基于壓電加速度計速度測量信號調(diào)理電路設(shè)計

1、課 程 設(shè) 計 報 告 題目 基于單片機的壓電加速度傳感器 低頻信號采集系統(tǒng)的設(shè)計 2014-2015 第二學(xué)期 專業(yè)班級 2012級電氣5班 姓 名 趙 倩 學(xué) 號 201295014196 指導(dǎo)教師 馬 鳴 教學(xué)單位 電子電氣工程學(xué)院 2015年 7月 6日課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書1設(shè)計目的： 掌握電子系統(tǒng)的一般設(shè)計方法和設(shè)計流程；并完成加速器低頻信號的理論設(shè)計。 掌握應(yīng)用電路的multisim等軟件對所設(shè)計的電路進行仿真，通過仿真結(jié)果驗證設(shè)計的正確性，完成電路設(shè)計。2設(shè)計內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、條件、設(shè)計要求等）：壓電式加速度傳感器作為一種微型傳感器，其輸出信號比較微弱，通

2、常為幾十個毫伏或幾百個微伏。所以有必要對其輸出電壓進行信號調(diào)理。主要包括電源模塊、放大模塊、濾波模塊等組成。3設(shè)計工作任務(wù)及工作量的要求： （1）查閱相關(guān)資料，完成系統(tǒng)總體方案設(shè)計； （2）完成系統(tǒng)硬件設(shè)計； （3）對所設(shè)計的電路進行仿真； （4）按照要求撰寫設(shè)計說明書；一、壓電式加速度傳感器的概要4二、信號采集系統(tǒng)的總設(shè)計方案5三、信號采集系統(tǒng)分析61、電荷轉(zhuǎn)換部分:62、適調(diào)放大部分63、低通濾波部分:74、輸出放大部分75、積分器部分：8四、單片機軟件設(shè)計8五、Multisim仿真分析101仿真電路圖102.仿真波形及分析11六、誤差分析111、連接電纜的固定112、接地點選擇123、濕

3、度的影響124、環(huán)境溫度的影響12七、改進措施12六、心得體會12七、參考文獻(xiàn)13前言 在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，NI作為虛擬儀器技術(shù)的開創(chuàng)者和領(lǐng)導(dǎo)者，也是基于PC的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的領(lǐng)導(dǎo)者，為用戶提供了最為廣泛的數(shù)據(jù)采集設(shè)備選擇。但配備NI公司的數(shù)據(jù)采集硬件及軟件比較昂貴，并且對于本文中在實驗室進行的壓電加速度傳感器信號的采集，其輸出模擬量為緩變低頻信號，采用總線型。 壓電式加速度傳感器是以壓電原材料為轉(zhuǎn)換元件，輸出與加速度成正比的電荷或電壓量的裝置。由于它具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠等性能，目前已成為沖擊振動測試技術(shù)中使用廣泛的一種傳感器。世界各國作為量值傳遞標(biāo)準(zhǔn)的高頻和中頻基準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器，都是壓電式

4、的。本文基于上述特點對壓電加速度傳感器低頻信號進行了分析，同時在參閱大量文獻(xiàn)資料的情況下設(shè)計了基于單片機的壓電加速度傳感器低頻信號的采集系統(tǒng)?；趩纹瑱C的壓電加速度傳感器低頻信號采集系統(tǒng)的設(shè)計一、壓電式加速度傳感器的概要 壓電式加速度傳感器是一種典型的自發(fā)式傳感器，又稱壓電加速度計，它也屬于慣性式傳感器。它是以某些晶體受力后在其表面產(chǎn)生電荷的電壓效應(yīng)為轉(zhuǎn)換原理的傳感器。利用某些物質(zhì)如石英晶體的壓電效應(yīng)，在加速度計受振時，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當(dāng)被測振動頻率遠(yuǎn)低于加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。其主要電路由五部分組成，分別為電荷轉(zhuǎn)換部分，適調(diào)放大部分，低通濾波部

5、分，高通濾波和同相放大部分與積分器部分。 壓電加速度傳感器的組成框圖如圖1所示，原理如圖2所示。彈性輔助電源測量電路轉(zhuǎn)換元件待測加速度輸出信號圖1 加速度傳感器的組成框圖壓電元件質(zhì)量塊輸出引線支座圖2 壓電加速度傳感器原理圖實際測量時，將圖中的支座與待測物剛性地固定在一起。當(dāng)待測物運動時，支座與待測物以同一加速度運動，壓電元件受到質(zhì)量塊與加速度相反方向的慣性力的作用，在晶體的兩個表面上產(chǎn)生交變電荷。當(dāng)振動頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時，傳感器的輸出電荷與作用力成正比。電信號經(jīng)前置放大器放大，即可由一般測量儀器測試出電荷大小，從而得出物體的加速度。 低頻信號采集系統(tǒng)是以低頻信號的測量為主，具有較強

