傳感器課程設(shè)計(jì)

微振動測試儀設(shè)計(jì)電子信息工程08級2班 指導(dǎo)老師：摘要：微振動測試儀的設(shè)計(jì)主要組成部分為壓電式加速度傳感器、電荷放大器和運(yùn)算放大器。壓電傳感器用于信息的采集；通過電路連接把所采集的信息傳遞給電荷放大器，對微弱的電荷信號進(jìn)行放大，除了電荷放大，還要用運(yùn)算放大器再一次對信號進(jìn)行放大。這樣，輸出的電壓就會反映出物體的振動狀態(tài)。關(guān)鍵詞：壓電傳感器；振動；加速度；放大第一章整體電路設(shè)計(jì)整體電路組成框圖如圖1-1所示:圖1-1整體電路工作原理：將被測物體與傳感器放在一起，當(dāng)物體受到振動時，傳感器將這種微弱的振動傳遞給電荷放大器，電荷放大器對微弱的電荷信號進(jìn)行放大。然后，還要再一次將信號用運(yùn)算放大器進(jìn)行放大，然后再將該信號輸出，這樣就可依據(jù)輸出的電壓判斷振動的大小。微振動測試儀用于各種大型構(gòu)件、橋梁、水壩、高層建筑、船舶、海流等的晃動測量；精密機(jī)械制造和超大集成規(guī)模電路的生產(chǎn)，為保證成品的精度，要求生產(chǎn)環(huán)境的振動位移限制在即微米到幾百微米之間(1?10Hz)，也就是說它的加速度g值在幾四m/s2?百四m/s2之間，相當(dāng)于10A-6g級的振動，對這種環(huán)境也需要微振動測試儀進(jìn)行監(jiān)測。第二章壓電式傳感器第一節(jié)壓電式傳感器工作原理—壓電效應(yīng)某些單品體或多品體陶瓷電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┘訅毫Χ顾冃螘r，內(nèi)部就會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個對應(yīng)品面上便產(chǎn)生符號相反的等量電荷，當(dāng)外力取消后，電荷也消失，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)，如圖2-1所示。當(dāng)作用力的方向改變時，電荷的極性也隨著改變。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場（加電壓）作用時，這些電解質(zhì)品體會在一定的晶軸方向產(chǎn)生機(jī)械變形，外加電場消失，變形也隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)（電致伸縮），如圖2-2所示。具有這種壓電效應(yīng)的物質(zhì)稱為壓電材料或壓電元件。［干+ 機(jī)械啊??點(diǎn)壓電介質(zhì)｝電能|~ 逆商液應(yīng)圖2-1 圖2-2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=d33F （魚）式中d33—一壓電常數(shù)。二壓電陶瓷壓電陶瓷在沒有極化前不具有壓電效應(yīng)，是非壓電體。壓電陶瓷經(jīng)過極化處理后有非常大的壓電常數(shù)。壓電陶瓷在極化面上受到垂直于它的均勻分布的作用力時（亦即應(yīng)力沿極化方向），則在這兩個極化面上分別出現(xiàn)正負(fù)電荷，其電荷量Q與力F成正比，即Q=d33F （2-2）式中，d33為壓電陶瓷的縱向壓電常數(shù)。壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，屬鐵電體一類的物質(zhì)，具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的“電疇”結(jié)構(gòu)。電疇是壓電材料內(nèi)分子自發(fā)極化而形成的微小極化區(qū)域，有一定的極化方向，而存在一定電場。在無外電場作用時，各電疇在晶體材料中無序排列，它們的自發(fā)極化效應(yīng)相互抵消，陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零，因此，原始的壓電陶瓷呈電中性，不具有壓電性質(zhì)。