CN205280206U - 一种电容式三轴一体化振动传感器 - Google Patents

Abstract

一种电容式三轴一体化振动传感器，包括：电容式硅微加速度计、滤波电路、隔直及偏置放大电路、电源电路；硅电容式加速度计将振动信号转化为电压信号并输出，其输出端与滤波电路的输入端连接；滤波电路采用八阶低通椭圆开关电容滤波器和RC电路，对硅电容式加速计输入的电压信号进行滤波，滤波电路输出与隔直及偏置放大电路输入相连；隔直及偏置放大电路滤除直流电压分量，得到0V～5V的电压信号并输出；电源电路提供工作电压。本实用新型能够适应较宽的供电电压范围，具有限流保护功能且频带、量程可调，消除了直流等低频分量以及高频分量对振动测量的影响，提高了测量精度，降低对数据采集设备的要求。

Description

一种电容式三轴一体化振动传感器

技术领域

本实用新型涉及一种电容式三轴一体化振动传感器，属于振动测量领域。

背景技术

自上世纪90年代以来，具有内置电路，以低阻形式输出的一体化振动传感器应用越来越广泛，如丹麦BK公司的IEPE振动传感器、美国PCB公司的ICP振动传感器。上述传感器内置电路主要是实现阻抗匹配和信号调理，并无滤波电路，传感器的频率响应主要取决于敏感元件。

不同原理的振动传感器频率响应略有差异，一体化振动传感器从测量原理来分主要有压电式、电容式和压阻式。压电式一体化振动传感器的频率响应一般为0.1Hz到十几kHz或几十kHz，该类传感器频带较宽，为了避免信号采集过程中出现混叠，影响测量精度，因此对信号采样频率要求较高，其存储数据容量较大。电容式和压阻式一体化振动传感器频率响应一般为0Hz到几kHz，该类传感器具有直流响应，当测量环境中存在过载等低频信号时，容易造成振动信号限幅，特别是对于小量程的传感器，其敏感元件甚至可能出现饱和，影响振动测量精度。例如在航天领域，火箭发射或飞行器飞行过程中既存在轴向(即飞行方向)低频加速度信号(即过载)也存在频率较高的振动信号，而振动信号对安全监测、气动布局分析具有重要意义，因此必须剥离低频过载信号对振动测量的影响，这就需要能够隔离直流等低频成分信号的振动传感器。另一方面，火箭和飞行器的振动测量参数需传回地面，受信号传输带宽的限制，信号采样频率不高，因此必须对测量用振动传感器的截至频率进行限制，否则会出现混叠，影响测量精度。

实用新型内容

本实用新型所解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种电容式三轴一体化振动传感器，能够适应较宽的供电电压范围，具有限流保护功能且频带、量程可调，消除了直流等低频分量以及高频分量对振动测量的影响，提高了测量精度，降低对数据采集设备的要求。

本实用新型所采用的技术方案是：一种电容式三轴一体化振动传感器，包括：电容式硅微加速度计、滤波电路、隔直及偏置放大电路、电源电路；硅电容式加速度计将振动信号转化为电压信号并输出，其输出端与滤波电路的输入端连接；滤波电路采用八阶低通椭圆开关电容滤波器和RC电路，对硅电容式加速计输入的电压信号进行滤波，滤波电路输出与隔直及偏置放大电路输入相连；隔直及偏置放大电路滤除直流电压分量，得到0V～5V的电压范围内并输出；电源电路与电容式硅微加速度计、滤波电路、隔直及偏置放大电路同时相连并提供工作供电。

所述滤波电路包括电阻R1、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、八阶低通椭圆开关电容滤波器N1；硅电容式加速度计输出端连接电阻R1，电阻R1和电容C2串联后接地，电阻R1和电容C2的连接公共端接入八阶低通椭圆开关电容滤波器N1的输入端口IN，八阶低通椭圆开关电容滤波器N1的电源端口VDD与关断控制信号端口SHDN连接后接电源VCC并与电容C1连接，电容C1另一端接地，八阶低通椭圆开关电容滤波器N1的公共端口COM和偏置调整输入端OS连接，连接后的公共端与电容C3连接后接地，电容C4与时钟输入端口CLK串联后接地，八阶低通椭圆开关电容滤波器N1的接地端口GND接地。

所述隔直及偏置放大电路包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、运算放大器N2A、运算放大器N2B、电容C5、电容C6、电容C7；电阻R2一端接电源VCC，另一端与电阻R3串联后接地，电容C5并联在电阻R3的两端，电阻R2和电阻R3的连接点与运算放大器N2A的同相输入端相连，运算放大器N2A的电源端接电源VCC，信号地端接地，反相输入端与输出端相连；电阻R4的一端接运算放大器N2A的输出端，另一端接运算放大器N2B的同相输入端，电容C6一端接滤波器输出，另一端接电阻R5，电阻R5另一端与运算放大器N2B的反相输入端相连，电阻R6与电容C7并联后，一端接运算放大器N2B的反相输入端，另一端接运算放大器N2B的输出端，电阻R7一端接运算放大器N2B的输出端，另一端为传感器的输出。

