压电式加速度传感器放大电路设计

Southwest University of Science and Technology

信息工程学院

本科课程设计报告

课程名称: 设计题目: 专业班级: 学生姓名: 学生学号: 指导教师: 教师职称:

电子技术课程设计 加速度传感器放大电路设计

。。。 。。。 。。。 。。。 。。。

2019.1.7-2019.1.17

。。。

起止日期: 学生邮箱:

西南科技大学信息工程学院制

2019年01月

西南科技大学

《电子技术课程设计》任务书

专业班级 。。。 设计题目 设计要求： 1．完成大致方案设计，并合理选择器件。 2．根据器件类型设计出合理的测量电路，并实现电路基本功能。 3．实物焊接并调试完成。 4．撰写设计方案、以及详细实现过程。 设 计 任 务 书 交稿形式：手写稿；打印稿；软件；图纸；其他 指导教师签名： 年 月 日 学生签名： 年 月 日 学生姓名 。。。 学 号 。。。 加速度传感器放大电路设计

学生日志与师生见面情况

时间 2019.1.7 2019.1.8 2019.1.9 2019.1.10 2019.1.11 2019.1.12 2019.1.13 2019.1.14 2019.1.15 2019.1.16 学生签名： 年 月 日 完成工作进展情况或交流情况 分配题目 进行设计准备 设计硬件电路 进行电路分析 完成仿真电路 准备元器件 开始焊接 请教电路疑问 完成实物，并调试 完成实验及实验报告 师生见面时间地点 。。。 。。。 。。。 。。。 。。。 。。。 。。。 。。。 。。。 。。。

西南科技大学信息工程学院 《电子技术课程设计》综合评价表

专业班级 设计题目 评价环节 课程目标 设计方案 设计水平 任务完成 学习意识 目标1 目标2 目标5 。。。 学生姓名 。。。 学 号 。。。 加速度传感器放大电路设计 过程评分（占总分比例为40%） 指标点 文献阅读，方案比较与方案设计。 应用基本原理与技术，展示的设计水平；软硬件设计、实验或仿真设计与分析、技术指标完成情况、工作量。 自主学习能力、按时完成设计。 分值 10 20 10 合格 6~10 12-20 6~10 得分 小计  同意答辩；  不同意答辩。 指导教师签名： 年 月 日 设计报告评分（占总分比例为30%） 评价环节 课程目标 设计方案 设计能力 报告质量 目标1 目标3 指标点 理论与实践的结合情况，设计的合理性；应用所学知识解决问题的能力。 分值 20 合格 12~20 6~10 得分 小计 报告撰写、文字、图表及格式的规范性。 10 评阅教师签名： 年 月 日 答辩评分（占总分比例为30 %） 评价环节 课程目标 任务验收 答辩 目标2 目标4 指标点 软硬件设计或仿真实验完成度，指标完成情况。 陈述效果、回答问题情况；论文文字表述、逻辑性、图表规范性。 分值 20 10 合格 12~20 6~10 得分 小计 答辩小组成员签名： 年 月 日 总评成绩（三项评分和） 备注 说明：（1）评分说明：优：90-100；良：80-89；中：70-79；及格：60-69；不及格：<60。 （2）优秀率：控制在总人数的15-20%之内，并且宁缺毋滥。 （3）课程教学目标根据大纲需求进行调整。

加速度传感器放大电路设计

摘要： 现代工业和自动化生产过程中，设备的冲击和振动信号通常采用压电加速度传感器来获取，然后需经电荷放大器对传感器输出的电荷信号进行电荷—电压转换，方可用于后续的方大、处理，因此电荷放大器是必不可少的二次仪表。本设计采用LM358P芯片对压电式加速度传感器的输出信号进行放大，通过电路的仿真设计与调试以及实际电路板的焊接,验证了该电路的可行性和可靠性。通过设计，掌握了电路设计的基本方法与技能，达到了课程设计的目的。

