压电式传感器设计（精选7篇）
压电式传感器设计 篇1
目前, 传感器技术是全球研究的热点问题, 人们希望通过传感器检测到形形色色的有用信息, 作为电子计算机的“感觉器官”。其中压电式传感器由于高灵敏度、宽频带响应、宽测量范围、抗高过载等特点使其在很多领域得到广泛的应用。但压电传感器低频响应特性较差, 其上限响应频率取决于机械部分的固有频率, 下限响应频率取决于压电晶片本身以及所使用的放大器, 提高压电传感器的低频响应特性是提高其测量精度的关键技术。
本设计旨在通过模拟电路, 使压电传感器获得较为理想的频率补偿, 使其在?3d B高频截止频率为100k Hz, 频率0~70k Hz范围内的电压增益A (f) 的波动在±10%以内。
1 设计指标
1.1 模拟压电传感器电路
输入信号为200Hz、峰值为10V时, 模拟压电传感器输出信号没有明显失真;以200Hz为基准输入信号的-3d B高频截止频率为4.5 k Hz±0.5k Hz。
1.2 压电传感器频率补偿电路
频率为200Hz时的电压增益A (200Hz) =|Vo/Vs|=1±0.05;以电压增益A (200Hz) 为基准, 将A (f) =|Vo/Vs|的-3d B高频截止频率扩展到大于100k Hz;以电压增益A (200Hz) 为基准, 频率0~70k Hz范围内的电压增益A (f) 的波动在±5%以内;将输入信号接地, 输出信号的噪声均方根电压Vn≤10m V。
2 设计方案
电路主要由模拟模块和补偿模块组成。模拟模块主要是指信号发生器/接地产生的信号作为被测量的信号, 经过运模拟电路后的输出信号与压电传感器具有一样频率特性。
模拟电路单指在实际调试和测试时信号经过的某一电路, 输出信号与经过压电传感器有相同频率响应特性, 这一电路就是本文中的模拟电路。
补偿模块主要由放大电路和滤波电路组成, 就是一个针对模拟电路的校正网络电路。这个电路是根据模拟电路的传递函数计算而得到的, 对信号具有校正作用。本文中的频率补偿电路实际上就是对信号的频率展宽。其中放大电路的增益, 就是模拟电路的衰减倍数, 主要是放大被衰减的信号;滤波电路主要根据设计要求中的-3d B高频截止频率得到上限截止频率, 主要是为了防止信号经过放大电路后在高频率时产生自激震荡。电路总框图如见图1所示。
2.1 模拟电路设计
压电加速度传感器本身的内阻抗很高, 而输出能量较小, 从而产生的有用信号也十分微弱, 因此一般在其测量电路前需要接入1个高输入阻抗的前置放大器。加速度计使用的上限频率取决于幅频曲线中的共振频率。压电加速度传感器的-3d B高频截止频率大概在4-5k Hz之间, 可以把压电加速度传感器看作一个特殊的低通滤波器。同时由于压电传感器本身的内阻抗很高, 因此模拟的压电传感器的输入阻抗要很大。由此设计了如图2所示的模拟压电加速度传感器特性的电路模块中的运放电路, 具体电路图如下所示:本系统设计选用TI的OPA2134PA芯片作为模拟电路的运放芯片。
2.2 补偿模块设计
采用有源滤波低通运放串联构成频率补偿电路, 实现频率补偿电路的功能。通过在每一级运放前加一个衰减网络, 避免输出产生自激震荡。在理论计算电路具体参数时, 计算公式简单, 电路板的制作简单, 频率补偿较为理想。
滤波电路主要是指低通滤波器, 其主要作用是为了防止信号经过放大电路后, 在高频段产生自激震荡。为使滤波器在通频带内具有最大平坦的幅频特性, 选用二阶择巴特沃斯滤波器, 设置其增益为1, 具体电路图如图4所示。
电路中具体的参数R4=R9=800Ω, C3=C8=1n F, 其上限截止频率为120KHz。
2.3防止高频自激和去噪声
2.3.1防止自激的方法
通过对负反馈放大电路稳定性的分析可知, 电路产生了自激振荡时, 如果采取某种方法能够改变AF的频率特性, 使之根本不存在f0, 或者即使存在f0, 但f0>fc, 那么自激振荡必然被消除。消除自激震荡采用超前补偿的方法, 将超前补偿电容加在反馈回路, 若RC取值得当, 这样不仅可以消除自激振荡, 而且频带大大变宽, 符合要求。
2.3.2 PCB设计时降低噪声方法
在印制板制作模拟电路的印刷板时, 由于使用的电容只有4.7pf, 因此尽量使用大于90°的折线布线以减小导线与地、导线与导线之间的电容。印制板按有源和无源特性分区, 有源元件之间的距离要远一些。同时印刷板的接地线和电源线应该粗一些。有用信号传输的线不要与接电源的线平行。信号线尽量不要形成环路, 最好是由左到右的一条直线。每个集成运放芯片的电源都要有去耦电容。元器件与导线的焊点尽量不要有尖锐的突起, 要圆滑。
3 电路调试与测试
简单来讲, 本电路就是由一个运算放大器组成的模拟电路和四个运算放大器组成的补偿电路串联构成。由于本电路使用模拟电路代替了压电传感器, 在实际信号传输过程时, 它们的幅频特性并非完全一致, 所以有必要测试模拟电路的幅频特性。
