【優(yōu)秀碩士博士論文】icp加速度傳感器調(diào)理電路設(shè)計(jì)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)1

摘要本文介紹了研究ICP加速度傳感器精密恒流源電路設(shè)計(jì)的意義與目的，分別闡述了恒流源與壓電式加速度傳感器的發(fā)展歷程、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀以及在多個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，簡(jiǎn)述了理想恒流源和實(shí)際恒流源的區(qū)別，詳盡地介紹了恒流源的原理和評(píng)價(jià)恒流源的主要性能指標(biāo)，以及ICP加速度傳感器原理和優(yōu)點(diǎn)。ICP加速度傳感器目前已被廣泛應(yīng)用，基于能更好應(yīng)用ICP加速度傳感器的目的，需要為其配備合適的供電電路。本課題開發(fā)一種適用于ICP傳感器的精密恒流源，可以為各種ICP加速度傳感器供電。該供電電路采用了220V的交流供電，經(jīng)過(guò)整流穩(wěn)壓后得到穩(wěn)定的電壓，采用單片集成芯片LM334，利用集成電路恒流源的原理設(shè)計(jì)恒流模塊，為ICP加速度傳感器提供的精密恒流。并設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理的高低通濾波網(wǎng)絡(luò)，使ICP傳感器的輸出信號(hào)能被A/D采集電路獲取。經(jīng)過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)檢測(cè)表明，此電路性能可靠，效果良好。關(guān)鍵詞ICP加速度傳感器，信號(hào)調(diào)理，高低通濾波，恒流源電路ABSTRACTTHISPAPERINTRODUCESTHESIGNIFICANCEANDPURPOSEOFTHESTUDYOFPRECISIONCURRENTSOURCECIRCUITDESIGNFORICPACCELERATIONSENSOR,THENCLARIFIESTHEDEVELOPMENTOFDOMESTICANDINTERNATIONALSITUATIONANDTHEAPPLICATIONINAREASOFTHECONSTANTCURRENTSOURCEANDPIEZOELECTRICACCELERATIONSENSORTHEDIFFERENCEBETWEENIDEALCURRENTSOURCEANDTHEACTUALISPRESENTEDANDTHENINTRODUCESTHEPRINCIPLEANDTHEMAINSOURCEOFCONSTANTEVALUATIONOFPERFORMANCEINDICATORSOFTHECONSTANTCURRENTSOURCEANDICPACCELERATIONSENSORSPRINCIPLEANDADVANTAGESWITHICPACCELERATIONSENSORSBEINGWIDELYUSED,ANDFORTHEPURPOSEOFBETTERAPPLICATION,ASUITABLEPOWERSUPPLYCIRCUITISNEEDEDTHISTOPICDEVELOPSAKINDOFPRECISIONCURRENTSOURCEWHICHISAPPLICABLETOTHEICPSENSORANDSUPPLYCURRENTFORITTHEPOWERSUPPLYCIRCUITSISUSINGA220VPOWEREXCHANGE,AFTERRECTIFIERREGULATORTOGETSTABLEVOLTAGE,USESTHEPRINCIPLESOFINTEGRATEDCIRCUITSCURRENTSOURCETODESIGNCONSTANTCURRENTMODULEWITHADOPTIONOFTHELM334,WHICHISAMONOLITHICINTEGRATEDCHIP,THENPROVIDESPRECISIONCONSTANTCURRENTBETWEEN2MAAND10MA，ALSODESIGNSTHELEVELOFSIGNALCONDITIONINGPASSFILTERNETWORKSOTHATTHEICPSENSOROUTPUTSIGNALCANBEA/DACQUISITIONCIRCUITACCESSTHROUGHSIMULATIONANDEXPERIMENTSHOWTHATTHEPERFORMANCEOFTHISCIRCUITISRELIABLEANDTHEEFFECTISGOODKEYWORDSICPACCELERATIONSENSORS,SIGNALCONDITIONERPREAMPLIFIER,PRECISIONCURRENTSOURCE,HIGHANDLOWPASSFILTER目錄中文摘要ABSTRACT1緒論111課題的來(lái)源與意義112國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2121壓電傳感器2122恒流源213課題的主要研究?jī)?nèi)容32ICP加速度傳感器簡(jiǎn)介421壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