可靠、适用于各种恶劣环境等优点，现在己经广泛应用于航空、航天、兵器、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测试、信号分析、振动校准、机械动态实验等中，特别是在航空和宇航领域中更是有它的特殊地位。压电加速度计于40年代末，50年代初开始大规模生产，并广泛应用于各个工业领域，很快成为振动、冲击测量中的主角。最早和目前主要的振动、冲击传感器生产厂家有:丹麦的B&K(1943年)、瑞士的Kistler(1944年，并于1954年在美国设分厂)，美国的Endevco(1947年),Wilcox(1960年)和PCB(1967年)，在我国则有扬州无线电厂，北京测振仪器厂，北戴河无线电厂等(20世纪7080年代)。1.2本次课设设计要求本次课设采用加速度传感器设计一个报警电路，可应用于闸门、生产机械等环境报警等。设计放大滤波和输出控制电路等信号处理电路。第2章方案论证2.1任务分析针对任务要求：采用加速度传感器设计一个报警电路，可应用于闸门、生产机械等环境报警等。设计放大滤波和输出控制电路等信号处理电路；进行电路仿真；2.2常用加速度传感器方案一：压力式加速度压电加速度传感器采用具有压电效应的压电材料做基本元件，是以压电材料受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。这些压电材料当沿着一定方向对其施力而是他变形时内部就产生极化现象，同时在它的两个相对的表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电的状态；当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。输出电荷与作用力成正比。电信号经前置放大电路，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。方案二：电阻应变式加速度传感器其基本原理是：物体运动的加速度与作用在它上面的力成正比，即。结合本次实际情况和各种方案的特点:采用加速度传感器设计一个报警路，可应用于闸门、生产机械等环境报警等。设计放大滤波和输出控制电路等信号处理电路；进行电路仿真；或进行电路板焊接，电路板完成后采用万用表检测输出电压值即可。所以采用第一种方案。2.3目前常见的压电加速度振动测量系统现在的自动测量系统中，各个组成部分常常以信息流的过程来划分。一般可以分为:信息的获得，信息的转换，信息的显示、信息的处理。作为一个完整的非电量电测系统，也包括了信息的获得、转换、显示和处理等几个部分。因为它首先要获得被测量的信息，把它变换成电量，然后通过信息的转换，把获得的信息变换、放大，再用指示仪或记录仪将信息显示出来，有的还需要把信息加以处理。因此非电量电测系统，具体来说，一般包括传感器(信息的获得)、测量电路(信息的转换)、放大器、指示器、记录仪(信息的显示)等几部分有时还有数据处理仪器(信息的处理)它们间的关系可用图2.1的框图来表示。指示仪器指示仪器记录仪器记录仪器传感器测量电路被测量传感器测量电路数据处理仪器数据处理仪器图2.1测试系统的组成其中传感器(Transducer)是一个把被测的非电物理变换成电量的装置，因此是一种获得信息的手段，它在非电量电测系统中占有重要的位置。它获得信息的正确与否，直接影响到整个测量系统的测量效果。测量电路的作用是把传感器的输出变量变成易于处理的电压或电流信号，使信号能在指示仪上显示或在记录仪中记录。测量电路的种类由传感器的类型而定。压电加速度传感器常用的测量电路是电荷放大器。常用的压电加速度传感器的动态测量系统如图2.2所示:数据处理器记录器电荷放大器加速度传感器数据处理器记录器电荷放大器加速度传感器被测非电量校准设备校准设备图2.2压电加速度传感器动态测量系统压电加速度传感器可以看作是一个能产生电荷的高内阻发电元件。但是此电荷量很小，不能用一般的测量电路来进行测量，因为一般的测量电路的输入阻抗总是较小的，压电片上的电荷通过测量电路时会被输入电阻迅速泄漏引入测量误差，影响测量效果。如果压电加速度传感器没有与之配套的测量电路一起配合使用，那么压电加速度传感器的广泛应用就会受到非常大的限制。因此，压电加速度传感器测量电路的研究及其硬件实现就显得非常重要。现在最常用的压电加速度传感器的测量电路就是电荷放大器，所谓电荷放大器是负反馈放大器的一种，能得到与输入电荷成比例的电压输出。它的特点之一就是使传感器的灵敏度和电缆长度无关，电缆可长达几千米，而在被测对象附近只有一个小的传感器。这对使用者来说非常方便。但是现在的电荷放大器电路都比较复杂，机器价格都比较高，性价比不是很理想，这些原因都严重影响了压电加速度传感器的广泛使用，所以研制一种性价比较高的、实用的电荷放大器就非常的有必要。本设计中采用压电式加速度传感器。先通过传感器将电荷进转换为电压，在经过三运放放大电路，滤波电路得到输出信号，从而实现加速度上限报警作用。第3章电路设计3.1总体设计框图总体设计如图3.1所示:归一放大电路归一放大电路电荷转换电路低通滤波电路积分电路模拟电路输出过载指示S1控制电路S2图3.13.2压电加速度传感器等效电路压电式加速度传感器属于惯性式传感器，工作原理是以某些物质的压电效应为基础，在加速度计受振时，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，可以把被测的非电物理量加速度转化为电量。由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。为此，通常器信号选用电荷放大器作为电信号的测量电路。图3.1（压电式加速度传感器等效电路图）电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。由压电式加速度传感器、电缆、电荷放大器组成。