微振動檢測電路設(shè)計探討
時間:2022-07-20 09:49:53
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振動在自然界中普遍存在,常用的測量振動的傳感器有壓電式、壓阻式、光電式和磁致伸縮式等。壓電式測量范圍廣、體積小、頻率寬、重量輕,是最常用的檢測器件。目前測量物體微振動的方法有機(jī)械法、電測法和光測法。機(jī)械法抗干擾能力強(qiáng)、精度低,電測法精度高、應(yīng)用范圍最廣,這兩種方法為接觸式測量,容易損壞被測物體。光測法為非接觸測量,精度高,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。本文設(shè)計了一種簡單、小型、非接觸式微振動測量電路。
1微振動檢測電路設(shè)計分析
微振動檢測電路采用數(shù)字邏輯門電路CD4069設(shè)計放大與檢波電路,利用數(shù)字邏輯門電路的狀態(tài)反轉(zhuǎn)的傳輸特性,構(gòu)成放大、峰值檢出電路。
2電路所用元件介紹
2.1壓電片
壓電片由具有壓電效應(yīng)的材料制作而成,壓電效應(yīng)分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng),本設(shè)計使用其正壓電效應(yīng)檢測微振動。設(shè)計中圖1微振動感應(yīng)器實物圖圖2CD4069輸入輸出波形圖
3電路原理分析
電路將前端的幅值不等的振蕩信號消除其靜態(tài)分量后對動態(tài)成分充分放大,檢出振蕩信號的,達(dá)到將連續(xù)振動信號處理為狀態(tài)信號的目的。高低電平反映物體靜止、振動,輸出的信號可以供給后續(xù)微機(jī)處理,微振動檢測原理圖如圖3所示。
3.1小信號提取與放大
沒有輸入信號時,U1A工作在輸出特性曲線的中間點,在VDD=5V的條件下,輸出為直流2.5V,測量結(jié)果如圖4所示。壓電片受到振動以后,U1A輸出為直流2.5V左右的振蕩信號,如采用直徑15mm的壓電片,并在壓電片的任意邊緣處焊接一彈簧,彈簧上焊接一小球,該設(shè)計可以提高對振動的感應(yīng)精度,如圖1所示,其輸出為幅值不等的振蕩信號。
2.2反相器CD4069
CD4069是6反相器電路芯片,內(nèi)部由六個反相器電路組成,單電源供電,電源范圍3-18V,適用范圍較寬,其輸入輸出波形如圖2所示,在本設(shè)計中,主要應(yīng)用其線性區(qū)的放大作用。圖6(a)下方波形所示;Q1為小功率PNP型三極管9015,用來去掉2.5V直流分量(R6改為電位器可調(diào)整靈敏度,增加電源寬度),如圖5(a)上方波形所示,直流成分和負(fù)半周基本去除。信號通過U1B反相放大倍,再經(jīng)U1C反相輸出,如圖5(b)下方波形所示。
3.2檢波及整形電路
D1、R7、C2構(gòu)成檢波電路,輸出幅值不等的振蕩信號,如圖6(a)上方波形,U1D將檢波電路輸出的幅值不等的振蕩信號變成標(biāo)準(zhǔn)高低電平,如圖6(b)上方波形。
3.3附加處理
U1E、U1F為CMOS芯片CD4069剩下未用的兩個反相器,接電源串聯(lián)后狀態(tài)鎖定,降低功耗低,且可以防止高頻干擾。輸出部分可接單片機(jī)等微處理器實現(xiàn)信息化管理。
3.4靈敏度
在實驗過程中,示波器能檢測到的最小振動峰峰值約4mV,由于感應(yīng)器加入彈簧可以延展對振動的感應(yīng)時間并放大振動,實際感應(yīng)到的振動量遠(yuǎn)小于該值。
結(jié)語:
本文設(shè)計了一種高精度、非接觸式微振動檢測電路,電路結(jié)構(gòu)簡單,不需要破壞被測物體,可以將其粘貼在任何位置。集成后可實現(xiàn)三線式控制:電源、地和信號輸出。電路的靜態(tài)功耗略高,在5V電源的條件下約1W,電源由3.7V鋰電池提供,可一定程度降低功耗,輸出為電壓信號,可以直接接入單片機(jī)等單片微處理器實現(xiàn)信息化管理,也可以自成一體,構(gòu)成獨立的報警器。可以把它應(yīng)用在車輛防盜報警,醫(yī)療設(shè)備的振動檢測,家庭用的防蟑螂和防鼠報警等,使用壽命長。
作者:武芳 蔣汝根 朱璇 單位:江蘇衛(wèi)生健康職業(yè)學(xué)院