1、传感器原理02011 年 12 月 10 日题 目 振动传感器应用电路设计 传感器原理1摘 要振动传感器在工业检测和日常生活中应用很广泛,尤其是治安技防方面应用的更多。例如：机动车防盗报警器中的车辆振动检测,家庭防盗器中的门、窗防撬的振动检测等等。作为上述产品中的振动传感器,在产品中起到重要的作用。一个含有振动传感器的产品,其工作可靠性虽然与电路组成有关,但是与振动传感器本身的性能关系更大。振动传感器的共同特点是内部均有“m-k-c”系统。本文从振动传感器的基本原理着手，分析了了“m-k-c”系统运动方程和传输函数，从而得出了振动传感器的三种应用形式，即压电片谐振式传感器、机械振动式传感器、微
2、型振动传感器。并具体针对这三种应用形式设计振动传感器应用电路。关键词：振动传感器；应用电路；振动检测；防盗报警器；电路组成 传感器原理0目 录机械振动式传感器应用电路设计 .1一、设计要求 .1二、方案设计及其特点 .2三、传感器工作原理 .2四、电路的工作原理 .3五、单元电路设计、参数计算和器件选择 .4六、总结 .6参考文献 .6传感器原理0机械振动式传感器应用电路设计一、设计要求1、功能要求传统的振动检测方式，受到振动以后，弹簧球在较长的时间内进行减幅振动，这种振动便于被检测电路检测到。振动输出开关信号，输出阻抗与配合输出的电阻阻值所决定，根据检测电路的输入阻抗，可以做成高阻抗输出方式
3、。振动传感器是将机械量接收下来，并转换为与之成比例的电量。由于它也是一种机电转换装置。振动传感器是将原始要测的机械量做为振动传感器的输入量，然后由机械接收部分加以接收，形成另一个适合于变换的机械量，最后由机电变换部分再将变换为电量。使用压电片接收振动信号，压电片的谐振频率较高，为了降低谐振频率，使用加大压电片振动体的质量来实现，并使用弹簧球代替附加物，降低两谐振频率，增强了振动效果。其优点是灵敏度较高，结构简单。但是需要信号放大后送到TTL 电路或者单片机电路中，不过使用一个三极管单级放大即可。2、指标要求随着能源电力工业的发展,大型发电机的单机装机容量日益增大,其定子绕组线圈在正常工作运行尤
4、其是在遇到突然短路时承受的电磁力剧增,如不采取措施加以控制,将导致线棒绝缘磨损,最后损坏.监测大型发电机定子绕组端部的振动,识别某些潜在的或发展中的端部线。在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到 cm 的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 S 的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究
5、的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。传感器原理1二、方案设计及其特点在实际振动测控应用中，SV805 振动传感器与 TC8022 振动信号处理器的组合，显示出十分优异的性能。当被监测物体产生移动、振动、晃动，电路都能作出响应，并能抑制喇叭、雷电等环境噪音对检测信号的干扰，广泛应用在车辆、库房、保险箱等方面的安全防范。 TC8022 功能接口与 SV805、遥控解码 PT2272 的连接方法见下图。 图 3 机械振动式传感器连接电路按下 AN1 键后，电路进入双监检测状态。如
6、果在设定时间内无振动信号，YD1 发出警告声，LED1/R 闪光，遥控电路工作，呼救控制中心实施救援。该电路应用于消防员自动呼救系统。SV803 工作电流仅为 100uA（SV802 为 500uA）其它灵敏度、工作电压与 SV802 一样。 电路适用于各种车辆安全防范，采用单片机进行遥控学习码和解码，可提高生产效率，并降低制作成本。三、传感器工作原理振动时，使传感器中的可动线圈在磁场中振动，切割磁力线而感应出电动势输出量，其值与振动速度成正比。振动传感器在测试技术中是关键部件之一，它的作用主要是将机械量接收下来，并转换为与之成比例的电量。由于它也是一种机电转换装置。所以我们有时也称它为换能器
7、、拾振器等。由于机械运动是物质运动的最简单的形式，因此人们最先想到的是用机械方法测量振动，从而制造出了机械式测振仪（如盖格尔测振仪等）。传感器的机械传感器原理2接收原理就是建立在此基础上的。相对式测振仪的工作接收原理是在测量时，把仪器固定在不动的支架上，使触杆与被测物体的振动方向一致，并借弹簧的弹性力与被测物体表面相接触，当物体振动时，触杆就跟随它一起运动，并推动记录笔杆在移动的纸带上描绘出振动物体的位移随时间的变化曲线，根据这个记录曲线可以计算出位移的大小及频率等参数。 由此可知，相对式机械接收部分所测得的结果是被测物体相对于参考体的相对振动，只有当参考体绝对不动时，才能测得被测物体的绝对振