制作的模拟电路在200Hz时, 输出电压Vb无失真, 增益为1。模拟电路输出电压Vb的-3d B高频截止频率在4.1k Hz~4.3k Hz之间, 满足设计要求。由实测数据可知, 信号在200Hz之后就开始衰减, -3d B高频截止频率约为4.2k Hz。电压增益A (200Hz) 为1时, A (f) 的-3d B高频截止频率在97k-98KHz之间;同时电路在频率0~70KHz范围内输出电压的最大误差是在20k时, 误差为0.3V, 电压增益A (f) 的相对误差为3%, 满足设计要求。
补偿电路的-3d B高频截止频率约为100k Hz, 具有很好的稳定性和频率特性。将输入端接地, 测得输出信号Vo的噪声峰峰值为50m V, 经计算可得噪声均方根Vn为8.3m V, 满足设计要求。
4 结束语
本文简单论述了压电传感器的工作原理, 并根据其频率特性设计了模拟电路和与之相对应的频率补偿电路。该电路主要由模拟电路和补偿电路构成, 实现了对压电传感器的频率特性模拟和频率补偿。它将模拟电路的3d B高频截止频率由4.5k Hz扩展为97KHz, 并且保证其在频率0~70k Hz范围内的电压增益A (f) 的波动为10%之内, 说明电路有很好的稳定性。除此以外, 电路为低噪声设计, 输出信号的噪声均方根电压仅为8.3m V。
摘要：文章介绍了一种压电传感器频率补偿电路, 本电路主要由模拟压电传感器电路与其频率补偿电路组成。模拟压电传感器电路以双运放OPA2134PA芯片为核心, 主要模拟压电传感器的频率特性;频率补偿电路以单运放THS4001芯片为核心, 能够实现对模拟压电传感器电路的频率补偿。本电路为低噪声设计, 噪声均方根电压Vn为8mV, 保证了电路基本无噪声的干扰, 该电路-3dB高频截止频率为100kHz, 频率0-70kHz范围内的电压增益A (f) 的波动在±10%以内。
关键词：压电传感器,频率补偿,自激震荡
参考文献
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[5]邓维礼.压电式多维力传感器处理电路的研究与设计[J].重庆大学, 2009.
压电式传感器设计 篇2
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。
参考文献
[1]孟立凡, 郑宾主.传感器原理及技术[M].国防工业出版社, 2005, 5.
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[3]徐甲强, 张全法, 等.传感器技术[M].哈尔滨工业大学出版社, 2004, 5.
压电式传感器设计 篇3
爆炸冲击波压力是一个压力范围相当宽、频率相当高的随时间变化的过程, 压电式晶体传感器凭借其测压范围宽、频率高、体积小且结构简单等特点, 一直是爆炸试验中测量爆炸压力的重要手段。但这种传感器的灵敏度易受温度、湿度、压力等环境因素的影响, 为保证试验测量精度, 每次使用前都应对其灵敏度进行实时标定。
1 传感器灵敏度标定方法
压电式晶体传感器的标定, 各种文献上所推荐使用的方法各有不同, 其特点及适用范围亦相差甚远。靶场在多年工程实践中, 对水下爆炸压力测量用传感器的标定积累了一定的经验, 经比较研究总结如下。
1.1 标准球形药包标定法
对于某些爆速稳定的炸药, 在严格地控制其密度与形状的条件下, 水下爆炸压力峰值与药包半径参数之间的函数关系也是相当准确的。也即, 对于某些标准球形药包来说, 在确定距离处的压力、冲量等参数也是确定的, 这就构成了标定的基础。
——R:测点到药包中心之间的距离 (m)
——W:药包质量 (kg)
代入 (1) 式得:
对于某一炸药, Aα是定值, 用一标准药球对传感器进行标定。
如图1所示:传感器固定于钢管上, 则药球与传感器距离R可量出, 代入
1.2 准动态标定法
准动态标定法是在静态标定法基础上发展起来的一种标定方法, 这种方法能够清除静态法标定的一些缺点。它假定:由于给定的流体静压力作用的结果, 晶体传感器的输出变为平衡, 随后通过阀门的快速开启或爆破膜片的方法使压力产生迅速的上升或下降, 与此同时实现对输出电荷的快速记录。
图3所示为传感器标定原理示意图, 加压器产生的压力符合水下爆炸压力特征;放大倍数即压力传感器校准装置的增益值, 在传感器标定前设置。
安装好被标定传感器, 通过加压器给传感器加压, 加压至一定值P即停止加压, 压力传感器校准装置采集记录传感器输出, 由示波器读取输出波形如图4所示。
2 标定结果对比分析
选取美国PCB公司138系列两种型号的水下爆炸压力传感器共6只 (高灵敏度3只, 低灵敏度3只) , 分别用上述两种方法进行灵敏度标定。标定结果见表1。
标准球形药包标定法的实施在码头进行, 试验海域为泥沙底, 流速小于1kn, 水深30m, 传感器入水10m;试验用炸药为1kgTNT标准药球, 采用经验在码头共进行3次爆炸, 分别计算传感器灵敏度值, 三次值平均即为传感器灵敏度值。
