Iepe型加速度傳感器的通用高精度信號調(diào)理裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種IEPE型加速度傳感器的通用高精度信號調(diào)理裝置，包括恒流源模塊、信號隔直模塊、歸一化模塊、濾波模塊、信號反相模塊以及電源模塊，其中歸一化模塊設(shè)計了一種靈敏度歸一化電路，可以調(diào)理不同加速度傳感器信號，通過選擇各個電阻檔位，使之等于接入傳感器的靈敏度，對于同一振動信號統(tǒng)一傳感器輸出信號的幅值0～5V，并且線性度良好，實現(xiàn)了振動信號歸一化，方便后續(xù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲、顯示及處理；濾波模塊設(shè)計了一組5階單位增益巴特沃斯低通濾波器和3階單位增益貝塞爾高通濾波器，它們都有6檔轉(zhuǎn)折頻率，可以分別通過旋鈕選定轉(zhuǎn)折頻率，濾除部分無用頻段上的信號，如白噪聲、干擾信號等，提高信號調(diào)理裝置的精度。
【專利說明】ΙΕΡΕ型加速度傳感器的通用高精度信號調(diào)理裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及驅(qū)動電路的【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種IEPE型加速度傳感器的通用高 精度信號調(diào)理裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 物流環(huán)境下的貨物安全問題，一直是物流運輸?shù)闹匾獑栴}。運輸貨物的交通工具 因天氣惡劣、交通道路狀況不佳、駕駛員疲勞駕駛等原因，可能會在交通工具的垂直方向產(chǎn) 生較大幅值的加速度，引起車廂內(nèi)貨物破損等問題，尤其是?；吩诮?jīng)歷較長時間振動時， 會導(dǎo)致泄露、爆炸等嚴(yán)重事故?？紤]在物流環(huán)境下，運輸工具相對于貨物的加速度從數(shù)mg 到幾個g不等，可以看到有較大的變化范圍，在研究產(chǎn)品運輸包裝可靠性方面，脆值、沖擊 力等參數(shù)主要是通過加速度來評估的，根據(jù)GB/T4857. 10-2005包裝運輸包裝件基本試驗 的第10部分：正弦變頻振動試驗方法，一般用于測試的加速度幅值為〇.2?0. 5g之間；根 據(jù)GBT4798. 2-2008電工電子產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境條件的第2部分：運輸，根據(jù)我國道路實測，增加 了嚴(yán)酷度等級2M4,其中正弦振動下的加速度可達40m/s2,即4g以上，而危險化學(xué)品的運輸 有著更加嚴(yán)格的包裝和物流環(huán)境的要求，因此對重要貨品和?；吩谶\輸過程中的加速度 進行精確檢測對評估它們在物流過程中的安全性有著非常重要的意義。
[0003] 用于測量加速度的傳感器大致分為兩類，一類是壓電式加速度傳感器，輸出的信 號有電荷型和IEPE型，具有精度高，頻率響應(yīng)好等特點；另一類是基于MEMS工藝的加速度 傳感器，具有價格低，體積小等特點，但是需要安裝在印刷電路板上。考慮到IEPE型加速度 傳感器在測量精度和頻率響應(yīng)方面的優(yōu)勢，以及安裝方面的可靠性，因此通常需要選擇該 類傳感器。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種IEPE型加速度傳感器 的通用高精度信號調(diào)理裝置。本裝置用于物流環(huán)境下，重點關(guān)注5g以內(nèi)的加速度信號，具 體包括恒流源模塊、信號隔直模塊、歸一化模塊、濾波模塊、信號反相模塊、電源模塊。
[0005] 本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0006] -種IEPE型加速度傳感器的通用高精度信號調(diào)理裝置，包括恒流源模塊、信號隔 直模塊、信號反相模塊、電源模塊，還包括歸一化模塊、濾波模塊，
[0007] 所述電源模塊用于為所述IEPE型加速度傳感器的通用高精度信號調(diào)理裝置的組 成模塊提供直流工作電壓，并分別與恒流源模塊、信號隔直模塊、信號反相模塊、歸一化模 塊和濾波模塊相連；
[0008] 所述恒流源模塊用于輸出恒定電流激勵I(lǐng)EPE型加速度傳感器工作，并與IEPE型 加速度傳感器相連；
