專利名稱：超低相位差智能壓電式加速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
超低相位差智能壓電式加速度傳感器技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實用新型涉及一種加速度傳感器，具體涉及一種具超低絕對相位差的智能壓電式加速度傳感器。
背景技術(shù)：
[0002]不同傳感器之間靈敏度不一致，導(dǎo)致在實際使用時需要花費大量時間在后續(xù)儀器上進(jìn)行調(diào)整和設(shè)置；統(tǒng)的傳感器采用電荷輸出，容易受外界干擾，影響測試精度和可靠性差；傳統(tǒng)的傳感器需要外接電荷放大器，體積大，使用極為不便；在分布式多點測試時，傳統(tǒng)傳感器需要花費大量時間進(jìn)行布點、布線和逐點設(shè)置調(diào)整，經(jīng)常出現(xiàn)認(rèn)為錯誤，導(dǎo)致最后的測試結(jié)果可信程度下降；傳統(tǒng)的傳感器還存在頻率范圍小、相位差大的問題。傳統(tǒng)傳感器的這些缺點已經(jīng)成為制約智能化、網(wǎng)絡(luò)化測試技術(shù)發(fā)展的瓶徑。隨著IEEE 1451. 4國際標(biāo)準(zhǔn)的實施，開發(fā)一種高度集成、智能化、兼容性強(qiáng)的加速度傳感器成為測試領(lǐng)域的迫切需求。發(fā)明內(nèi)容[0003]本實用新型的目的在于提供一種超低相位差智能壓電式加速度傳感器，該傳感器集成度高、智能化程度高、兼容性強(qiáng)。[0004]實現(xiàn)本實用新型目的技術(shù)方案一種超低相位差智能壓電式加速度傳感器，包括微型電荷放大器、Q/V變換電路、敏感元件、第一單向隔離二極管、微型存儲器、第二單向隔離二極管、開關(guān)、第一恒流源、第二恒流源；敏感元件與Q/V變換電路的輸入端并聯(lián)，Q/V變換電路的輸出端與微型電壓放大器的輸入連接，微型電壓放大器的輸出端與第一單向隔離二極管的負(fù)極連接，第一單向隔離二極管與開關(guān)的一個觸點連接；敏感元件的輸入端與微型存儲器的輸入端連接，微型存儲器的輸出端與第二單向隔離二極管的正極連接；開關(guān)另兩個觸點分別與第一恒流源、第二恒流源均連接。[0005]所述的Q/V變換電路包括反饋電容、高阻抗場效應(yīng)管，反饋電容與高阻抗場效應(yīng)管的柵極和源極并聯(lián)，高阻抗場效應(yīng)管的源極接地，高阻抗場效應(yīng)管的漏極與微型電壓放大器的輸入端連接。[0006]所述的Q/V變換電路還包括第二反饋電阻，第二反饋電阻與反饋電容并聯(lián)。[0007]所述的微型電壓放大器由第一反饋電阻、運(yùn)算放大器、輸入電阻組成，輸入電阻的輸入端與Q/V變換電路的漏極連接，輸入電阻的輸出端與運(yùn)算放大器的輸入負(fù)端連接，運(yùn)算放大器的輸入正端接地，第一反饋電阻的兩端分別與運(yùn)算放大器的輸入負(fù)端和輸出端連接，運(yùn)算放大器的輸出端與第一單向隔離二極管的負(fù)極連接。[0008]本實用新型的技術(shù)優(yōu)點在于該壓電加速度傳感器電荷輸出端接一個以場效應(yīng)管為核心的IC電路(輸入阻抗彡IO13Q)體積小阻抗高的IC電路保證了傳感器下限頻率為0.3Hz,0. 3Hz工作時輸入信號與輸出信號相位差小于5°。該傳感器中符合IEEE1451通訊協(xié)議要求的微型存儲器，其實際尺寸只有原微型電荷放大器電路的1/5大小，重量很輕，可以將該微型存儲器與微型電荷放大器集成在原有線路板上，加上二只隔離二極管也采用貼片式，在不增加原有體積的基礎(chǔ)上所增加的重量不會影響原有的特性。