准动态标定法的实施在实验室进行, 每个传感器标定3次, 分别计算传感器灵敏度值, 三次值平均即为传感器灵敏度值。
标准球形药包标定法与传感器实际工作情况相同, 所以表1中以此法的标定结果为真值, 进行准动态标定法误差的计算。从表1可以看出, 误差最大为5.67%, 最小仅为0.28%, 这说明完全可以用准动态标定法进行压力传感器灵敏度的标定。不过从表1还可以看出, 准动态标定法所得结果均大于标准球形药包标定法结果, 这说明这一标定法所采用的压力传感器校准装置存在系统误差, 这是不可避免的, 每一套系统均存在这样的固有误差, 只需在实际使用时对传感器测量的水下爆炸压力进行数据处理时适当予以考虑这一情况即可。
3 结语
标准球形药包标定法由于其对药包制作质量的极高要求, 以及其实施成本高、组织复杂, 目前已极少使用。而准动态标定法正以很大成效被广泛采用, 其加压器产生的压力强度大、变化快, 完全符合水下爆炸压力特征, 更重要的是其标定结果与传感器实际使用条件下药球爆炸标定结果基本一致。
摘要：水下爆炸压力测量传感器灵敏度的标定是靶场试验的一个重要环节, 标定方法及结果直接影响水下爆炸压力测量精度。本文详细介绍了两种靶场常用的传感器标定方法, 并通过对传感器标定结果的分析, 给出两种方法标定两种型号六个压力传感器的实测结果, 得出准动态标定法可以通过数据处理达到标准球形药包标定法结果。
关键词：水下爆炸压力,压力传感器,灵敏度,标定
参考文献
[1]张洪润, 张亚凡, 邓洪敏编著.传感器原理及应用[M].清华大学出版社, 2008.7.
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[3]崔海涛, 刘庆明.冲击波压力传感器测试系统的动态标定[J].流体力学实验与测量, 2004.3, 第18卷第1期:92～96.
压电式传感器设计 篇4
包绍明, 一个科研工作者, 又是一个市场开拓者。他奉行“先有市场, 后有产量”的理念。“一个技术人员, 不关注市场, 就搞不好技术, 因为市场就是检验我们技术水平的考场!”“通过融入国际竞争, 只有走出去才能找到差距, 才能实现质的飞跃。”包绍明是这样说的, 更是这样做的。在中航工业凯天建立起我国唯一从压电敏感元件研发到压电式振动传感器测试的实验室, 实现了国内压电式振动传感器专业从无到有的历史性突破, 就是他深入钻研、开拓新技术领域的有力见证。
在2008年之前, 中航工业下属没有从事压电式振动传感器专业的企业和研究所。而我国的航空发动机也就一直没有装载压电式振动传感器, 整整落后了国外近50年。而这一切就从包绍明加入凯天后得到了改变。2008年10月, 我国某重点型号发动机首次应用了高温压电振动传感器, 其使用温度达482摄氏度、工作频率范围达到2500赫兹, 产品性能远远优于原来的磁电式振动传感器。这个产品的问世和产品技术的重大突破, 正是在包绍明一手开创压电传感器专业下结出的硕果。
在创业之初, 包绍明克服了重重困难。面对凯天在振动传感技术上的空白, 包绍明在公司的大力支持下, 组团队、筹设备、建实验室, 全力以赴研发压电式新型传感器。在实验室建设时, 许多特殊的测试设备国内无现成的产品借鉴;国外有相关制造商, 但是由于实验条件要求的特殊性, 也没有现成的设备可提供。包绍明没日没夜地翻阅资料, 找论文, 自己翻译自己消化, 自行设计、定制了所有的试验设备。实验室设备受英国Meggitt集团传感器事业部总裁的首肯:“The same!”这充分说明了该实验室不管是从测试条件还是技术指标, 都和世界最先进的传感器公司——Meggitt的实验室一样。该实验室也是我国唯一从压电敏感元件研发到振动传感器测试的包含全部关键技术和工艺的全套实验室, 确保了凯天具备自主压电敏感元件的制备、测试检测能力, 也保证凯天在该领域上拥有明显的优势。
经过项目团队的前期探索、仪器调试和不断试验, 实验室正式获得陶瓷样品, 并进入军品体系, 装入凯天生产的振动传感器中。实验室建成至今, 已实现为4个型号7项产品配套, 这不仅是凯天首次研发出压电式振动传感器, 也是我国第一次在发动机和燃气轮机上配套压电式振动传感器, 达到了国外先进水平。该系列振动传感器获得了中航工业科技成果二等奖。
在过去的几年, 包绍明和他的团队在凯天压电敏感元件实验室中, 自主研制出高温压电陶瓷的配方和基本制备工艺, 实现了对压电振动传感器全套技术的掌握。而超高温 (649摄氏度) 压电振动传感器及其差分电荷放大器的研制成功, 使得凯天成为继Meggitt后第二家能生产超高温传感器的公司, 在国内具有绝对领先地位。
压电式传感器设计 篇5
随着科学技术的发展,多维力传感器在航空航天、机械加工、汽车等行业中有着广泛的应用。多维力传感器按测力原理可分为电阻应变式、电容式、压电式、光学式和电感式等[1]。压电式传感器是根据压电材料的正压电效应将外力转换为电荷量输出,通过测量相应电量获得外力大小的一种传感器。本文在现有压电式四维力传感器基础上,改变敏感元件的布局方式,从而得到新的压电式四维力传感器的结构模型,并通过有限元分析方法对该模型进行了仿真分析。