6、通用性的，比較完整的低成本、高性能測試系統(tǒng)。在硬件結(jié)構(gòu)上，它主要由單片機、A/D轉(zhuǎn)換器、采樣保持器、多路開關(guān)和PC機組成。在軟件結(jié)構(gòu)上，它主要由多路信號采集、數(shù)字濾波、采樣頻率調(diào)整、PC機與單片機通訊、數(shù)據(jù)實時動態(tài)顯示和數(shù)據(jù)處理及保存等程序模塊組成。二、信號采集系統(tǒng)的總設(shè)計方案對數(shù)據(jù)采樣過程采集時域信號，而計算機只能處理數(shù)字信號，故需要將用調(diào)理器和轉(zhuǎn)換器來進行信號轉(zhuǎn)換。具體轉(zhuǎn)換過程：壓電加速度傳感器輸出的是信號非常小的電荷信號，這種信號需要經(jīng)過信號調(diào)理電路對其進行放大且濾波處理，實現(xiàn)電荷信號和電壓信號的轉(zhuǎn)換，并過濾掉干擾信號，因為計算機只能處理數(shù)字信號所以經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。再經(jīng)過

7、相關(guān)過程送及上位機，最后由LaVIEW軟件讀取、轉(zhuǎn)換和顯示信號。信號調(diào)理器傳感器 震動 結(jié)果輸出顯示信號分析與處理信號采集與控制硬件系統(tǒng)框圖 3單片機TTL-RS-232電平轉(zhuǎn)換計算機（LaVIEW）A/D轉(zhuǎn)換電路信號調(diào)理電路壓電加速度傳感器具體的采集系統(tǒng)的總體構(gòu)成如圖4圖4：采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 在進行數(shù)據(jù)采樣過程中，采集的一半為時域信號，而計算機是對數(shù)字信號進行處理的，故需要將信號經(jīng)過各種調(diào)理器和轉(zhuǎn)換器來轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號。具體轉(zhuǎn)換過程圖4種可以看出：壓電加速度傳感器輸出的為電荷信號，因為信號非常小，所以需要經(jīng)過信號調(diào)理電路放大且濾波轉(zhuǎn)換成可以測量的電壓信號，并將一部分干擾信號濾波過濾，再經(jīng)由A

8、/D轉(zhuǎn)換器，將模擬信號轉(zhuǎn)變成計算機可以處理的數(shù)字信號。三、信號采集系統(tǒng)分析1、電荷轉(zhuǎn)換部分:電荷轉(zhuǎn)換部分是整個電荷放大器的核心部分，這部分的作用是將壓電傳感器的輸出電荷信號Q轉(zhuǎn)換成電壓信號V。它是由運算放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成，同時為了保證電路的增益,反饋電容不能太大,考慮到壓電加速度傳感器的輸出電荷量,反饋電容Cf一般不超過10000PF,但是反饋電容也不可以選的太小,一般Cf不小于100PF。電路如圖5所示：圖5：電荷轉(zhuǎn)換部分電路原理圖 參數(shù)確定：C1=220nF，C2=20pF,R1=2K,R2=2K。放大器供電電源為：±15V。2、適調(diào)放大部分這部分的作用是當(dāng)被測非電量(加速度或

9、速度)一定時,用不同靈敏度的傳感器去測量時,有相同的輸出,以便處理記錄下來的圖形和數(shù)據(jù)。其電路原理圖如圖6所示： 圖6：適調(diào)放大電路原理圖 假定傳感器的電荷靈敏度Sq=Qi/g,電荷轉(zhuǎn)換部分的增益為Kq=Vi/Qi,適調(diào)部分的增益為Ki=Vo/Vi,則總的傳遞系數(shù)為三者的乘積:3、低通濾波部分:壓電加速度傳感器的幅頻特性的高頻段有一個很高的共振峰,因此需在放大器中采用低通濾波器,以補償傳感器引起的高頻幅頻特性。由于濾波器的阻抗頻率特性沒有隨頻率而極具改編的諧振性能,為了克服這個缺點,在RC網(wǎng)絡(luò)上加上運算放大器等有源元件,組成有源RC低通濾波器。有源RC低通濾波器在通帶內(nèi)不僅可以沒有衰減,還可以