當(dāng)原始壓電陶瓷材料在外電場作用下，其內(nèi)部各磁疇的自發(fā)極化將發(fā)生轉(zhuǎn)動，趨向于按外電場的方向排列，從而使材料得到極化。經(jīng)極化處理（2?3h）后，撤銷外電場，陶瓷材料內(nèi)部仍存在很強(qiáng)的剩余極化。當(dāng)陶瓷材料受到外力作用時，電疇的界限發(fā)生移動，因此引起極化強(qiáng)度的變化，于是壓電陶瓷便具有了壓電效應(yīng)。經(jīng)極化后的壓電陶瓷材料，由于存在剩余極化強(qiáng)度，這樣在陶瓷片極化的兩端就出現(xiàn)束縛電荷，一端為正電荷，一端為負(fù)電荷，如圖2-4。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極表面上很快吸附了一層來自外界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號相反而數(shù)值相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片極化強(qiáng)度對外的作用，因此，陶瓷片對外不表現(xiàn)極性。如果在陶瓷片上加一個與極化方向平行的外力，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮變形，電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，片內(nèi)正、負(fù)束縛電荷之間距離變小，極化強(qiáng)度也變小，因此，原來吸附在極板上的自由電荷，有一部分釋放而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。當(dāng)壓力撤銷后，陶瓷片恢復(fù)原狀，片內(nèi)正、負(fù)電荷之間距離變大，極化強(qiáng)度也變大，因此，電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種由于機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)或者說由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)。放電電荷的多少與外力的大小成比例，即Q=d33F （2-3）口由電荷/ 電根十十++N++十++++++++由電苛圖2-4第二節(jié)壓電加速度傳感器原理工作原理壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計(jì)，屬于慣性式傳感器。它是利用某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)，在加速度計(jì)受振時，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當(dāng)被測振動頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖如圖2-5所示：測量時，將傳感器基座與試件剛性固定在一起，傳感器與試件感受相同的振動。由于彈簧的作用，質(zhì)量塊就有一正比與加速度的交變慣性力作用在壓電片上，由于壓電效應(yīng)，壓電片的兩個表面上就產(chǎn)生交變電荷。當(dāng)振動頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時，傳感器的輸出電荷與作用力成正比，亦即與試件的加速度成正比。輸出電量由傳感器的輸出端引出，輸入到前置放大器后就可以用普通的測量儀器測出試件的加速度。壓電式加速度計(jì)的靈敏度壓電加速度計(jì)屬發(fā)電型傳感器，可把它看成電壓源或電荷源，故靈敏度有電壓靈敏度Ku(V-s2/m)和電荷靈敏度Kq(C?s2/m)兩種表示方法。前者是加速度計(jì)輸出電壓(mV)與所承受加速度之比；后者是加速度計(jì)輸出電荷與所承受加速度之比。Kq=Q/a (2-4)Ku=Ua/a (2-5)式中，Q為壓電傳感器輸出電荷量(C)，Ua為傳感器的開路電壓(V)，a為被測加速度(m/s2)。壓電陶瓷表面上受力后表面上產(chǎn)生的電荷Q=d33F，因?yàn)閭鞲衅髻|(zhì)量塊m在加速度a的作用下施加給壓電元件的力F=ma(N)。