微振動測試儀設(shè)計94191

1、1.緒論1.1振動測量的概念物體圍繞平衡位置作往復(fù)運動稱為振功。從做功對象來分，有機(jī)械振動(例如機(jī)床電機(jī)、泵風(fēng)機(jī)等遠(yuǎn)行時的振動)；上木結(jié)構(gòu)振動(房屋、橋梁等的振動)；運輸工具振動汽車、飛機(jī)等的振動)以及武器、爆炸引起的沖擊振動等。從振動的頻率范圍來分合高頻振動、低頻振動和超低頻振動等；從振動信號的統(tǒng)計特征來看，可將振動分為周期振動、非周期振動以及隨機(jī)振動等。期振功是指經(jīng)過相同的時間間隔，其振動特征量重復(fù)出現(xiàn)的振動。它包括簡諧振動和復(fù)雜周期振動。復(fù)雜周期振動是由一些不同頻率的簡諧分量合成的振動。非周期振動的時域函數(shù)是一個衰減曲數(shù)，沖擊振動是最常見的非周期振功。隨機(jī)振動是一種非確定性振動，事先允法

2、確定共振幅、頻率從相位的瞬時值，但有一定的統(tǒng)計規(guī)律性。振動測量主要是研究上述各種振動的持征、變化規(guī)律以及分析產(chǎn)生振動的原因，從而找到解決問題的方法。物體標(biāo)動一次所需的時間稱為周期，用丁表示，單位是s。每秒振動的次數(shù)稱頻率，用f表小，單位為Hz、頻率是分析振動的最重要內(nèi)容之一。振動物體偏離平衡位置的最大距離稱為振幅，用x表示，單位為mm。振動的速度用v表示，單位為ms；加速度用a表水，單位m/s2。1.2振動信號分類確定性振動可分為周期性振動和非周期性振動。周期性振動包括簡諧振動和復(fù)雜周期振動。非周期性振動包括準(zhǔn)周期振動和瞬態(tài)振動。準(zhǔn)周期振動由一些不同頻率的簡諧振動合成，在這些不同頻率的簡諧分量

3、中，總會有一個分量與另一個分量的頻率之比值為無理數(shù)，因而是非周期振動。隨機(jī)振動是一種非確定性振動，它只服從一定的統(tǒng)計規(guī)律性?？煞譃槠椒€(wěn)隨機(jī)振動和非平穩(wěn)隨機(jī)振動。平穩(wěn)隨機(jī)振動又包括各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機(jī)振動和非各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機(jī)振動一般來說，儀器設(shè)備的振動信號中既包含有確定性的振動，又包含有隨機(jī)振動，但對于一個線性振動系統(tǒng)來說，振動信號可用譜分析技術(shù)化作許多諧振動的疊加。因此簡諧振動是最基本也是最簡單的振動。1.3壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)原理 當(dāng)傳感器與被測振動加速度的機(jī)件緊固在一起后，傳感器受機(jī)械運動的振動加速度作用，壓電晶片受到質(zhì)量塊慣件引起的壓力。其方向與振動加速度方向相反，大小奏Fma決定。慣性引

4、起的壓力作用在壓電晶片上產(chǎn)生電荷。電荷由引出電極輸出由此將振動加速度轉(zhuǎn)換成電參量。彈簧是給壓電晶片施加預(yù)緊力的。預(yù)緊力的大小基本不影響輸出電荷的大小，若預(yù)緊力不夠，而加速度又較大時質(zhì)量塊將宅壓電晶片敲碰，預(yù)緊力也不能太大，否則又會引起壓電晶片的非線性誤差、常用的壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)多種多樣這種結(jié)構(gòu)有較高的固有振動頻率，可用于較高頻率的測量(幾千赫茲至幾十千赫茲)，它是目前應(yīng)用較多的一種形式 。1.4 壓電傳感器的性能指標(biāo) 壓電式加速度傳感器屬于自發(fā)電型傳感器，它的輸出為電荷量，以Pc(皮庫侖)為單位，1Pc = 10-12C；而輸入量為加速度，單位為ms2，所以靈敏度以Pc(m/s2)為單