关键词：放大电路 加速度传感器 LM358P

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第1章 设计任务分析与设计方案选择

传感器是人们生活中常见的电子器件，而加速度传感器更是运用在生活的方方面面，本设计作为加速度传感器的放大电路，主要功能是将加速度传感器输入的脉冲信号进行放大后输出。方案设计将简单介绍部分原件以及加速度传感器的选择运用。综合比较多种加速度传感器，综合运用所学知识设计电路，完成设计要求。

1.1 设计任务分析

本设计为压电式加速度传感器放大电路设计，其核心在于收集采样信号和信号放大两个方面。信号的输入需要选择合适的传感器，信号放大也需要相应的电荷放大器。本次课程设计的难点在于输入信号的产生与采集。输入信号的采集过程中会出现大量的杂波信号干扰信号的采集，如何排除干扰，采集到我需要的输入信号是本次课程设计的难点。

1.2 设计方案选择

常用的加速度传感器有压电式传感器、压阻式传感器、电容式传感器。考虑到本设计所需要的灵敏度较高，且操作方便，材料易得，故选用压电式加速度传感器，以下是三种传感器的优劣分析。 1.2.1 压电式加速度传感器

压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。

压电式加速度传感器是基于压电晶体的压电效应工作的。某些晶体在一定方向上受力变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去除后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为“压电效应”，具有“压电效应”的晶体称为压电晶体。常用的压电晶体有石英、压电陶瓷等。这种传感器一般都具有测量频率范围宽、量程大、体积小、重量轻、结构简单坚固、受外界干扰小以及产生电荷信号不需要任何外界电源等优点，它最大的缺点是不能测量零频率信号。 1.2.2 压阻式加速度传感器

压阻式传感器的敏感芯体为半导体材料制成电阻测量电桥来实现测量加速度信号，这种传感器的频率测量范围和量程也很大，体积小重量轻，但是缺点也很明显，就是受温度影响较大，一般都需要进行温度补偿。压阻式加速度传感器的输出阻抗低，输出电平高，内在噪声低，对电磁和静电干扰的敏感度低，所以易于进行信号调理。它对底座应变和热

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瞬变不敏感，在承受大冲击加速度作用时零漂很小。压阻式加速度传感器的一个最大优点就是工作频带很宽，并且频率响应可以低到零频（直流响应）， 因此可以用于低频振动的测量和持续时间长的冲击测量，如军工冲击波试验。压阻式加速度传感器的灵敏度通常比较低，因此非常适合冲击测量，广泛用于汽车碰撞测试、运输过程中振动和冲击的测量、颤振研究等。

1.2.3 电容式加速度传感器

电容式传感器中一般有个可运动质量块与一个固定电极组成一个电容，当受加速度作用时，质量块与固定电极之间的间隙会发生变化，从而使电容值发生变化。它的优点很突出，灵敏度高、零频响应、受环境（尤其是温度）影响小等，缺点也同样突出，主要是输入输出非线形对应、量程很有限以及本身是高阻抗信号源，需后继电路给予改善。 1.2.4伺服式加速度传感器

伺服式加速度传感器是一种闭环测试系统，具有动态性 能好、动态范围大和线性度好等特点。其工作原理，传感器的振动系统由 \"m-k”系统组成，与一般加速度计相同，但质量m上还接着一个电磁线圈，当基座上有 加速度输入时，质量块偏离平衡位置，该位移大小由位移传感器检测出来，经伺服放大器 放大后转换为电流输出，该电流流过电磁线圈，在永久磁铁的磁场中产生电磁恢复力，力图使质量块保持在仪表壳体中原来的平衡位置上，所以伺服加速度传感器在闭环状态下工作。

