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振动传感器信号调理电路设计及分析

振动传感器信号调理电路设计及分析

1、控制电路设计
压电加速度计获得的冲击和振动信号需要用电荷放大器进行放大和处理,为了研究出一种一种经济实用的电荷放大器,作者利用集成运算放大器芯片代替大量分立器件进行优化设计,并设计了相应的滤波电路
1.1压电传感器等效电路


图一压电传感器的等效电路


压电传感器是基于压电效应设计的,敏感元件由压电材料制成,一旦受到外力作用,压电材料表面就会产生一些弱电荷。当压电传感器在敏感轴方向受迫时,在两个电极上产生极性相反的电荷,这两个电极相当于一个电荷源(静电发生器)。经过化简后得到如下等式:
振动传感器信号调理电路设计及分析
由上式可知,时间常数τ越大,电荷泄漏越慢,传感器的测量误差越小。传感器和信号输入应保持高绝缘电阻,以防止快速泄漏引起的电荷测量误差。
1.2电荷电压转换电路


图二电荷电压转换电路


运算放大器的输出电压范围为0.738~1.758 V。为了避免电容器C1长期充电,使集成操作饱和,必须在电容器C1并联连接电阻R2。另外一个重要作用是引入直流负反馈,有效地抑制集成运算放大器引起的输入偏置电压。系统测试的低截止频率为f=1/2πR2C1,输入信号的截止频率为0.1Hz,电阻为R2=10mΩ。运算放大器逆变输入的电阻R1在保护电路和限制电流中起主要作用。反馈电容C1的主要功能是将传感器产生的电荷信号转换为电压信号,因此反馈电容器需要选择低漂移、低漂移温度和高漏阻的电容。


图三不同材料反馈电容的温度特性对开关电路输出的影响


根据上图作者选择了聚苯乙烯电容器,减少环境变化引起的测量误差。


图四隔离电压放大电路设计


因为电荷放大器的电压输出范围与后续AC/DC变换器的输入范围不一致,所以采用电压放大电路来调节电压,使U02输入电压转换成交流电压信号U03。
作者利用高阶低通滤波器对信号进行进一步处理,抑制噪声信号和有效信号的混叠。作者将常见的滤波器: Butterworth滤波器、椭圆函数滤波器、Bessel型滤波器等进行了对比,最终选择了LTC1569滤波器,因为其优良的相频特性而且信号在带内的输出延迟与通带的线性相位特性基本相同。由LTC1569组成的低通滤波器的直流偏置输出偏差较小,通带具有线性相位特性,可以保护信号不失真,保证信号测量结果的准确性。


图五低通滤波器


虽然LTC1569滤波器可以提供高质量的滤波器特性,但芯片滤波原理是基于开关电容效应,在输出端产生高频开关噪声,通过增加一个开关噪声对开关噪声进行滤波通过添加一个二级低通滤波器后LTC1569滤波器。


图六滤除开关噪声前后波形的比较


2、实验结果与分析
包含振动信号调理电路的测量系统首先将压电传感器与调幅电路连接起来,以验证调谐电路的正确性,通过线性拟合标定的测量系统得到的正弦扫描实验图像如下:


图七压电传感器正弦扫频曲线


利用信号发生器对调理电路测试进行扫描,得到了如图八所示的信道频率响应曲线:


图八频率响应曲线


用标准电荷发生器作为电荷源模拟振动传感器的输出,并将其连接到测量电路上,计算理论电压值,所测电压与理论值基本一致,调理电路的测量误差小于1%,能够满足振动信号测量精度的要求,并能准确地测量振动信号。
3、总结
本文以压电传感器为研究对象,详细介绍了传感器等效电路和调节电路,并对调节电路关键部件的电容和滤波器进行了分析和研究,给出了作者所考虑范围内的合理解决方案,并对该方案进行了测试,获得的数据具有较高的精度,所采集的振动信号数据为该电路的可靠性与实用性提供了可靠的数据支持。

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PLC模温机有什么优点?

PLC模温机是指采用PLC控制系统的模温机,具有更优良的性能,采用继电器、接触器控制的模温机体积大、噪声大、维护不方便以及可靠性差。那么PLC模温机的优点都有哪些呢?下面深圳宏科机械设备小编就来为大家介绍。
PLC模温机的优点:
1、可靠性高。由于PLC模温机大都采用单片微型计算机,因而集成度高,再加上相应的保护电路及自诊断功能,提高了系统的可靠性。
2、PLC的编程多采用继电器控制梯形图及命令语句,其数量比微型机指令要少得多,除中、高档PLC外,一般的小型PLC只有16条左右。由于梯形图形象而简单,因此容易掌握、使用方便,甚至不需要计算机专业知识,就可进行编程。


3、组态灵活。由于PLC采用积木式结构,用户只需要简单地组合,便可灵活地改变控制系统的功能和规模,因此,可适用于任何控制系统。
4、输入/输出功能模块齐全。PLC的最大优点之一,是针对不同的现场信号(如直流或交流、开关量、数字量或模拟量、电压或电流等),均有相应的模板可与工业现场的器件(如按钮、开关、传感电流变送器、电机启动器或控制阀等)直接连接,并通过总线与CPU主板连接。
5、操作方便。PLC模温机显示屏操作简单、方便。
6、运行速度快。由于PLC的控制是由程序控制执行的,因而不论其可靠性还是运行速度,都是继电器逻辑控制无法相比的。
深圳市宏科机械设备有限公司是塑胶行业加工周边设备的专业制造商,宏科主营产品为水温机、模温机、节能模温机、运水式模温机、急冷急热模温机、速冷速热模温机等。

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