因此，除尺寸非常小的IEPE傳感器外，微型存儲器芯片電路可以放置在任何IEPE傳感器內(nèi)。利用壓電元件的正壓電效應(yīng)輸出的高阻電荷量，經(jīng)內(nèi)部集成電路變換后輸出與機(jī)械量成正比的低阻電壓信號，直接進(jìn)入讀數(shù)、顯示、記錄儀表。傳感器內(nèi)部設(shè)置了固定的微型存儲器，用于存儲傳感器的有關(guān)信息。并提供部分的存儲空間讓用戶加入如通道號、安裝方式、安裝位置、安裝方向、 極性及標(biāo)簽號等信息。傳感器內(nèi)置低頻電路(即微型存儲器)使傳感器的頻率下限達(dá)到0.3Hz,0. 3Hz工作時輸入信號與輸出信號相位差小于5°。


[0009]圖I為本實用新型所提供的一種超低相位差智能壓電式加速度傳感器的電路原理圖；[0010]圖2為本實用新型所提供的一種Q/V變換電路。[0011]圖中K為開關(guān)，I為開關(guān)的第一動觸點，2為開關(guān)的第二動觸點，3為開關(guān)的定觸占.[0012]4為第一恒流源，5為第二恒流源，Cl為電容，D2為第二單向隔離二極管，TEDS為微型存儲器；[0013]6為微型電荷放大器，601為運(yùn)算放大器，Rl為第一反饋電阻，R2為輸入電阻，Dl為第一單向隔離二極管；[0014]7為Q/V變換電路，701為高阻抗場效應(yīng)管，Rf為第二反饋電阻，Cf為反饋電容；[0015]8為敏感元件。
具體實施方式
[0016]
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。[0017]如圖I所示，本實用新型所提供的一種0. 3Hz超低相位差智能壓電式加速度傳感器，包括微型電壓放大器6、Q/V變換電路7、敏感元件8、微型存儲器TEDS、第一單向隔離二極管D1、第二單向隔離二極管D2、電容Cl、開關(guān)K、第一恒流源4、第二恒流源5。[0018]如圖I所示，敏感元件8與Q/V變換電路7的輸入端并聯(lián)，Q/V變換電路7的輸出端與微型電壓放大器6的輸入連接,微型電壓放大器6的輸出端與第一單向隔離二極管Dl 的負(fù)極連接。敏感元件8的輸入端與微型存儲器TEDS的輸入端連接，微型存儲器TEDS的輸出端與第二單向隔離二極管D2的正極連接。第二單向隔離二極管D2的負(fù)極與開關(guān)K的定觸點3連接。開關(guān)K的第一動觸點I分別與第一恒流源4的輸出端、電容Cl的輸入端連接，第一〖亙流源4的輸出端與電容Cl的輸入端并聯(lián)，電容Cl的輸出端輸出模擬信號,Cl的作用是隔離傳感器輸出中的直流分流。第一恒流源4的輸入端與電源Vcc的正極連接。開關(guān)的第二動觸點2與第二恒流源5的輸入端連接，第二恒流源5的輸出端與電源Vcc的負(fù)極連接。開關(guān)的第二動觸點2還與數(shù)字信號輸入/輸出端連接。[0019]如圖I所示，存儲器TEDS的輸出信號與電源采用了同一根線，采用這根線作為數(shù)字電路部分的信號線和電源線。由于微型電壓放大器6工作時正向偏置，微型存儲器TEDS 反向偏置，信號和電源電流可以通過2只單向隔離二極管D1、D2。[0020]如圖I所示，當(dāng)一個被測加速度量經(jīng)慣性元件加力于敏感元件8兩端時便會產(chǎn)生開路電壓。當(dāng)該傳感器處于模擬工作模式時，開關(guān)Kl的動觸點I、定觸點3相連，選擇微型電壓放大器6工作方式，第一恒流源4工作使第一單向隔離二極管Dl正向?qū)ǎ诙蜗蚋綦x二極管D2截止，微型電荷放大器6工作，微型存儲器TEDS不工作。