壓電式加速度傳感器電路原理

寧心怡

摘? 要：加速度傳感器應(yīng)用十分廣泛。主要應(yīng)用有故障診斷、振動(dòng)測(cè)試等，包括地震波檢測(cè)、車禍報(bào)警、高壓導(dǎo)線舞動(dòng)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究以及各種設(shè)備的振動(dòng)檢測(cè)。生活中也處處可見振動(dòng)傳感器。手機(jī)計(jì)步器、玩游戲控制上下左右傾角變化、照相機(jī)手抖時(shí)自動(dòng)鎖住快門等等，都用到了加速度傳感器。

關(guān)鍵詞：壓電式加速度傳感器;電路原理;振動(dòng)測(cè)試

中圖分類號(hào)：TP212? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）32-0042-05

Abstract： Accelerometer is widely used. The main applications are fault diagnosis， vibration testing， including seismic wave detection， accident alarm， high voltage wire galloping， structural dynamics research and vibration detection of all kinds of equipment. Vibration sensors can also be seen everywhere in life. The acceleration sensor is used in the mobile pedometer， playing games to control the change of inclination angle up and down， automatically locking the shutter when the camera hand shakes， and so on.

Keywords： piezoelectric accelerometer; circuit principle; vibration testing

本文主要討論小型設(shè)備里的壓電加速度計(jì)，即振動(dòng)傳感器，從它的原理、供電、放大電路、電壓模擬量測(cè)量等方面分析其工作原理。一般的壓電振動(dòng)傳感器需要恒流源供電，將加速度轉(zhuǎn)化成電荷變化量，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成電壓模擬量再輸出，輸出后信號(hào)需要經(jīng)過一系列歸一化、濾波等處理，最后轉(zhuǎn)化成數(shù)字量。

1 工作原理

壓電式加速度傳感器屬于慣性式傳感器，結(jié)構(gòu)如圖1所示。它利用了石英晶體或者壓電陶瓷的壓電效應(yīng)，即當(dāng)傳感器有加速度時(shí)，內(nèi)部的質(zhì)量塊會(huì)產(chǎn)生力作用于壓電片，壓電片受力變形時(shí)就會(huì)在兩個(gè)表面產(chǎn)生不同極性的電荷。因此傳感器最開始輸出的是微弱的電荷，其電荷量與加速度成正比。在處理傳感器的輸出信號(hào)時(shí)，可以把傳感器等效為電壓源或電荷源。

2 前置放大器

壓電加速度傳感器可以將加速度轉(zhuǎn)換成電壓或電荷的變化量。由于傳感器產(chǎn)生的電荷信號(hào)較小，容易受到噪聲干擾，需要前置放大器進(jìn)行放大處理。前置放大器還可以將傳感器的高阻抗電荷信號(hào)變成低阻抗電壓信號(hào)。低輸出阻抗使得信號(hào)在傳輸過程中損失很小，測(cè)量出來更準(zhǔn)確，而且容易被下一級(jí)電路接收。前置放大器有電壓放大器與電荷放大器兩種。

2.1 電壓放大器

電壓放大器電路如圖2。

在運(yùn)放左邊的為壓電加速度傳感器的電壓等效電路。

其中Rd是壓電元件的漏電阻，Cc是電纜電容，Ri、Ci是輸入電阻與電容，U為輸入電壓，即壓電傳感器產(chǎn)生的電壓，Uo為輸出電壓，Au是放大器的放大倍數(shù)。推導(dǎo)可知電壓放大器的輸出電壓

其中R=Ri//Rd，C=Cc+Ci。當(dāng)R無限大時(shí)，ωR（Ce+Cc+Ci）>>1，則輸出電壓簡(jiǎn)化為

可知電壓放大器輸出電壓與傳感器產(chǎn)生的電壓U、電纜電容Cc、輸入電容Ci、Ce有關(guān)。因此電纜長(zhǎng)度一般為固定值，否則電纜電容增加會(huì)使輸出電壓降低，增加誤差，影響電壓靈敏度。

2.2 電荷放大器

電荷放大器電路如圖3。

在運(yùn)放左邊的為壓電加速度傳感器的電荷等效電路。

兩種前置放大器都是高輸入阻抗放大器，目的是盡量減少導(dǎo)線與電路的電荷泄漏。相比起來，電荷放大器的電路較復(fù)雜，價(jià)格也貴，但它的靈敏度不受電纜電容的影響，在電纜電容較大時(shí)測(cè)量的信號(hào)質(zhì)量好。

圖4為某一種電荷放大器的實(shí)際電路。其中除了主要的電容C2外，剩下的電阻和電容都起到保護(hù)或相位補(bǔ)償防止自激振蕩的作用。其中兩個(gè)三極管構(gòu)成OCL電路，可以增大輸出電流，減小交越失真。