[0009] 所述信號隔直模塊用于將IEPE型加速度傳感器信號進行直流隔離過濾以生成交 流電壓信號，達到增強電路對容性負(fù)載的驅(qū)動能力，并保持電路工作的穩(wěn)定性，避免產(chǎn)生自 激振蕩現(xiàn)象，以及作為電壓跟隨器，所述信號隔直模塊分別與ΙΕΡΕ型加速度傳感器和歸一 化模塊相連；
[0010] 所述歸一化模塊用于將不同靈敏度的傳感器的輸出歸一為同一輸出信號的幅值 范圍，并分別與信號隔直模塊和濾波模塊相連；
[0011] 所述濾波模塊用于對交流電壓信號進行高通濾波和低通濾波，并分別與歸一化模 塊和信號反相模塊相連；
[0012] 所述信號反相模塊用于將由所述歸一化模塊中被反相的交流電壓信號恢復(fù)信號 方向，并與濾波模塊相連。
[0013] 進一步的，所述濾波模塊中低通濾波功能通過5階單位增益的巴特沃斯低通濾波 器實現(xiàn)，該低通濾波器設(shè)計有1組以上轉(zhuǎn)折頻率，可以通過旋鈕改變轉(zhuǎn)折頻率。
[0014] 進一步的，所述濾波模塊中巴特沃斯低通濾波器設(shè)計有6組可選的轉(zhuǎn)折頻率，分 別為 0· 3kHz、IkHz、3kHz、IOkHz、30kHz、IOOkHz。
[0015] 進一步的，所述濾波模塊中高通濾波功能通過3階單位增益的貝塞爾高通濾波器 實現(xiàn)，該高通濾波器設(shè)計有1組以上轉(zhuǎn)折頻率，可以通過旋鈕改變轉(zhuǎn)折頻率。
[0016] 進一步的，所述濾波模塊中貝塞爾高通濾波器設(shè)計有6組可選的轉(zhuǎn)折頻率，分別 為 0· 03Ηζ、0· 1Ηζ、0· 3Ηζ、1Ηζ、3Ηζ、10Ηζ。
[0017] 進一步的，所述歸一化模塊包括兩組開光旋鈕SI、S2、S3、S4和S6、S7、S8、S9,分 別用于選擇放大器OPlA同相輸入端和反相輸入端的接入電阻值，可以實現(xiàn)將不同靈敏度 的加速度傳感器的輸出歸一為同一靈敏度的功能。
[0018] 進一步的，所述恒流源模塊包括6組不同阻值的電阻Rl、R2、R3、R4、R9、R14，可以 根據(jù)需要接入不同的電阻，實現(xiàn)輸出的恒流值在〇. 5mA、lmA、2mA、4mA、10mA和20mA之間進 行切換。
[0019] 進一步的，所述信號隔直模塊中電容C2用于隔離直流信號，使運算放大器0P2的 輸入信號中只保留交流信號。
[0020] 進一步的，所述信號隔直模塊中由運算放大器0P2構(gòu)成的電路的作用包括：其一 是起到阻抗匹配的作用，增強驅(qū)動電路對容性負(fù)載的驅(qū)動能力，并保持驅(qū)動電路工作的穩(wěn) 定性，避免產(chǎn)生自激振蕩現(xiàn)象；其二是作為電壓跟隨器，配備與同相輸入端電阻值相同的反 饋電阻R58，減少輸出失調(diào)電壓，提高跟隨精度。
[0021] 進一步的，所述信號反相模塊包括反相比例運算放大電路，用于將被所述歸一化 模塊中放大器OPlA反相的交流電壓信號恢復(fù)信號方向。
[0022] 本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果：
[0023] 1、考慮到物流環(huán)境下的垂直方向的加速度幅值一般為5g以內(nèi)，本發(fā)明設(shè)計了一 款適合各種等級靈敏度的IEPE型加速度傳感器（50mV/g、100mV/g、500mV/g、1000mV/g)的 驅(qū)動電路，可以調(diào)理不同加速度傳感器信號，通過選擇各個電阻檔位，使之等于接入傳感器 的靈敏度，可以將傳感器輸出信號統(tǒng)一到〇?5V，并且線性度良好，為后端的模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù) 據(jù)存儲、顯示及處理提供統(tǒng)一信號，具有較好的通用性。
[0024] 2、考慮到物流環(huán)境下的振動情況很復(fù)雜，含有多種頻率信號，另外加速度傳感器 不同的安裝方式如螺釘連接、磁力安裝座連接、膠粘劑連接，均會影響到傳感器的頻率響 應(yīng)，因此需要根據(jù)實際情況有選擇的濾除部分無用頻段上的信號，如白噪聲、干擾信號等， 提高信號調(diào)理裝置的精度。為此驅(qū)動電路設(shè)計了 6組5階單位增益的巴特沃斯低通濾波器， 可以通過旋鈕選擇低通轉(zhuǎn)折頻率0. 3kHz、IkHz、3kHz、IOkHz、30kHz、IOOkHz;6組3階單位增 益的高通貝塞爾濾波器，可以通過旋鈕選擇高通轉(zhuǎn)折頻率0. 03Ηζ、0. 1Ηζ、0. 3Ηζ、1Ηζ、3Ηζ、 IOHz。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明中IEPE型加速度傳感器的通用高精度信號調(diào)理裝置組成框圖；
[0026] 圖2是本實施例一中恒流源模塊的電路圖；
