一种抗温漂高灵敏度微振动传感器及其测量电路

本发明属于传感器，具体涉及一种抗温漂高灵敏度微振动传感器及其测量电路。

背景技术：

1、压电式振动传感器的原理是利用压电陶瓷或石英晶体的压电效应，将振动加速度转变成为电信号进行测量的，具有体积小、动态响应特性好、抗干扰能力强等特点，在振动测量和控制系统中得到了广泛应用。精密设备振动测量及控制要求的不断提高对传感器技术指标提出更高的需求，要求传感器具有更低的测量频段和更高的测量灵敏度。

2、压电式振动传感器的低频测量性能主要受到压电材料温度效应的影响，温度效应会诱发传感器测量信号的低频漂移，造成低频测量失真问题。目前常采用的方式是通过后续信号调理电路中的高通滤波模块对低频信号进行滤波处理，但这种方式会同时滤掉有用的低频振动信号，限制传感器的低频测量带宽。此外，通过在传感器中增加补偿单元进行主动补偿来消除温度漂移的影响也是一种可选择的方式，然而主动补偿控制的引入会大大增加传感器的成本和实现难度。此外，对于某一给定压电材料的压电式振动传感器，其灵敏度随着中心质量的增大而增大，而中心质量受到传感器尺寸和质量的限制，且中心质量的增加会降低传感器结构的固有频率，从而影响传感器的高频测量性能。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种抗温漂高灵敏度微振动传感器及其测量电路，包括振动传感模块和测量电路模块；振动传感模块输出的信号通过测量电路模块进行调理后进入数据采集装置中；通过对传感器采用两级压电双晶片设计，能够在具有相同中心质量的情况下通过串联两级压电双晶片以增加压电材料敏感面积进而提高传感器的测量灵敏度，解决了传感器高灵敏度与高频测量性能之间的矛盾；通过采用压电双晶片设计以及测量电路中对压电双晶片输出信号的精密差分放大设计，能够避免压电材料温度效应对传感器低频测量性能的影响，同时可以实现对传感器微弱测量信号的精密放大以便后续采集。通过本发明提供的微振动传感器及与测量电路设计，最终实现对宽频带范围内微小振动的高精度测量。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

3、一种抗温漂高灵敏度微振动传感器及其测量电路，包括振动传感模块和测量电路模块；所述振动传感模块输出的信号通过测量电路模块进行调理后进入数据采集装置中；

4、所述振动传感模块包括压电双晶片p1、压电双晶片p2、中心质量块、外壳、上顶板、下顶板和底座；

5、所述压电双晶片p1、压电双晶片p2和中心质量块安装在外壳内；所述压电双晶片p1与中心质量块上表面连接，压电双晶片p2与中心质量块下表面连接；所述外壳的上下两端分别与上顶板和下顶板固定连接；所述振动传感模块通过底座与被测物体连接；

6、所述压电双晶片p1和压电双晶片p2规格相同；

7、所述压电双晶片p1和压电双晶片p2均由上层压电片、下层压电片及中间金属片三部分组成；所述上层压电片为上电极，下层压电片为下电极，中间金属片为公共电极，分别通过线缆从外壳上的出线孔引出；

8、所述测量电路模块包括隔直电路a、隔直电路b、差分放大器s1、差分放大器s2、加法电路和低通滤波电路；

9、所述隔直电路a和隔直电路b成对称设置，均包括相同规格的成对称设置的两个电容c1和两个电阻r1；所述差分放大器s1和差分放大器s2成对称设置；所述加法电路包括相同规格的成对称设置的两个电阻r2和电阻r3、一个精密电压运算放大器m和一个电阻r4；所述滤波电路包括一个电阻r5和一个电容c2；

10、所述振动传感模块中压电双晶片p1和压电双晶片p2分别产生两路代表振动信息的正负电压信号，通过线缆分别进入所述隔直电路a和隔直电路b；

11、所述隔直电路a的两个电容c1的一端分别连接压电双晶片p1的正负信号接口，两个电容c1的另外一端分别连接差分放大器s1的差分正负输入端；两个电阻r1的一端分别连接差分放大器s1的差分正负输入端，另一端接地；

12、所述隔直电路b的两个电容c1的一端分别连接压电双晶片p2的正负信号接口，两个电容c1的另外一端分别连接差分放大器s2的差分正负输入端，两个电阻r1的一端分别连接差分放大器s2的差分正负输入端，另一端接地；

13、所述差分放大器s1和差分放大器s2的输出端分别连接电阻r2和电阻r3的左端，电阻r2的右端与精密电压运算放大器m的负输入端连接，电阻r3的右端与电阻r2的右端连接，精密电压运算放大器m的正输入端接地，电阻r4的两端分别连接于电阻r2右端与精密电压运算放大器m的输出端之间；