當(dāng)開關(guān)K連接觸點 I時，第一恒流源4工作并提供輸入電壓為+VCC，該輸入電壓+VCC使第一單向隔離二極管 Dl正向?qū)?，從而使微型電荷放大?工作；該輸入電壓+VCC使第二單向隔離二極管D2截止，從而使TEDS芯片停止工作。此時，Q/V變換電路7處于正常工作狀態(tài)，敏感元件8兩端產(chǎn)生的開路電壓的電荷輸入給Q/V變換電路7，Q/V變換電路7將電荷變換為電壓信號，Q/ V變換電路7將電壓信號輸出給微型電荷放大器6 ；微型電荷放大器6將放大后的輸出電壓信號依次經(jīng)過第一單向隔離二極管D1、開關(guān)K、電容C后，通過模擬信號輸出端輸出給信號放大器。[0021]如圖I所示，當(dāng)該傳感器處于數(shù)字工作模式時，開關(guān)Kl的第二動觸點2與定觸點 3相連，微型存儲器TEDS用來產(chǎn)生反向偏壓或反響脈沖電壓，第二恒流源5工作并提供輸入電壓為-VCC，該輸入電壓-VCC使第二單向隔離二極管D2正向?qū)?，從而使微型存儲?TEDS讀寫電路開始工作，外部電路可以對微型存儲器TEDS中存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫；該輸入電壓-VCC使第一單向隔離二極管Dl截止，從而使微型電壓放大器6停止工作。此時，敏感元件8兩端產(chǎn)生的數(shù)字電壓信號直接存儲到微型存儲器TEDS中，外部電路將微型存儲器 TEDS中存儲的數(shù)據(jù)讀出，該數(shù)字信號依次經(jīng)過第二單向隔離二極管D2、開關(guān)K，從數(shù)字信號輸出端輸出給信號放大器。模擬信號輸出端、數(shù)字信號輸出端分別通過相同的兩芯插座各自將模擬信號、數(shù)字信號信號傳給信號放大器，然后通過RS-232C接口送入PC機(jī)。[0022]第一恒流源4、第二恒流源5均為I IOmA恒流源供電，信號輸出與恒流源4、5共用一根信號線。[0023]如圖I和圖2所示，敏感元件8與Q/V變換電路I的輸入端并聯(lián)。Q/V變換電路I 由第二反饋電阻Rf、反饋電容Cf、高阻抗場效應(yīng)管701組成。第二反饋電阻Rf與反饋電容 Cf并聯(lián)，該并聯(lián)電路與高阻抗場效應(yīng)管701的柵極和源極并聯(lián)，高阻抗場效應(yīng)管701的源極接地。高阻抗場效應(yīng)管701的漏極與微型電壓放大器6的輸入電阻R2的輸入端連接。[0024]如圖2所示，Q/V變換電路(電荷變換電路)7的輸入電荷Q輸入到高阻抗場效應(yīng)管701的柵極，V0為高阻抗場效應(yīng)管701漏極的輸出電壓。具有開環(huán)增益A的高阻抗場效應(yīng)管701通過反饋電容Cf進(jìn)行反饋。當(dāng)A>> I時，由運(yùn)放的理論得知高阻抗場效應(yīng)管 701的柵極電位％ — 0，高阻抗場效應(yīng)管701的源極為虛地點。由于高阻抗場效應(yīng)管701輸入阻抗很高，放大器6輸入端沒有分流作用，電荷Q只對Cf充電，其電流方向為當(dāng)微型電壓放大器6的out點為負(fù)時，電流方向是從運(yùn)算放大器602的輸入負(fù)(_)端經(jīng)電容Cf到微型電壓放大器6的out端；當(dāng)微型電壓放大器6的out點為正時，電流方向是從微型電壓放大器6的out端經(jīng)電容Cf到運(yùn)算放大器602的輸入負(fù)(-)端。Q/V變換電路7的輸出電壓為[0025]
