加速度传感器是用于倾斜角、惯性力、冲击力及振动等参数的测量并将运动或重力转换为电信号的一种传感器。压电加速度传感器是一种以某些受力晶体在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的典型的自发式传感器, 优点是高灵敏度、高信噪比、重量轻、结构简单、工作可靠等等, 广泛应用在加速度测量方面。
1 传感器信号采集系统原理简述
压电式传感器的基础是电介质的压电效应, 这些物质表面上会产生电荷, 原因是在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形;反之, 若它们不受力又回到不带电的状态, 这就是所谓的压电效应。它是典型的发电传感器, 又叫有源传感器。石英晶体是最常用的电介质材料, 此外还有钦酸钡、错钦酸铅等多晶体也作为压电材料得到应用, 因为它们具有良好的压电效应。这种传感器的灵敏度与压电材料的压电系数和质量块的质量有关成正比关系。压电系数越大, 传感器的灵敏度越高, 在通常情况下我们主要采用压电陶瓷为敏感元件。压电式加速度传感器包括质量块、压电元件和支座。其中把支座与待测物固定在一起, 它们之间是刚性连接。当待测物有位移时, 支座与待测物以相同的方式运动, 压电元件受到惯性力的作用, 它与质量块的与加速度相反方向, 晶体的两个表面形成了交变电压。当传感器的固有共振频率大大高于振动频率时, 传感器的输出电荷 (也就是电压) 与作用力的关系为正比。我们可通过检测电路检测放大的电信号从而得到物体的加速度。
2 信号采集系统总体设计方案
我们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的转变。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 (我们选择为电荷放大器) 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。再经过相关过程 (例如单片机和通讯电路) 送及上位机, 最后由Lab VIEW软件读取、转换和显示信号。
3 信号采集系统详细设计
3.1 信号调理电路
由于压电加速度传感器内阻大、信号弱, 这就要求前置放大滤波电路完成三项内容:一是完成传感器的高阻抗输出和低阻抗输出之间的转换;二是放大传感器的微弱信号;三是过滤噪声信号。由于压电加速度传感器输出信号弱的特点, 本文采用TI公司的TL081运放芯片作为信号调理电路, 这种芯片取代了分离元件, 并具有体积小、功耗小和寄生因素小等优点, 另外抗干扰性也很好。以下为电路的主要组成部分。
(1) 电荷转换部分。这部分实现电荷信号和电压信号的转换, 同时也是整个电荷放大器的最主要的部件。它的组成部分包括运算放大器和反馈网络。本文采用的运算放大器是高阻运算放大器, 它集成了高阻输入级而TI公司的TL081芯片完全能够满足其设计的理论要求, 因为它有1012Q的输入阻抗, 3MHz的带宽, 增益为10的开环以及内部调零电路。设计要求精度保证在0.5%以下, 因此电荷转换部分的反馈电容凡采用精密聚苯乙烯, 因为它有稳定性及绝缘电阻高的优点。其阻值的大小可以根据要求而进行选择, 并选较小的反馈电容以保证电路的增益, 但是也不能太小以免给电路调试和使用产生影响。综合考虑, 压电加速度传感器的反馈电容q极限值为10000PF。
(2) 适调放大部分。这部分通过不同的灵敏度的传感器去测量相同的输出, 并记录相关的图形和数据, 但是前提是被测非电量 (加速度或压力) 是一定的。
(3) 低通滤波部分。压电加速度传感器的幅频的高频段有个共振峰, 这个共振峰值能够引起对输入信号产生失真和干扰的高频噪声。为了弥补传感器的这个缺陷需在放大器中采用低通滤波器, 另外, 在某些振动测试中能够产生对低频测试产生影响的高频频带, 这些高频带有时远远高于实际的需要。因此为了让低频交流分量通过就在系统中采用了低通滤波器以衰减无用的高频分量来满足我们的需要。
(4) 输出放大部分。这部分电路由高通滤波和同相电压放大两部分组成。因为在电荷转换部分, 当R不变时, 在切换增益档时, 电路直流放大倍数的变化与输出零点跳动有很大的关系, 为了去掉直流部分以减少直流漂移影响, 所以通常在低通滤波器后面又加了一个高通滤波器, 一阶RC电路和运算放大器共同组成了本设计的高通滤波器。
3.2 A/D转换电路
在本采集系统采用的是一个有2K字节可编程EPROM的GMS97C2051, 它是由LG半导体公司生产的高性能的微控制器。
它是A/D转换器中广泛使用的器件, 主要应用于仪器仪表、设备等检测与控制装置中。随着科学技术的发展, 转换器不断朝高精度、低功耗、低成本方向推进, 随之也产生了可靠性更高的微机控制系统的电路。计算机数据采集系统中广泛采用了低成本的逐次逼近式A/D转换芯片, 这种芯片具有速度快, 分辨率高等优点。逐次逼近式A/D转换器转换是通过逐次逼近的原理进行工作的, 即把输入电压Vi和一组量化电压进行比较, 量化电压是通过分层得到的, 比较的最终目的是使两者的差别小于某一误差范围因此需要从最大的量化电压开始, 按照由粗到细的顺序逐次进行, 相应的位是1还是0是有比较的结果确定的。这样不断比较, 不断逼近, 直到达到要求即完成了一次转换。
TL公司生产的TLC0831是一种通过使用开关电容逐次逼近技术实现A/D转换过程的8位串行模数转换器。TLC0831有一个配置为标准移位寄存器或微处理器接口的输入通道。串行输入结构具有节省51系列单片机1/0资源, 价格适中, 分辨率较高等优点, 广泛应用于仪器仪表中。TLC0831有三个控制输入端, 分别为CS (片选) 、输入/输出时钟 (CLK) 以及串行数据输出端 (D0) 。为了获得满比例尺转换和最高的转换分辨率使REF端输入等于最大模拟信号输入。一般REF端设为等于VCC。
4 结语
本文主要对压电式传感器信号采集系统进行研究, 并对该系统的设计原理, 设计方案和硬件系统模块进行分析。实践证明, 该信号采集系统能够在实际的应用中发挥作用。
摘要：本文设计了一套信号采集系统, 这个系统基于压电加速度传感器低频信号的原理。并对压电加速度传感器信号进行了调理工作如放大滤波, 同时以TLC0831 (来自TI公司) 为A/D转换器, 并以单片机GMS97C2051 (LG公司) 为微处理控制芯片, 并分析了各个硬件模块。
关键词：调理,压电加速度传感器,信号采集
参考文献
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