基于壓電傳感器振動測量及信號調(diào)理電路.doc

第 23 頁 目 錄目 錄-1摘 要-2一、方案設(shè)計-31.1.選擇的傳感器類型-31.2.對傳感器的分析-51.3.系統(tǒng)方案-6二、理論分析-72.1.壓電效應(yīng)-82.2.壓電晶片及其等效電路-82.3.壓電式加速度傳感器-102.4.壓電式加速度傳感器和放大器等效電路-10三、電路設(shè)計：電路原理圖及各部分分析-123.1.電荷放大器電路部分-123.2.低通濾波器電路部分-13四、實驗-134.1.實驗?zāi)康?134.2.實驗步驟-13五、數(shù)據(jù)分析-18六、誤差分析-19七、總結(jié)-20參考文獻(xiàn)-21AbstractThis design uses testing laboratories CSY-3000 sensor and detection technology test-bed measurement of piezoelectric vibration sensor and signal conditioning circuitry, and finally through the dual trace oscilloscope to observe waveform analysis of the vibration of the vibration source.Hardware circuit by the piezoelectric sensors charge amplifiers experimental template, the main chassis of the DC power supply and low-frequency oscillator, piezoelectric sensors, vibration source, low-pass filter and dual trace oscilloscope composition.Has been made in various parts of the hardware module, the module requires only a simple connection between can be done, simple operation, the external environment impact on the internal circuit is small; with dual trace oscilloscope to facilitate observation of the waveform, the measurement becomes more simple and intuitive.摘 要本設(shè)計采用檢測實驗室的CSY-3000型傳感器與檢測技術(shù)實驗臺研究壓電傳感器振動測量及信號調(diào)理電路，最后通過雙蹤示波器觀測波形來分析振動源的振動情況。系統(tǒng)硬件電路由壓電傳感器實驗?zāi)０迳系碾姾煞糯笃?，主機箱上的直流穩(wěn)壓電源和低頻振蕩器，壓電傳感器，振動源，低通濾波器以及雙蹤示波器構(gòu)成。各個部分的硬件已做成模塊，模塊之間只需要簡單的連線就可以完成，操作簡單，外界環(huán)境對內(nèi)部電路的影響??；用雙蹤示波器觀察波形方便，使測量變?yōu)楦雍唵沃庇^。AbstractThis design uses testing laboratories CSY-3000 sensor and detection technology test-bed measurement of piezoelectric vibration sensor and signal conditioning circuitry, and finally through the dual trace oscilloscope to observe waveform analysis of the vibration of the vibration source.Hardware circuit by the piezoelectric sensors charge amplifiers experimental template, the main chassis of the DC power supply and low-frequency oscillator, piezoelectric sensors, vibration source, low-pass filter and dual trace oscilloscope composition.Has been made in various parts of the hardware module, the module requires only a simple connection between can be done, simple operation, the external environment impact on the internal circuit is small; with dual trace oscilloscope to facilitate observation of the waveform, the measurement becomes more simple and intuitive.