)與原理4211壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)4212典型的電荷放大系統(tǒng)4213ICP傳感器測(cè)試系統(tǒng)522ICP傳感器的選型6221重量6222頻率響應(yīng)特性6223靈敏度723ICP傳感器輸出信號(hào)的分析73恒流源模塊的設(shè)計(jì)931供電電路的總體設(shè)計(jì)932供電電路的實(shí)現(xiàn)9321采用集成運(yùn)放構(gòu)成的線性恒流源10322采用集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的開關(guān)恒流源10323采用LM334芯片實(shí)現(xiàn)恒流源11323LM334搭建恒流源1133信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)15331信號(hào)調(diào)理電路的功能和目的15332信號(hào)調(diào)理電路的組成15333交流耦合的設(shè)計(jì)16334信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)16335低通濾波電路的設(shè)計(jì)1834輔助電源的設(shè)計(jì)21341需要制作的電源21342電源的總體設(shè)計(jì)21343變壓部分設(shè)計(jì)22344整流部分設(shè)計(jì)22345濾波部分設(shè)計(jì)25346穩(wěn)壓部分設(shè)計(jì)26347電源電路圖2935整體電路圖的設(shè)計(jì)3036印制電路板PCB的設(shè)計(jì)304電路仿真與實(shí)物調(diào)試3141輔助電源仿真3142供電電路仿真3143信號(hào)調(diào)理仿真3244實(shí)物電源調(diào)試3345實(shí)物供電電路調(diào)試3346完整實(shí)物電路調(diào)試345結(jié)論與展望3651工作總結(jié)與結(jié)論3652展望36致謝37參考文獻(xiàn)38附錄A電氣原理圖39附錄BPCB頂面圖40附錄CPCB底面圖41第一章緒論11課題的來(lái)源與意義在當(dāng)代機(jī)械裝置狀態(tài)的識(shí)別和故障檢測(cè)中，數(shù)據(jù)收集與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是其中的必要組成部分。首先必須采集系統(tǒng)中的噪聲、振動(dòng)等干擾信號(hào)才能進(jìn)行識(shí)別和檢測(cè)，通過(guò)將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，才能用計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)與處理。例如在測(cè)量噪聲信號(hào)時(shí)，加速度傳感器收集獲取噪聲信號(hào)之后，便將噪聲信號(hào)送到信號(hào)調(diào)理模塊，通過(guò)調(diào)理模塊把模擬形式的噪聲信號(hào)調(diào)理成標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)5V，調(diào)理后的電壓信號(hào)再被送到A/D采樣電路中，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)，便可由計(jì)算機(jī)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)字處理，最后再按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行量度的變換，得到噪聲標(biāo)準(zhǔn)單位。目前，壓電式加速度傳感器是最為廣泛地應(yīng)用于測(cè)量噪聲信號(hào)與振動(dòng)信號(hào)的傳感器，但是這種傳感器須先后進(jìn)行電荷放大器供電、放大電路放大信號(hào)、調(diào)理電路調(diào)理成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。由于這種連接方式對(duì)導(dǎo)線的搖動(dòng)和阻抗等要求非?？量?，并且很容易受到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的影響7。所以，現(xiàn)在有采用內(nèi)置IC放大器加速度傳感器（ICP型）的趨勢(shì)。ICPINTEGRATEDCIRCUITPIEZOELECTRIC是一種新型的壓電式加速度傳感器。ICP傳感器的優(yōu)點(diǎn)的在于精度高不易受到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾，輸出信號(hào)可配長(zhǎng)電纜而不影響測(cè)量精度。不必使用電荷放大器，使用方法簡(jiǎn)單實(shí)用，特別適用于在線檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。