由于有反馈作用，增强了抗干扰的能力，提高测量精度，扩大了测量范围，伺服加速度测量技术广泛地应用于惯性导航和惯性制导系统中，在高精度的振动测量和标定中也有应用。

1.3 总体方案

经方案研究，最终确定为采用LM358P芯片构成同相放大器，将同相放大器并联电容过滤衰减干扰波，减小由干扰波带来的误差。给同相放大器加一个大电阻构成电压放大器，对压电式加速度传感器进行信号放大，最后将放大后的输出信号与加速度传感器的输入信号用示波器显示出来，对比波形，分析数据。

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第2章 硬件电路设计

方案设计完毕以后，接下来是实际电路的选择设计。硬件电路不同于仿真电路，合理的选择实际的元器件是实验能否成功的决定性因素。将理论值改为实际值，将理论分析改为实践分析。考虑到元器件的价格等方面，使用简单方便的电路或元器件代替不可实现的仿真器件是每个设计者的必修课。

2.1放大电路

放大电路亦称为放大器，它是使用最为广泛的电子电路之一、也是构成其他电子电路的基础单元电路。所谓放大，就是将输入的微弱信号(简称信号，指变化的电压、电流等)放大到所需要的幅度值且与原输入信号变化规律一致的信号，即进行不失真的放大。只有在不失真的情况下放大才有意义。本设计中可用到电荷放大器或电压放大器对传感器输入信号进行放大。 2.1.1电荷放大器

压电传感器与电荷放大器的连接电路如图：

图2-1 电荷放大器

在理想运放条件下，图中R和C两端电压均为0，即流过电流为0，因此电荷源电流全部流过Z2，即RF//CF。故有：

(2-1)

4

电荷放大器输出电压与输入电荷之间的转换关系为

(2-2)

式中

(2-3)

可见电荷放大器输出电压与输入电荷之间的转换关系具有一阶高通滤波特性，其转换灵敏度为

(2-4)

即

(2-5)

可见电荷放大器输出电压敏度为

(2-6)

U0与压力传感器所受力也具有一阶高通滤波特性，其转换灵

由此可见，在采用电荷放大器的情况下，灵敏度只取决于反馈电容CF，而与电缆电容

Cc无关，因此在更换电缆或需要使用较长电缆时，无需重新矫正灵敏度。

在电荷放大器的实际电路中，灵敏度的调节可采用切换CF的办法。通常CF在

100~10000pF之间选择。为了减小零漂，提高放大器工作的稳定性，一般在反馈电容的两

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1014端并联一个大电阻RF，约10~10，其功用是提供直流负反馈。

-6电荷放大器的时间常数RFCF相当大，下限截至频率低达310Hz，上限高达100kHz，

12输入阻抗大于10，输出阻抗小于100，因此压电式传感器配用电荷放大器时，低频响

应比配用电压放大器好得多，可对准静态的物理量进行有效的测量。

上式中不能为0，所以不论采用电压放大还是电荷放大，压电式传感器都不能测量频率太低的的被测量，特别是不能测量静态参数。因此压电传感器多用来测量加速度和动态力或压力。 2.1.2电压放大器

压电传感器与电压放大器的连接电路如图所示：

图2-2 电压放大器

图中电压放大器输入电压为

U•I••i1jwQ1Q•1CRjwcRjwc1w0jw 式中

w10RC

电压放大器增益为 K11输出电压为

RR2••Q•UK0KUiC1w0jw 6

(2-7)

(2-8)

(2-9)

(2-10)

输出电压与输入电荷之间的转换关系为

U0Q

••QKUiC••Kw10jw(2-11)

由式可见电压放大器输出电压与输入电压之间的转换关系具有一阶高通滤波特性，其转换灵敏度为

U0Q•|U0K|QC•11(0)2(2-12)

即

U0U0Kd1|•|FCF1(0)2•(2-13)