1 石英晶片组的分布设计
将多块石英晶片(敏感元件)按照一定的切割形式和排列方式组合来构成“组合晶组”,就可以实现空间多方向力和力矩的测量。如图1所示,将8片X切型晶片和8片Y切型晶片均匀分布在内、外圆环上。内环为X切型晶片,其机械轴沿径向均匀发散,利用石英的纵向压电效应测量垂直于晶片的力FY;外环为Y切型晶片,其电轴(灵敏度轴)沿着测力的方向,利用石英的剪切压电效应测量与晶片表面相切的力FX、FZ和力矩。
在图1的基础上,优化晶体元件的结构。首先,用圆形的X、Y切型晶片代替原方块形的。其次,将8片X切型的石英晶片和8片Y切型的石英晶片均匀分布在内、外圆环上,构成一个晶组1[4]。
晶组1中,晶片1、2、3、4均位于同一平面上。晶片1、2、4用于测量力FX、FY和FZ;晶片3用于测量力矩MY。晶组1的石英晶片布局如图2所示,晶片1内箭头所指为X方向,晶片2内箭头所指为Z方向,Y方向垂直纸面向外。最后,将1个和晶组1布局方式完全一样的晶组2平行叠加放置在晶组1的上方,构成一个新的敏感元件布局,如图3所示。
2压电式四维力传感器的有限元分析
2.1建模
在利用有限元建模的过程中,选择耦合单元SOLID5作为压电材料石英的单元类型,并且输人代表石英晶体材料属性的压电系数、弹性系数和介电常数矩阵,同时按照图3中晶片组的布局要求为每一块晶片建立局部坐标系,用映射方式划分网格。其余的结构选择高精度的二次结构单元SOLID95,它是3维20节点实体,能够用于不规则形状,而且不会在精度上有任何损失。压电式四维力传感器的有限元模型如图4所示。
若将图4所示传感器模型放在图3的坐标空间中,则Y方向的力FY对传感器来说是压力,其方向沿Y负向。由晶片组测力原理可知,Y方向的输出电压UY是内环8片X切型晶片输出电压之和;X方向的输出电压UX是外环上灵敏轴指向X方向的2片Y切型晶片输出电压之和;Z方向的输出电压UZ是外环上灵敏轴指向Z方向的2片Y切型晶片输出电压之和;M方向的输出电压UM是外环上灵敏轴排列绕Y方向旋转的4片Y切型晶片输出电压之和。
2.2仿真与数据分析
施加0～2 000N的外力FY到Y方向时,4个方向的输出(UY、UX、UZ、UM)及对其它3个方向的干扰情况(UX/UY、UZ/UY、UM/UY)见表1。
对于压电式四维力传感器,主要研究的是在4个方向同时施加力和力矩时的输出变化情况。因此对传感器4个方向同时施加力和力矩,得到的输出见表2。
研究表明:施加FY时,对其它3个方向的维间干扰均不大于0.000 8%;施加FX和FZ时,维间干扰最大值出现在X方向,且均小于2%;施加MY时,对其它3个方向的维间干扰小于0.1%。
为了得到石英晶片的力电转换效率,可先求出晶体片上产生的电荷与所受外力之间的比值,再将该值与晶片实际的压电系数相比即可。
将石英晶片视为薄平行板电容器,通过晶片上下面的电压差值可计算出电荷量,即:
式中,Q为石英电荷量;U为石英上下面电压差值;ε0为真空中介电常数值,取8.854 2×10-12 C2 N-1 m-2;εr为石英的相对介电常数,X切型晶片取4.5,Y切型晶片取4.6;S为石英晶片上下面的面积,取0.000 05m2;D为石英晶片的厚度,取0.001m。
由式(1)可知,晶体片上产生的电荷与所受外力之间的比值为:
由于FY、FX、FZ、MY是作用在32块晶片上的,因此,在计算晶片的力电转换效率时,首先要得到各方向上实际用于测量相关外力的晶片上所承受的力的大小。在Y方向上施加外力FY时,16片X切型晶片用于测量该力,其受到的力FY'=8×FY/32。在X方向上施加外力FX时,该方向上相关的4片Y切型晶片用于测量该力,其受到的力FX'=4×FX/32。Z方向的受力情况与X类似。施加力矩MY时,只需将力矩除以力臂得到相应的力后即可进行计算。
将FX'和FY'带入式(2),就可得到Y方向上X切型石英晶片产生的电荷与该晶片所受力之间的比值为1.97X10-12C/N;X、Z方向上Y切型晶片产生的电荷与该晶片所受力之间的比值为3.58×10-12C/N。在传感器中,X切型石英晶片相应的压电系数d11=2.31×10-12C/N;Y切型晶片相应的压电系数d26=4.62×10-12C/N。最后,将计算得到的比值与实际的压电系数相比,发现X切型石英晶片的力电转换效率为86%,Y切型石英晶片的力电转换效率为77%。
3 结束语
压电式四维力传感器采用了32片石英晶片,结构上比原16片的复杂。经ANSYS软件分析得知,该传感器维间干扰很小,力电转换效率也比原结构提高了2%～3%,但这些结果忽略了弹性膜片对该参数的影响。
通过对该新型晶片组的有限元仿真分析,初步验证了该传感器结构设计的合理性和有效性,不仅能够实现空间四方向上力或力矩的测量,还改善了静态特性。
参考文献
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压电式传感器设计 篇6