這樣壓電加速度傳感器的電荷靈敏度和電壓靈敏度可表示為：Kq=d33m (2-6)Ku=d33m/Ca (2-7)由式(2-6)和(2-7)可知，壓電式加速度傳感器的靈敏度與壓電材料的壓電系數(shù)d33成正比，也與質(zhì)量塊的質(zhì)量m成正比。加速度單位為m/s%但在振動測量中往往用標(biāo)準(zhǔn)重力加速度g作單位，1g=9.80665m/s2oPV—96型壓電加速度傳感器在這里使用PV—96型壓電加速度傳感器進(jìn)行測量，它的靈敏度為10000PC/g,也就是說在1g(g=9.8M/s2)加速度的作用下，傳感器能產(chǎn)生1萬微庫的電荷。PV—96型壓電傳感器的性能如表2-1:表2-1 PV-96型壓電傳感器特性電荷靈敏度10000PC/g靜電容6000pF振動頻率0.1?100Hz最高工作溫度200°C絕緣電阻>10Gq外殼材料不銹鋼壓電傳感器的構(gòu)造有壓縮型、剪切型和彎曲型等。PV—96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。它的等效電路是一個電荷源Q，和一個電容C相并聯(lián)。第三章電路設(shè)計(jì)及計(jì)算第一節(jié) 壓電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，其電容量為二如琴二&（3-1）式中*——極板面積；——壓電材料相對介電常數(shù)；■-——真空介電常數(shù)；——壓電元件厚度。當(dāng)壓電元件受外力作用時，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）為（3-2）因此，壓電式傳感器可以等效為一個與電容并聯(lián)的電荷源如圖3-1所示，也可以等效為一個與電容串聯(lián)的電壓源，如圖3-2所示。圖3-1 圖3-2壓電式傳感器在測量時要與測量電路相連接，所以實(shí)際傳感器就得考慮連接電纜電容Cc、放大器輸入電阻Ri和輸入電容Ci，以及壓電式傳感器的泄漏電阻Ra?？紤]這些因素后，壓電式傳感器的實(shí)際等效電路就如圖3-3、3-4所示，它們的作用是等效的。

圖3-3電壓源 圖3-4電荷源壓電式傳感器的靈敏度有兩種表示方式：電壓靈敏度Ku=Ua/F，它表示單位力所產(chǎn)生的電壓；電荷靈敏度Kq=Q/F，它表示單位力所產(chǎn)生的電荷。它們之間的關(guān)系是Ku=Kq/Ca （3-3）第二節(jié)電荷放大器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式電容及傳感器自身電容的變化而變化，而且電纜的更換引起重新標(biāo)定的麻煩，為此發(fā)展了便于遠(yuǎn)距離測量的電荷放大器。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3-5所示。若放大器的開環(huán)增益足夠高，則運(yùn)算放大器的輸入端a點(diǎn)的電位接近“地”電位。由于放大器的輸入級采用了場效應(yīng)晶體管，因此，放大器的輸入阻抗極高，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Uo^UCf=-Q/Cf （3-4）式中，Uo為放大器輸出電壓；UCf為反饋電容兩端電壓。由式可知，電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電容有關(guān)，而與放大器的放大系數(shù)的變化或電纜電容等均無關(guān)。圖3-5電式傳感器與電荷放大器連接的等效電路（視壓電元件泄漏電阻Ra和放大器輸入電阻Ri很大，已略去其電路作用）如圖3-6所示，由“虛地”原理可知，反饋電容Cf折合到放大器輸入端的有效電容Cf為TOC\o"1-5"\h\zCf=（1+A）Cf （3-5）設(shè)放大器輸入電容為Ci，傳感器內(nèi)部電容為Ca，電纜電容為Cc，則放大器的輸出電壓為\o"CurrentDocument"Uo=-AQ/[Ca+Cc+Ci+（1+A）Cf] （3-6）當(dāng)（1+A）Cf》（Ca+Cc+Ci）時，放大器輸出電壓為Uo^-Q/Cf （3-7）當(dāng)（1+A）Cf>10（Ca+Cc+Ci）時，傳感器的輸出靈敏度就可以認(rèn)為與電纜電容無關(guān)了。