8、动。这样，就发生一个问题，当需要测的是绝对振动，但又找不到不动的参考点时，这类仪器就无用武之地。例如：在行驶的内燃机车上测试内燃机车的振动，在地震时测量地面及楼房的振动，都不存在一个不动的参考点。在这种情况下，我们必须用另一种测量方式的测振仪进行测量，即利用惯性式测振仪。四、电路的工作原理振动传感器并不是直接将原始要测的机械量转变为电量，而是将原始要测的机械量做为振动传感器的输入量，然后由机械接收部分加以接收，形成另一个适合于变换的机械量，最后由机电变换部分再将变换为电量。因此一个传感器的工作性能是由机械接收部分和机电变换部分的工作性能来决定的。一般来说，振动传感器在机械接收原理方面，只有相对
9、式、惯性式两种，但在机电变换方面，由于变换方法和性质不同，其种类繁多，应用范围也极其广泛。在现代振动测量中所用的传感器，已不是传统概念上独立的机械测量装置，它仅是整个测量系统中的一个环节，且与后续的电子线路紧密相关。 由于传感器内部机电变换原理的不同，输出的电量也各不相同。有的是将机械量的变化变换为电动势、电荷的变化，有的是将机械振动量的变化变换为电阻、电感等电参量的变化。一般说来，这些电量并不能直接被后续的显示、记录、分析仪器所接受。因此针对不同机电变换原理的传感器，必须附以专配的测量线路。测量线路的作用是将传感器的输出电量最后变为后续显示、分析仪器所能接受的一般电压信号。传感器原理3图 4
10、 振 动 传 感 器 原 理五、单元电路设计、参数计算和器件选择1、单元电路设计确定主中放部分。根据输入电平和输出电平及负载(脉冲检波器)，确定主中放的总增益及所需放大级数：确定中频放大电路，选择放大电路的形式及其放大器件；确定各级增益分配。确定视放部分。确定视放增益及放大级数；不同的是：硬件上增加了一个无线接收模块，用来接收无线遥控器的指令；使用遥控器进行非接触式设置和操作；各种设置可即时进行；设置量增多，脉冲输出信号的脉冲宽度可以改变，同时另一路输出端口上即可输出警笛报警信号，亦可输出含有地址码和操作码的数宁信号。压电式加速计的核心是压电晶体材料，通常是人工极化的铁电陶瓷，当受到应力作用时
11、，无论是拉伸、压缩还是剪切，在它两个极板上都会出现与所加应力成正比的电荷。当加速度计受到振动时，内部质量块的惯性力就作用在压电晶体上，输出的电荷量与振动加速度成正比。2、参数计算（1）输入偏流：30nA；（2）共模输入电压范围：+13.515V；（3）冲击峰值测量：40000 g (Peak)；（4）电源电压范围：218V；（5）通道分离度：120dB；传感器原理4（6）输入低电平电压：25mV 3、器件选择R 叫选用超小型合成碳膜电位器或可变电阻器；RP2 和 RP3 选用超小型有机实心电位器或可变电阻器。Cl-C3 均选用耐压值为 l6V 的铝电解电容器；C4 和 C6 选用独石电容器或涤
12、纶电容器；C5、C8 和 C9 均选用耐压值为 lOV 的铝电解电容器； C7 选用高频瓷介电容器或玻璃釉电容器。VDl 选用选用 PH302 型红外光敏二极管。C 和 IC2 均选用 NE555 型时基集成电路；IC3 选用 78L05 型三端稳压集成电路；IC4 选用 CX2O106 或 KA2184 型红外信号处理集成电路。VT1 选用 lA、600V 的双向晶闸管。图 5 机械振动式传感器电路4、元器件清单表 2 元器件清单编 号 名 称 型 号 数 量LM741 运算放大器 TLC27L4CN 3R 电阻器 680 7R2 微调电阻 220K 1C1 电解电容 220u/10V 1V
13、D1 二极管 05Z7.5Z 1传感器原理5六、总结本产品的优点是机械结构简单，电路中射出信号的幅度达；输出阻抗低，能够直接与单片机电路以及不同输入阻抗的 TTL 电路相连；频带宽，灵敏度高，工作可靠和重量轻。但其缺点是金属球与金属筒容易氧化生锈造成检测信号失效，长期放置不用更容易失效；传感器的安装方向对灵敏度有一定的影响；体积略大，适用于空间空旷的电路板上。参考文献1 辛希孟.信息技术与信息服务国际研讨会论文集：A 集C.北京：中国社会科学出版社，1994. 3-5.2 张筑生.微分半动力系统的不变集 D.北京：北京大学数学系数学研究所，1983. 6-7.3 冯西桥.核反应堆压力管道与压力容器的 LBB 分析R.北京：清华大学核能技术设计研究院，1997. 7-8.4 范文贵.基本电子电路.西北工业大学出版社.2007. 9-11.5 何希才.常用传感器应用电路的设计与实践.科学出版社.2007. 12-14.6 刘国钧，陈绍业，王凤翥.图书馆目录M.北京：高等教育出版社，1957.15-18.
