傳感器課程設(shè)計(jì)--壓電式加速度傳感器的設(shè)計(jì)

1、<p>　　課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書</p><p>　　題目： 壓電式加速度傳感器的設(shè)計(jì) </p><p>　　學(xué)院（系）： 電氣工程學(xué)院 </p><p>　　課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書</p><p>　　院（系）： 電氣工程學(xué)院 基層教學(xué)單位： 自動(dòng)化儀表系 </p>&l

2、t;p>　　說明：此表一式四份，學(xué)生、指導(dǎo)教師、基層教學(xué)單位、系部各一份。</p><p><b>　　目錄示例</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第1章 摘要…………………………………………………………………………………1</p><p>　　第

3、2章 引言…………………………………………………………………………………2 </p><p>　　第3章 電路仿真及準(zhǔn)備作…………………………………………………………………3</p><p>　　第4章 壓電式加速度傳感器的參數(shù)設(shè)計(jì)及計(jì)算………………………………………12</p><p>　　4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………………………………………………

4、………12</p><p>　　4.2 電容設(shè)計(jì)與計(jì)算…………………………………………………………………12</p><p>　　4.3 其他參數(shù)的計(jì)算 …………………………………………………………………12</p><p>　　第5章 誤差分析 …………………………………………………………………………13</p><p>　　第6章

5、 結(jié)論 ………………………………………………………………………………14</p><p>　　心得體會(huì) ……………………………………………………………………………………14</p><p>　　參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………………………15</p><p><b>　　第一章 摘要</b></p>

6、<p>　　傳感器是一門集合多種科學(xué)技術(shù)的科學(xué)，它利用各種原理如光電效應(yīng)、壓電效應(yīng),等等的原理，來根據(jù)被測物體的變化來反映待測量的變化的科學(xué)。傳感器是在現(xiàn)今科學(xué)領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)信息化的基礎(chǔ)技術(shù)之一?，F(xiàn)代測量、控制與自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是電子信息科學(xué)的發(fā)展，極大地促進(jìn)了現(xiàn)代傳感器技術(shù)的發(fā)展。傳感器的使用也越來普遍，在當(dāng)今社會(huì)里起到了很大的作用，與此同時(shí)傳感器的技術(shù)要求也在不斷提高，對(duì)傳感器的設(shè)計(jì)，性能，功能提出了更高的要求，

7、顯而易見傳感器在以后的社會(huì)發(fā)展中將會(huì)起到越來越重要的作用。 </p><p>　　壓電式傳感器是基于壓電效應(yīng)的傳感器。壓電效應(yīng)是一種能實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的效應(yīng)，當(dāng)有力作用于壓電元件上時(shí)，壓電元件會(huì)產(chǎn)生電荷，傳感器中利用電荷放大電路，將電荷的變化表現(xiàn)到電壓的變化，從而來確定待測物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。經(jīng)過一定轉(zhuǎn)換電路來實(shí)現(xiàn)我們所需要的測量的輸出。壓電式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡單、工作

8、可靠和重量輕等。缺點(diǎn)是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應(yīng)差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷。</p><p><b>　　第二章 引言</b></p><p>　　壓電式傳感器是基于壓電效應(yīng)的傳感器，就要求必須將電荷的變化通過電路來表現(xiàn)出來，這就要求將電荷的變化轉(zhuǎn)換成電路中電流的變化或者電壓的變化，此時(shí)必須用到電荷放大電路來實(shí)現(xiàn)。電荷放大電

9、路是壓電傳感器的核心電路，它將電荷的變化轉(zhuǎn)換電壓的變化，從而實(shí)現(xiàn)了測量的意義，可以根據(jù)電壓的變化來判斷被測物體的變化或者運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。</p><p>　　電荷放大器能將高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換成低內(nèi)阻的電壓源，而且輸出電壓正比于輸入電荷。它實(shí)際上是一種具有深度反饋的高增益放大器，輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電容有關(guān)，而與放大器的增益的變化以及電纜電容無關(guān)。由于反饋電容與輸出電壓反比，因此要達(dá)到一定的靈敏度要求，必須選擇適

10、當(dāng)容量的反饋電容。使用電荷放大器的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是，在一定的條件下，傳感器的靈敏度和電纜的長短沒有關(guān)系。</p><p>　　在設(shè)計(jì)壓電傳感器的過程中，電荷放大器是必不可少的一部分，設(shè)計(jì)內(nèi)容中會(huì)對(duì)電荷放大器進(jìn)行電路仿真并和實(shí)際響應(yīng)進(jìn)行比較以確定傳感器的準(zhǔn)確度。</p><p>　　第三章 電路仿真及準(zhǔn)備工作</p><p><b>　　一 電荷放大器<