3 傳感器的供電問題

以8711-01加速度傳感器為例，它是一款I(lǐng)EPE加速度傳感器，集成了前置放大器，具有測(cè)量范圍廣、頻率響應(yīng)范圍大、靈敏度高的特點(diǎn)，可用于工業(yè)狀況監(jiān)控與極端環(huán)境中。為了減小電壓信號(hào)傳輸時(shí)的損失，抑制溫度漂移，傳感器需要恒定電流源供電，一般為4mA，其電壓在18～24V之內(nèi)。4mA有利于實(shí)現(xiàn)加速度計(jì)的工作狀態(tài)辨別。

首先需要18～24V的電壓，如果傳感器應(yīng)用于小型設(shè)備時(shí)，可能沒有如此高的電壓，這時(shí)需要把5V的干電池轉(zhuǎn)化為18～24V，可以采用變壓器或升壓型穩(wěn)壓電路。課件里列舉了并聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路和電荷泵式開關(guān)型穩(wěn)壓電路，應(yīng)該都可以實(shí)現(xiàn)。圖5是其中一種集成升壓電路。

其中用到XL6007芯片，該電路可以將電壓轉(zhuǎn)化為18.5～32V的電壓，通過修改R1、R2參數(shù)即可將5V轉(zhuǎn)化成18～24V。它是通過電感L的儲(chǔ)能作用與電容Cout的充放電，將感生電動(dòng)勢(shì)與輸入電壓疊加得到輸出電壓，故而Vout>Vin。

若取24V的輸出電壓，接著將24V電壓轉(zhuǎn)化為4mA的恒流源，電路如圖6。

總體電路如圖7。

在最開始輸入的5V前面加一個(gè)1N4002的二極管，用于隔離24V，防止電流倒灌燒前級(jí)。R3用1W電阻，額定電流在30mA左右，過載能力強(qiáng)，當(dāng)電流約為4mA時(shí)它不會(huì)發(fā)熱。

4 輸出信號(hào)的處理與測(cè)量

振動(dòng)傳感器輸出直流量為12V，交流量為-5～5V。供電方式為兩線制，即提供電能的4mA直流電和輸出信號(hào)使用同一根線，這樣使得溫度漂移特性較小，焊接時(shí)也更容易，成本更低。通過加入電容C3去除直流量，得到交流量。此時(shí)輸出的交流量與加速度成正比關(guān)系，即Uo=A*Sensitivity，A為加速度，Sensitivity為靈敏度，指輸出電荷/電壓與加速度之比，一般通過與標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)對(duì)比測(cè)試，來標(biāo)定出具體的值。靈敏度的大小與傳感器內(nèi)部質(zhì)量塊、壓電元件有關(guān)。

歸一化放大級(jí)：由Uo=A*Sensitivity可知，不同傳感器靈敏度不同，在同樣加速度下輸出的電壓就不同，為了方便處理數(shù)據(jù)，可進(jìn)行歸一化處理，并且放大電壓。采用一般的比例放大器即可。

濾波器：由傳感器直接輸出的信號(hào)會(huì)有較大噪聲，需要濾波器濾波。通過查閱文獻(xiàn)，可知壓電振動(dòng)傳感器是欠阻尼的振動(dòng)系統(tǒng)，它的高頻段會(huì)產(chǎn)生共振峰，因此需要低通濾波器濾除。另外輸出信號(hào)會(huì)有一些直流漂移信號(hào)，還需高通濾波器濾除。此外，應(yīng)用場(chǎng)合不同，高頻或低頻噪聲也不同，因此高通低通濾波器都需要。濾波器電路的設(shè)計(jì)多種多樣，一般一階或二階即可，較為簡(jiǎn)單，采用課本上最常規(guī)的設(shè)計(jì)，這里就不詳細(xì)說明了。

輸出級(jí)：如果要測(cè)量出輸出信號(hào)相應(yīng)的數(shù)值，需要接入合適倍數(shù)的放大級(jí)或互補(bǔ)功率放大電路，使輸出信號(hào)能夠驅(qū)動(dòng)AD芯片、示波器或電壓表。其中AD芯片能將模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，應(yīng)用最為廣泛。放大級(jí)可采用同相比例放大器，它的輸入電阻高、輸出電阻低，適合驅(qū)動(dòng)負(fù)載，功率放大電路采用常用的OCL、OTL等均可。

其他電路：此外，還需要穩(wěn)壓電路給電路提供直流電壓，保護(hù)電路防止電路過載。穩(wěn)壓電路可采用三端穩(wěn)壓器，輸出5V或±15V的電壓驅(qū)動(dòng)運(yùn)放。

圖8是整個(gè)電路的原理框圖，由外部驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)傳感器，并通過穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)化成不同電壓驅(qū)動(dòng)各級(jí)電路，各級(jí)電路處理輸出信號(hào)，最后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換得到理想的加速度值。

