(10)申请公布号 (43)申请公布日 2015.01.28
C N 104316723
A (21)申请号 201410564002.3
(22)申请日 2014.10.21
G01P 15/00(2006.01)
(71)申请人暨南大学
地址510632 广东省广州市黄埔大道西601
号
(72)发明人方科 王志伟 张学斌
(74)专利代理机构广州市华学知识产权代理有
限公司 44245
代理人
陈燕娴
(54)发明名称
(57)摘要
本发明公开了一种IEPE 型加速度传感器的
隔直模块、归一化模块、滤波模块、信号反相模块
以及电源模块，其中归一化模块设计了一种灵敏
度归一化电路，可以调理不同加速度传感器信号，
通过选择各个电阻档位，使之等于接入传感器的
灵敏度，对于同一振动信号统一传感器输出信号
的幅值0～5V ，并且线性度良好，实现了振动信
号归一化，方便后续的模数转换、数据存储、显示
及处理；滤波模块设计了一组5阶单位增益巴特
沃斯低通滤波器和3阶单位增益贝塞尔高通滤波
器，它们都有6档转折频率，可以分别通过旋钮选
定转折频率，滤除部分无用频段上的信号，如白噪
声、干扰信号等，提高信号调理装置的精度。
(51)Int.Cl.
权利要求书2页 说明书6页 附图6页
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书2页 说明书6页 附图6页(10)申请公布号CN 104316723 A
1.一种IEPE型加速度传感器的通用高精度信号调理装置，包括恒流源模块、信号隔直模块、信号反相模块、电源模块，其特征在于，还包括归一化模块、滤波模块，所述电源模块用于为所述IEPE型加速度传感器的通用高精度信号调理装置的组成模块提供直流工作电压，并分别与恒流源模块、信号隔直模块、信号反相模块、归一化模块和滤波模块相连；
所述恒流源模块用于输出恒定电流激励IEPE型加速度传感器工作，并与IEPE型加速度传感器相连；
所述信号隔直模块用于将IEPE型加速度传感器信号进行直流隔离过滤以生成交流电压信号，达到增强电路对容性负载的驱动能力，并保持电路工作的稳定性，避免产生自激振荡现象，以及作为电压跟随器，所述信号隔直模块分别与IEPE型加速度传感器和归一化模块相连；
所述归一化模块用于将不同灵敏度的传感器的输出归一为同一输出信号的幅值范围，并分别与信号隔直模块和滤波模块相连；
所述滤波模块用于对交流电压信号进行高通滤波和低通滤波，并分别与归一化模块和信号反相模块相连；
所述信号反相模块用于将由所述归一化模块中被反相的交流电压信号恢复信号方向，并与滤波模块相连。
2.根据权利要求1所述的IEPE型加速度传感器的通用高精度信号调理装置，其特征在于：
所述滤波模块中低通滤波功能通过5阶单位增益的巴特沃斯低通滤波器实现，该低通滤波器设计有1组以上转折频率，可以通过旋钮改变转折频率。
3.根据权利要求2所述的IEPE型加速度传感器的通用高精度信号调理装置，其特征在于：
所述滤波模块中巴特沃斯低通滤波器设计有6组可选的转折频率，分别为0.3kHz、1kHz、3kHz、10kHz、30kHz、100kHz。
4.根据权利要求1所述的IEPE型加速度传感器的通用高精度信号调理装置，其特征在于：
所述滤波模块中高通滤波功能通过3阶单位增益的贝塞尔高通滤波器实现，该高通滤波器设计有1组以上转折频率，可以通过旋钮改变转折频率。
5.根据权利要求2所述的IEPE型加速度传感器的通用高精度信号调理装置，其特征在于：
所述滤波模块中贝塞尔高通滤波器设计有6组可选的转折频率，分别为0.03Hz、0.1Hz、0.3Hz、1Hz、3Hz、10Hz。
6.根据权利要求1所述的IEPE型加速度传感器的通用高精度信号调理装置，其特征在于：