随着我国交通运输业的不断发展,货运部门为提高运输效率和经济效益,改装货车车身,后桥和轮胎大幅度提高装载能力[1]。这不仅诱发了大量的安全事故,严重破坏了路桥基础设施,并产生了更加严重的噪声,振动,空气污染等环境问题。传统的静态称重系统已不能满足高速公路行驶车辆的称重;因此,速度快、准确度高、成本低的车辆动态称重系统对公路交通部门加强公路运输的管理,实施超限处理,保障行车安全,降低公路的养护成本等方面有着显著的社会效益和经济效益。
1、压电石英传感器动态称重系统的硬件设计
1.1 动态称重系统的基本组成和工作流程
本系统采用的是轴计重的动态称重方式;即分别测出车辆各轴的轴重,再由称重系统计算出整车的重量。系统主要由称重传感器、信号采集系统(包括数据中心处理器、信号处理器)、轮轴识别器、红外光栅车辆分离器、地感线圈、车辆检测器等组成[2]。当车辆经过秤台时,传感器信号输入到数据处理中心,对车辆重量数据进行处理,计算出每个轴的重量和总重,当车辆驶出称重区时,地感线圈与红外光栅按顺序发出信号,表示一辆车称重工作结束。信号处理器根据轮轴识别传感器的信号判断出每轴的轮胎数、轴型及车型,从而得到轴型及规定的标准值,与实测值比较得到超限结果。地感线圈信号为车辆称量的收尾信号,保证车辆连续进入称重区时,准确的区分每辆车的检测数据。地感线圈与红外光栅完成正常行驶与倒车的检测,确保数据的准确性,并对车辆以外的物体和人通过时进行判断,避免出错。当红外车辆分离器与地感车辆检测器有一个发生故障时,系统仍能正常工作。其工作流程如图1所示:
1.2 动态称重系统的数据采集系统
汽车是一个多自由度的复杂动力系统,由于路面的不平度、车辆自身、轮胎的弹性,发动机的振动以及驾驶员操作的不稳定等都会影响数据采集的准确性。因此,在称量的过程中,选择适当的传感器和设计合理的数据采集系统可以有效提高动态称重系统的精度。
在数据采集过程中,采样周期△T或采样频率f的正确选择直接影响系统的性能和成本;本系统中采样频率f的计算公式为[3]:
式中:v—车辆行驶速度,km/h;
t—轮胎与传感器的接触时间,s:
m—最低采样点数,个;
L—轮胎印迹的长度,m;
f—采样频率,Hz。
如图2为本系统的测量链;其中石英传感器的长度在0.75m到1m之间,一般4个传感器组合在一起覆盖一个车道,两个传感器并联在一起作为一个通道,位于电荷放大器之前。此连接可以实现对左右轮单独的测量;当是双胎时,石英传感器的输出信号是两个轮胎载荷的和。处理系统为电子控制箱,控制地感线圈,称重传感器等;实现传感器,地感线圈,轮胎识别器数据的采集和处理。
2、压电石英传感器动态称重系统的软件设计
2.1 数据处理算法设计
数据处理是动态称重系统中数据误差消除的关键,车辆通过称重传感器的过程中不仅有真实车重还有许多干扰信号。因此,找出真实的汽车重量信号,设计合理的数据处理算法才能对称重系统进行处理。由压电石英传感器特性可知,传感器采集到的信号峰值不能作为轴重数据,传感器只能被轮胎部分覆盖;车辆的轴重与采集到的信号的面积关系为:
式中:W一轴重,t;
v—车辆行驶速度,km/h;
Ls—传感器宽度,m:
A—∑(uibi),其中ui为输出电压,bi为基准线;
C—常数。
(1)确定阈值在点t1、t2 (t1、t2为开始记录前轴波形的时间)进行触发,阈值一般为波峰值的0.5%-1%。在实际实验测量时由于测出的波峰值是不准确的,所以需要根据经验值进行确定。
(2)计算传感器输出曲线以下部分从开始点到结束点的面积。
(3)校准常数C由已知重量的汽车测试得到。并且在随后汽车重量的估计中作为一个常数使用。
(4)对于温度的影响,速度的影响或者老化的问题不需要补偿的算法(因为对于线状传感器除了速度以外的其他影响因素在计算W的过程中都是不需要的)[4]。
数据处理算法设计的流程框图如图3所示;针对压电石英称重传感器采集信号的特点,需要首先选出采集信号的上半周,用巴特沃思低通滤波器滤掉高频干扰信号,再对前后轴的信号波形进行积分,得到前后轴的重量,最终得到整车的质量[5]。其中截止频率是由试验路面的等级,路面的不平度,以及汽车的行驶速度确定出的激振频率f;
式中:v—汽车行驶速度,km/h;
λ—路面波长,m。
由公式(3)可以得出巴特沃斯低通滤波器的截止频率f0满足f0>2×f。
2.2 试验过程
本实验采用奇石乐公司生产的石英动态称重传感器,传感器的宽度记为Ls。两排石英传感器与行驶方向垂直,采用2×2m的地感线圈,石英传感器与地感线圈的距离取为0.3m;同一车道传感器之间的距离为4m,为保证测出速度误差尽量小,传感器平行度小于4mm。合理设置各个仪器的参数,试验车辆以10km/h、20km/h、40km/h、60km/h、80km/h、100km/h的速度通过称重系统,石英传感器采集到的信号经过电荷放大器,A/D转换器存入计算机。记录试验场路面的类型,结合车速确定出激振频率,试验做完后,断开测量电路,把仪器设备放归原处,试验车辆开回原来的停放地。如出现故障及时维修。