所述电源电路包括电阻R8、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、基准源N3；电阻R8的一端接供电电源，另一端与基准源N3的输入端VS和休眠端相连，电容C7和电容C8并联后一端接地，另一端接基准源N3的输入端VS和休眠端，电容C9和电容C10并联后，一端接电源VCC和基准源N3的输出端，另一端接基准源N3的信号地端和接地。

本实用新型与现有技术相比的优点在于：

(1)本实用新型通过隔直及偏置放大电路隔离了1Hz以下的低频信号，通过滤波电路限制了高频信号，从而消除了直流等低频分量以及高频分量对振动测量的影响，剔除了过载等信号对振动测量的影响，提高了动态响应范围及测量精度。

(2)本实用新型可根据实际测量需求，调整电容式硅微加速度计量程和隔直及偏置放大电路增益实现任意量程设置，与传统滤波器调整带宽较需更改多个电阻、电容值相比，通过调整一个电容值即可设置传感器滤波器带宽，降低数据采样频率，便于信号的记录和采集。

(3)本实用新型通过限流电阻、滤波电容、基准源共同组成电源电路，具有限流保护功能，防止由于传感器自身故障造成供电电源的损坏，同时本实用新型具有较宽的供电电压，能够在9V～18V的供电电压下正常工作。

附图说明

图1为本实用新型原理框图；

图2为本实用新型滤波电路原理图；

图3为本实用新型隔直及偏置放大电路原理图；

图4为本实用新型电源电路原理图。

具体实施方式

如图1所示，一种电容式三轴一体化振动传感器，包括电容式硅微加速度计、滤波电路、隔直及偏置放大电路、电源电路。硅电容式加速度计具有频带宽，温度特性好的优点。当有振动信号时，硅电容式加速度计输出与振动量级对等的电压信号，其输出端与滤波电路的输入端连接。滤波电路采用的八阶低通椭圆开关电容滤波器，具有较好的带内不平度及带外衰减，且通过调节电容就可完成频带调整。滤波器输出与隔直及偏置放大电路输入相连，滤除前级电路的直流电压分量后，将信号调理到0V～5V的电压范围内，并提供直流偏压。电源电路为电容式硅微加速度计、滤波电路、隔直及偏置放大电路供电。

电容式硅微加速度计为基于硅电容原理，采用微机械加工技术的加速度测量系统，内部集成了信号调理电路，其测量范围分为2g、10g、30g、50g、100g、200g，对应的灵敏度分别为1000mV/g、200mV/g、66.6mV/g、40mV/g、20mV/g、10mV/g，可根据实际测量需求选用对应测量范围的加速度计。

如图2所示，滤波电路由RC电路和八阶低通椭圆开关电容滤波器N1构成。硅电容式加速度计输出端连接电阻R1，电阻R1和电容C2串联后接地，电阻R1和电容C2的连接公共端接入八阶低通椭圆开关电容滤波器N1的输入端口IN(2脚)；八阶低通椭圆开关电容滤波器N1的电源端口VDD(4脚)和关断控制信号端口SHDN(7脚)连接后接电源VCC，电容C1接地后与八阶低通椭圆开关电容滤波器N1的电源端口VDD(4脚)和关断控制信号端口SHDN(7脚)的连接公共端连接；八阶低通椭圆开关电容滤波器N1的公共端口COM(1脚)和偏置调整输入端OS(6脚)连接，连接后的公共端与电容C3连接后接地。八阶低通椭圆开关电容滤波器N1带外衰减大于50dB，该滤波器内部时钟频率与截止频率的比率为100：1，滤波器工作在内部时钟模式。电容C4与八阶低通椭圆开关电容滤波器N1的时钟输入端口CLK(8脚)串联后接地，通过调整电容C4的容值来改变滤波截止频率，接地端口GND接地。滤波器截止频率fc按以下公式计算：