權(quán)利要求1.一種超低相位差智能壓電式加速度傳感器，其特征在于它包括微型電荷放大器(6)、Q/V變換電路(7)、敏感元件(8)、第一單向隔離二極管(Dl)、微型存儲器(TEDS)、第二單向隔離二極管(D2)、開關(guān)(K)、第一恒流源(4)、第二恒流源(5);敏感元件(8)與Q/V變換電路(7)的輸入端并聯(lián)，Q/V變換電路(7)的輸出端與微型電壓放大器(6)的輸入連接， 微型電壓放大器(6)的輸出端與第一單向隔離二極管(Dl)的負(fù)極連接，第一單向隔離二極管(Dl)與開關(guān)⑷的一個觸點連接；敏感元件⑶的輸入端與微型存儲器(TEDS)的輸入端連接，微型存儲器(TEDS)的輸出端與第二單向隔離二極管(D2)的正極連接；開關(guān)(K)另兩個觸點分別與第一恒流源(4)、第二恒流源(5)均連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種超低相位差智能壓電式加速度傳感器，其特征在于所述的Q/V變換電路(7)包括反饋電容(Cf)、高阻抗場效應(yīng)管(701)，反饋電容(Cf)與高阻抗場效應(yīng)管(701)的柵極和源極并聯(lián)，高阻抗場效應(yīng)管(701)的源極接地，高阻抗場效應(yīng)管 (701)的漏極與微型電壓放大器￠)的輸入端連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種超低相位差智能壓電式加速度傳感器，其特征在于所述的Q/V變換電路(7)還包括第二反饋電阻(Rf)，第二反饋電阻(Rf)與反饋電容(Cf)并聯(lián)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種超低相位差智能壓電式加速度傳感器，其特征在于 所述的微型電壓放大器(6)由第一反饋電阻(Rl)、運(yùn)算放大器(601)、輸入電阻(R2)組成， 輸入電阻(R2)的輸入端與Q/V變換電路(7)的漏極連接，輸入電阻(R2)的輸出端與運(yùn)算放大器(602)的輸入負(fù)端連接，運(yùn)算放大器(602)的輸入正端接地，第一反饋電阻(Rl)的兩端分別與運(yùn)算放大器￠02)的輸入負(fù)端和輸出端連接，運(yùn)算放大器￠02)的輸出端與第一單向隔離二極管(Dl)的負(fù)極連接。
專利摘要本實用新型涉及一種加速度傳感器，具體公開一種超低相位差智能壓電式加速度傳感器，包括微型電荷放大器、Q/V變換電路、敏感元件、第一單向隔離二極管、微型存儲器、第二單向隔離二極管、開關(guān)、第一恒流源、第二恒流源；敏感元件與Q/V變換電路的輸入端并聯(lián)，Q/V變換電路的輸出端與微型電壓放大器的輸入連接，微型電壓放大器的輸出端與第一單向隔離二極管的負(fù)極連接，第一單向隔離二極管與開關(guān)的一個觸點連接；敏感元件的輸入端與微型存儲器的輸入端連接，微型存儲器的輸出端與第二單向隔離二極管的正極連接；開關(guān)另兩個觸點分別與第一恒流源、第二恒流源均連接。本實用新型的傳感器集成度高、智能化程度高、兼容性強(qiáng)。
文檔編號G01P15/09GK202305560SQ20112040662
公開日2012年7月4日 申請日期2011年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月24日
發(fā)明者丁竹生, 于宏偉, 葉童林, 呂俊, 宋慧, 房遠(yuǎn)勇, 袁怡諍 申請人:中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院, 北京強(qiáng)度環(huán)境研究所, 北京航天斯達(dá)新技術(shù)裝備公司, 天津航天斯達(dá)新技術(shù)裝備有限公司