一、方案設(shè)計1.1.選擇的傳感器類型工程振動量值的物理參數(shù)常用位移、速度和加速度來表示。由于在通常的頻率范圍內(nèi)振動位移幅值量很小，且位移、速度和加速度之間都可互相轉(zhuǎn)換，所以在實際使用中振動量的大小一般用加速度的值來度量。常用單位為：米/秒2 (m/s2)，或重力加速度(g)。描述振動信號的另一重要參數(shù)是信號的頻率。絕大多數(shù)的工程振動信號均可分解成一系列特定頻率和幅值的正弦信號，因此，對某一振動信號的測量，實際上是對組成該振動信號的正弦頻率分量的測量。對傳感器主要性能指標(biāo)的考核也是根據(jù)傳感器在其規(guī)定的頻率范圍內(nèi)測量幅值精度的高低來評定。最常用的振動測量傳感器按各自的工作原理可分為：壓電式、壓阻式、電容式、電感式以及光電式等。下面簡單介紹壓電式、壓阻式、電容式原理和特點。1.1.1.壓電式壓電式傳感器是利用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)原理。敏感芯體質(zhì)量受振動加速度作用后產(chǎn)生一個與加速度成正比的力，壓電材料受此力作用后沿其表面形成與這一力成正比的電荷信號。壓電式加速度傳感器具有動態(tài)范圍大、頻率范圍寬、堅固耐用、受外界干擾小以及壓電材料受力自產(chǎn)生電荷信號不需要任何外界電源等特點，是被最為廣泛使用的振動測量傳感器。雖然壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，商業(yè)化使用歷史也很長，但因其性能指標(biāo)與材料特性、設(shè)計和加工工藝密切相關(guān)，因此在市場上銷售的同類傳感器性能的實際參數(shù)以及其穩(wěn)定性和一致性差別非常大。與壓阻和電容式相比，其最大的缺點是壓電式加速度傳感器不能測量零頻率的信號。1.1.2.壓阻式應(yīng)變壓阻式加速度傳感器的敏感芯體為半導(dǎo)體材料制成電阻測量電橋，其結(jié)構(gòu)動態(tài)模型仍然是彈簧質(zhì)量系統(tǒng)?，F(xiàn)代微加工制造技術(shù)的發(fā)展使壓阻形式敏感芯體的設(shè)計具有很大的靈活性以適合各種不同的測量要求。在靈敏度和量程方面，從低靈敏度高量程的沖擊測量，到直流高靈敏度的低頻測量都有壓阻形式的加速度傳感器。同時壓阻式加速度傳感器測量頻率范圍也可從直流信號到具有剛度高，測量頻率范圍到幾十千赫茲的高頻測量。超小型化的設(shè)計也是壓阻式傳感器的一個亮點。需要指出的是盡管壓阻敏感芯體的設(shè)計和應(yīng)用具有很大靈活性，但對某個特定設(shè)計的壓阻式芯體而言其使用范圍一般要小于壓電型傳感器。壓阻式加速度傳感器的另一缺點是受溫度的影響較大，實用的傳感器一般都需要進行溫度補償。在價格方面，大批量使用的壓阻式傳感器成本價具有很大的市場競爭力，但對特殊使用的敏感芯體制造成本將遠(yuǎn)高于壓電型加速度傳感器。1.1.3.電容式電容型加速度傳感器的結(jié)構(gòu)形式一般也采用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。當(dāng)質(zhì)量受加速度作用運動而改變質(zhì)量塊與固定電極之間的間隙進而使電容值變化。電容式加速度計與其它類型的加速度傳感器相比具有靈敏度高、零頻響應(yīng)、環(huán)境適應(yīng)性好等特點，尤其是受溫度的影響比較?。坏蛔阒幈憩F(xiàn)在信號的輸入與輸出為非線性，量程有限，受電纜的電容影響，以及電容傳感器本身是高阻抗信號源，因此電容傳感器的輸出信號往往需通過后繼電路給于改善。在實際應(yīng)用中電容式加速度傳感器較多地用于低頻測量，其通用性不如壓電式加速度傳感器，且成本也比壓電式加速度傳感器高得多。綜合資源的考慮以及上面所述壓電式傳感器因為具有測量頻率范圍寬、量程大、體積小、重量輕、對被測件的影響小以及安裝使用方便，所以我們選擇了壓電傳感器。1.2.對傳感器的分析壓電傳感器是利用某些電介質(zhì)受力后產(chǎn)生的壓電效應(yīng)制成的傳感器。