11、;/b></p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　電荷放大器原理：電荷變換是該電荷放大器的核心部分，是一個(gè)具有電容負(fù)反饋的，輸入阻抗極高的高增益運(yùn)算放大器其中：為壓電傳感器的等效電容，為壓電式傳感器的等效絕緣漏電阻，為電纜等效電容，為放大器的輸入電容，為放大器的輸入阻抗，為反饋電容，是等效輸入噪聲電壓，是等效輸入失調(diào)電壓。如將折算到輸入端

12、，其等效電容為（1+K），K為運(yùn)放的開環(huán)增益。由于反饋電容、傳感器電容、電纜電容及放大器電容并聯(lián)，不計(jì)算噪聲和失調(diào)電壓的影響，電荷放大器的輸出電壓為</p><p>　　運(yùn)算放大器的開環(huán)增益K很大（約為104~106），故遠(yuǎn)大于+，遠(yuǎn)大于，此時(shí)， ， ， 和都可以忽略不計(jì)，即壓電傳感器本身的電容大小和電纜長短對(duì)電荷放大器輸出的影響可以忽略。</p><p>　　式中C=++因?yàn)榉糯笃魇歉咴?/p>

13、益的，K >>1,所以一般情況下（1+K）>>C,則有</p><p>　　上式表明，當(dāng)反饋電容一定時(shí)，電荷放大器的輸出電壓與傳感器產(chǎn)生電荷成正比，在實(shí)際電路中，考慮到電壓靈敏度和量程的問題，一般的值在100~10000pF范圍內(nèi)選擇。</p><p>　　,本設(shè)計(jì)選定10000pF，即10nF。</p><p>　　當(dāng)開環(huán)增益A很大，遠(yuǎn)大于

14、+，遠(yuǎn)大于不能忽略，（2..19）式可表示為：</p><p>　?。?.4） 當(dāng)頻率夠低時(shí)，就不能忽略。因此式（2.20）是表示電荷放大器的低頻響應(yīng)。F越低，時(shí)，其輸出電壓幅值為：</p><p>　　二 調(diào)頻測量電路</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　調(diào)頻測量電路是振蕩器諧

15、振回路的一部分，當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化使，振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化雖然可以將頻率作為測量系統(tǒng)的輸出，用以判斷被測非電量的大小，但此時(shí)是非線性的，不易矯正。仿真電路時(shí)可以將圖示中c1電容變化會(huì)使輸出電壓也隨之發(fā)生變化。</p><p>　　三 差動(dòng)變壓器等效電路</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　理想情況下的差

16、動(dòng)變壓器輸出電壓為零，但實(shí)際上存在有零點(diǎn)殘余電壓，主要是兩次級(jí)線圈的電氣參數(shù)與幾何尺寸不對(duì)稱造成的。</p><p><b>　　四 電橋電路</b></p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　電橋電路中，萬用表測量的是輸出電壓，函數(shù)發(fā)生器是輸入電壓。在仿真過程中分別改變R1阻值， R1和R2阻值，

17、R1、R2、R3、R4的阻值分別形成了單臂電橋、兩臂差動(dòng)電橋、全橋電路。可以通過輸入輸出的電壓值來確定電橋電路的性質(zhì)及特點(diǎn)。</p><p>　　五 電容式差壓電路</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　圖示是電容式差壓電路，其原理和差動(dòng)電路的原理相仿，改變圖示中c1的電容量，輸出電壓值會(huì)變換，同時(shí)電壓的正負(fù)也會(huì)發(fā)生

18、變化。</p><p>　　六 橋式整流∏濾波電路</p><p><b>　　分析:</b></p><p>　　第一幅波形圖是穩(wěn)定之前的波形圖，第二幅是穩(wěn)定之后的波形圖。</p><p>　　七 全波整流電路</p><p><b>　　分析：</b></

19、p><p>　　全波整流電路是根據(jù)二極管的單項(xiàng)導(dǎo)電的特性進(jìn)行全波整流的實(shí)現(xiàn)，如圖是之前的信號(hào)，下面的是經(jīng)過全波整流之后的信號(hào)波形。</p><p><b>　　八 積分電路</b></p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　上圖是典型的積分電路圖。由圖可以看出，輸入信號(hào)經(jīng)過了一

