微振動(dòng)測試儀設(shè)計(jì)要求

1、一 微振動(dòng)測試儀設(shè)計(jì)要求（1） 采用壓電式傳感器（2） 靈敏度50mv/gal（3） 由電路壓電式傳感器，電荷放大器，運(yùn)算放大器等組成（4） 工作原理圖附系統(tǒng)圖一張二 總體設(shè)計(jì)方案 微振動(dòng)測試儀的設(shè)計(jì)主要組成部分壓電式傳感器，用于信息的采集；在本設(shè)計(jì)方案里選擇壓電陶瓷傳感器做為壓電式傳感器。通過電路連接把所采集的信息傳遞給電荷放大器，對微弱的電荷信號(hào)進(jìn)行放大，信號(hào)的放大通常有兩種：電壓放大和電荷放大。這里考慮避免接入電容的影響，所以采用電荷放大。除了電荷放大，還要再一次對信號(hào)進(jìn)行放大，這里采用運(yùn)算放大器和一定的電路組成。把最終信號(hào)傳輸給顯示器就可以得到微振動(dòng)的多組數(shù)據(jù)結(jié)果，就可以得到被測物體的

2、每刻狀態(tài)。三 總體工作電路原理圖（一）電式傳感器的工作原理 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(shí)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)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(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形；當(dāng)去掉外加電場時(shí)，電介質(zhì)變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)(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

3、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(shí)，可以聽到雷鳴般的隆隆聲；產(chǎn)生這個(gè)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(gè)電荷。在某時(shí)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、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。(二) 壓電陶瓷 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j這些電疇實(shí)際上是分子自發(fā)極化的小區(qū)域 在無外電場作用時(shí)，各個(gè)電疇在晶體中雜亂分布它們的極化效應(yīng)被相

4、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(shí)，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

5、熔休。它有較高的壓電常數(shù)d(200500)*10-12c/n和居里點(diǎn)(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(diǎn)(260C)，它能在壓力大至70MPa時(shí)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(diǎn)，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，它的靈敏度為100OPCg，也就是說在1g(

6、g98Ms*s)加速度的作用下，傳感器能產(chǎn)生一萬微庫的電荷o Pv96型壓電傳感器的性能如表74：四 單元電路的具體設(shè)計(jì)（一） 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(gè)電荷源。而壓電元件電極表面聚集電荷時(shí)，它又相當(dāng)于一個(gè)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(shí)，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 這樣，可以把壓電元件等效為一個(gè)電荷源Q和一個(gè)電容器的等效電路，如圖68(a)中的虛線方框；

7、同時(shí)也等效為個(gè)電壓源u和個(gè)電容器 Cn串聯(lián)的等效電路，如圖68(b)的虛線方框所示。其中Ra為壓電元件的漏電阻。工作時(shí)，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，放大器的輸入電阻Ri，和輸入電容C。圖68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（二） 電荷放大器電路由于電壓放大器使所配接的壓電式傳感器的電壓靈敏度將隨電纜分市電容及傳感器自身電容的變化而變化，而且電纜的更換得引起重新標(biāo)定的麻煩，為此義發(fā)展了便于遠(yuǎn)距離

8、測量的電荷放大器、目前它已被公認(rèn)是一種較好的沖擊測量放大器。這種放大器實(shí)際上是一種具有深度電容負(fù)反饋的高增益運(yùn)算放大器，其等效電路如圖611所示。圖中已把R。、Rl看作是無限大，而加以忽視，這樣當(dāng)容抗遠(yuǎn)小于電阻Rf折到輸入端的等效阻抗時(shí)，可有下式成立： 當(dāng)K足夠大時(shí)，因此有式中反饋電容。輸出電壓u正比于輸入電荷Q，輸出與輸入反相，而且輸出靈敏度不受電纜分布電容的影響。但實(shí)際L電纜電容，特別是遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，它會(huì)對測量結(jié)果帶來影響，而C太小時(shí)，可以忽略，由此產(chǎn)生的測量誤差為（三） 測量電路（四） 振動(dòng)測量（1） 振動(dòng)測量的概念物體圍繞平衡位置作往復(fù)運(yùn)動(dòng)稱為振功。從扼功對象來分，有機(jī)械振動(dòng)(例如機(jī)床