14、所述电阻r5两端分别连接精密电压运算放大器m的输出端与测量电路模块输出端；所述电容c2一端与电阻r5右端连接，另一端接地。

15、优选地，所述差分放大器s1和差分放大器s2相同规格。

16、优选地，所述电阻r2、电阻r3和电阻r4相同规格。

17、优选地，所述外壳内壁上下位置分别设置有安装凸台，所述压电双晶片p1和压电双晶片p2分别放置在外壳内壁上下的安装凸台上。

18、优选地，所述压电双晶片p1和压电双晶片p2与中心质量块上下表面之间通过螺栓进行连接固定。

19、优选地，所述压电双晶片的上层压电片与下层压电片为相同规格。

20、优选地，所述上顶板和下顶板设计有外螺纹，所述外壳设计有内螺纹，上顶板与下顶板与外壳通过螺纹连接；所述上顶板与下顶板外表面设计有安装凹槽，通过工装进行旋转安装。

21、优选地，所述上顶板与外壳内壁上部安装凸台相配合，将压电双晶片p1的边沿夹持固定，所述下顶板与外壳内壁下部安装凸台相配合，将压电双晶片p2的边沿夹持固定。

22、优选地，所述压电片采用低电容石英材料。

23、本发明的有益效果如下：

24、(1)本发明采用两级压电双晶片设计，能够在相同的尺寸和质量下提高传感器的测量灵敏度，相比于单级、单晶片设计的灵敏度提高了四倍，同时保证了传感器的高频测量性能；

25、(2)本发明通过对压电双晶片上压电片和下压电片正负信号的差分处理能够有效避免压电材料温度效应对传感器低频测量精度的影响。

26、(3)本发明测量电路中通过隔直电路隔离压电双晶片输出信号的常值偏差后再进行精密放大，能够提高传感器的有效测量幅值，同时实现对传感器微小信号的高精度测量。

技术特征：

1.一种抗温漂高灵敏度微振动传感器及其测量电路，其特征在于，包括振动传感模块和测量电路模块；所述振动传感模块输出的信号通过测量电路模块进行调理后进入数据采集装置中；

2.根据权利要求1所述的一种抗温漂高灵敏度微振动传感器及其测量电路，其特征在于，所述差分放大器s1和差分放大器s2相同规格。

3.根据权利要求1所述的一种抗温漂高灵敏度微振动传感器及其测量电路，其特征在于，所述电阻r2、电阻r3和电阻r4相同规格。

4.根据权利要求1所述的一种抗温漂高灵敏度微振动传感器及其测量电路，其特征在于，所述外壳内壁上下位置分别设置有安装凸台，所述压电双晶片p1和压电双晶片p2分别放置在外壳内壁上下的安装凸台上。

5.根据权利要求1所述的一种抗温漂高灵敏度微振动传感器及其测量电路，其特征在于，所述压电双晶片p1和压电双晶片p2与中心质量块上下表面之间通过螺栓进行连接固定。

6.根据权利要求1所述的一种抗温漂高灵敏度微振动传感器及其测量电路，其特征在于，所述上层压电片与下层压电片为相同规格。

7.根据权利要求1所述的一种抗温漂高灵敏度微振动传感器及其测量电路，其特征在于，所述上顶板和下顶板设计有外螺纹，所述外壳设计有内螺纹，上顶板与下顶板与外壳通过螺纹连接；所述上顶板与下顶板外表面设计有安装凹槽，通过工装进行旋转安装。

8.根据权利要求1所述的一种抗温漂高灵敏度微振动传感器及其测量电路，其特征在于，所述上顶板与外壳内壁上部安装凸台相配合，将压电双晶片p1的边沿夹持固定，所述下顶板与外壳内壁下部安装凸台相配合，将压电双晶片p2的边沿夹持固定。

9.根据权利要求1所述的一种抗温漂高灵敏度微振动传感器及其测量电路，其特征在于，所述压电片采用低电容石英材料。

技术总结
本发明公开了一种抗温漂高灵敏度微振动传感器及其测量电路，包括振动传感模块和测量电路模块；振动传感模块输出的信号通过测量电路模块进行调理后进入数据采集装置中；通过对传感器采用两级压电双晶片设计，能够在具有相同中心质量的情况下通过串联两级压电双晶片以增加压电材料敏感面积进而提高传感器的测量灵敏度，解决了传感器高灵敏度与高频测量性能之间的矛盾；通过采用压电双晶片设计以及测量电路中对压电双晶片输出信号的精密差分放大设计，能够避免压电材料温度效应对传感器低频测量性能的影响，通过本发明提供的微振动传感器及与测量电路设计，最终实现对宽频带范围内微小振动的高精度测量。

技术研发人员：李青,刘磊,宁晨方
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2025/2/24