20、個(gè)電阻后經(jīng)過反饋流到電容上，但此時(shí)認(rèn)為電容的初始電量為零，故此時(shí)給電容充電。由理想運(yùn)算放大器的虛短、虛斷性質(zhì)得，（vi-0）/R=C*d(0-vo)/dt,所以vo=-1/（RC）∫ vdt.如果把R1和C換個(gè)位置，就成了微分電路（但輸入的電壓應(yīng)該是交流信號(hào)才可通過電容）。</p><p>　　九 三相整流橋電路</p><p><b>　　分析：</b></

21、p><p>　　三項(xiàng)整流橋電路也是利用的二極管的單項(xiàng)導(dǎo)電性質(zhì)進(jìn)行對(duì)交流信號(hào)的選擇性通過來形成的。</p><p>　　十 同相比例放大電路</p><p><b>　　第四章 </b></p><p>　　壓電式加速度傳感器的參數(shù)設(shè)計(jì)及計(jì)算</p><p><b>　　4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

22、</b></p><p>　　壓電式加速度傳感器又稱為壓電加速度計(jì)，它也屬于慣性式傳感器。它是典型的有源傳感器。利用某些物質(zhì)如石英晶體、人造壓電陶瓷的壓電效應(yīng)，在加速度計(jì)受振時(shí)，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。壓電敏感元件是力敏元件，在外力作用下，壓電敏感元件的表面上產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測量的目的。</p><p>　　實(shí)際測量時(shí)，將圖中的支座與待測物剛性地固定在一起

23、。當(dāng)待測物運(yùn)動(dòng)時(shí)，支座與待測物以同一加速度運(yùn)動(dòng)，壓電元件受到質(zhì)量塊與加速度相反方向的慣性力的作用，在晶體的兩個(gè)表面上產(chǎn)生交變電荷(電壓)。當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí)，傳感器的輸出電荷(電壓)與作用力成正比。電信號(hào)經(jīng)前置放大器放大，即可由一般測量儀器測試出電荷(電壓)大小，從而得出物體的加速度。 </p><p>　　壓電加速度傳感器的壓敏元件采用具有壓電效應(yīng)的壓電材料，換能元件是以壓電材料受力后

24、在其表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換原理。這些壓電材料，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)的表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電的狀態(tài)；當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變。其中彈性體是傳感器的核心，其結(jié)構(gòu)決定著傳感器的各種性能和測量精度，彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣對(duì)加速度傳感器性能的好壞至關(guān)重要。</p><p>　　4.2電容設(shè)計(jì)和計(jì)算</p&g

25、t;<p>　　由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可看作一個(gè)電荷發(fā)生器。同時(shí)，它也是一個(gè)電容器，晶體上聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個(gè)極板，極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)，則其電容量為 </p><p><b>　　Ca=εrεo/d</b></p><p>　　式中A為晶片電極面面積；r?為壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)；0?為真空介電常數(shù)。

26、60;</p><p>　　因此，壓電傳感器可以等效為一個(gè)與電容相串聯(lián)的電荷源。壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此，它的測量電路通常需接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器，其作用如下： </p><p>　　(1)把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗。 </p><p>　　(2)放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。本設(shè)計(jì)中前置放大器采用電荷放大器。&

27、#160;壓電傳感器在實(shí)際使用時(shí)與測量儀器或測量電路相連接，因此還需考慮連接電纜的等效電容Cc、放大器的輸入電阻iR、輸人電容iC及壓電傳感器的泄漏電阻aR。</p><p>　　4.3其它性能參數(shù)計(jì)算</p><p><b>　　1 遲滯特性 </b></p><p>　　遲滯特性表明傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減小

28、）行程期間輸出-輸入曲線不重合的程度，也就是說，對(duì)應(yīng)于同一大小的輸入信號(hào)，傳感器正反行程的輸出信號(hào)大小不相等，遲滯反映了傳感器機(jī)械部分不可避免的缺陷。 </p><p><b>　　2 重復(fù)性 </b></p><p>　　重復(fù)性表示傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得特性曲線不一致的程度，若特性曲線一致，重復(fù)性就好，誤差也

29、小。 </p><p><b>　　3 線性度 </b></p><p>　　把傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的零點(diǎn)輸出平均值和滿量程輸出平均值連成直線，作為傳感器特性的擬合直線，其方程式為 </p><p><b>　　Y=kx＋b </b></p><p>　　

30、式中y為輸出量；x為輸入量；b為y軸上的截距；k為直線的斜率。</p><p><b>　　4 靈敏度 </b></p><p>　　線性傳感器的校準(zhǔn)曲線的斜率就是其靜態(tài)靈敏度，非線性傳感器的靈敏度則隨輸入量而變化。線性傳感器靜態(tài)靈敏度K的計(jì)算式如下：</p><p>　　?     