所謂壓電效應(yīng)是指某些電介質(zhì)在受到某一方向的外力作用而發(fā)生形變（包括彎曲和伸縮形變）時，由于內(nèi)部電荷的極化現(xiàn)象，會在其表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。壓電材料 它可分為壓電單晶、壓電多晶和有機壓電材料。壓電式傳感器中用得最多的是屬于壓電多晶的各類壓電陶瓷和壓電單晶中的石英晶體。其他壓電單晶還有適用于高溫輻射環(huán)境的鈮酸鋰以及鉭酸鋰、鎵酸鋰、鍺酸鉍等。壓電傳感器只能應(yīng)用于動態(tài)測量，由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量。 壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補充，可以供給測量回路以一定的電流，故只適用于動態(tài)測量（一般必須高于100Hz，但在50kHz以上時，靈敏度下降）。1.3.系統(tǒng)方案在工程振動測試領(lǐng)域中，測試手段與方法多種多樣，但是按各種參數(shù)的測量方法及測量過程的物理性質(zhì)來分，可以分成三類。1.3.1.機械式測量方法將工程振動的參量轉(zhuǎn)換成機械信號，再經(jīng)機械系統(tǒng)放大后，進行測量、記錄，常用的儀器有杠桿式測振儀和蓋格爾測振儀，它能測量的頻率較低，精度也較差。但在現(xiàn)場測試時較為簡單方便。1.3.2.光學(xué)式測量方法將工程振動的參量轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)放大后顯示和記錄。如讀數(shù)顯微鏡和激光測振儀等。1.3.3.電測方法將工程振動的參量轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)電子線路放大后顯示和記錄。電測法的要點在于先將機械振動量轉(zhuǎn)換為電量（電動勢、電荷、及其它電量），然后再對電量進行測量，從而得到所要測量的機械量。這是目前應(yīng)用得最廣泛的測量方法。上述三種測量方法的物理性質(zhì)雖然各不相同，但是，組成的測量系統(tǒng)基本相同，它們都包含拾振、測量放大線路和顯示記錄三個環(huán)節(jié)。1.拾振環(huán)節(jié)。把被測的機械振動量轉(zhuǎn)換為機械的、光學(xué)的或電的信號，完成這項轉(zhuǎn)換工作的器件叫傳感器。2.測量線路。測量線路的種類甚多，它們都是針對各種傳感器的變換原理而設(shè)計的。比如，專配壓電式傳感器的測量線路有電壓放大器、電荷放大器等；此外，還有積分線路、微分線路、濾波線路、歸一化裝置等等。3.信號分析及顯示、記錄環(huán)節(jié)。從測量線路輸出的電壓信號，可按測量的要求輸入給信號分析儀或輸送給顯示儀器（如電子電壓表、示波器、相位計等）、記錄設(shè)備（如光線示波器、磁帶記錄儀、XY 記錄儀等）等。也可在必要時記錄在磁帶上，然后再輸入到信號分析儀進行各種分析處理，從而得到最終結(jié)果。綜上資料所述，我們得出下面系統(tǒng)方案；由一個機械震動臺產(chǎn)生振動源帶動壓電加速度傳感器振動，壓電加速度傳感器受震動后輸出的電荷會變化，但輸出電荷變化太小，于是接入電荷放大器放大再通過低通濾波器進行濾波后接入雙蹤示波器進行觀測。二、理論分析壓電式傳感器是一個典型的發(fā)電型傳感器，其傳感元件是壓電材料，它以壓電材料的壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換機理實現(xiàn)力到電量的轉(zhuǎn)換。壓電式傳感器可以對各種動態(tài)力、機械沖擊和振動進行測量，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面都得到廣泛的應(yīng)用。2.1、壓電效應(yīng)具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，常見的壓電材料有兩類壓電單晶體，如石英、酒石酸鉀鈉等；人工多晶體壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。壓電材料受到外力作用時，在發(fā)生變形的同時內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，它表面會產(chǎn)生符號相反的電荷。當(dāng)外力去掉時，又重新回復(fù)到原不帶電狀態(tài)，當(dāng)作用力的方向改變后電荷的極性也隨之改變，如圖1 (a) 、(b) 、(c)所示。