所述归一化模块包括两组开光旋钮S1、S2、S3、S4和S6、S7、S8、S9，分别用于选择放大器OP1A同相输入端和反相输入端的接入电阻值，可以实现将不同灵敏度的加速度传感器的输出归一为同一灵敏度的功能。
7.根据权利要求1所述的IEPE型加速度传感器的通用高精度信号调理装置，其特征在
于：
所述恒流源模块包括6组不同阻值的电阻R1、R2、R3、R4、R9、R14，可以根据需要接入不同的电阻，实现输出的恒流值在0.5mA、1mA、2mA、4mA、10mA和20mA之间进行切换。
8.根据权利要求1所述的IEPE型加速度传感器的通用高精度信号调理装置，其特征在于：
所述信号隔直模块中电容C2用于隔离直流信号，使运算放大器OP2的输入信号中只保留交流信号。
9.根据权利要求1所述的IEPE型加速度传感器的通用高精度信号调理装置，其特征在于，
所述信号隔直模块中由运算放大器OP2构成的电路的作用包括：其一是起到阻抗匹配的作用，增强驱动电路对容性负载的驱动能力，并保持驱动电路工作的稳定性，避免产生自激振荡现象；其二是作为电压跟随器，配备与同相输入端电阻值相同的反馈电阻R58，减少输出失调电压，提高跟随精度。
10.根据权利要求1所述的IEPE型加速度传感器的通用高精度信号调理装置，其特征在于，
所述信号反相模块包括反相比例运算放大电路，用于将被所述归一化模块中放大器OP1A反相的交流电压信号恢复信号方向。
IEPE型加速度传感器的通用高精度信号调理装置
技术领域
[0001] 本发明涉及驱动电路的技术领域，特别涉及一种IEPE型加速度传感器的通用高精度信号调理装置。
背景技术
[0002] 物流环境下的货物安全问题，一直是物流运输的重要问题。运输货物的交通工具因天气恶劣、交通道路状况不佳、驾驶员疲劳驾驶等原因，可能会在交通工具的垂直方向产生较大幅值的加速度，引起车厢内货物破损等问题，尤其是危化品在经历较长时间振动时，会导致泄露、爆炸等严重事故。考虑在物流环境下，运输工具相对于货物的加速度从数mg 到几个g不等，可以看到有较大的变化范围，在研究产品运输包装可靠性方面，脆值、冲击力等参数主要是通过加速度来评估的，根据GB/T4857.10-2005包装运输包装件基本试验的第10部分：正弦变频振动试验方法，一般用于测试的加速度幅值为0.2～0.5g之间；根据GBT4798.2-2008电工电子产品应用环境条件的第2部分：运输，根据我国道路实测，增加了严酷度等级2M4，其中正弦振动下的加速度可达40m/s2，即4g以上，而危险化学品的运输有着更加严格的包装和物流环境的要求，因此对重要货品和危化品在运输过程中的加速度进行精确检测对评估它们在物流过程中的安全性有着非常重要的意义。
[0003] 用于测量加速度的传感器大致分为两类，一类是压电式加速度传感器，输出的信号有电荷型和IEPE型，具有精度高，频率响应好等特点；另一类是基于MEMS工艺的加速度传感器，具有价格低，体积小等特点，但是需要安装在印刷电路板上。考虑到IEPE型加速度传感器在测量精度和频率响应方面的优势，以及安装方面的可靠性，因此通常需要选择该类传感器。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种IEPE型加速度传感器的通用高精度信号调理装置。本装置用于物流环境下，重点关注5g以内的加速度信号，具体包括恒流源模块、信号隔直模块、归一化模块、滤波模块、信号反相模块、电源模块。[0005] 本发明的目的通过下述技术方案实现：
[0006] 一种IEPE型加速度传感器的通用高精度信号调理装置，包括恒流源模块、信号隔直模块、信号反相模块、电源模块，还包括归一化模块、滤波模块，
[0007] 所述电源模块用于为所述IEPE型加速度传感器的通用高精度信号调理装置的组成模块提供直流工作电压，并分别与恒流源模块、信号隔直模块、信号反相模块、归一化模块和滤波模块相连；
