電容式傳感器范文第1篇
1 傳感器信號采集系統原理簡述
壓電式傳感器的基礎是電介質的壓電效應, 這些物質表面上會產生電荷, 原因是在沿一定方向受到壓力或拉力作用而發生變形;反之, 若它們不受力又回到不帶電的狀態, 這就是所謂的壓電效應。它是典型的發電傳感器, 又叫有源傳感器。石英晶體是最常用的電介質材料, 此外還有欽酸鋇、錯欽酸鉛等多晶體也作為壓電材料得到應用, 因為它們具有良好的壓電效應。這種傳感器的靈敏度與壓電材料的壓電系數和質量塊的質量有關成正比關系。壓電系數越大, 傳感器的靈敏度越高, 在通常情況下我們主要采用壓電陶瓷為敏感元件。壓電式加速度傳感器包括質量塊、壓電元件和支座。其中把支座與待測物固定在一起, 它們之間是剛性連接。當待測物有位移時, 支座與待測物以相同的方式運動, 壓電元件受到慣性力的作用, 它與質量塊的與加速度相反方向, 晶體的兩個表面形成了交變電壓。當傳感器的固有共振頻率大大高于振動頻率時, 傳感器的輸出電荷 (也就是電壓) 與作用力的關系為正比。我們可通過檢測電路檢測放大的電信號從而得到物體的加速度。
2 信號采集系統總體設計方案
我們對數據采樣過程采集時域信號而計算機只能處理數字信號, 故需要將用調理器和轉換器來進行信號的轉變。具體轉換過程:壓電加速度傳感器輸出的是信號非常小的電荷信號, 這種信號需要經過信號調理電路 (我們選擇為電荷放大器) 對其進行放大且濾波處理, 實現電荷信號和電壓信號的轉換, 并過濾掉干擾信號, 因為計算機只能處理數字信號所以經由A/D轉換器轉換成數字信號。再經過相關過程 (例如單片機和通訊電路) 送及上位機, 最后由Lab VIEW軟件讀取、轉換和顯示信號。
3 信號采集系統詳細設計
3.1 信號調理電路
由于壓電加速度傳感器內阻大、信號弱, 這就要求前置放大濾波電路完成三項內容:一是完成傳感器的高阻抗輸出和低阻抗輸出之間的轉換;二是放大傳感器的微弱信號;三是過濾噪聲信號。由于壓電加速度傳感器輸出信號弱的特點, 本文采用TI公司的TL081運放芯片作為信號調理電路, 這種芯片取代了分離元件, 并具有體積小、功耗小和寄生因素小等優點, 另外抗干擾性也很好。以下為電路的主要組成部分。
(1) 電荷轉換部分。這部分實現電荷信號和電壓信號的轉換, 同時也是整個電荷放大器的最主要的部件。它的組成部分包括運算放大器和反饋網絡。本文采用的運算放大器是高阻運算放大器, 它集成了高阻輸入級而TI公司的TL081芯片完全能夠滿足其設計的理論要求, 因為它有1012Q的輸入阻抗, 3MHz的帶寬, 增益為10的開環以及內部調零電路。設計要求精度保證在0.5%以下, 因此電荷轉換部分的反饋電容凡采用精密聚苯乙烯, 因為它有穩定性及絕緣電阻高的優點。其阻值的大小可以根據要求而進行選擇, 并選較小的反饋電容以保證電路的增益, 但是也不能太小以免給電路調試和使用產生影響。綜合考慮, 壓電加速度傳感器的反饋電容q極限值為10000PF。
(2) 適調放大部分。這部分通過不同的靈敏度的傳感器去測量相同的輸出, 并記錄相關的圖形和數據, 但是前提是被測非電量 (加速度或壓力) 是一定的。
(3) 低通濾波部分。壓電加速度傳感器的幅頻的高頻段有個共振峰, 這個共振峰值能夠引起對輸入信號產生失真和干擾的高頻噪聲。為了彌補傳感器的這個缺陷需在放大器中采用低通濾波器, 另外, 在某些振動測試中能夠產生對低頻測試產生影響的高頻頻帶, 這些高頻帶有時遠遠高于實際的需要。因此為了讓低頻交流分量通過就在系統中采用了低通濾波器以衰減無用的高頻分量來滿足我們的需要。
(4) 輸出放大部分。這部分電路由高通濾波和同相電壓放大兩部分組成。因為在電荷轉換部分, 當R不變時, 在切換增益檔時, 電路直流放大倍數的變化與輸出零點跳動有很大的關系, 為了去掉直流部分以減少直流漂移影響, 所以通常在低通濾波器后面又加了一個高通濾波器, 一階RC電路和運算放大器共同組成了本設計的高通濾波器。
3.2 A/D轉換電路
在本采集系統采用的是一個有2K字節可編程EPROM的GMS97C2051, 它是由LG半導體公司生產的高性能的微控制器。
它是A/D轉換器中廣泛使用的器件, 主要應用于儀器儀表、設備等檢測與控制裝置中。隨著科學技術的發展, 轉換器不斷朝高精度、低功耗、低成本方向推進, 隨之也產生了可靠性更高的微機控制系統的電路。計算機數據采集系統中廣泛采用了低成本的逐次逼近式A/D轉換芯片, 這種芯片具有速度快, 分辨率高等優點。逐次逼近式A/D轉換器轉換是通過逐次逼近的原理進行工作的, 即把輸入電壓Vi和一組量化電壓進行比較, 量化電壓是通過分層得到的, 比較的最終目的是使兩者的差別小于某一誤差范圍因此需要從最大的量化電壓開始, 按照由粗到細的順序逐次進行, 相應的位是1還是0是有比較的結果確定的。這樣不斷比較, 不斷逼近, 直到達到要求即完成了一次轉換。
TL公司生產的TLC0831是一種通過使用開關電容逐次逼近技術實現A/D轉換過程的8位串行模數轉換器。TLC0831有一個配置為標準移位寄存器或微處理器接口的輸入通道。串行輸入結構具有節省51系列單片機1/0資源, 價格適中, 分辨率較高等優點, 廣泛應用于儀器儀表中。TLC0831有三個控制輸入端, 分別為CS (片選) 、輸入/輸出時鐘 (CLK) 以及串行數據輸出端 (D0) 。為了獲得滿比例尺轉換和最高的轉換分辨率使REF端輸入等于最大模擬信號輸入。一般REF端設為等于VCC。
4 結語
本文主要對壓電式傳感器信號采集系統進行研究, 并對該系統的設計原理, 設計方案和硬件系統模塊進行分析。實踐證明, 該信號采集系統能夠在實際的應用中發揮作用。
摘要：本文設計了一套信號采集系統, 這個系統基于壓電加速度傳感器低頻信號的原理。并對壓電加速度傳感器信號進行了調理工作如放大濾波, 同時以TLC0831 (來自TI公司) 為A/D轉換器, 并以單片機GMS97C2051 (LG公司) 為微處理控制芯片, 并分析了各個硬件模塊。
關鍵詞：調理,壓電加速度傳感器,信號采集
參考文獻
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