一种简易的微振动检测电路设计

江苏卫生健康职业学院 武 芳 蒋汝根 朱 璇

振动在自然界中普遍存在，常用的测量振动的传感器有压电式、压阻式、光电式和磁致伸缩式等。压电式测量范围广、体积小、频率宽、重量轻，是最常用的检测器件。目前测量物体微振动的方法有机械法、电测法和光测法。机械法抗干扰能力强、精度低，电测法精度高、应用范围最广，这两种方法为接触式测量，容易损坏被测物体。光测法为非接触测量，精度高，但结构复杂。本文设计了一种简单、小型、非接触式微振动测量电路。

1 微振动检测电路设计分析

微振动检测电路采用数字逻辑门电路CD4069设计放大与检波电路，利用数字逻辑门电路的状态反转的传输特性，构成放大、峰值检出电路。

2 电路所用元件介绍

2.1 压电片

压电片由具有压电效应的材料制作而成，压电效应分为正压电效应和逆压电效应，本设计使用其正压电效应检测微振动。设计中采用直径15mm的压电片，并在压电片的任意边缘处焊接一弹簧，弹簧上焊接一小球，该设计可以提高对振动的感应精度，如图1所示，其输出为幅值不等的振荡信号。

图1 微振动感应器实物图

2.2 反相器CD4069

CD4069是6反相器电路芯片，内部由六个反相器电路组成，单电源供电，电源范围3-18V，适用范围较宽，其输入输出波形如图2所示，在本设计中，主要应用其线性区的放大作用。

图2 CD4069输入输出波形图

3 电路原理分析

电路将前端的幅值不等的振荡信号消除其静态分量后对动态成分充分放大，检出振荡信号的，达到将连续振动信号处理为状态信号的目的。高低电平反映物体静止、振动，输出的信号可以供给后续微机处理，微振动检测原理图如图3所示。

图3 微振动检测原理图

3.1 小信号提取与放大

没有输入信号时，U1A工作在输出特性曲线的中间点，在VDD=5V的条件下，输出为直流2.5V，测量结果如图4所示。

图4 无振动时U1A输出结果

压电片受到振动以后，U1A输出为直流2.5V左右的振荡信号，如图6(a)下方波形所示；Q1为小功率PNP型三极管9015，用来去掉2.5V直流分量(R6改为电位器可调整灵敏度，增加电源宽度)，如图5(a)上方波形所示，直流成分和负半周基本去除。信号通过U1B反相放大倍，再经U1C反相输出，如图5(b)下方波形所示。

图5 小信号提取放大图

3.2 检波及整形电路

D1、R7、C2构成检波电路，输出幅值不等的振荡信号，如图6(a)上方波形，U1D将检波电路输出的幅值不等的振荡信号变成标准高低电平，如图6(b)上方波形。

图6 检波及整形波形图

3.3 附加处理

U1E、U1F为CMOS芯片CD4069剩下未用的两个反相器，接电源串联后状态锁定，降低功耗低，且可以防止高频干扰。输出部分可接单片机等微处理器实现信息化管理。

3.4 灵敏度

在实验过程中，示波器能检测到的最小振动峰峰值约4mV，由于感应器加入弹簧可以延展对振动的感应时间并放大振动，实际感应到的振动量远小于该值。

结语：本文设计了一种高精度、非接触式微振动检测电路，电路结构简单，不需要破坏被测物体，可以将其粘贴在任何位置。集成后可实现三线式控制：电源、地和信号输出。电路的静态功耗略高，在5V电源的条件下约1W，电源由3.7V锂电池提供，可一定程度降低功耗，输出为电压信号，可以直接接入单片机等单片微处理器实现信息化管理，也可以自成一体，构成独立的报警器。可以把它应用在车辆防盗报警，医疗设备的振动检测，家庭用的防蟑螂和防鼠报警等，使用寿命长。