[0008] 所述恒流源模块用于输出恒定电流激励IEPE型加速度传感器工作，并与IEPE型加速度传感器相连；
[0009] 所述信号隔直模块用于将IEPE型加速度传感器信号进行直流隔离过滤以生成交流电压信号，达到增强电路对容性负载的驱动能力，并保持电路工作的稳定性，避免产生自
激振荡现象，以及作为电压跟随器，所述信号隔直模块分别与IEPE型加速度传感器和归一化模块相连；
[0010] 所述归一化模块用于将不同灵敏度的传感器的输出归一为同一输出信号的幅值范围，并分别与信号隔直模块和滤波模块相连；
[0011] 所述滤波模块用于对交流电压信号进行高通滤波和低通滤波，并分别与归一化模块和信号反相模块相连；
[0012] 所述信号反相模块用于将由所述归一化模块中被反相的交流电压信号恢复信号方向，并与滤波模块相连。
[0013] 进一步的，所述滤波模块中低通滤波功能通过5阶单位增益的巴特沃斯低通滤波器实现，该低通滤波器设计有1组以上转折频率，可以通过旋钮改变转折频率。
[0014] 进一步的，所述滤波模块中巴特沃斯低通滤波器设计有6组可选的转折频率，分别为0.3kHz、1kHz、3kHz、10kHz、30kHz、100kHz。
[0015] 进一步的，所述滤波模块中高通滤波功能通过3阶单位增益的贝塞尔高通滤波器实现，该高通滤波器设计有1组以上转折频率，可以通过旋钮改变转折频率。
[0016] 进一步的，所述滤波模块中贝塞尔高通滤波器设计有6组可选的转折频率，分别为0.03Hz、0.1Hz、0.3Hz、1Hz、3Hz、10Hz。
[0017] 进一步的，所述归一化模块包括两组开光旋钮S1、S2、S3、S4和S6、S7、S8、S9，分别用于选择放大器OP1A同相输入端和反相输入端的接入电阻值，可以实现将不同灵敏度的加速度传感器的输出归一为同一灵敏度的功能。
[0018] 进一步的，所述恒流源模块包括6组不同阻值的电阻R1、R2、R3、R4、R9、R14，可以根据需要接入不同的电阻，实现输出的恒流值在0.5mA、1mA、2mA、4mA、10mA和20mA之间进行切换。
[0019] 进一步的，所述信号隔直模块中电容C2用于隔离直流信号，使运算放大器OP2的输入信号中只保留交流信号。
[0020] 进一步的，所述信号隔直模块中由运算放大器OP2构成的电路的作用包括：其一是起到阻抗匹配的作用，增强驱动电路对容性负载的驱动能力，并保持驱动电路工作的稳定性，避免产生自激振荡现象；其二是作为电压跟随器，配备与同相输入端电阻值相同的反馈电阻R58，减少输出失调电压，提高跟随精度。
[0021] 进一步的，所述信号反相模块包括反相比例运算放大电路，用于将被所述归一化模块中放大器OP1A反相的交流电压信号恢复信号方向。
[0022] 本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
[0023] 1、考虑到物流环境下的垂直方向的加速度幅值一般为5g以内，本发明设计了一款适合各种等级灵敏度的IEPE型加速度传感器(50mV/g、100mV/g、500mV/g、1000mV/g)的驱动电路，可以调理不同加速度传感器信号，通过选择各个电阻档位，使之等于接入传感器的灵敏度，可以将传感器输出信号统一到0～5V，并且线性度良好，为后端的模数转换、数据存储、显示及处理提供统一信号，具有较好的通用性。
[0024] 2、考虑到物流环境下的振动情况很复杂，含有多种频率信号，另外加速度传感器不同的安装方式如螺钉连接、磁力安装座连接、胶粘剂连接，均会影响到传感器的频率响应，因此需要根据实际情况有选择的滤除部分无用频段上的信号，如白噪声、干扰信号等，
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