5、位，但是在振動測量中，往往用標(biāo)準(zhǔn)重力加速度g(1g=98m/s*s)作為加速度的單位，這是檢測行業(yè)的一種習(xí)慣用法。幾乎所有測量振動的儀器都用g作為加速度單位，并在儀器的面板上以及說明書中標(biāo)出。目前許多壓電加速度傳感器已將電荷放大器做在同一個殼體中，它的輸出是電壓，所以許多壓電加速度傳感器的靈敏度單位為mvg，通常為l01000mV/g靈敏度并不是越高越好，靈敏度低的傳感器可用于動態(tài)范同很寬的扳動測量，例如打樁機(jī)的沖擊振動、汽車的撞擊試驗、炸彈的貫穿延時引爆等，而高靈敏度的壓電傳感器可用于測量微弱的振動。例如用于尋找地下行道的泄漏點(水管漏水處可發(fā)出幾千赫茲的特殊振動)；或測量橋梁、樓房、樁基的

6、受激振動以反分析精密機(jī)床床身的振動以提高加工精度等。頻率范圍大多數(shù)壓電加速度度傳感器的頻率范圍為0.1HZ-10KHZ。動態(tài)范圍 常用的測量范圍為0.1100g，測量沖擊振動時應(yīng)選用10010000g；而測量橋梁、地基等微弱振動往往要選擇0.00l10g的高靈敏度的低頻加速度傳感器。 2.壓電式傳感器的工作原理2.1壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時么其表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng) 。反之，在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電場或電壓、它會產(chǎn)生機(jī)械變形；當(dāng)去掉外加電場時，電介質(zhì)變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)(

7、電致伸縮效應(yīng))例如音樂賀卡中的壓電片就是利用逆壓電效應(yīng)而發(fā)聲的。具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，如天然形成的石英晶體、人工制造的壓電陶瓷等。在晶體的彈性限度內(nèi)，壓電材料受力后，其表面產(chǎn)生的電荷Q與所施加的力F成正比即Q=dF式中 d一壓電常數(shù)。自然界中與壓電效應(yīng)有關(guān)的現(xiàn)象很多，例如在敦煌的鳴沙丘，當(dāng)許多游客在沙丘上蹦跳或從鳴沙廳上檸下滑時，可以聽到雷鳴般的隆隆聲；產(chǎn)生這個現(xiàn)象的原因是無數(shù)干燥的沙子(siO2晶體)在重壓下表面產(chǎn)個電荷。在某時刻，形成電壓串聯(lián)，產(chǎn)生很高的電壓。并通過空氣放電而發(fā)出聲音。2.2壓電材料的分類及特性 壓電式傳感器中的壓電元件件材料一般有三類：一類是壓電晶體(單晶體)；第二類是

8、經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷(多晶體)；第三類是高分子壓電材料。這里我們主要介紹第二類。 壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料它由無數(shù)細(xì)微的電疇組成這些電疇實際上是分子自發(fā)極化的小區(qū)域 在無外電場作用時，各個電疇在晶體中雜亂分布它們的極化效應(yīng)被相互抵消了，因此原始的在電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。為了使壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，必須在一定溫度下做極化處理。極化處理之后，陶瓷材料內(nèi)部存在有很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度。當(dāng)壓電陶瓷受外力作用時，其表面也能產(chǎn)生電荷，所以壓電陶瓷也具有壓電效應(yīng)。 壓電陶瓷制造工藝成熟，通過改變配方或摻雜微量元素可使材料的技術(shù)件能有較大改變，以適應(yīng)各種要求 它還具有良好的工藝性可以方便地加工成