2.3 系统显示界面的设计
本系统采用MATLAB中的图形用户界面(GUI)实现显示界面的设计,其具有操作简便,可视性好,对界面的操作可通过触摸式按钮实现;具有较强的人机交互功能。
由上述试验过程测得的数据,如图4显示的是试验车辆以20km/h的速度通过称重台的试验结果;界面包括原始信号,输入信号,滤波,找出z与阈值1的交点,找出z与阈值2的交点,执行结果显示共六个按钮。由于输入信号中包含了众多的干扰信号,需要用巴特沃斯低通滤波器进行滤波,得到“滤波后”的信号波形。滤波后的信号波形与输入信号相比,幅值会有所下降。利用MATLAB程序找出信号波形前后轴的波峰值,分别乘以0.5%得到前轴对应的阈值1和后轴对应的阈值2[6]。又因为找到“滤波后”的波形z与阈值的交点后直接用MATLAB画出的图像不能很好的显示出两者的交点,将图像放大,直至能明显的显示出两者的交点。这样,就得到了z与两个阈值的交点图(“z与阈值1的交点”、‘z与阈值2的交点”)。
3、结论
基于压电石英传感器的动态称重系统通过传感器采集称重信号,巴特沃斯低通滤波器滤波,得到车辆的截止频率,采用轴计重的方式得到整车的质量。系统包括数据采集系统,信号处理系统,电子控制器和显示操作界面;系统的设计对于解决车辆超载,对公路建设与管理有着重要的意义。本系统通过试验验证具有称重精度高,测量速度快,时间短等优点,测试过程中,系统运行稳定,数据通信可靠,达到了预期目标。
摘要：国内公路运输的超重现象十分严重,车辆的超载运输对交通安全,运输市场,路桥基础设施等造成极大危害;车辆动态称重技术作为一种有效的车辆超载管理手段,取得了较好的效果。本文设计了一种基于压电石英称重传感器的动态称重系统,通过传感器采集信号,巴特沃斯滤波器低通滤波,确定激振频率和截止频率,测量车辆轴数,通过计算得出轴重,进而得到整车重量。试验结果表明,本系统具有测量精度高、耗时短、效率高等优点;有一定的实际应用价值。
关键词：动态称重,数据采集,信号处理,硬件设计,软件设计
参考文献
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压电式传感器设计 篇7
贾卡经编机贾卡装置自1884年问世以来,已从机械式发展到电磁式和现在的压电式,即Piezo贾卡系统,彻底改变了贾卡装置需要通丝、移位针等繁杂部件的特点,使贾卡经编机提花部分的机构大大简化,速度有了很大提高。此外,与计算机辅助花型设计系统配合,加快了贾卡经编织物的设计,简化了上机工艺,缩短了产品更新周期。Piezo贾卡的成功开发促进了经编机设备的不断发展进步,目前机器速度已经大大提高,提花原理也得到了进一步的发展[1,2]。
Piezo贾卡导纱针主要由三部分组成:压电陶瓷、导纱针握持端和可替换的贾卡导纱针。Piezo贾卡元件用于控制经编机上贾卡导纱针的左右偏移。它由两片压电陶瓷组成,中间由玻璃纤维层隔离(绝缘)。压电陶瓷具有“逆压电效应”,将其置于外电场将产生几何变形。通过控制贾卡元件两侧交替加上去的正负电压,使电陶瓷变形,进而使导纱针向左或向右偏移。由于压电陶瓷效果像电容一样,使得压电式导纱针能保持在它的偏移位置上。贾卡导纱针左右两面都有定位快,可以保证精确的隔离[3,4]。
设计贾卡控制系统的主要目的就是要根据经编机的需求,把花型数据准确适时地执行到导纱针,实现经编机的提花。本文根据实际经编机设备的开发需求,选用AVR系列单片机ATmega128为主控芯片,设计了压电式贾卡控制系统,包括控制系统的软、硬件设计,压电陶瓷贾卡装置的驱动电路等。系统将计算机技术和传统的提花工艺结合,较好地解决了传统提花工艺中存在的问题,降低了成本,简化了操作过程,缩短了新产品的开发周期。该系统由于成本低,结构简单,特别适用于实际贾卡经编机设备控制部分的技术改进,具有较好的可靠性与实用性。本系统的设计原理和结构的可靠性与实用性已通过样机试运行得以证实。
1 硬件设计
1.1 系统总体结构
图1所示为系统总体结构框图。
图1中下位机在系统中所完成的主要工作包括:接收上位机的选针花型数据,并存储在下位机的存储器FM24C512中;接收上位机的同步和归零信号,并根据存储器中的选针花型数据驱动贾卡陶瓷导纱针,以实现提花控制。
1.2 单片机控制系统总体设计[5,6]
下位机系统硬件结构框图如图2所示。ATmega128单片机作为系统控制核心,将花型准备系统设计出来的花型数据(花型数据库)通过RS 485连接单片机的串口通信,从上位机把花型数据传送到外部扩展的FM24C512存储器中,实现与上位机的高速多机通讯,并由ATmega128单片机按照花型数据,与机器设备其他部分协调控制(同步、归零等)贾卡经编机所需要的花型,通过贾卡驱动电路驱动贾卡陶瓷导纱针,以实现提花控制。
单片机采用MCU的联机仿真和测试的标准接口(JTAG),可实时在线仿真和调试,方便系统软件的维护和升级。系统工作的启动或停止信号经393比较电路、光电隔离电路和斯密特触发电路处理后安全可靠稳定地到达控制核心,两路信号接ATmega128两路外部中断接口,以保证信号的实时处理。