這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。(a) (b) (c)圖1 壓電效應(yīng)2.2、壓電晶片及其等效電路多晶體壓電陶瓷的靈敏度比壓電單晶體要高很多，壓電傳感器的壓電元件是在兩個工作面上蒸鍍有金屬膜的壓電晶片，金屬膜構(gòu)成兩個電極，如圖2(a)所示。當(dāng)壓電晶片受到力的作用時，便有電荷聚集在兩極上，一面為正電荷，一面為等量的負(fù)電荷。這種情況和電容器十分相似，所不同的是晶片表面上的電荷會隨著時間的推移逐漸漏掉，因為壓電晶片材料的絕緣電阻(也稱漏電阻)雖然很大，但畢竟不是無窮大，從信號變換角度來看，壓電元件相當(dāng)于一個電荷發(fā)生器。從結(jié)構(gòu)上看，它又是一個電容器。因此通常將壓電元件等效為一個電荷源與電容相并聯(lián)的電路如圖2(b)所示。其中ea=Q/Ca。式中，ea為壓電晶片受力后所呈現(xiàn)的電壓，也稱為極板上的開路電壓；Q為壓電晶片表面上的電荷；Ca為壓電晶片的電容。實際的壓電傳感器中，往往用兩片或兩片以上的壓電晶片進行并聯(lián)或串聯(lián)。壓電晶片并聯(lián)時如圖2(c)所示，兩晶片正極集中在中間極板上，負(fù)電極在兩側(cè)的電極上，因而電容量大，輸出電荷量大，時間常數(shù)大，宜于測量緩變信號并以電荷量作為輸出。(a) 壓電晶片 (b) 等效電荷源(c) 并聯(lián) (d) 壓電式加速度傳感器圖2 壓電晶片及等效電路壓電傳感器的輸出，理論上應(yīng)當(dāng)是壓電晶片表面上的電荷Q。根據(jù)圖2(b)可知測試中也可取等效電容Ca上的電壓值，作為壓電傳感器的輸出。因此，壓電式傳感器就有電荷和電壓兩種輸出形式。2.3、壓電式加速度傳感器圖2(d) 是壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。圖中，M是慣性質(zhì)量塊，K是壓電晶片。壓電式加速度傳感器實質(zhì)上是一個慣性力傳感器。在壓電晶片K上，放有質(zhì)量塊M。當(dāng)殼體隨被測振動體一起振動時，作用在壓電晶體上的力FMa。當(dāng)質(zhì)量M一定時，壓電晶體上產(chǎn)生的電荷與加速度a成正比。2.4、壓電式加速度傳感器和放大器等效電路壓電傳感器的輸出信號很弱小，必須進行放大，壓電傳感器所配接的放大器有兩種結(jié)構(gòu)形式：一種是帶電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出電壓)成正比；另一種是帶電容反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷量成正比。電壓放大器測量系統(tǒng)的輸出電壓對電纜電容Cc敏感。當(dāng)電纜長度變化時，Cc就變化，使得放大器輸入電壓ei變化，系統(tǒng)的電壓靈敏度也將發(fā)生變化，這就增加了測量的困難。電荷放大器則克服了上述電壓放大器的缺點。它是一個高增益帶電容反饋的運算放大器。當(dāng)略圖3 傳感器-電纜-電荷放大器系統(tǒng)的等效電路圖去傳感器的漏電阻Ra和電荷放大器的輸入電阻Ri影響時，有Q=ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf（1）。式中，ei為放大器輸入端電壓；ey為放大器輸出端電壓ey=-Kei；K為電荷放大器開環(huán)放大倍數(shù)；Cf為電荷放大器反饋電容。將ey=-Kei代入式(1)，可得到放大器輸出端電壓ey與傳感器電荷Q的關(guān)系式：設(shè)C=Ca+Cc+Ci ey=-KQ/(C+Cf)+KCf .（2）當(dāng)放大器的開環(huán)增益足夠大時，則有KCfC+Cf （2）簡化為ey=-Q/Cf （3）式（3）表明，在一定條件下，電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，而與電纜的分布電容無關(guān)，輸出靈敏度取決于反饋電容。所以，電荷放大器的靈敏度調(diào)節(jié)，都是采用切換運算放大器反饋電容的辦法。采用電荷放大器時，即使連接電纜長度達(dá)百米以上，其靈敏度也無明顯變化，這是電荷放大器的主要優(yōu)點。三、電路設(shè)計：電路原理圖及各部分分析整個系統(tǒng)的電路原理框圖如下圖圖4所示。接下來我們具體分析一下電荷放大器和低通濾波器電路。圖4 壓電加速度傳感器測振動原理框圖3.1電荷放大器電路部分壓電傳感器的輸出信號很弱小，必須進行放大，電荷放大器由電荷變換級、適調(diào)級、低通濾波器、高通濾波器、末級功放、電源幾部分組成。