ICP加速度传感器调理电路设计本科毕业设计1

本文介绍了研究ICP加速度传感器精密恒流源电路设计的意义与目的，分别阐述了恒流源与压电式加速度传感器的发展历程、国内外发展现状以及在多个领域中的应用，简述了理想恒流源和实际恒流源的区别，详尽地介绍了恒流源的原理和评价恒流源的主要性能指标，以及ICP加速度传感器原理和优点。ICP加速度传感器目前已被广泛应用，基于能更好应用ICP加速度传感器的目的，需要为其配备合适的供电电路。本课题开发一种适用于ICP传感器的精密恒流源，可以为各种ICP加速度传感器供电。该供电电路采用了220V的交流供电，经过整流稳压后得到稳定的电压，采用单片集成芯片LM334，利用集成电路恒流源的原理设计恒流模块，为ICP加速度传感器提供的精密恒流。并设计了信号调理的高低通滤波网络，使ICP传感器的输出信号能被A/D采集电路获取。经过仿真和实验检测表明，此电路性能可靠，效果良好。关键词：ICP加速度传感器，信号调理，高低通滤波，恒流源电路ABSTRACTThispaperintroducesthesignificanceandpurposeofthestudyofprecisioncurrentsourcecircuitdesignforICPaccelerationsensor,thenclarifiesthedevelopmentofdomesticandinternationalsituationandtheapplicationinareasoftheconstantcurrentsourceandpiezoelectricaccelerationsensor.Thedifferencebetweenidealcurrentsourceandtheactualispresented.AndthenintroducestheprincipleandthemainsourceofconstantevaluationofperformanceindicatorsoftheConstantcurrentsourceandICPaccelerationsensor’sprincipleandadvantages.WithICPaccelerationsensorsbeingwidelyused,andforthepurposeofbetterapplication,asuitablepowersupplycircuitisneeded.ThistopicdevelopsakindofprecisioncurrentsourcewhichisapplicabletotheICPsensorandsupplycurrentforit.Thepowersupplycircuitsisusinga220Vpowerexchange,afterrectifierregulatortogetstablevoltage,usestheprinciplesofintegratedcircuitscurrentsourcetodesignConstantcurrentmodulewithadoptionoftheLM334,whichisamonolithicintegratedchip,thenprovidesprecisionconstantcurrentbetween2mAand10mA,alsodesignsthelevelofsignalconditioningpassfilternetworksothattheICPsensoroutputsignalcanbeA/Dacquisitioncircuitaccess.Throughsimulationandexperimentshowthattheperformanceofthiscircuitisreliableandtheeffectisgood.Keywords:ICPAccelerationSensors,SignalConditionerPreamplifier,PrecisionCurrentSource,HighAndLowPassFilter目录TOC\o"1-5"\h\z中文摘要 I\o"CurrentDocument"ABSTRACT II1绪论 1\o"CurrentDocument"1.1课题的来源与意义 11.2国内外研究现状 21.2.1压电传感器 21.2.2恒流源 2\o"CurrentDocument"1.3课题的主要研究内容 32ICP加速度传感器简介 42.1压电式加速度传感器的结构与原理 42.1.1压电式加速度传感器的结构 42.1.2典型的电荷放大系统 4ICP传感器测试系统 5ICP传感器的选型 62.2.1重量 62.2.2频率响应特性 62.2.3灵敏度 7ICP传感器输出信号的分析 73恒流源模块的设计 93.1供电电路的总体设计 93.2供电电路的实现 93.2.1采用集成运放构成的线性恒流源 103.2.2采用集成稳压器构成的开关恒流源 103.2.3采用LM334芯片实现恒流源 11LM334搭建恒流源 113.3信号调理电路的设计 153.3.1信号调理电路的功能和目的 153.3.2信号调理电路的组成 