[0027] 圖3是本實施例一中信號隔直模塊的電路圖；
[0028] 圖4是本實施例一中歸一化模塊的電路圖；
[0029] 圖5是本實施例一中6組5階單位增益的巴特沃斯低通濾波器的電路圖；
[0030] 圖6是本實施例一中6組3階單位增益的貝塞爾高通濾波器的電路圖；
[0031] 圖7是本實施例一中信號反相模塊的電路圖；
[0032] 圖8是本實施例一中電源模塊的電路圖。

【具體實施方式】
[0033] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實施例對 本發(fā)明進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用 于限定本發(fā)明。
[0034] 實施例
[0035] 本實施例公開了一種IEPE型加速度傳感器的通用高精度信號調(diào)理裝置，請參見 圖1，圖1是本實施例中IEPE型加速度傳感器的通用高精度信號調(diào)理裝置組成框圖。圖1 所示的IEPE型加速度傳感器的通用高精度信號調(diào)理裝置，應(yīng)用于測量物流環(huán)境下貨物的 加速度問題，該裝置具體包括恒流源模塊、信號隔直模塊、歸一化模塊、濾波模塊、信號反相 模塊以及電源模塊。
[0036] 1、恒流源模塊
[0037]IEPE型加速度傳感器由于其自身結(jié)構(gòu)，需要外部恒流源供電，才能正常工作，因此 需要設(shè)計一個恒流源電路，該恒流源電路接入了 6組不同阻值的電阻R1，R2，R3，R4，R9，R14 等，可以根據(jù)需要接入不同的電阻，實現(xiàn)輸出的恒流值在〇. 5mA，lmA，2mA，4mA，IOmA和20mA 之間進行切換，如圖2所示。
[0038] 2、信號隔直模塊
[0039]IEPE型加速度傳感器通過Pl口接入驅(qū)動電路，恒流源模塊輸出恒定電流激勵 IEPE型加速度傳感器工作，同時傳感器會輸出加速度信號，電容C2用于隔離直流信號，使 運算放大器0P2的輸入信號中只保留交流信號。接入由運算放大器0P2構(gòu)成的電路的作用 有兩個：其一是增強電路對容性負(fù)載的驅(qū)動能力，并保持電路工作的穩(wěn)定性，避免產(chǎn)生自激 振蕩現(xiàn)象；其二是作為電壓跟隨器。該運放電路的輸入阻抗高，約為IO12Ω，輸出阻抗低，約 為〇Ω。這使其在電路中起到很好的阻抗匹配作用，避免后級負(fù)載對電路本身的工作狀態(tài)產(chǎn) 生明顯的影響，起到緩沖、隔離和提高帶載能力的作用。與同相輸入端電阻值相同的反饋電 阻R58,是為了減少輸出失調(diào)電壓，提高跟隨精度。如圖3所示。
[0040] 3、歸一化模塊
[0041] 工程中需要根據(jù)實際需求選擇合適的ΙΕΡΕ型加速度傳感器，但不同規(guī)格的傳感 器具有不同的靈敏度，如50mV/g、100mV/g、500mV/g、1000mV/g等，它們的量程對應(yīng)為100g， 50g，10g，5g。而物流環(huán)境的加速度值通常在5g以內(nèi)，如果選用1000mV/g的傳感器，貝U輸出 5V，如果選用50mV/g的傳感器，貝U輸出0. 25V，可見如果選用量程較大的傳感器，貝U會降低 信號的分辨率，因此為了適應(yīng)多種靈敏度的IEPE型加速度傳感器的接入，這里設(shè)計了一種 靈敏度歸一化電路，使其對于同一振動信號，統(tǒng)一各種傳感器輸出信號的幅值，實現(xiàn)了振動 信號的歸一化。這樣方便了之后模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)存儲，顯示及處理。
[0042] 實施方案：首先通過SI,S2,S3,S4旋鈕，選擇輸入電阻值，使其等于傳感器的靈敏 度，如某一IEPE型加速度傳感器的靈敏度為1054mV/g，則Sl撥到R5位置，S2撥到短接位 置，S3撥到R26的位置，S4撥到R22的位置，同時將S6、S7、S8、S9撥至相同位置，具體如圖 4所不。這樣OPlA的輸出電壓為

【權(quán)利要求】