1.3 硬件各部分设计
1.3.1 MCU控制中心
本经编机贾卡控制系统采用美国ATMEL公司资源丰富的ATmega128产品作为主控芯片进行设计。ATmega128为基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器,具有快速、灵活、集成度高,加密性强和易实现等诸多优点。ATmega128具有128 KB的系统内可编程FLASH、4 KB的E2PROM、4 KB的SRAM、53个通用I/O口线、32个通用工作寄存器、实时时钟RTC、4个灵活的具有比较模式和PWM功能的定时器/计数器(T/C)、2个USART、面向字节的两线接口TWI、8通道10位ADC、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、SPI串行端口、与IEEE 1149.1规范兼容的JTAG测试接口,以及6种可以通过软件选择的省电模式。由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间,ATmega128的数据吞吐率高1 MIPS/MHz,比普通的复杂指令集微处理器高10倍,从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
1.3.2 RS 485通信
在实际应用中采用一台主机控制多台从机。根据设备的基本要求,从机与主机间的通讯速度不需要太高,一般采用9 600 b/s或14 400 b/s即可。所以本系统通讯总线采用半双工RS 485总线即可达到要求,且造价低廉,稳定性好。用MAX485芯片在控制信号下可以完成与上位机的通讯,实现数据的传输,主要是接收上位机传来的选针花型数据以及发过来的控制命令。
1.3.3 掉电存储
图2中,掉电存储部分采用FM24C512。它带有2线工业标准串行接口的512 KB非易失性FRAM,且与工业标准24C512的E2PROM的引脚兼容,极易进行容量扩展。为满足系统需要,本设计采用了两片FM24C512,组成了1 MB的存储空间。该存储器以高达1 MHz的总线速度执行读操作和无须等待的写入操作,擦写次数超过100亿次,避免了一般E2PROM存储器需要很长的擦写延迟时间和轮询软件,擦写次数并少于100万次的弊端。其工作电压是5 V,读写频率在100 kHz时电流消耗为250 μA,具有极低的功耗。可在-40～+85 ℃的工业温度范围内工作,同时提供45年的数据保留能力,信息保存可靠。利用ATmega128的两线接口TWI(I2C)对FM24C512进行操作,简单方便,满足系统要求。正是由于以上原因,系统设计舍弃了单片机自身所具有的E2PROM而采用了FM24C512作为掉电存储器。
1.3.4 信号传输
系统的控制过程是一个闭环控制,信号传输过程如图2中所示,MCU通过花型数据来驱动提花机的贾卡动作,同时提花机将贾卡的当前状态反馈给MCU,MCU根据实时的贾卡状态修正或准备新的花型数据并驱动贾卡动作,从而形成回路控制。
控制系统一次性传输的数据量较大,每台贾卡经编机上一般有几千把导纱针同时动作,单片机控制导纱针的每一个动作都需要向外输出几千位的控制信号,使用并行输出,受单片机端口数限制必定行不通。使用串行转并行输出则可以很好地解决问题,所以系统采取的是单片机串行输出花型数据到贾卡的驱动电路,驱动电路将串行数据转化成并行数据执行动作的方式。虽然串行比并行传输的速度慢,但根据实际需要在规定的时间内传输完几千位的数据还是可以做到的。因此,信号传输过程对速度和抗干扰能力的要求较高,同时系统中贾卡驱动电路设计至关重要。
为防止电源等对信号的干扰,对输出的花型数据信号进行光电隔离,经隔离后的信号通过信号长线驱动器MC3487转换成RS 422信号,将TTL逻辑电平变为电位信号来实现信息传送。同理,MCU接收的反馈贾卡状态信号也需要经过长线驱动器MC3487和长线驱动接收器MC3486的处理后经过光隔进入单片机。这样的设计不仅可以增加系统的抗干扰能力,同时可以支持较高的传输速率和较长的传输距离。
1.3.5 光电隔离
为满足系统高速、低功耗、可靠的信号传输要求,光隔部分采用6N137光耦合器。它是一款用于单通道的高速光耦合器,其内部有一个850 nm波长AlGaAs LED和一个集成检测器组成,其检测器由一个光敏二极管、高增益线性运放及一个肖特基箝位的集电极开路的三极管组成。具有温度、电流和电压补偿功能,高的输入输出隔离,LSTTL/TTL兼容,高速(典型为10 MBd),5 mA的极小输入电流。
1.3.6 贾卡驱动