9、電機(jī)、泵風(fēng)機(jī)等遠(yuǎn)行時(shí)的振動(dòng))；上木結(jié)構(gòu)振動(dòng)(房屋、橋梁等的振動(dòng))；運(yùn)輸工具振動(dòng)汽車、飛機(jī)等的振動(dòng))以及武器、爆炸引起的沖擊振動(dòng)等。從振動(dòng)的頻率范圍來分合高頻振動(dòng)、低頻振動(dòng)和超低頻振動(dòng)等；從振動(dòng)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征來看，可將振動(dòng)分為周期振動(dòng)、非周期振動(dòng)以及隨機(jī)振動(dòng)等。期振功是指經(jīng)過相同的時(shí)間間隔，其振動(dòng)特征量重復(fù)出現(xiàn)的振動(dòng)。它包括簡諧振動(dòng)和復(fù)雜周期振動(dòng)。復(fù)雜周期振動(dòng)是由一些不同頻率的簡諧分量合成的振動(dòng)。非周期振動(dòng)的時(shí)域函數(shù)是一個(gè)衰減曲數(shù)，沖擊振動(dòng)是最常見的非周期振功。隨機(jī)振動(dòng)是一種非確定性振動(dòng)，事先允法確定共振幅、頻率從相位的瞬時(shí)值，但有一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性。振動(dòng)測量主要是研究上述各種振動(dòng)的持征、變化規(guī)律

10、以及分析產(chǎn)生振動(dòng)的原因，從而找到解決問題的方法。物體標(biāo)動(dòng)一次所需的時(shí)間稱為周期，用丁表示，單位是s。每秒振動(dòng)的次數(shù)稱頻率，用f表小，單位為Hz、頻率是分析振動(dòng)的最重要內(nèi)容之一。振動(dòng)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(dòng)的速度用v表示，單位為ms；加速度用a表水，單位m/s*s。（2） 振動(dòng)測量的分類 測振用的傳感器義稱拾掘器。亡有接觸式和非接觸式之分；接觸式中又行磁電式、電感式、壓電式等。非接觸式小義有電渦流式、電容式，霍爾式，光電式等當(dāng)測振系統(tǒng)自身的固有振動(dòng)頻率f05f時(shí)，質(zhì)量塊與振動(dòng)體A一起振動(dòng)，質(zhì)量塊與振動(dòng)體A所感受到的振動(dòng)加速度基本一致，這樣的測量傳感器稱為加速

11、度計(jì)。（3）壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)原理 壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)如上圖所示：當(dāng)傳感器與被測振動(dòng)加速度的機(jī)件緊固在一起后，傳感器受機(jī)械運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)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(dòng)加速度方向相反，大小奏Fma決定。慣性引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(dòng)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(shí)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(huì)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(dòng)頻率，可用于較高頻率的測量(幾千赫茲至幾十千赫茲

12、)，它是目前應(yīng)用較多的一種形式 。（4） 壓電傳感器的性能指標(biāo)(a) 靈敏度K 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，1Pc10/-12c；而輸入量為加速度，單位為ms*s，所以靈敏度以pc(m。s)為單位，但是在振動(dòng)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(dòng)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，靈敏度的范圍約為lo一100pcg。目前許多壓電加速度傳感器已將電荷放大器做在同一個(gè)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l

13、0I000mV/g靈敏度并不是越高越好，靈敏度低的傳感器可用于動(dòng)態(tài)范同很寬的扳動(dòng)測量，例如打樁機(jī)的沖擊振動(dòng)、汽車的撞擊試驗(yàn)、炸彈的貫穿延時(shí)引爆等 而高靈敏度的壓電傳感器可用于測量微弱的振動(dòng)。例如用于尋找地下行道的泄漏點(diǎn)(水管漏水處可發(fā)出幾千赫茲的特殊振動(dòng))；或測量橋梁、樓房、樁基的受激振動(dòng)以反分析精密機(jī)床床身的振動(dòng)以提高加工精度等。(b)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。、(c)動(dòng)態(tài)范圍 常用的測量范圍為0.1100g，測量沖擊振動(dòng)時(shí)應(yīng)選用1000000g；而測量橋梁、地基等微弱振動(dòng)往往要選擇000l10g的高靈敏度的低頻加速度傳感器。 五 傳感器的安裝及使