10、有一定的增益。我們采用的是二階RC有源濾波器,其電路原理圖如圖7所示:圖7：低通濾波部分電路原理圖4、輸出放大部分：這部分電路包括兩個部分：高通濾波和同相電壓放大。當(dāng)Rf一定時，在切換增益檔位時，電流直流放大倍數(shù)變化很大，輸出零點跳動較大，并且為了減少直流漂移影響，所以在低通濾波器后面又加了一個高通濾波器，將滯留部分去掉。本設(shè)計的高通濾波器由一階RC電路和運算放大器組成，其電路原理圖如圖8所示： 圖8：輸出放大部分電路原理圖5、積分器部分： 壓電加速度計的輸出信號是代表加速度信號電壓信號,將加速度電壓信號積分后,會得到速度電壓信號。我們用積分器實現(xiàn)這一功能，無源RC積分電路衰減大，頻率范圍較窄

11、，積分誤差大，一般采用運算放大器組成的有源積分電路。四、單片機軟件設(shè)計 單片機程序采用匯編語言編寫，主要包括初始化程序“MAIN:和中斷服務(wù)子程序“INTO”。程序流程圖如圖10所示: 圖10：程序流程圖 “MAIN“初始化主程序主要用來對單片機的串行通信初始化和定時中斷初始化。串行通信初始化包括波特率，串口工作方式的初始化；定時中斷初始化包括定時器的初始化和開中斷。對于本文所用51單片機，需要對定時器工作方式控制寄存器TMOD和串行控制寄存器SCON進行設(shè)置。 中斷服務(wù)子程序“Into“包括數(shù)據(jù)采集模塊”RD-AD“和數(shù)據(jù)傳輸模塊”SEND“，根據(jù)TLC2543的順序，在時鐘的下降沿開始數(shù)據(jù)

12、采集。 下面給出初始化程序段和中斷服務(wù)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仿真電路圖仿真電路圖如圖11所示：圖11:仿真電路原理圖2.仿真波形及分析輸入信號為方波，仿真波圖形如圖12所示：圖12：仿真波形圖仿真結(jié)果顯示，輸出波形為三角波，即輸出輸入滿足積分運算關(guān)系。當(dāng)輸入信號為正弦信號，波形圖如圖13所示：圖13：仿真波形圖仿真結(jié)果顯示，輸出波形也為正弦波，相位超前輸入90度，即輸出輸入滿足積分運算關(guān)系。六、誤

14、差分析1、連接電纜的固定連接的電纜雖然是低噪音電纜，但若固定不當(dāng)，也會產(chǎn)生一些噪音，電纜的機械運動會引起電纜電容和電荷的變化，主要是低頻噪音，所以在實驗室時應(yīng)在傳感器近端，把電纜固定，使電纜在傳感器近端盡可能平直。2、接地點選擇當(dāng)電荷放大器與壓電加速度傳感器，記錄儀器組成測試系統(tǒng)時，往往由于接地點選擇不當(dāng)，引入很大的干擾，嚴(yán)重時使測量無法進行。其原因是各點地電位不相等，如果在不同接觸點與連接電纜間形成對地的回路電流，此電流就形成了一個干擾源。因此測量系統(tǒng)最好只有一個接地點。接地點位置的選擇往往需要用實測方法決定，但一般來說最好選在記錄和讀出裝置上。3、濕度的影響 環(huán)境濕度對壓電式傳感器性能的影

15、響也很大。如果其長期在高濕度的環(huán)境下工作，其絕緣電阻將會減小，低頻響應(yīng)變壞。因此本設(shè)計的傳感器盡量不要工作在高濕度的環(huán)境下。4、環(huán)境溫度的影響環(huán)境溫度的變化對壓電材料的壓電系數(shù)和介電常數(shù)的影響都很大，它將使傳感器靈敏度發(fā)生變化。人工極化的壓電陶瓷受溫度的影響比石英的大的多，當(dāng)溫度低于400°C時，其壓電系數(shù)和介電常數(shù)都很穩(wěn)定。七、改進措施由于上述磁電式速度傳感器存在響應(yīng)頻率范圍小，機械運動部件容易損壞，傳感器質(zhì)量大造成附加質(zhì)量大等缺點，近年發(fā)展了，壓電式速度傳感器，即在壓電式加速度傳感器的基礎(chǔ)上，增加了積分電路，實現(xiàn)了速度輸出。同樣，這種傳感器也全部實現(xiàn)了內(nèi)置，具有替換磁電式速度傳感器的趨向。六、心得體會課程設(shè)計是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實踐訓(xùn)練，通過這次課程設(shè)計，讓我更加深刻了解課本知識，和以往對知識的疏忽得以補充，也培養(yǎng)了我如何去做一件事情，在設(shè)計過程中，與同學(xué)相互探討