具體電路原理圖如下圖5所示。圖5 電荷放大器原理圖3.2.低通濾波器電路部分壓電加速度傳感器是一個弱阻尼的振動系統(tǒng),因此它的幅頻特性的高頻段有一個很高的共振峰,此峰值嚴(yán)重地引起了高頻噪聲,并對輸入信號產(chǎn)生失真和干擾。為此,需在放大器中采用低通濾波器,以補償傳感器引起的高頻幅頻特性.另外,在某些振動測試中,電荷放大器的通頻帶有時遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實際的需要,而無用的高頻帶的存在對低頻測試只會帶來壞的影響,所以在系統(tǒng)中就非常有必要采用低通濾波器,他只能讓低頻交流分量通過,使無用的高頻分量受到較大的衰減.濾波器種類很多,有LC的,也有RC的,又分為有源和無源的.無源的RC低通濾波器具有線路簡單,抗干擾性強,有較好的低頻范圍工作性能等優(yōu)點,并且體積較小,成本較低,所以在系統(tǒng)中被廣泛采用.但是,由于他的阻抗頻率特性沒有隨頻率而極具改編的諧振性能,故選擇欠佳,為了克服這個缺點,在RC網(wǎng)絡(luò)上加上運算放大器等有源元件,組成有源RC低通濾波器.有源RC低通濾波器在通帶內(nèi)不僅可以沒有衰減,還可以有一定的增益.因為我們測量的信號頻率不是很高,所以我們采用的是二階RC有源濾波器,其特點是簡單,易調(diào)節(jié)。四、實驗4.1.實驗?zāi)康牧私鈮弘妭鞲衅鞯脑砗蜏y量振動的方法。4.2.實驗步驟4.2.1、按圖6所示將壓電傳感器安裝在振動臺面上(與振動臺面中心的磁鋼吸合)，振動源的低頻輸入接主機箱中的低頻振蕩器，其它連線按圖示意接線。具體連接實物圖如圖7所示。圖6 壓電傳感器振動實驗安裝、接線示意圖圖7 連接實物圖4.2.2、將主機箱上的低頻振蕩器幅度旋鈕逆時針轉(zhuǎn)到底（低頻輸出幅度為零），調(diào)節(jié)低頻振蕩器的頻率在68Hz左右。檢查接線無誤后合上主機箱電源開關(guān)。再調(diào)節(jié)低頻振蕩器的幅度使振動臺明顯振動(如振動不明顯可調(diào)頻率)。具體連接實物圖如圖8所示。圖8 連接實物圖4.2.3、用示波器的兩個通道正確選擇雙蹤示波器的“觸發(fā)”方式及其它(TIME/DIV ：在50mS20mS范圍內(nèi)選擇；VOLTS/DIV：0.5V50mV范圍內(nèi)選擇)設(shè)置同時觀察低通濾波器輸入端和輸出端波形，實物圖如圖9、圖10所示；在振動臺正常振動時用手指敲擊振動臺同時觀察輸出波形變化，實物圖如圖11所示。圖9 正確選擇雙蹤示波器的實物圖1圖10 正確選擇雙蹤示波器的實物圖2圖11 敲擊振動臺時波形顯示圖4.2.4、改變低頻振蕩器的頻率(調(diào)節(jié)主機箱低頻振蕩器的頻率)，觀察輸出波形變化。圖12 低頻振蕩器的頻率為5Hz時示波器波形圖圖13 低頻振蕩器的頻率為7Hz時示波器波形圖圖14 低頻振蕩器的頻率為8Hz時示波器波形圖4.2.5.實驗完畢，關(guān)閉電源。五、數(shù)據(jù)分析5.1. 由測量的數(shù)據(jù)分析可知：通過低通濾波器和未通過低通濾波器的波形有明顯的不同，經(jīng)過低通濾波器的波形較好，便于測量。5.2.在振動臺正常振動時用手指敲擊振動臺時，輸出波形有明顯的增大幅值的變化。5.3. 改變低頻振蕩器的頻率，輸出波形的幅值隨頻率的增大幅值也隨著增大。六、誤差分析6.1.運算放大器本身一系列隨環(huán)境引起的變化帶來的誤差6.2.構(gòu)成低通濾波器器件變化產(chǎn)生的誤差6.3.連接電纜的固定產(chǎn)生的誤差連接的電纜雖然是低噪音電纜，但若固定不當(dāng)，也會產(chǎn)生一些噪音，電纜的機械運動會引起電纜電容和電荷的變化，主要是低頻噪音，所以在實驗室時應(yīng)在傳感器近端，把電纜固定，使電纜在傳感器近端盡可能平直。6.4.接地點選擇的誤差當(dāng)電荷放大器與壓電加速度傳感器，記錄儀器組成測試系統(tǒng)時，往往由于接地點選擇不當(dāng)，引入很大的干擾，嚴(yán)重時使測量無法進行。其原因是各點地電位不相等，如果在不同接觸點與連接電纜間形成對地的回路電流，此電流就形成了一個干擾源。因此測量系統(tǒng)最好只有一個接地點。接地點位置的選擇往往需要用實測方法決定，但一般來說最好選在記錄和讀出裝置上。七、總結(jié)傳感器作為我們的主要專業(yè)課之一，在這次課程設(shè)計中我發(fā)現(xiàn)自己在一點一滴的努力中對電路設(shè)計的興趣也在逐漸增加。 這次傳感器課程設(shè)計我們歷時一個星期,對我來說學(xué)到的不僅是那些知識，更多的是團隊和合作?，F(xiàn)在想來，也許學(xué)校安排的課程設(shè)計有著它更深層的意義吧，它不僅僅讓我們綜合那些理