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本科生课程设计(论文) 辽 宁 工 业 大 学信号变换综合设计 课程设计(论文)题目: 加速度上限报警电路设计 课程设计(论文)任务及评语院(系):电气工程学院 教研室:测控技术与仪器学 号学生姓名专业班级测控102班设计题目加速度上限报警电路设计课程设计(论文)任务设计任务:采用加速度传感器设计一个报警电路,可应用于闸门、生产机械等环境报警等。设计放大滤波和输出控制电路等信号处理电路;进行电路仿真;或进行电路板焊接,电路板完成后采用万用表检测输出电压值即可。技术要求:选择合适的压电式加速度传感器,要求电荷灵敏度至少为10000pC/g, g为重力加速度。设计电荷-电压变换电路,把加速度信号转换成为合适的电压信号。加速度的测量范围为0.1g,设计电压比较器,加速度的传感器信号与给定的报警上限0.05g相比较,如果大于0.05g,则报警。报警电路采用声光报警。说明书要求:1.格式规范,符合学校要求;2.说明书中应有加速度报警电路设计方法比较与方案论证,电路原理及具体的实现方案、电路器件型号、参数等;自行设计,焊接电路板3.硬件电路应由protel绘制;不能采用单片机设计。4.按规定格式,撰写、打印设计说明书一份,详细阐述系统的设计过程,字数应在4000字以上。工作计划1、布置任务,查阅资料,理解掌握系统的设计要求。(2天)2、选择相应传感器、设计硬件电路图。(2天)3、计算器件参数、选择元器件型号绘制硬件电路图。(3天)4、仿真调试或硬件电路焊接、调试。(2天)5、撰写、打印设计说明书、答辩。(1天)指导教师评语及成绩 平时: 论文质量: 答辩: 指导教师签字: 总成绩: 年 月 日 注:成绩:平时40% 论文质量40% 答辩20% 以百分制计算 摘要随着近几年我国电子技术的不断发展,许多原先的高端电子产品也逐渐步入人们的生活。现在价格低廉的压电式传感器得到了很大的普及。原本用于加速度上限报警器的传感器也进入了人们的生活安全保障中,在保护各方面安全工作中起着至关重要的作用。本次设计的加速度上限报警器能够应用于闸门、生产机械等环境报警等。压力变化,电压随即变化,依据此特性用它来作为压力加速度上限传感器的开关电路。一旦闸门的积水过深,超过它承受的力度,电压就会变化,电路就会报警。避免发生意外,造成不可挽回的损失。 本文介绍了一种基于压电式加速度传感器的电荷放大器的设计及优化。为了增加传感器测量的灵活性本实验在传统电荷放大电路的基础上增加了三运放增益电路,根据不同的测量需要可以进行调整,以达到提高性价比的目的。关键字: 压电加速度传感器, 三运放电路, 放大增益电路,电荷放大电路 目录第1章 绪论11.1 设计背景11.2 本次课设设计要求2第2章 方案论证32.1 任务分析32.2 常用加速度传感器32.3 目前常见的压电加速度振动测量系统3第3章 电路设计63.1 总体设计框图63.2 压电加速度传感器等效电路63.3.三运放高共模抑制比放大电路83.4 反相器93.5低通滤波电路10第4章 调试与仿真134.1仿真电路图13第5章 课程设计总结15参考文献16附录17附录18 1 第1章 绪论1.1 设计背景 随着现代科学技术的迅猛发展,非电物理量的测量与控制技术,已越来越广泛地应用于航天、航空、常规武器、船舶、交通运输、冶金、机械制造、化工、轻工、生物医学工程、自动检测与计量等技术领域,而且也正在逐步引入人们的日常生活中。可以说测试技术与自动控制技术水平的高低是科学技术现代化程度的重要标志,科学技术上很多新的发现和突破,都是以实验测试为基础的。现代工业和自动化生产过程中,非电物理量的测量和控制技术会涉及大量的动态测试问题。所谓动态测试是指量的瞬时值以及它随时间而变化的值的确定,也就是被测量为变量的连续测量过程。自1976年动态测试问题被列入第七界国际计量技术联合会大会的议程以来,动态测试受到各国的重视,取得了很大的进展,己经成为计量学的一个独立分支。它以动态信号为特征,研究了测试系统的动态特性问题,研究了测试系统的动态校准理论与技术问题,从而使计量单位量值能够向动态测试系统传递。过去三十年来,不论国际还是国内,振动、冲击、噪声工程都获得了突飞猛进的发展,动态测试技术日新月异,其中冲击和振动的精确测量技术显得尤其重要。振动与冲击测量的核心是传感器,对于冲击和振动信号的获取,最常见的是用压电加速度传感器,压电加速度传感器又称压电加速度计或压电加速度表,由于加速度传感器的发明,使振动与冲击测量逐渐在工业界获得广泛应用。它是一种高度发展了的仪器。世界各国作为量值传递标准的高频和中频振动基准的标准加速度传感器就是压电式加速度传感器。