1. 一種IEPE型加速度傳感器的通用高精度信號調(diào)理裝置，包括恒流源模塊、信號隔直 模塊、信號反相模塊、電源模塊，其特征在于，還包括歸一化模塊、濾波模塊， 所述電源模塊用于為所述IEPE型加速度傳感器的通用高精度信號調(diào)理裝置的組成模 塊提供直流工作電壓，并分別與恒流源模塊、信號隔直模塊、信號反相模塊、歸一化模塊和 濾波模塊相連； 所述恒流源模塊用于輸出恒定電流激勵I(lǐng)EPE型加速度傳感器工作，并與IEPE型加速 度傳感器相連； 所述信號隔直模塊用于將IEPE型加速度傳感器信號進行直流隔離過濾以生成交流電 壓信號，達到增強電路對容性負(fù)載的驅(qū)動能力，并保持電路工作的穩(wěn)定性，避免產(chǎn)生自激振 蕩現(xiàn)象，以及作為電壓跟隨器，所述信號隔直模塊分別與IEPE型加速度傳感器和歸一化模 塊相連； 所述歸一化模塊用于將不同靈敏度的傳感器的輸出歸一為同一輸出信號的幅值范圍， 并分別與信號隔直模塊和濾波模塊相連； 所述濾波模塊用于對交流電壓信號進行高通濾波和低通濾波，并分別與歸一化模塊和 信號反相模塊相連； 所述信號反相模塊用于將由所述歸一化模塊中被反相的交流電壓信號恢復(fù)信號方向， 并與濾波模塊相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的IEPE型加速度傳感器的通用高精度信號調(diào)理裝置，其特征在 于： 所述濾波模塊中低通濾波功能通過5階單位增益的巴特沃斯低通濾波器實現(xiàn)，該低通 濾波器設(shè)計有1組以上轉(zhuǎn)折頻率，可以通過旋鈕改變轉(zhuǎn)折頻率。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的IEPE型加速度傳感器的通用高精度信號調(diào)理裝置，其特征在 于： 所述濾波模塊中巴特沃斯低通濾波器設(shè)計有6組可選的轉(zhuǎn)折頻率，分別為0. 3kHz、 IkHz、3kHz、IOkHz、30kHz、IOOkHz。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的IEPE型加速度傳感器的通用高精度信號調(diào)理裝置，其特征在 于： 所述濾波模塊中高通濾波功能通過3階單位增益的貝塞爾高通濾波器實現(xiàn)，該高通濾 波器設(shè)計有1組以上轉(zhuǎn)折頻率，可以通過旋鈕改變轉(zhuǎn)折頻率。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的IEPE型加速度傳感器的通用高精度信號調(diào)理裝置，其特征在 于： 所述濾波模塊中貝塞爾高通濾波器設(shè)計有6組可選的轉(zhuǎn)折頻率，分別為0.03Hz、 0? IHz、0? 3Hz、IHz、3Hz、IOHz。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的IEPE型加速度傳感器的通用高精度信號調(diào)理裝置，其特征在 于： 所述歸一化模塊包括兩組開光旋鈕SI、S2、S3、S4和S6、S7、S8、S9,分別用于選擇放大 器OPlA同相輸入端和反相輸入端的接入電阻值，可以實現(xiàn)將不同靈敏度的加速度傳感器 的輸出歸一為同一靈敏度的功能。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的IEPE型加速度傳感器的通用高精度信號調(diào)理裝置，其特征在 于： 所述恒流源模塊包括6組不同阻值的電阻RU R2、R3、R4、R9、R14,可以根據(jù)需要接入 不同的電阻，實現(xiàn)輸出的恒流值在〇. 5mA、lmA、2mA、4mA、10mA和20mA之間進行切換。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的IEPE型加速度傳感器的通用高精度信號調(diào)理裝置，其特征在 于： 所述信號隔直模塊中電容C2用于隔離直流信號，使運算放大器OP2的輸入信號中只保 留交流信號。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的IEPE型加速度傳感器的通用高精度信號調(diào)理裝置，其特征在 于， 所述信號隔直模塊中由運算放大器OP2構(gòu)成的電路的作用包括：其一是起到阻抗匹配 的作用，增強驅(qū)動電路對容性負(fù)載的驅(qū)動能力，并保持驅(qū)動電路工作的穩(wěn)定性，避免產(chǎn)生自 激振蕩現(xiàn)象；其二是作為電壓跟隨器，配備與同相輸入端電阻值相同的反饋電阻R58,減少 輸出失調(diào)電壓，提高跟隨精度。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的IEPE型加速度傳感器的通用高精度信號調(diào)理裝置，其特征 在于， 所述信號反相模塊包括反相比例運算放大電路，用于將被所述歸一化模塊中放大器 OPlA反相的交流電壓信號恢復(fù)信號方向。
【文檔編號】G01P15/00GK104316723SQ201410564002
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月21日
【發(fā)明者】方科, 王志偉, 張學(xué)斌 申請人:暨南大學(xué)