9、各種需要的形狀，在通常情況下，它比石英品體的比電系數(shù)高得多，而制造成本較低，因此日前岡內(nèi)外壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷。常用的壓電陶資材料主要有以下幾種： (1)鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷(PZT) 鋯鈦酸鉛壓電陶瓷是由鈦酸鉛和鐵酸鉛組成的固熔休。它有較高的壓電常數(shù)d(200500)*10-12c/n和居里點(500c左右)，是目前經(jīng)常采用的一種壓電材料。在上述材料小加入微量的鑭(La)、鈮(Nb)或睇(Sb)等，可以得到不同性能的PZT材料。PzT足工業(yè)中應(yīng)用較多的壓電陶瓷。 (2)鈮鎂酸鉛壓電陶瓷(PMN) 鈮鎂酸鉛壓電陶瓷具有較高的壓電常數(shù)dll(800一900)x10-12Cn和居里點(2

10、60C)，它能在壓力大至70MPa時正常工作。因此可作為高壓下的力傳感器。目前還有一些鈮酸鹽(如鈮酸鋰)具有很高的居里點，可作為高溫壓電傳感器。 （3)使用Pv96型壓電加速度傳感器進(jìn)行測量，Pv96型采取剪切型結(jié)構(gòu)，它不受周圍環(huán)境溫度的影響，外型為圓柱體，重量較大。它的靈敏度為100OPCg，也就是說在1g(g98ms*s)加速度的作用下，傳感器能產(chǎn)生一萬微庫的電荷，Pv96型壓電傳感器的性能如表21：表21PV-96型壓電傳感器特性3.微振動測試儀電路的具體設(shè)計3.1壓電陶瓷傳感器的等效電路壓電式傳感器對被測量的變化是通過其壓電元件產(chǎn)生電荷量的大小來反映的，因此它相當(dāng)于一個電荷源。而壓電元

11、件電極表面聚集電荷時，它又相當(dāng)于一個以壓電材料為電介質(zhì)的電容器，其電容量為式中 S極板面積； 壓電材料相對介電常數(shù)； c。真空介電常數(shù)； 3壓電元件厚度。當(dāng)壓電刀件受外力作用時，兩表面產(chǎn)生等量的正，負(fù)電荷Q，壓電元件的開路電壓（認(rèn)為其負(fù)載電阻為無窮大）u為U=Q/Cn。 這樣，可以把壓電元件等效為一個電荷源Q和一個電容器的等效電路，如圖31(a)中的虛線方框；同時也等效為個電壓源u和個電容器 Cn串聯(lián)的等效電路，如圖31(b)的虛線方框所示。其中Ra為壓電元件的漏電阻。圖31壓電式傳感器測試系統(tǒng)等效電路 工作時，壓電元件與二次儀表配套使用，必定與測量電路相連接，這就要考慮連接電纜電容，放大器的

12、輸入電阻Ri，和輸入電容C。圖31示出壓電式傳感器測試系統(tǒng)完整的等效電路。圖(a)、(b)的工作原理是相向的。壓電式傳感器的靈敏度有電壓靈敏度和電荷靈敏度兩種，它們分別表示單位力產(chǎn)生的電壓和單位力產(chǎn)生的電荷。它們之間的關(guān)系為3.2電荷放大器電路 電荷放大器是壓電傳感器的一種專用的前置放大器，實際上是一個具有深度負(fù)反饋的高增益運算放大器。它能將高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓源，而且輸出電壓正比與輸入電荷，因此電荷放大器同樣也起阻抗變換作用，輸入阻抗高達(dá)10101012，而輸出阻抗小于100。 若放大器的開環(huán)增益足夠高，則運算放大器的輸入端的電位接近“地”電位。由于放大器的輸入級采用場效應(yīng)晶體管

13、，保證其輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有分流，電荷q只對反饋電容Cf充電，充電電壓接近等于放大器的輸出電壓，即輸出電壓為Vo=-q/Cf。圖32電荷放大器電路3.3電壓放大電路 uA776是低功耗可編程運算放大器，為了降低噪聲，可在8腳輸入適當(dāng)?shù)碾娏鱅set=15uA。在低頻測量時，隨著頻率的降低會增大閃爍噪聲，由于采用的運放uA776的電壓噪聲在1uA以下，噪聲主要由前端的電荷放大器產(chǎn)生。所以在降低噪聲設(shè)計中不僅要選擇電壓噪聲小的集成電路而且應(yīng)有低的輸人電壓、低的偏壓及失調(diào)漂移等特性。在電路設(shè)計中，反饋電容應(yīng)盡可能小，因為即使很小的漏電流進(jìn)人放大器也會產(chǎn)生誤差，故輸人部分要用聚四氟乙烯絕緣