153.3.3交流耦合的设计 163.3.4信号放大电路的设计 163.3.5低通滤波电路的设计 183.4辅助电源的设计 213.4.1需要制作的电源 .213.4.2电源的总体设计 213.4.3变压部分设计 223.4.4整流部分设计 223.4.5滤波部分设计 253.4.6稳压部分设计 263.4.7电源电路图 293.5整体电路图的设计 303.6印制电路板PCB的设计 304电路仿真与实物调试 314.1辅助电源仿真 314.2供电电路仿真 314.3信号调理仿真 324.4实物电源调试 334.5实物供电电路调试 334.6完整实物电路调试 345结论与展望 365.1工作总结与结论 365.2展望 .36致谢 .37参考文献 .38附录A：电气原理图 39附录B：PCB顶面图 40附录C：PCB底面图 41录第一章绪论1.1课题的来源与意义在当代机械装置状态的识别和故障检测中，数据收集与实时监测系统是其中的必要组成部分。首先必须采集系统中的噪声、振动等干扰信号才能进行识别和检测，通过将模拟量转换成数字量，才能用计算机对信号进行存储与处理。例如在测量噪声信号时，加速度传感器收集获取噪声信号之后，便将噪声信号送到信号调理模块，通过调理模块把模拟形式的噪声信号调理成标准的电压信号(±5V)，调理后的电压信号再被送到A/D采样电路中，将其转换成数字量信号，便可由计算机进行适当的数字处理，最后再按照标准进行量度的变换，得到噪声标准单位。目前，压电式加速度传感器是最为广泛地应用于测量噪声信号与振动信号的传感器，但是这种传感器须先后进行电荷放大器供电、放大电路放大信号、调理电路调理成标准信号。由于这种连接方式对导线的摇动和阻抗等要求非常苛刻，并且很容易受到现场环境的影响［7］。所以，现在有采用内置IC放大器加速度传感器(ICP型)的趋势。ICP(IntegratedCircuitPiezoelectric)是一种新型的压电式加速度传感器。ICP传感器的优点的在于：精度高不易受到现场环境干扰，输出信号可配长电缆而不影响测量精度。不必使用电荷放大器，使用方法简单实用，特别适用于在线检测和现场监控。传感器为全密闭结构封装，有效防止环境中微尘、潮湿有害气体的干扰。可以直接用数字万用表、示波器或者数据采集器进行测量。正因为具备以上优点，ICP传感器被广泛应用各个领域，但其需要专用的恒流源装置为其供电，在使用中，一台恒流适配器可以为多个ICP传感器恒流供电，或用做输出信号。用于恒流源供电的数据采集仪装置，因为既具有供电功能，又具有数据采集功能，故可将该类型传感器直接接入相应的数据采集装置。双电源供电的传感器可以由数据采集装置提供正负双电源或者用两组电压调节、两组电流调节的直流稳压电源为其供电。而PCB公司为其配套的恒流源装置由于结构复杂，部件成本较高，价格非常昂贵，限制了ICP加速度传感器的推广和应用。本课题的主要研究目的是开发一种适用于ICP传感器的精密恒流源，提供一种为能够各种ICP加速度传感器供电，同时能够使ICP传感器的输出信号能被A/D信号采集电路获取，而且结构简单，价格低廉的适用于ICP传感器的精密恒录流源。1.2国内外研究现状1.2.1压电传感器压电式传感器的发展可以分为以下几个阶段。第一个阶段是60年代，传感器主要是电荷输出的方式，测量系统包括压电传感器和信号调理装置，信号调理主要是由电荷放大器组成；到了80年代中期，出现了成为IEPE传感器，PCB公司的产品则叫ICP传感器，这种传感器也被称为低阻抗电压输出的压电传感器，它解决了压电信号在高阻抗形式传输时带来的一些问题；第三阶段是90年代以来，产生了PNP型（Plug-and-Play，即插即用）具有混合模式接口的智能TEDS式传感器。当今时代，传感器技术作为信息系统的感官，它的落后会严重影响计算机的处理效率，从而拖累整个信息系统，在我国压电传感器的技术发展大大落后于世界一流水平，自上世纪改革开放以前，压电传感器的技术发展主要是为了满足航空航天技术发展的需要。70年代末以来，由于不断引进国外的技术成果和学习实践经验，我国各个行业进入了快速发展阶段，当代检测技术的推广越来越深入。因此，以压电传感器为核心的测试技术开始引起了一定程度的重视。但是，由于在以压电传感器测量技术为中心环节的发展上，起步晚，基础薄弱，我国压电传感器技术发展依旧和发达国家有明显差距。目前，我国能够生产ICP加速度传感器的厂家不多，并且与进口产品相比，性能较差，可靠性不够。在自主研发的道路上需要更多的投入。1.2.2恒流源恒流源装置在测量监控、电光源、通信、电子仪器仪表、电化学等诸多方面有着不可替代的作用，所以，当前传感器技术受到各行各业普遍重视。直接采用半导体恒流元件搭建构成的恒流源装置，相比传统的电子电路恒流源，具有允许浮置、调试方法简便等诸多优点。所以，国际上发达国家自50年代末就开始进行开发半导体恒流元件，早期主要研发恒流二极管，型号多样，其代表产品有Motorola公司的IN5283〜5314系列等产品，大多数是运用了JFET的原理。其后又开发了专用恒流源芯片，如NS公司的LM134/234/334系列，此外，还开发出了各种各种三端稳压器，常用产品如LM7800系列和LM7900系列。国内改革开放以