本文介紹了一種壓電傳感器電荷/電壓轉(zhuǎn)換電路，并分析了反饋電容的溫度特性對(duì)開(kāi)關(guān)電路輸出的影響，同時(shí)分析了不同濾波器的特性，并根據(jù)實(shí)際傳感器帶寬配置了相應(yīng)的濾波電路。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，該電路能夠有效地濾除振動(dòng)信號(hào)中的噪聲，準(zhǔn)確地獲得振動(dòng)信號(hào)。

1、控制電路設(shè)計(jì)

壓電加速度計(jì)獲得的沖擊和振動(dòng)信號(hào)需要用電荷放大器進(jìn)行放大和處理，為了研究出一種一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的電荷放大器，作者利用集成運(yùn)算放大器芯片代替大量分立器件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的濾波電路

1.1

壓電傳感器等效電路

圖一 壓電傳感器的等效電路

壓電傳感器是基于壓電效應(yīng)設(shè)計(jì)的，敏感元件由壓電材料制成，一旦受到外力作用，壓電材料表面就會(huì)產(chǎn)生一些弱電荷。當(dāng)壓電傳感器在敏感軸方向受迫時(shí)，在兩個(gè)電極上產(chǎn)生極性相反的電荷，這兩個(gè)電極相當(dāng)于一個(gè)電荷源(靜電發(fā)生器)。經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)后得到如下等式：

由上式可知，時(shí)間常數(shù)τ越大，電荷泄漏越慢，傳感器的測(cè)量誤差越小。傳感器和信號(hào)輸入應(yīng)保持高絕緣電阻，以防止快速泄漏引起的電荷測(cè)量誤差。

1.2

電荷電壓轉(zhuǎn)換電路

圖二 電荷電壓轉(zhuǎn)換電路

運(yùn)算放大器的輸出電壓范圍為0.738~1.758 V。為了避免電容器C1長(zhǎng)期充電，使集成操作飽和，必須在電容器C1并聯(lián)連接電阻R2。另外一個(gè)重要作用是引入直流負(fù)反饋，有效地抑制集成運(yùn)算放大器引起的輸入偏置電壓。系統(tǒng)測(cè)試的低截止頻率為f=1/2πR2C1，輸入信號(hào)的截止頻率為0.1Hz，電阻為R2=10mΩ。

運(yùn)算放大器逆變輸入的電阻R1在保護(hù)電路和限制電流中起主要作用。反饋電容C1的主要功能是將傳感器產(chǎn)生的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，因此反饋電容器需要選擇低漂移、低漂移溫度和高漏阻的電容。

圖三 不同材料反饋電容的溫度特性對(duì)開(kāi)關(guān)電路輸出的影響

根據(jù)上圖作者選擇了聚苯乙烯電容器，減少環(huán)境變化引起的測(cè)量誤差。

圖四 隔離電壓放大電路設(shè)計(jì)

因?yàn)殡姾煞糯笃鞯碾妷狠敵龇秶c后續(xù)AC/DC變換器的輸入范圍不一致，所以采用電壓放大電路來(lái)調(diào)節(jié)電壓，使U02輸入電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓信號(hào)U03。

作者利用高階低通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理，抑制噪聲信號(hào)和有效信號(hào)的混疊。作者將常見(jiàn)的濾波器： Butterworth濾波器、橢圓函數(shù)濾波器、Bessel型濾波器等進(jìn)行了對(duì)比，最終選擇了LTC1569濾波器，因?yàn)槠鋬?yōu)良的相頻特性而且信號(hào)在帶內(nèi)的輸出延遲與通帶的線性相位特性基本相同。由LTC1569組成的低通濾波器的直流偏置輸出偏差較小，通帶具有線性相位特性，可以保護(hù)信號(hào)不失真，保證信號(hào)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖五 低通濾波器

雖然LTC1569濾波器可以提供高質(zhì)量的濾波器特性，但芯片濾波原理是基于開(kāi)關(guān)電容效應(yīng)，在輸出端產(chǎn)生高頻開(kāi)關(guān)噪聲，通過(guò)增加一個(gè)開(kāi)關(guān)噪聲對(duì)開(kāi)關(guān)噪聲進(jìn)行濾波通過(guò)添加一個(gè)二級(jí)低通濾波器后LTC1569濾波器。

圖六 濾除開(kāi)關(guān)噪聲前后波形的比較

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

包含振動(dòng)信號(hào)調(diào)理電路的測(cè)量系統(tǒng)首先將壓電傳感器與調(diào)幅電路連接起來(lái)，以驗(yàn)證調(diào)諧電路的正確性，通過(guò)線性擬合標(biāo)定的測(cè)量系統(tǒng)得到的正弦掃描實(shí)驗(yàn)圖像如下：

圖七 壓電傳感器正弦掃頻曲線

利用信號(hào)發(fā)生器對(duì)調(diào)理電路測(cè)試進(jìn)行掃描，得到了如圖八所示的信道頻率響應(yīng)曲線：

圖八 頻率響應(yīng)曲線

用標(biāo)準(zhǔn)電荷發(fā)生器作為電荷源模擬振動(dòng)傳感器的輸出，并將其連接到測(cè)量電路上，計(jì)算理論電壓值，所測(cè)電壓與理論值基本一致，調(diào)理電路的測(cè)量誤差小于1%，能夠滿足振動(dòng)信號(hào)測(cè)量精度的要求，并能準(zhǔn)確地測(cè)量振動(dòng)信號(hào)。

3、 總結(jié)

本文以壓電傳感器為研究對(duì)象，詳細(xì)介紹了傳感器等效電路和調(diào)節(jié)電路，并對(duì)調(diào)節(jié)電路關(guān)鍵部件的電容和濾波器進(jìn)行了分析和研究，給出了作者所考慮范圍內(nèi)的合理解決方案，并對(duì)該方案進(jìn)行了測(cè)試，獲得的數(shù)據(jù)具有較高的精度，所采集的振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)為該電路的可靠性與實(shí)用性提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。