$fc=\frac{380}{c_4}$

其中，fc为滤波器截止频率，单位为kHz，c₄为电容值，单位为pf。

如图3所示，隔直及偏置放大电路包括隔直电容、偏置电压发生电路、输出放大电路。电容C5、电阻R2、电阻R3以及运算放大器N2A构成偏置电压发生电路，偏置电压由电阻R2和电阻R3分压得到。电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C7、运算放大器N2B构成输出放大电路，该电路对于直流信号的增益为1，交流信号的增益为-R3/R5。整个电路的等效输出阻抗取决于R7。电阻R2一端接电源VCC，另一端与电阻R3串联后接地，电容C5并联在电阻R3的两端。电阻R2和电阻R3的连接点与运算放大器N2A的同相输入端(3脚)相连。运算放大器N2A的电源端(8脚)接电源VCC，信号地端(4脚)接地，反相输入端(2脚)与输出端(1脚)相连。电阻R4的一端接运算放大器N2A的输出端(1脚)，另一端接运算放大器N2B的同相输入端(5脚)；电容C6为隔直电容，滤除前级电路的低频电平分量，其一端接滤波器输出，另一端接电阻R5，电阻R5另一端与运算放大器N2B的反相输入端(6脚)相连，电阻R6与电容C7并联后，一端接运算放大器N2B的反相输入端(6脚)，另一端接运算放大器N2B的输出端(7脚)，电阻R7一端接运算放大器N2B的输出端(7脚)，另一端为传感器的输出。

如图4所示，电源电路由基准源N3、滤波电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、限流电阻R8组成。N3为负载电流为30mA的5V输出基准源，R8为限流电阻，主要功能是为了防止电路对信号地出现短路或低阻情况时保护供电电源。电阻R8的一端接供电电源，另一端与基准源N3的输入端VS(2脚)和休眠端SLEEP(3脚)相连，电容C7和电容C8并联后一端接地，另一端接基准源N3的输入端VS(2脚)和休眠端SLEEP(3脚)，电容C9和电容C10并联后，一端接电源VCC和基准源N3的输出端OUTPUT(6脚)，另一端接基准源N3的信号地端GND(4脚)，电容C9、电容C10及基准源N3的信号地端GND的公共端接地。

本实用新型说明书未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种电容式三轴一体化振动传感器，其特征在于，包括：电容式硅微加速度计、滤波电路、隔直及偏置放大电路、电源电路；硅电容式加速度计将振动信号转化为电压信号并输出，其输出端与滤波电路的输入端连接；滤波电路采用八阶低通椭圆开关电容滤波器和RC电路，对硅电容式加速计输入的电压信号进行滤波，滤波电路输出与隔直及偏置放大电路输入相连；隔直及偏置放大电路滤除直流电压分量，得到0V～5V的电压信号并输出；电源电路与电容式硅微加速度计、滤波电路、隔直及偏置放大电路同时相连并提供工作电压。

2.根据权利要求1所述的一种电容式三轴一体化振动传感器，其特征在于：所述滤波电路包括电阻R1、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、八阶低通椭圆开关电容滤波器N1；硅电容式加速度计输出端连接电阻R1，电阻R1和电容C2串联后接地，电阻R1和电容C2的连接公共端接入八阶低通椭圆开关电容滤波器N1的输入端口IN，八阶低通椭圆开关电容滤波器N1的电源端口VDD与关断控制信号端口SHDN连接后接电源VCC并与电容C1连接，电容C1另一端接地，八阶低通椭圆开关电容滤波器N1的公共端口COM和偏置调整输入端OS连接，连接后的公共端与电容C3连接后接地，电容C4与时钟输入端口CLK串联后接地，八阶低通椭圆开关电容滤波器N1的接地端口GND接地。

3.根据权利要求1或2所述的一种电容式三轴一体化振动传感器，其特征在于：所述隔直及偏置放大电路包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、运算放大器N2A、运算放大器N2B、电容C5、电容C6、电容C7；电阻R2一端接电源VCC，另一端与电阻R3串联后接地，电容C5并联在电阻R3的两端，电阻R2和电阻R3的连接点与运算放大器N2A的同相输入端相连，运算放大器N2A的电源端接电源VCC，信号地端接地，反相输入端与输出端相连；电阻R4的一端接运算放大器N2A的输出端，另一端接运算放大器N2B的同相输入端，电容C6一端接滤波电路输出，另一端接电阻R5，电阻R5另一端与运算放大器N2B的反相输入端相连，电阻R6与电容C7并联后，一端接运算放大器N2B的反相输入端，另一端接运算放大器N2B的输出端，电阻R7一端接运算放大器N2B的输出端，另一端为传感器的输出。

4.根据权利要求3所述的一种电容式三轴一体化振动传感器，其特征在于：所述电源电路包括电阻R8、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、基准源N3；电阻R8的一端接供电电源，另一端与基准源N3的输入端VS和休眠端SLEEP相连，电容C7和电容C8并联后一端接地，另一端接基准源N3的输入端VS和休眠端SLEEP，电容C9和电容C10并联后，一端接电源VCC和基准源N3的输出端OUTPUT，另一端接基准源N3的信号地端GND，电容C9、电容C10及基准源N3的信号地端GND的公共端接地。