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

本研究使用的是一款I(lǐng)EPE加速度傳感器，由于大部分電路都集成在傳感器內(nèi)部，只需要提供驅(qū)動(dòng)電壓與電流，也就是4mA的恒流源與18～24V的電壓即可。實(shí)驗(yàn)室的直流電源直接可以輸出24V，因此不需要搭升壓電路，直接搭恒流源電路，極其簡(jiǎn)單，只需兩個(gè)三極管、兩個(gè)電阻、一個(gè)電容。仿真電路如圖9，其中將傳感器的輸入電阻等效為R3，結(jié)果約4mA，與理論值相符。

圖9 恒流源電路的仿真

實(shí)驗(yàn)中筆者成功搭出了該恒流源，并驅(qū)動(dòng)了振動(dòng)傳感器工作。測(cè)得輸出電壓直流量為12.06V，符合上面的理論。雖說驅(qū)動(dòng)電壓在18～24V之間，但筆者發(fā)現(xiàn)13V的電壓也能驅(qū)動(dòng)它，說明它對(duì)電壓的要求并不嚴(yán)格，在低于標(biāo)準(zhǔn)的電壓下也能工作，可能只是輸出效果沒有那么好。由于沒有穩(wěn)定的振動(dòng)源，只能通過用手晃動(dòng)與敲桌子來模擬振動(dòng)，圖10為敲桌面的波形。

后來筆者在實(shí)驗(yàn)室找到了小電機(jī)，并成功驅(qū)動(dòng)了它。由于傳感器與電機(jī)不能緊密吻合，筆者只能強(qiáng)行用手把小電機(jī)抵著傳感器。但這畢竟比直接晃動(dòng)與敲桌子穩(wěn)定多了，在某些時(shí)刻甚至出現(xiàn)了十分穩(wěn)定的波形，如圖11。

筆者想把傳感器輸出的電壓模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，可以通過AD芯片，也可以參考模電綜合實(shí)驗(yàn)，先將輸出-5～5V交流電壓進(jìn)行全波整流，再濾波成直流電壓，通過電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為矩形波，通過FPGA板測(cè)量矩形波的頻率，可得到一個(gè)數(shù)值。然而如果要得到一個(gè)精確的加速度值，需要有一個(gè)已知加速度的穩(wěn)定的振動(dòng)源，或者是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，調(diào)整數(shù)值大小，標(biāo)定出靈敏度，而筆者這兩個(gè)條件都不具備，因此模擬量轉(zhuǎn)數(shù)字量只能處于理論階段，而實(shí)現(xiàn)不了。

6 其他振動(dòng)傳感器

6.1 振動(dòng)開關(guān)模塊

筆者在實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了一種很簡(jiǎn)單的振動(dòng)傳感器，于是順便研究了一下。原理圖如圖12，它外部用藍(lán)色塑料殼包裹，內(nèi)部是振動(dòng)軸。未振動(dòng)時(shí)振動(dòng)軸靜止，導(dǎo)針A與B導(dǎo)通。振動(dòng)時(shí)振動(dòng)軸離開底部，導(dǎo)針A與B就會(huì)瞬間斷開，起到振動(dòng)開關(guān)的作用。

筆者搭了一個(gè)簡(jiǎn)易的電路，用LED燈顯示開關(guān)的閉合與斷開。果然當(dāng)其靜止時(shí)開關(guān)閉合，LED亮;振動(dòng)時(shí)開關(guān)斷開，LED有瞬間的熄滅，詳細(xì)見圖13。

6.2 壓阻式振動(dòng)傳感器

壓阻式振動(dòng)傳感器通過應(yīng)變片的壓阻效應(yīng)，在加速度引起的慣性力的作用下應(yīng)變片電阻阻值發(fā)生相應(yīng)變化，通過惠斯通電橋可產(chǎn)生一個(gè)與加速度大小成比例的電壓信號(hào)。如今壓阻式和壓電式是應(yīng)用最廣泛的兩種振動(dòng)傳感器。惠斯通電橋電路如圖14，它可以減少零點(diǎn)漂移，提高輸出線性度。

進(jìn)一步進(jìn)行零點(diǎn)漂移補(bǔ)償，可在惠斯通的橋臂上串聯(lián)/并聯(lián)電阻，使得電橋平衡時(shí)輸出為0，如圖14。還可以通過熱敏電阻補(bǔ)償溫度漂移。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)與壓電式加速度傳感器有關(guān)的電路進(jìn)行了研究與匯總，包括工作原理，驅(qū)動(dòng)電路，前置放大器模塊與信號(hào)放大和處理模塊。其中，驅(qū)動(dòng)電路包括由5V到18～24V的電壓放大模塊、恒流源模塊，前置放大器包括電荷放大器和電壓放大器，信號(hào)處理模塊包括穩(wěn)壓電路、歸一化放大電路、濾波器與輸出級(jí)電路等等。最后，本文搭建了恒流源電路驅(qū)動(dòng)傳感器進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，并簡(jiǎn)要介紹了其他種類的振動(dòng)傳感器。

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