14、用 理淪上壓電加速度傳感器應(yīng)與被測振動(dòng)體剛性連接，但在具體使用中，有如下幾種方法。 1)用于長期監(jiān)測振動(dòng)機(jī)械的壓電加速度傳感器應(yīng)采用雙頭螺栓牢固地固定在監(jiān)視點(diǎn)上。 2）短時(shí)間檢測低頻微弱振動(dòng)時(shí)，可用磁鐵將鋼質(zhì)傳感器底座吸附在監(jiān)測量上， 3)測量更微弱的振動(dòng)時(shí)，可以用環(huán)氧樹脂或瞬干膠將化感器牢牢地膠于監(jiān)測點(diǎn)上，但要濘意傳感器底座與被測體之間的膠尼愈薄愈好，否則將會(huì)使高頻響應(yīng)變差，使用上限率降低。 4)么村許多測試點(diǎn)進(jìn)行定期巡檢時(shí)，也可采用手持探針式加速度傳感器。使用時(shí)，用手握住探針，緊緊地抵觸在監(jiān)測點(diǎn)上，此方法方使，但測量誤差較大，重復(fù)性差，使用頻率上限將降底到1000HZ以下。六 微振動(dòng)測試儀

15、設(shè)計(jì)所需元件1 PV-96壓電式陶瓷傳感器2 AD544L電荷放大器3 uA776運(yùn)算放大器4 電纜線5 電阻6 低（高）通濾波器7 功率放大器8 電容9 指示燈七 系統(tǒng)方案總結(jié) 壓電式傳感器是一種典型的有源傳感器，壓電式傳感器具有良好的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。靜態(tài)剛性好，如石英的彈性系數(shù)為78400NmMz，通常晶片厚只有l(wèi)mm左右；靈敏度及分辨率高；具有良好的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)性能；固有頻率高，工作頻帶寬；體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。近年來隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，與之配套的二次儀表及低噪聲、小電容、高絕緣電阻電線的出現(xiàn)，使壓電式傳感器獲得廣泛的應(yīng)用。如利用正壓電效應(yīng)研制成壓電電源，煤氣爐和汽車

16、發(fā)動(dòng)機(jī)的自動(dòng)點(diǎn)火裝置等多種壓電發(fā)生器；同時(shí)，壓電轉(zhuǎn)換元件是一種典型的壓電元件，能測量最終可變換為力的有關(guān)物理量，如壓力、加速度、振動(dòng)沖擊等，利用逆壓電效應(yīng)可制成多種超聲波發(fā)生器和壓電揚(yáng)聲器等。壓電轉(zhuǎn)換元件的主要缺點(diǎn)是無靜態(tài)輸出，要求有很高的電輸出阻抗，需用低電容的低噪聲電纜，很多壓電材料的工作溫度在250度左右。八 心得體會(huì)這次課題設(shè)計(jì)歷時(shí)六天，實(shí)際用了四天，其中一天半用于收集相關(guān)方面的材料。俗話說：“萬事開頭難”確實(shí)如此，在剛開始的兩天進(jìn)度很慢，一切都沒有什么頭緒。看著身邊的同學(xué)也是一樣的情況，心里有點(diǎn)底，拿著設(shè)計(jì)說明要求反復(fù)折磨著，一點(diǎn)一點(diǎn)進(jìn)入。當(dāng)然也是參考了相當(dāng)數(shù)量的資料，有很多是用不上。在設(shè)計(jì)過程中，關(guān)鍵部分當(dāng)屬總體工作電路原理圖的設(shè)計(jì)，怎么樣更合理，更效益設(shè)計(jì)該電路？成為該設(shè)計(jì)的最關(guān)鍵的一步，對元?dú)饧倪x擇決定電路圖的設(shè)計(jì)，每選擇一種元?dú)饧陀锌赡芨淖冋w電路的走向。根據(jù)說明書要求的靈敏度，也是很難把握的一步，在該設(shè)計(jì)中已經(jīng)基本能實(shí)現(xiàn)所要求的靈敏度。本次課題設(shè)計(jì)中，我能充分