由此可见,质量优良的压电加速度传感器在精度、长时间稳定性等方面都是有独到之处的。最早的加速度传感器于1938年在电阻应变计发明后不久就研制成功,并于1940年开始在航空和土木等工程中获得应用。压电加速度计优点很多,如压电晶体弹性模量大,能自主产生动态范围广阔的电信号,而且谐振贫率高、使用频带宽、灵敏度高、信噪比高、体积小、重量轻、安装简单、结构简单、工作可靠、适用于各种恶劣环境等优点,现在己经广泛应用于航空、航天、兵器、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测试、信号分析、振动校准、机械动态实验等中,特别是在航空和宇航领域中更是有它的特殊地位。压电加速度计于40年代末,50年代初开始大规模生产,并广泛应用于各个工业领域,很快成为振动、冲击测量中的主角。最早和目前主要的振动、冲击传感器生产厂家有:丹麦的B&K(1943年)、瑞士的Kistler(1944年,并于1954年在美国设分厂),美国的Endevco (1947年), Wilcox (1960年)和PCB(1967年),在我国则有扬州无线电厂,北京测振仪器厂,北戴河无线电厂等(20世纪70 80年代)。1.2 本次课设设计要求 本次课设采用加速度传感器设计一个报警电路,可应用于闸门、生产机械等环境报警等。设计放大滤波和输出控制电路等信号处理电路。 第2章 方案论证2.1 任务分析 针对任务要求:采用加速度传感器设计一个报警电路,可应用于闸门、生产机械等环境报警等。设计放大滤波和输出控制电路等信号处理电路;进行电路仿真;2.2 常用加速度传感器 方案一:压力式加速度 压电加速度传感器采用具有压电效应的压电材料做基本元件,是以压电材料受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。这些压电材料当沿着一定方向对其施力而是他变形时内部就产生极化现象,同时在它的两个相对的表面上产生符号相反的电荷;当外力去掉后,又重新恢复不带电的状态;当作用力的方向改变时,电荷的极性也随之改变。输出电荷与作用力成正比。电信号经前置放大电路,即可由一般测量仪器测试出电荷大小,从而得出物体的加速度。 方案二:电阻应变式加速度传感器 其基本原理是:物体运动的加速度与作用在它上面的力成正比,即。结合本次实际情况和各种方案的特点:采用加速度传感器设计一个报警路,可应用于闸门、生产机械等环境报警等。设计放大滤波和输出控制电路等信号处理电路;进行电路仿真;或进行电路板焊接,电路板完成后采用万用表检测输出电压值即可。所以采用第一种方案。2.3 目前常见的压电加速度振动测量系统 现在的自动测量系统中,各个组成部分常常以信息流的过程来划分。一般可以分为:信息的获得,信息的转换,信息的显示、信息的处理。作为一个完整的非电量电测系统,也包括了信息的获得、转换、显示和处理等几个部分。因为它首先要获得被测量的信息,把它变换成电量,然后通过信息的转换,把获得的信息变换、放大,再用指示仪或记录仪将信息显示出来,有的还需要把信息加以处理。因此非电量电测系统,具体来说,一般包括传感器(信息的获得)、测量电路(信息的转换)、放大器、指示器、记录仪(信息的显示)等几部分有时还有数据处理仪器(信息的处理)它们间的关系可用图2.1的框图来表示。 指示仪器 记录仪器 传感器 测量电路被测量 数据处理仪器 图2.1 测试系统的组成其中 传感器(Transducer)是一个把被测的非电物理变换成电量的装置,因此是一种获得信息的手段,它在非电量电测系统中占有重要的位置。它获得信息的正确与否,直接影响到整个测量系统的测量效果。测量电路的作用是把传感器的输出变量变成易于处理的电压或电流信号,使信号能在指示仪上显示或在记录仪中记录。测量电路的种类由传感器的类型而定。压电加速度传感器常用的测量电路是电荷放大器。常用的压电加速度传感器的动态测量系统如图2.2所示:数据处理器记录器电荷放大器加速度传感器被测非电量校准设备 图2.2 压电加速度传感器动态测量系统 压电加速度传感器可以看作是一个能产生电荷的高内阻发电元件。但是此电荷量很小,不能用一般的测量电路来进行测量,因为一般的测量电路的输入阻抗总是较小的,压电片上的电荷通过测量电路时会被输入电阻迅速泄漏引入测量误差,影响测量效果。如果压电加速度传感器没有与之配套的测量电路一起配合使用,那么压电加速度传感器的广泛应用就会受到非常大的限制。因此,压电加速度传感器测量电路的研究及其硬件实现就显得非常重要。现在最常用的压电加速度传感器的测量电路就是电荷放大器,所谓电荷放大器是负反馈放大器的一种,能得到与输入电荷成比例的电压输出。它的特点之一就是使传感器
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