基于压电加速度计速度测量信号调理电路设计要点

课程设计报告

题目基于单片机的压电加速度传感器

低频信号采集系统的设计

2014-2015 第二学期

专业班级2012级电气5班

姓名赵倩

学号201295014196

指导教师马鸣

教学单位电子电气工程学院

2015年7月6日

课程设计任务书

1．设计目的：

①掌握电子系统的一般设计方法和设计流程；并完成加速器低频信号的理论设计。

②掌握应用电路的multisim等软件对所设计的电路进行仿真，通过仿真结果验

证设计的正确性，完成电路设计。

2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：压电式加速度传感器作为一种微型传感器，其输出信号比较微弱，通常为几十个毫伏或几百个微伏。所以有必要对其输出电压进行信号调理。主要包括电源模块、放大模块、滤波模块等组成。

3．设计工作任务及工作量的要求：

（1）查阅相关资料，完成系统总体方案设计；

（2）完成系统硬件设计；

（3）对所设计的电路进行仿真；

（4）按照要求撰写设计说明书；

一、压电式加速度传感器的概要 (4)

二、信号采集系统的总设计方案 (5)

三、信号采集系统分析 (6)

1、电荷转换部分: (6)

2、适调放大部分 (6)

3、低通滤波部分: (7)

4、输出放大部分 (7)

5、积分器部分： (8)

四、单片机软件设计 (8)

五、Multisim仿真分析 (10)

1．仿真电路图 (10)

2.仿真波形及分析 (11)

六、误差分析 (11)

1、连接电缆的固定 (11)

2、接地点选择 (12)

3、湿度的影响 (12)

4、环境温度的影响 (12)

七、改进措施 (12)

六、心得体会 (12)

七、参考文献 (13)

前言

在数据采集领域，NI作为虚拟仪器技术的开创者和领导者，也是基于PC的数据采集产品的领导者，为用户提供了最为广泛的数据采集设备选择。但配备NI公司的数据采集硬件及软件比较昂贵，并且对于本文中在实验室进行的压电加速度传感器信号的采集，其输出模拟量

为缓变低频信号，采用总线型。

压电式加速度传感器是以压电原材料为转换元件，输出与加速度成正比的电荷或电压量的装置。由于它具有结构简单、工作可靠等性能，目前已成为冲击振动测试技术中使用广泛的一种传感器。世界各国作为量值传递标准的高频和中频基准的标准加速度传感器，都是压电式的。

本文基于上述特点对压电加速度传感器低频信号进行了分析，同时在参阅大量文献资料的情况下设计了基于单片机的压电加速度传感器低频信号的采集系统。

基于单片机的压电加速度传感器低频信号采集系统的设计

一、压电式加速度传感器的概要

压电式加速度传感器是一种典型的自发式传感器，又称压电加速度计，它也属于惯性式传感器。它是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的电压效应为转换原理的传感器。利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块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。其主要电路由五部分组成，分别为电荷转换部分，适调放大部分，低通滤波部分，高通滤波和同相放大部分与积分器部分。

压电加速度传感器的组成框图如图1所示，原理如图2所示。

图1 加速度传感器的组成框图

图2 压电加速度传感器原理图

实际测量时，将图中的支座与待测物刚性地固定在一起。当待测物运动时，支座与待测物以同一加速度运动，压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性力的作用，在晶体的两个表面上产生交变电荷。当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷与作用

弹性 辅助电源

测量电路

转换元件 待测加速度

输出信号

压电元件 质量块

输出引线

支座

力成正比。电信号经前置放大器放大，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。

低频信号采集系统是以低频信号的测量为主，具有较强通用性的，比较完整的低成本、高性能测试系统。在硬件结构上，它主要由单片机、A/D 转换器、采样保持器、多路开关和PC 机组成。在软件结构上，它主要由多路信号采集、数字滤波、采样频率调整、PC 机与单片机通讯、数据实时动态显示和数据处理及保存等程序模块组成。

二、信号采集系统的总设计方案

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转换。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。再经过相关过程送及上位机，最后由LaVIEW 软件读取、转换和显示信号。

震动

硬件系统框图 3

具体的采集系统的总体构成如图4

图4：采集系统的总体结构

信号采集与控制

信号分析与处理

结果输出显示

压电加速度传感器

信号调理电路

A/D 转换电路

计算机

（LaVIEW ）

TTL-RS-232 电平转换

单片机

传感器

信号调理器

在进行数据采样过程中，采集的一半为时域信号，而计算机是对数字信号进行处理的，故需要将信号经过各种调理器和转换器来转变成数字信号。具体转换过程图4种可以看出：压电加速度传感器输出的为电荷信号，因为信号非常小，所以需要经过信号调理电路放大且滤波转换成可以测量的电压信号，并将一部分干扰信号滤波过滤，再经由A/D转换器，将模拟信号转变成计算机可以处理的数字信号。

三、信号采集系统分析

1、电荷转换部分:

电荷转换部分是整个电荷放大器的核心部分，这部分的作用是将压电传感器的输出电荷信号Q转换成电压信号V。它是由运算放大器和反馈网络组成，同时为了保证电路的增益,反馈电容不能太大,考虑到压电加速度传感器的输出电荷量,反馈电容Cf一般不超过10000PF,但是反馈电容也不可以选的太小,一般Cf不小于100PF。电路如图5所示：

图5：电荷转换部分电路原理图

参数确定：C1=220nF，C2=20pF,R1=2KΩ,R2=2KΩ。

放大器供电电源为：±15V。

2、适调放大部分

这部分的作用是当被测非电量(加速度或速度)一定时,用不同灵敏度的传感器去测