由式可见为扩展传感器工作频带的低频端，须减小0 ，据式就应增大C或增大R，但增大C会降低灵敏度，所以一般采取增大R，应配置输入电阻R1很大的前置放大器。

连接电缆电容Cc改变会引起C改变，进而引起灵敏度改变，所以当更换传感器连接电缆时必须对传感器进行标定，这是采用电压放大器的一个弊端。

2.2低通滤波电路

压电加速度传感器是一个弱阻尼的振动系统,因此它的幅频特性的高频段有一个很高的共振峰,此峰值严重地引起了高频噪声,并对输入信号产生失真和干扰。为此,需在放大器中采用低通滤波器,以补偿传感器引起的高频幅频特性.另外,在某些振动测试中,电荷放大器的通频带有时远远高于实际的需要,而无用的高频带的存在对低频测试只会带来坏的影响,所以在系统中就非常有必要采用低通滤波器,他只能让低频交流分量通过,使无用的高频分量受到较大的衰减。

滤波器种类很多,有LC的,也有RC的,又分为有源和无源的.无源的RC低通滤波器具有线路简单,抗干扰性强,有较好的低频范围工作性能等优点,并且体积较小,成本较低,所以在系统中被广泛采用.但是,由于他的阻抗频率特性没有随频率而极具改编的谐振性能,故选择欠佳,为了克服这个缺点,在RC网络上加上运算放大器等有源元件,组成有源RC低通滤

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波器.有源RC低通滤波器在通带内不仅可以没有衰减,还可以有一定的增益.因为我们测量的信号频率不是很高,所以我们采用的是二阶RC有源滤波器,其特点是简单,易调节,

2.3 Multisim仿真

在初步分析好电路后，我采用Multisim做了一个初步的电路仿真如图2-3-1，在制作仿真电路的过程中，首先应该考虑输入信号的频率大小以及类型。本题目中输入信号为模拟的压电式加速度传感器输入信号，因此我将压电式加速度传感器信号进行了测量。用手摇晃加速度传感器，使之产生一段信号输出，并且使用示波器采集信号。在实验过程中，我得到了一段正弦波，并且该正弦波具有明显衰减。因此在电路仿真中，我选择采用电压为1v、频率为1k HZ正弦波作为输入信号。同时我测得传感器内部电容约为20nF，因此，我串联了一个20nF的电容上去作为模拟信号源。

图2-3 电路仿真图

为了让其低频信号能够通过，通过公式确定电阻R1的值约为10M左右，R2和R3决定放大倍数，R3为滑动变阻器能够调节放大倍数防止波形失真。在R3两端并联一个电容可以起到滤掉干扰波的作用。使用示波器采集放大信号，观察信号放大情况，并且根据仿真电路图焊接实物。

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图2-4 仿真波形图

仿真波形如图2-4所示，输出信号的峰值约为8.5V，加速度传感器的输入峰值约为1.3V，放大倍数约为6.5倍，符合实验要求，滑动滑动变阻器可以调整放大倍数，改变输出波形大小。

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第3章 硬件电路调试与分析

3.1 实物调试

实物焊接完成以后，将焊接好的实物进行调试。首先检查实物是否出现短路或断路情况，使用电流计测试电路板情况。确认电路板无短路、断路情况后，将学生电源调节至12V，将电源两级连接至LM358P芯片的4、8引脚，完成电源连接。将压电式加速度传感器连接至信号输入端，将示波器连接至信号输出端与输入端。实物连接好以后打开学生电源，观察没有短路现象后，用力晃动加速度传感器，观察示波器的波形。

图3-1 传感器输入波形图

观察输入波形图，传感器输入信号是一个逐渐衰弱的正弦波信号，信号从巅峰逐渐衰减。

图3-2 输出波形图

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对比两个波形图我发现设计的放大电路确实将压电式加速度传感器输入的信号放大，并且一定程度上保证波形不失真。

3.2 误差分析

3.2.1 连接电缆的固定

连接的电缆虽然是低噪音电缆，但若固定不当，也会产生一些噪音，电缆的机械运动会引起电缆电容和电荷的变化，主要是低频噪音，所以在实验室时应在传感器近端，把电缆固定，使电缆在传感器近端尽可能平直。 3.2.2 接地点的确定