本设计采用硅结构的CMOS器件74HC595作为串行移位输出,其兼容低电压TTL电路,遵守JEDEC标准。8位串行输入、8位串行或并行输出,具有8位移位寄存器和一个存储器,三态输出功能。移位寄存器和存储器是分别的时钟。输出寄存器可以直接清除,具有100 MHz的移位频率,并行输出,总线驱动。数据在SHCP上升沿进入移位寄存器后,在STCP上升沿输出到并行口进行驱动。串行移位输出电路原理如图3所示。
根据贾卡导纱针的工作原理[5],驱动电路要根据花型数据给压电陶瓷加正或负60 V直流电。驱动电路如图4所示,主要由74HC541为八缓冲器/驱动器、2个2N5551型三极管、2个2N5401等组成。
压电陶瓷驱动电路的工作原理为:由控制系统输出的脉冲信号DIN,一路输入到第一组由QA1和QA3组成的正电源开关电路,另外一路经过74HC541缓冲输入到第二组由QA2和QA4组成的负电源开关电路,这两组开关电路由DIN统一控制。当DIN为高时,第一组开关电路导通,第二组关断,正电压+V输出加到压电陶瓷端(VOUT);当DIN为低时,第二组开关电路导通,第一组关断,负电压-V输出加到电陶瓷端(VOUT)。这样通过系统输出的脉冲信号不断变化即能控制压电陶瓷导纱针的左右摆动,将电能转换成机械能,实现提花选针。
在脉冲开关电路中,为了尽量接近理想开关,晶体管则一定要工作于饱和或截止状态,而放大状态则只是在饱和、截止两个状态相互转换的瞬间经过一下。根据压电陶瓷片驱动电压60 V及驱动电流(几十毫安左右),本驱动电路选择2N5551和2N5401型三极管(Icm=600 mA,Bvceo>160 V),经验算,各三极管在此电路中能饱和。该驱动电路设计合理实用。
2 软件设计
根据控制系统的功能要求并结合上述硬件设计,再结合系统选取针花型数据的存储、花型驱动信号、主从机的数据通讯及控制等功能。然后由RS 485半双工总线的特性设计出命令表及协议。MCU在编程状态下,通过RS 485总线接收上位机发送的数据,并按顺序存储在掉电存储器中;在运行状态下,从机在同步及归零信号控制下,按顺序将数据从掉电存储器中读出,并将其解压后转换成一组贾卡导纱针。软件程序采用模块化的编程思想,采用汇编和C语言混合编写的方法[7]。
2.1 RS 485通信程序
RS 485通信任务是从上位机把花型数据或者发过来的控制命令传送到外部扩展的FM24C512存储器中。系统采用半双工工作方式,接收上位机的花型数据,则单片机利用USART串口采用应答式实现与上位机的通信,程序流程如图5所示[8]。
2.2 花型控制程序
本控制系统的控制信号传输采用串行转并行传输技术。其串行传输采用的是软件模拟串行同步传输。CPU从片外FM24C512读取花型控制信息,经单片机端口在时序(SHCP)配合下串行传送给74HC595进行移位缓存,数据依次由高位到低位传输。传送完花型控制信号后,单片机CPU处于等待状态。当现场向单片机发送使能信号时,则单片机对74HC595的STCP发送一个上升沿脉冲信号,从而缓冲的所有数据并行输出,从而贾卡导纱针实现一次动作。其程序框图如图6所示[9]。
3 系统可靠性设计
贾卡经编机对系统可靠性要求很高,在系统工作时,不能出现死机及其他异常现象。因此系统在软硬件设计过程中对可靠性加以特殊的重视。下面介绍几种提高系统可靠性的主要措施[10,11]。
(1) ATmega128自身具有看门狗功能,可在系统异常发生时自行重启。
(2) 信号光电隔离,分组供电。采用稳定可靠的DC-DC模块24S05由24 V直流电源得到单片机需要的5 V电源,光耦及MC3486或3487需要的5 V电源另外供应,同时24 V电源为393提供电源。
(3) 提高元器件及其印刷电路板的可靠性。关键元器件要严格筛选,电路板布线要严格按照PCB布线规则,充分考虑电磁兼容、抗干扰等要求。
(4) 良好的接地系统,提高安全性,抑制干扰。
(5) 程序采用汇编语言和C语言混合编写,以适应要求较严格的时序问题。
(6) 采取充分的软件可靠性措施,例如采用串行数据的出错重传和延时调整、严格各端口的控制字、超时判断等。
4 结 语
本系统设计集成了花型数据的提取、存储、传输、校验及控制等一系列功能,实现了花型数据的数字化传输功能,提高了贾卡经编机提花控制系统的数字化水平,大大节约了花型控制的成本。此贾卡控制系统与计算机辅助花型设计系统配合可以加快贾卡经编织物的设计,简化上机工艺,缩短产品更新周期,可以很好地改进贾卡经编机设备的控制技术,系统的可靠性与实用性在样机试运行中已经得到证实。
摘要：为满足贾卡经编机设备的实际需要,设计基于AVR ATmega128单片机的压电式贾卡控制系统,介绍了该控制系统的软硬件设计方法,叙述了各部分设计过程,并给出几种提高系统可靠性的措施。此贾卡控制系统与计算机辅助花型设计系统配合使用,可以加快贾卡经编织物的设计,简化上机工艺,缩短产品更新周期,实用可行,可广泛应用于压电式经编机贾卡控制中。系统的可靠性和实用性已通过样机试运行得以证实。
关键词：经编机,压电贾卡,AVR单片机,控制系统,驱动电路
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