电荷放大器等效电路如图3.2所示:图3.2（电荷放大器等效电路）上图中C为反馈电容，K为运算放大器的放大倍数，Q为压电传感器产生的总电荷，Ca、Ra为传感器的电容量和绝缘电阻，Cc为传输电缆电容量，Ci、Ri为放大器的输入电容和输入电阻。它的作用能把传感器的输出变量变成易于处理的电压电流信号。加速度的测量最后就可用电压信号来显示，经过电路的参数变换和计算，加速度计输出电压信号与被测物理量之间关系式：(3-1)因为电荷放大器是高增益放大器，即K>>1，则有(3-2)一般情况下（1+K）CF>>C，(3-3)又电荷灵敏度为(3-4)灵敏度单位是pc/ms^2或pc/g由上述公式可得到电荷放大器输出电压与加速度之间的关系式为(3-5)（式中电荷灵敏Sq度一般取小的数值，反馈电容参数CF范围一般100-10000pF）。上式表明加速度a与输出电压信号U成正比，与反馈电容CF成反比，而且受电缆电容的影响很小，这是电荷放大器的一个主要优点。由以上分析可以通过压电式加速度传感器跟电荷放大器组成测量系统而测得振动的加速度。3.3.三运放高共模抑制比放大电路图3.5所示电路是目前广泛应用的三运放高共模抑制比放大电路。它由三个集成运算放大器组成，其中A1，A2为两个性能一致的同相输入通用集成运算放大器，构成平衡对称差动放大输入级，N3构成双端输入单端输出的输出级，用来进一步抑制A1，A2的共模信号，并适应接地负载的需要。图3.3其差模增益(3-6)(3-7)选3，所以，，为1K;总共需要放大30倍。所以，为2K;，为20K。3.4反相器反相放大电路的基本形式如图3.4所示，其输入阻抗等于R7，闭环增益为（3-8）其电压增益为1倍。图3.43.5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.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,其电路原理图如下:图3.5由压控电压源型低通滤波器的传函式（3-9）知其固有频率和增益分别为式（3-10）和式（3-11）。（3-9）(3-10)(3-11)由于本次设计中，传感器输出信号无需放大，仅需滤除信号中所带的工频干扰和相应的低频信号，参数选择图3.1中各元件标注。经计算，传递函数为(3-12)固有角频率为（3-13）截止频率为（3-14）增益（3-15）故选用的R10，R11阻值为100Ω，功率为0.25W的电阻。C1，C2为47μF的电容。此时的固有角频率由式（3-13）即可求出，截止频率根据式（3-14）即能得到。R12，R13构成低通滤波器的增益部分，由于传感器输出的电压幅值已经足够大了，故设置增益为1，选用的R12为100KΩ，R13为10Ω，由式（3-14）知，增益近似为1。第4章调试与仿真本次设计电路图运用目前比较流行的Protel99SE，因此仿真也使用该软件，其具备仿真功能。运用其参数扫描分析功能可以方便的实现检测到电压的变化造成电路的变化。仿真软件运用了直流，交流电源，3个运算放大器，14个纯电阻与2个电容。仿真电路图如图4.1所示：4.1仿真电路图图4.2波形仿真图图4.2为由三运放高共模抑制比放大电路，反相器电路，二阶低通滤波电路组成的复合电路的仿真波形图。由于三运放高共模抑制比放大电路误差小，精密度高，该仿真波形图体现了经二阶低通滤波电路滤过后，原来有噪音，不平滑的波形变成平滑的波形，符合课设的要求。第5章课程设计总结在课程设计中，我们学习到了很多的东西：首先，怎么样去查阅资料，收集与课设要用的有关的知识。其次，要完成一件工作，还得专心致志才行，细心耐心。第三，遇到困难要冷静，要多想解决办法，多尝试。本次研究设计的压电式加速度传感器采用了通用电子元件，利用压电式传感器，三运放高共模抑制比放大电路，反相器，二阶低通滤波电路实现加速度上限压力传感器报警器功能。通过这次实验，我们也进一步熟悉电荷放大，二阶滤波电路的原理与特点，同时也基本掌握了如何用用滤波电路来滤除干扰信号。而且让我们了解了压力加速度传感器的工作机理。加速度上限报警器是本次课程设计中原理比较简单的一个，但是它的组成部分多，组成电路复杂，出现问题后分析起来比较困难，所以我们养成了完成一个部分就调试检验一个部分，确保正确才进行下一步工作。参考文献[1]潘永雄，沙河.电子线路CAD实用教程.第四版.西安电子科技大学出版社[2]陈尚松，郭庆，黄新.电子测量与仪器.第三版.电子工业大学出版社[3]张国雄，李醒飞.测控电路.第四版.机械工业出版社[4]高西全，丁玉美，阔永红.数字信号处理.第二版.电子工业大学出版社[5]单成祥.传感器的理论与设计基础及其应用.国防工业出版社[6]叶伟国.压电式加速度传感器的结构改进与设计.沈国伟.绍兴文理学院出版设[7]刘迎春，叶湘滨.传感器原理设计与应用.编著国防科技大学出版社[8]王琦.电阻应变式称重传感器的设计[J].木材加工机械[9]施昌彦.称重传感器计量规程[J].试验技术与试验机附录Ⅰ 附录Ⅱ元件清单列表序号名称符号规格个数1电容C147uf12电容C247uf13电阻R01K14电阻R11K15电阻R21K16电阻R32K17电阻R42K18电阻R520K19电阻R620K110电阻R72K111电阻R81K112电阻R92K113电阻R10100114电阻R11100115电阻R12100K116电阻R1310117运算放大器ALCL4023基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现变频调速液压电梯单片机控制器的研究基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现单片机嵌入式以太网防盗报警系统基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现单片机监测系统在挤压机上的应用MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用单片机在高楼恒压供水系统中的应用