傳感器為全密閉結(jié)構(gòu)封裝，有效防止環(huán)境中微塵、潮濕有害氣體的干擾?？梢灾苯佑脭?shù)字萬(wàn)用表、示波器或者數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行測(cè)量。正因?yàn)榫邆湟陨蟽?yōu)點(diǎn)，ICP傳感器被廣泛應(yīng)用各個(gè)領(lǐng)域，但其需要專用的恒流源裝置為其供電,在使用中，一臺(tái)恒流適配器可以為多個(gè)ICP傳感器恒流供電，或用做輸出信號(hào)。用于恒流源供電的數(shù)據(jù)采集儀裝置，因?yàn)榧染哂泄╇姽δ?，又具有?shù)據(jù)采集功能，故可將該類型傳感器直接接入相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集裝置。雙電源供電的傳感器可以由數(shù)據(jù)采集裝置提供正負(fù)雙電源或者用兩組電壓調(diào)節(jié)、兩組電流調(diào)節(jié)的直流穩(wěn)壓電源為其供電。而PCB公司為其配套的恒流源裝置由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部件成本較高，價(jià)格非常昂貴，限制了ICP加速度傳感器的推廣和應(yīng)用。本課題的主要研究目的是開發(fā)一種適用于ICP傳感器的精密恒流源，提供一種為能夠各種ICP加速度傳感器供電，同時(shí)能夠使ICP傳感器的輸出信號(hào)能被A/D信號(hào)采集電路獲取，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉的適用于ICP傳感器的精密恒流源。12國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀121壓電傳感器壓電式傳感器的發(fā)展可以分為以下幾個(gè)階段。第一個(gè)階段是60年代，傳感器主要是電荷輸出的方式，測(cè)量系統(tǒng)包括壓電傳感器和信號(hào)調(diào)理裝置，信號(hào)調(diào)理主要是由電荷放大器組成；到了80年代中期，出現(xiàn)了成為IEPE傳感器，PCB公司的產(chǎn)品則叫ICP傳感器，這種傳感器也被稱為低阻抗電壓輸出的壓電傳感器，它解決了壓電信號(hào)在高阻抗形式傳輸時(shí)帶來(lái)的一些問(wèn)題；第三階段是90年代以來(lái)，產(chǎn)生了PNP型（PLUGANDPLAY，即插即用）具有混合模式接口的智能TEDS式傳感器。當(dāng)今時(shí)代，傳感器技術(shù)作為信息系統(tǒng)的感官，它的落后會(huì)嚴(yán)重影響計(jì)算機(jī)的處理效率，從而拖累整個(gè)信息系統(tǒng)，在我國(guó)壓電傳感器的技術(shù)發(fā)展大大落后于世界一流水平，自上世紀(jì)改革開放以前，壓電傳感器的技術(shù)發(fā)展主要是為了滿足航空航天技術(shù)發(fā)展的需要。70年代末以來(lái)，由于不斷引進(jìn)國(guó)外的技術(shù)成果和學(xué)習(xí)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)各個(gè)行業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展階段，當(dāng)代檢測(cè)技術(shù)的推廣越來(lái)越深入。因此，以壓電傳感器為核心的測(cè)試技術(shù)開始引起了一定程度的重視。但是，由于在以壓電傳感器測(cè)量技術(shù)為中心環(huán)節(jié)的發(fā)展上，起步晚，基礎(chǔ)薄弱，我國(guó)壓電傳感器技術(shù)發(fā)展依舊和發(fā)達(dá)國(guó)家有明顯差距。目前，我國(guó)能夠生產(chǎn)ICP加速度傳感器的廠家不多，并且與進(jìn)口產(chǎn)品相比，性能較差，可靠性不夠。在自主研發(fā)的道路上需要更多的投入。122恒流源恒流源裝置在測(cè)量監(jiān)控、電光源、通信、電子儀器儀表、電化學(xué)等諸多方面有著不可替代的作用，所以，當(dāng)前傳感器技術(shù)受到各行各業(yè)普遍重視。直接采用半導(dǎo)體恒流元件搭建構(gòu)成的恒流源裝置，相比傳統(tǒng)的電子電路恒流源，具有允許浮置、調(diào)試方法簡(jiǎn)便等諸多優(yōu)點(diǎn)。所以，國(guó)際上發(fā)達(dá)國(guó)家自50年代末就開始進(jìn)行開發(fā)半導(dǎo)體恒流元件，早期主要研發(fā)恒流二極管，型號(hào)多樣，其代表產(chǎn)品有MOTOROLA公司的IN52835314系列等產(chǎn)品，大多數(shù)是運(yùn)用了JFET的原理。其后又開發(fā)了專用恒流源芯片，如NS公司的LM134/234/334系列,此外，還開發(fā)出了各種各種三端穩(wěn)壓器，常用產(chǎn)品如LM7800系列和LM7900系列。國(guó)內(nèi)改革開放以來(lái)，南通晶體管廠開發(fā)了可調(diào)橫流管等產(chǎn)品