14、紙進(jìn)行絕緣。電壓放大器信號從反相端輸入，其電路圖32所示，可知放大倍數(shù)AF2： 圖32電壓放大器電路3.4測量電路 測量電路如圖3-3所示，圖中的模擬測量電路由兩級放大器組成。圖33微振動測試儀電路總圖 AD544L組成一個電荷放大器，它的輸入為電荷，輸出為電壓，也是一個Q/V轉(zhuǎn)換器。它的輸出為 Vo1=Q0/C1,傳感器受到1g加速度的作用，它產(chǎn)生的電壓，理論值為Vo1=-10000x10-12 C/300 x10-12 F=-33V(實際上，1g的加速度使運放的輸出為飽和值Vs),即放大器AD544L的靈敏度為 -33V/g = -33 .7mV/gal(l gal=1/980g=1cm/

15、s2 ) 電荷放大器的低頻響應(yīng)由反饋電容C1和反饋電阻R1確定，其截止頻率為 fo=1 /2R1C1=0.053Hz 由上式可見，低頻時電荷放大器的頻率響應(yīng)僅決定于反饋電路參數(shù)Rf和Cf，反饋電阻Rf還有直流反饋功能。因為在電荷放大器中采用電容負(fù)反饋，對直流工作點相當(dāng)于開路，故零漂較大而產(chǎn)生誤差。為了減小零漂，使放大器工作穩(wěn)定，應(yīng)并聯(lián)電阻R1。RB為運放AD544L的輸入保護(hù)電阻，避免AD544L的輸入過高而損壞。 uA776是構(gòu)成一個反相放大器，其閉環(huán)增益為：調(diào)整電位器Rp1即使Rp1=18k，可使AF2=1.48，因此，uA776的輸出靈敏度為 (-1.48)(-33 .7mV/gal)

16、=50mV/gal也就是說，當(dāng)振動加速度為1/980g時，電路能輸出50mV的電壓。本電路輸出電壓最大約6V，因此其最大測量值約為6/48.8=0.1g。 若要求測量電路的輸出靈敏度更高，應(yīng)提高uA776的反饋電阻。例如，輸出靈敏度為100mV/gal時uA776的閉環(huán)增益約為3，可適當(dāng)增大(R4 + RPl)的值。4.心得體會這次課題設(shè)計歷時五天，我拿到題目，對其做了一個大致的了解后，就著手查找資料。俗話說：“萬事開頭難”確實如此，但開始時自己的思路不太清晰，漏洞百出，所設(shè)計的電路不能夠很好地實現(xiàn)所要求的功能。但最后我還是在自己積極查資料、向?qū)W習(xí)較好的同學(xué)請教的基礎(chǔ)上，認(rèn)真思考，改進(jìn)電路，進(jìn)

17、而得以完成任務(wù)。通過本次設(shè)計，我認(rèn)識到細(xì)心與細(xì)節(jié)的重要性，同時大大提高了自己搜集資料、排列次序和編寫的能力。我想，對資料的充分搜集與理解是本次設(shè)計得以有條理地完成的關(guān)鍵因素。相當(dāng)初拿到題目時束手無策的樣子，真的是很不懂事。因為，題目上出現(xiàn)的專業(yè)術(shù)語令我望而卻步了。直到要做課程設(shè)計時，才發(fā)現(xiàn)自己學(xué)到的東西太少了，而要學(xué)習(xí)的東西太多太多。曾經(jīng)想多放棄，但放棄意味著什么？人生就是不斷的學(xué)習(xí)，不斷的進(jìn)步，不斷的接受新事物才能學(xué)到很多有用的知識。倘若放棄，那么以后的人生就是被別人放棄。倘若沒有這次畢業(yè)設(shè)計，那么我將失去人生中最重要的教育：那就是，不能輕言放棄?？傊@次的課程設(shè)計為我以后做課程設(shè)計積累了經(jīng)驗