在電荷放大器的實(shí)際電路中，考慮到被測物理量的不同量程，以及后級放大器不致因輸入信號太大而引起飽和，反饋電容Cf的容量是做成可調(diào)的，一般在100?10000pF范圍之間。為了減小零漂，使電荷放大器工作穩(wěn)定，通常在反饋電容的兩端并聯(lián)一個大電阻Rf(約10人8?10M0Q),見圖3-6，其功能是提供直流反饋。在高頻時，電路中各電阻(Ra、Ri、Rf)的值大于各電容的容抗，以上略去Ra、Ri和Rf討論電路特性是符合實(shí)際情況的。電荷放大器的頻率響應(yīng)上限主要取決于運(yùn)算放大器的頻率特性。在低頻時，Ra、Ri與1/jwCc、1/jwCi相比仍可忽略。但Rf與1/jwCf相比就不能忽略了。此時電荷放大器輸出電壓為Uo=-jwQ/(1/Rf+jwCf) (3-8)上式表明，輸出電壓Uo不僅與Q有關(guān)，而且與反饋網(wǎng)絡(luò)的原件參數(shù)Cf、Rf和傳感器信號頻率w有關(guān)，Uo的幅值為Uo=-wQ/[(1+Rf)2+w2Cf2]^ (3-9)由此可得，電荷放大器的3dB下限截止頻率為'(3-10)低頻時，輸出電壓Uo與輸入電荷Q之間的相位差為9=arctan[(1/Rf)/wCf]=arctan(1/wRfCf) (3-11)在截止頻率處8=45。。第三節(jié)測量電路測量電路如圖3-7所示。圖中的模擬測量電路由兩級放大器組成。IC1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。IC1的輸出為Vo1=-Qo/C1,傳感器受到1g加速度的作用，則它產(chǎn)生的電壓，理論值為Vo1=-10000x10A-12C/300x10A-12F=-33V(實(shí)際上，1g的加速度使運(yùn)放的輸出為飽和值Vs)，即放大器IC1的靈敏度-33V/g=-33.7mV/gal(1gal=1/980g=1cm/s2)圖3-7電荷放大器的頻率響應(yīng)由反饋電容C1和反饋電阻R1確定。其截止頻率為fo=1/"R1C1=0.053Hz （3-12）在0.1Hz時，輸出約下降1dB。Rb為運(yùn)放IC1的輸入保護(hù)電阻，避免IC1的輸入過高而損壞。IC2是一個反相放大器，其閉環(huán)增益為Af2=-（R4+RP1）/R2 （3-13）調(diào)整電位器RP1可使Af2=1.48，因此，IC2的輸出靈敏度為（-1.48）x（-33.7mV/gal）=50mV/gal （3-14）近似為48.8V/g。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48.8/6=0.1g。IC2是低功耗可編程運(yùn)算放大器，為了降低噪聲，可在8腳輸入適當(dāng)?shù)碾娏鱅set=15四A。在電路設(shè)計(jì)中，反饋電容應(yīng)盡可能小。

微振動測試儀元件清單名稱大小個數(shù)PV-96壓電式陶瓷傳感器1AD544L電荷放大器1pA776運(yùn)算放大器1電纜線若干電阻1MQ1電阻100k2電阻10GQ1電阻150k1電阻890k1電阻130k1電阻30k1電容300p1電容200p1電容47p1心得體會這次的課程設(shè)計(jì)本來是讓自己從那么多的題目中選一個自己想寫的，后來班里有意按學(xué)號來，所以省去了我思考選哪個題目來做的時間。我用了一個下午的時間先大致的搜了一下所需的資料，其實(shí)網(wǎng)上的資料并不多，只找到一個和微振動測試儀有關(guān)的。所以，在第15周的周六，我就去圖書館借書了，在圖書館找了有三個小時，幾乎把有關(guān)傳感器的書都大致的翻了一遍，最后借了兩本書，最后有用的只有一本。16周周六的時候，我開始嘗試著寫，我又仔細(xì)地閱讀了任務(wù)書，又翻了翻課本，把書上有用的壓電效應(yīng)、壓電陶瓷的有關(guān)內(nèi)容打出來。然后停了下來，直到17周的周一，我才又開始寫。當(dāng)我寫完壓電傳感器和電荷放大器后，我忽然對我寫的有了疑問，覺得自己寫的有錯誤。于是，我又仔細(xì)地閱讀了課本和在圖書館借的那本能用到的書，經(jīng)過仔細(xì)思考后，我把前面認(rèn)為有錯的