江蘇衛(wèi)生健康職業(yè)學(xué)院 武 芳 蔣汝根 朱 璇

振動(dòng)在自然界中普遍存在，常用的測(cè)量振動(dòng)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(cè)量范圍廣、體積小、頻率寬、重量輕，是最常用的檢測(cè)器件。目前測(cè)量物體微振動(dòng)的方法有機(jī)械法、電測(cè)法和光測(cè)法。機(jī)械法抗干擾能力強(qiáng)、精度低，電測(cè)法精度高、應(yīng)用范圍最廣，這兩種方法為接觸式測(cè)量，容易損壞被測(cè)物體。光測(cè)法為非接觸測(cè)量，精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。本文設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單、小型、非接觸式微振動(dòng)測(cè)量電路。

1 微振動(dòng)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)分析

微振動(dòng)檢測(cè)電路采用數(shù)字邏輯門電路CD4069設(shè)計(jì)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(jì)使用其正壓電效應(yīng)檢測(cè)微振動(dòng)。設(shè)計(jì)中采用直徑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(jì)可以提高對(duì)振動(dòng)的感應(yīng)精度，如圖1所示，其輸出為幅值不等的振蕩信號(hào)。

圖1 微振動(dòng)感應(yīng)器實(shí)物圖

2.2 反相器CD4069

CD4069是6反相器電路芯片，內(nèi)部由六個(gè)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(jì)中，主要應(yīng)用其線性區(qū)的放大作用。

圖2 CD4069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(hào)消除其靜態(tài)分量后對(duì)動(dòng)態(tài)成分充分放大，檢出振蕩信號(hào)的，達(dá)到將連續(xù)振動(dòng)信號(hào)處理為狀態(tài)信號(hào)的目的。高低電平反映物體靜止、振動(dòng)，輸出的信號(hào)可以供給后續(xù)微機(jī)處理，微振動(dòng)檢測(cè)原理圖如圖3所示。

圖3 微振動(dòng)檢測(cè)原理圖

3.1 小信號(hào)提取與放大

沒有輸入信號(hào)時(shí)，U1A工作在輸出特性曲線的中間點(diǎn)，在VDD=5V的條件下，輸出為直流2.5V，測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

圖4 無振動(dòng)時(shí)U1A輸出結(jié)果

壓電片受到振動(dòng)以后，U1A輸出為直流2.5V左右的振蕩信號(hào)，如圖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(hào)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。

圖5 小信號(hào)提取放大圖

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(hào)，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(hào)變成標(biāo)準(zhǔn)高低電平，如圖6(b)上方波形。

圖6 檢波及整形波形圖

3.3 附加處理

U1E、U1F為CMOS芯片CD4069剩下未用的兩個(gè)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(shí)現(xiàn)信息化管理。

3.4 靈敏度

在實(shí)驗(yàn)過程中，示波器能檢測(cè)到的最小振動(dòng)峰峰值約4mV，由于感應(yīng)器加入彈簧可以延展對(duì)振動(dòng)的感應(yīng)時(shí)間并放大振動(dòng)，實(shí)際感應(yīng)到的振動(dòng)量遠(yuǎn)小于該值。

結(jié)語：本文設(shè)計(jì)了一種高精度、非接觸式微振動(dòng)檢測(cè)電路，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要破壞被測(cè)物體，可以將其粘貼在任何位置。集成后可實(shí)現(xiàn)三線式控制：電源、地和信號(hào)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(hào)，可以直接接入單片機(jī)等單片微處理器實(shí)現(xiàn)信息化管理，也可以自成一體，構(gòu)成獨(dú)立的報(bào)警器。可以把它應(yīng)用在車輛防盜報(bào)警，醫(yī)療設(shè)備的振動(dòng)檢測(cè)，家庭用的防蟑螂和防鼠報(bào)警等，使用壽命長。