压电式加速度传感器电路原理

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摘  要：加速度传感器应用十分广泛。主要应用有故障诊断、振动测试等，包括地震波检测、车祸报警、高压导线舞动、结构动力学研究以及各种设备的振动检测。生活中也处处可见振动传感器。手机计步器、玩游戏控制上下左右倾角变化、照相机手抖时自动锁住快门等等，都用到了加速度传感器。

关键词：压电式加速度传感器;电路原理;振动测试

中图分类号：TP212        文献标志码：A         文章编号：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

本文主要讨论小型设备里的压电加速度计，即振动传感器，从它的原理、供电、放大电路、电压模拟量测量等方面分析其工作原理。一般的压电振动传感器需要恒流源供电，将加速度转化成电荷变化量，进而转化成电压模拟量再输出，输出后信号需要经过一系列归一化、滤波等处理，最后转化成数字量。

1 工作原理

压电式加速度传感器属于惯性式传感器，结构如图1所示。它利用了石英晶体或者压电陶瓷的压电效应，即当传感器有加速度时，内部的质量块会产生力作用于压电片，压电片受力变形时就会在两个表面产生不同极性的电荷。因此传感器最开始输出的是微弱的电荷，其电荷量与加速度成正比。在处理传感器的输出信号时，可以把传感器等效为电压源或电荷源。

2 前置放大器

压电加速度传感器可以将加速度转换成电压或电荷的变化量。由于传感器产生的电荷信号较小，容易受到噪声干扰，需要前置放大器进行放大处理。前置放大器还可以将传感器的高阻抗电荷信号变成低阻抗电压信号。低输出阻抗使得信号在传输过程中损失很小，测量出来更准确，而且容易被下一级电路接收。前置放大器有电压放大器与电荷放大器两种。

2.1 电压放大器

电压放大器电路如图2。

在运放左边的为压电加速度传感器的电压等效电路。

其中Rd是压电元件的漏电阻，Cc是电缆电容，Ri、Ci是输入电阻与电容，U为输入电压，即压电传感器产生的电压，Uo为输出电压，Au是放大器的放大倍数。推导可知电压放大器的输出电压

其中R=Ri//Rd，C=Cc+Ci。当R无限大时，ωR（Ce+Cc+Ci）>>1，则输出电压简化为

可知电压放大器输出电压与传感器产生的电压U、电缆电容Cc、输入电容Ci、Ce有关。因此电缆长度一般为固定值，否则电缆电容增加会使输出电压降低，增加误差，影响电压灵敏度。

2.2 电荷放大器

电荷放大器电路如图3。

在运放左边的为压电加速度传感器的电荷等效电路。

两种前置放大器都是高输入阻抗放大器，目的是尽量减少导线与电路的电荷泄漏。相比起来，电荷放大器的电路较复杂，价格也贵，但它的灵敏度不受电缆电容的影响，在电缆电容较大时测量的信号质量好。

图4为某一种电荷放大器的实际电路。其中除了主要的电容C2外，剩下的電阻和电容都起到保护或相位补偿防止自激振荡的作用。其中两个三极管构成OCL电路，可以增大输出电流，减小交越失真。

3 传感器的供电问题

以8711-01加速度传感器为例，它是一款IEPE加速度传感器，集成了前置放大器，具有测量范围广、频率响应范围大、灵敏度高的特点，可用于工业状况监控与极端环境中。为了减小电压信号传输时的损失，抑制温度漂移，传感器需要恒定电流源供电，一般为4mA，其电压在18～24V之内。4mA有利于实现加速度计的工作状态辨别。

首先需要18～24V的电压，如果传感器应用于小型设备时，可能没有如此高的电压，这时需要把5V的干电池转化为18～24V，可以采用变压器或升压型稳压电路。课件里列举了并联开关型稳压电路和电荷泵式开关型稳压电路，应该都可以实现。图5是其中一种集成升压电路。

其中用到XL6007芯片，该电路可以将电压转化为18.5～32V的电压，通过修改R1、R2参数即可将5V转化成18～24V。它是通过电感L的储能作用与电容Cout的充放电，将感生电动势与输入电压叠加得到输出电压，故而Vout>Vin。

若取24V的输出电压，接着将24V电压转化为4mA的恒流源，电路如图6。

总体电路如图7。

在最开始输入的5V前面加一个1N4002的二极管，用于隔离24V，防止电流倒灌烧前级。R3用1W电阻，额定电流在30mA左右，过载能力强，当电流约为4mA时它不会发热。

4 输出信号的处理与测量

振动传感器输出直流量为12V，交流量为-5～5V。供电方式为两线制，即提供电能的4mA直流电和输出信号使用同一根线，这样使得温度漂移特性较小，焊接时也更容易，成本更低。通过加入电容C3去除直流量，得到交流量。此时输出的交流量与加速度成正比关系，即Uo=A*Sensitivity，A为加速度，Sensitivity为灵敏度，指输出电荷/电压与加速度之比，一般通过与标准加速度计对比测试，来标定出具体的值。灵敏度的大小与传感器内部质量块、压电元件有关。