当电荷放大器、压电加速度传感器、记录仪器组成测试系统时，往往由于接地点选择不当，引入很大的干扰，严重时使测量无法进行。其原因是各点地电位不相等，如果在不同接触点与连接电缆间形成对地的回路电流，此电流就形成了一个干扰源。因此测量系统最好只有一个接地点。接地点位置的选择往往需要用实测方法决定，但一般来说最好选在记录和读出装置上。

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总 结

本次课程设计用时十天，设计题目为加速度传感器放大电路。由于不是第一次参加课程设计，所以本次课程设计还算顺利。首先是Multisim的使用。本次课程设计的电路不是特别复杂，因此在用Multisim仿真的时候，也不会有很多的困难。但是依旧调试了很多遍，主要在于元器件的采用，做了很多的功夫。有一些元器件是在不断尝试中总结归纳出来的，而有一些是通过计算得来的，在做好仿真图以后更要对仿真图进行运行分析，观察示波器显示的波形，观察放大倍数，观察电路是否运行。在仿真图调试完毕以后，将仿真图焊接为实物，首先要将仿真图进行规划调整、调整布局，思考布线，尽量将电路板充分完整的运用，不要出现交叉重叠。将电路板元器件在草稿纸上演化一遍，排列好布局布线后才可以进行焊接。实验的一些元器件包括8兆的电阻的，非常难以寻找。因此在结合实际情况下我将该电阻进行适当的妥协。我采用10兆的电阻来代替8兆的电阻。在焊接实验中，我依旧有许多的不足，在一些锡线当中可能有一些短路，在焊接完以后出现了问题，发现不能正常的工作，于是需要一个地方，一个地方的查错。经过我的努力后，终于排除了错误，得到了一个可以运行的板子。接下来要对这个板子的功能进行分析，判断这个板子是否达到了设计的要求。于是我借用了实验室的学生电源、示波器等工具进行采样收集。一开始得到的波形错误，在探究错误的原因后调整滑动变阻器，在多次试验当中掌握了加速度传感器的使用规律。发现了加速度传感器波形的渐变过程。最终得以完成实验，得到了符合设计要求的加速度传感器放大电路。

在本次设计中，我发现了很多问题，比如说在设计怎么去焊接这个板子的时候除了你要注意你所用的器件之外，你还要注意怎么样去分配布局，把有限的空间好好利用起来。哪些地方应该焊锡线，哪些地方应该搭飞线，这些都应该提前计划好。我第一次制作失败的一个重要原因，就是没有提前将这些东西计划好。如果我下一次还会做这个实验的话，我会提前先把这个焊接的电路图画出来。现在电路图上分配好布局布线，然后再进行实物焊接。这样一来会节省时间，二来也不容易出错。同时还会减小焊接的难度。在本次实物制作的过程中，我的焊接技术也有了很大幅度的提升。从一开始焊接的时候，我几乎不太会焊接，第一次还失败了。然后到第一次制作实物的时候，我已经能够焊接的差不多了，虽然中间焊接出了问题，导致有些地方有些元器件被我烧坏了，不能用。但是第一次焊接对我来说是一次非常宝贵的经验。等到第二次制作实物的时候，我的焊接技术基本上可以使用了。但是我缺少了一个提前布局布线的一个准备。所以导致了第二次制作实物，虽然

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制作出来了，但是非常的粗糙。这也是一个非常遗憾的事情，我下一次在做课程设计的时候，我将会牢记这些东西，然后，在焊接的过程中更加的完善。

主要设计加速度传感器放大器，测试放大倍数。 主要完成工作：

（1）系统硬件设计包括电荷放大器、压电式加速度传感器。 （2）完成系统调试，做好multisim的仿真 （3）完成实物，做好实物分析。 本次设计尚有几处地方需要完善： （1）放大倍数的调整不方便 （2）无法显示

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参考文献

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附录

附录1、 系统照片

附录2、 仿真电路图