一種簡易的微振動檢測電路設計

江蘇衛生健康職業學院 武 芳 蔣汝根 朱 璇

振動在自然界中普遍存在，常用的測量振動的傳感器有壓電式、壓阻式、光電式和磁致伸縮式等。壓電式測量范圍廣、體積小、頻率寬、重量輕，是最常用的檢測器件。目前測量物體微振動的方法有機械法、電測法和光測法。機械法抗干擾能力強、精度低，電測法精度高、應用范圍最廣，這兩種方法為接觸式測量，容易損壞被測物體。光測法為非接觸測量，精度高，但結構復雜。本文設計了一種簡單、小型、非接觸式微振動測量電路。

1 微振動檢測電路設計分析

微振動檢測電路采用數字邏輯門電路CD4069設計放大與檢波電路，利用數字邏輯門電路的狀態反轉的傳輸特性，構成放大、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的材料制作而成，壓電效應分為正壓電效應和逆壓電效應，本設計使用其正壓電效應檢測微振動。設計中采用直徑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，該設計可以提高對振動的感應精度，如圖1所示，其輸出為幅值不等的振蕩信號。

圖1 微振動感應器實物圖

2.2 反相器CD4069

CD4069是6反相器電路芯片，內部由六個反相器電路組成，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，在本設計中，主要應用其線性區的放大作用。

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消除其靜態分量后對動態成分充分放大，檢出振蕩信號的，達到將連續振動信號處理為狀態信號的目的。高低電平反映物體靜止、振動，輸出的信號可以供給后續微機處理，微振動檢測原理圖如圖3所示。

圖3 微振動檢測原理圖

3.1 小信號提取與放大

沒有輸入信號時，U1A工作在輸出特性曲線的中間點，在VDD=5V的條件下，輸出為直流2.5V，測量結果如圖4所示。

圖4 無振動時U1A輸出結果

壓電片受到振動以后，U1A輸出為直流2.5V左右的振蕩信號，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，直流成分和負半周基本去除。信號通過U1B反相放大倍，再經U1C反相輸出，如圖5(b)下方波形所示。

圖5 小信號提取放大圖

3.2 檢波及整形電路

D1、R7、C2構成檢波電路，輸出幅值不等的振蕩信號，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變成標準高低電平，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剩下未用的兩個反相器，接電源串聯后狀態鎖定，降低功耗低，且可以防止高頻干擾。輸出部分可接單片機等微處理器實現信息化管理。

3.4 靈敏度

在實驗過程中，示波器能檢測到的最小振動峰峰值約4mV，由于感應器加入彈簧可以延展對振動的感應時間并放大振動，實際感應到的振動量遠小于該值。

結語：本文設計了一種高精度、非接觸式微振動檢測電路，電路結構簡單，不需要破壞被測物體，可以將其粘貼在任何位置。集成后可實現三線式控制：電源、地和信號輸出。電路的靜態功耗略高，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，可以直接接入單片機等單片微處理器實現信息化管理，也可以自成一體，構成獨立的報警器。可以把它應用在車輛防盜報警，醫療設備的振動檢測，家庭用的防蟑螂和防鼠報警等，使用壽命長。