归一化放大级：由Uo=A*Sensitivity可知，不同传感器灵敏度不同，在同样加速度下输出的电压就不同，为了方便处理数据，可进行归一化处理，并且放大电压。采用一般的比例放大器即可。

滤波器：由传感器直接输出的信号会有较大噪声，需要滤波器滤波。通过查阅文献，可知压电振动传感器是欠阻尼的振动系统，它的高频段会产生共振峰，因此需要低通滤波器滤除。另外输出信号会有一些直流漂移信号，还需高通滤波器滤除。此外，应用场合不同，高频或低频噪声也不同，因此高通低通滤波器都需要。滤波器电路的设计多种多样，一般一阶或二阶即可，较为简单，采用课本上最常规的设计，这里就不详细说明了。

输出级：如果要测量出输出信号相应的数值，需要接入合适倍数的放大级或互补功率放大电路，使输出信号能够驱动AD芯片、示波器或电压表。其中AD芯片能将模拟量转化成数字量，应用最为广泛。放大级可采用同相比例放大器，它的输入电阻高、输出电阻低，适合驱动负载，功率放大电路采用常用的OCL、OTL等均可。

其他电路：此外，还需要稳压电路给电路提供直流电压，保护电路防止电路过载。稳压电路可采用三端稳压器，输出5V或±15V的电压驱动运放。

图8是整个电路的原理框图，由外部驱动电路驱动传感器，并通过稳压电路转化成不同电压驱动各级电路，各级电路处理输出信号，最后通过模数转换得到理想的加速度值。

5 实验测试

本研究使用的是一款IEPE加速度传感器，由于大部分电路都集成在传感器内部，只需要提供驱动电压与电流，也就是4mA的恒流源与18～24V的电压即可。实验室的直流电源直接可以输出24V，因此不需要搭升压电路，直接搭恒流源电路，极其简单，只需两个三极管、两个电阻、一个电容。仿真电路如图9，其中将传感器的输入电阻等效为R3，结果约4mA，与理论值相符。

图9 恒流源电路的仿真

实验中笔者成功搭出了该恒流源，并驱动了振动传感器工作。测得输出电压直流量为12.06V，符合上面的理论。虽说驱动电压在18～24V之间，但笔者发现13V的电压也能驱动它，说明它对电压的要求并不严格，在低于标准的电压下也能工作，可能只是输出效果没有那么好。由于没有稳定的振动源，只能通过用手晃动与敲桌子来模拟振动，图10为敲桌面的波形。

后来笔者在实验室找到了小电机，并成功驱动了它。由于传感器与电机不能紧密吻合，笔者只能强行用手把小电机抵着传感器。但这毕竟比直接晃动与敲桌子稳定多了，在某些时刻甚至出现了十分稳定的波形，如图11。

笔者想把传感器输出的电压模拟量转化成数字量，可以通过AD芯片，也可以参考模电综合实验，先将输出-5～5V交流电压进行全波整流，再滤波成直流电压，通过电压-频率转换电路转化为矩形波，通过FPGA板测量矩形波的频率，可得到一个数值。然而如果要得到一个精确的加速度值，需要有一个已知加速度的稳定的振动源，或者是一个标准加速度传感器进行对比测试，调整数值大小，标定出灵敏度，而笔者这两个条件都不具备，因此模拟量转数字量只能处于理论阶段，而实现不了。

6 其他振动传感器

6.1 振动开关模块

笔者在实验室发现了一种很简单的振动传感器，于是顺便研究了一下。原理图如图12，它外部用蓝色塑料壳包裹，内部是振动轴。未振动时振动轴静止，导针A与B导通。振动时振动轴离开底部，导针A与B就会瞬间断开，起到振动开关的作用。

笔者搭了一个简易的电路，用LED灯显示开关的闭合与断开。果然当其静止时开关闭合，LED亮;振动时开关断开，LED有瞬间的熄灭，详细见图13。

6.2 压阻式振动传感器

压阻式振动传感器通过应变片的压阻效应，在加速度引起的惯性力的作用下应变片电阻阻值发生相应变化，通过惠斯通电桥可产生一个与加速度大小成比例的电压信号。如今压阻式和压电式是应用最广泛的两种振动传感器。惠斯通电桥电路如图14，它可以减少零点漂移，提高输出线性度。

进一步进行零点漂移补偿，可在惠斯通的桥臂上串联/并联电阻，使得电桥平衡时输出为0，如图14。还可以通过热敏电阻补偿温度漂移。

7 结束语

本文针对与压电式加速度传感器有关的电路进行了研究与汇总，包括工作原理，驱动电路，前置放大器模块与信号放大和处理模块。其中，驱动电路包括由5V到18～24V的电压放大模块、恒流源模块，前置放大器包括电荷放大器和电压放大器，信号处理模块包括稳压电路、归一化放大电路、滤波器与输出级电路等等。最后，本文搭建了恒流源电路驱动传感器进行了一系列实验，并简要介绍了其他种类的振动传感器。

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