31、;        k=y/x               </p><p>　　式中y為輸出量的變化量；x為輸入量的變化量；非線性傳感器的靈敏度可用Dx/Dy表示。</p>

32、<p>　　第五章 誤差分析</p><p>　　壓電加速度計(jì)的前置放大器壓電元件受力后產(chǎn)生的電荷量極其微弱，這電荷使壓電元件邊界和接在邊界上的導(dǎo)體充電到電壓U=q/Ca（這里Ca是加速度計(jì)的內(nèi)電容）。要測定這樣微弱的電荷（或電壓）的關(guān)鍵是防止導(dǎo)線、測量電路和加速度計(jì)本身的電荷泄漏。換句話講，壓電加速度計(jì)所用的前置放大器應(yīng)具有極高的輸入阻抗，把泄漏減少到測量準(zhǔn)確度所要求的限度以內(nèi)，壓電式傳感器的前

33、置放大器有：電壓放大器和電荷放大器。所用電壓放大器就是高輸入阻抗的比例放大器。其電路比較簡單，但輸出受連接電纜對(duì)地電容的影響，適用于一般振動(dòng)測量。電荷放大器以電容作負(fù)反饋，使用中基本不受 電纜電容的影響。在電荷放大器中，通常用高質(zhì)量的元、器件，輸入阻抗高，但價(jià)格也比較貴。 </p><p>　　從壓電式傳感器的力學(xué)模型看，它具有“低通”特性，原可測量極低頻的振動(dòng)。但實(shí)際上由于低頻尤其小振幅振動(dòng)

34、時(shí)，加速度值小，傳感器的靈敏度有限，因此輸出的信號(hào)將很微弱，信噪比很低；另外電荷的泄漏，積分電路的漂移（用于測振動(dòng)速度和位移）、器件的噪聲都是不可避免的，所以實(shí)際低頻端也出現(xiàn)“截止頻率”，約為0.1～1Hz左右。</p><p>　　第六章 設(shè)計(jì)結(jié)論</p><p>　　壓電式加速度傳感器的電路在電路仿真的過程中經(jīng)過仿真得到了正確的結(jié)論，這為實(shí)際的設(shè)計(jì)提供了理論保證。</p>

35、;<p>　　經(jīng)過電路板的焊接和組裝，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得到了驗(yàn)證，電路準(zhǔn)確無誤，傳感器可行，完全正確。</p><p>　　此電路在設(shè)計(jì)思想和電路結(jié)構(gòu)方面都有新穎之處,且電路的制作和調(diào)試更加簡單,大大降低了設(shè)這種電荷放大器作為對(duì)壓電加速度計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路已得到應(yīng)用。此電路的設(shè)計(jì)思想和電路結(jié)構(gòu)方面都有新穎之處，且電路的制作和調(diào)試更加簡單,大大降低了設(shè)成本,提高了電路的性價(jià)比.實(shí)驗(yàn)證明,其性能以及各項(xiàng)

36、技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo),具有很高的實(shí)用性。此次設(shè)計(jì)正確的實(shí)現(xiàn)了加速度電路的設(shè)計(jì)和焊接，成功達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。</p><p><b>　　心得體會(huì)</b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)，讓我更加深入的了解了課本上的基本知識(shí)和原理，更加扎實(shí)的掌握了老師所講的內(nèi)容。在這次實(shí)踐活動(dòng)中我也遇到了很多問題，例如知識(shí)儲(chǔ)備不夠，老師所講的東西理解不夠深刻，很多用到的知識(shí)不

37、明白，不理解。再有在設(shè)計(jì)開始計(jì)劃不周，條理性不夠清晰，導(dǎo)致問題復(fù)雜而且無從入手，平時(shí)很忙但是不見成果。</p><p>　　此次實(shí)踐中讓我受益最大的是電路的焊接過程，雖然此前的電工實(shí)習(xí)我們也進(jìn)行過電路的焊接，但是我們只是對(duì)照課本的東西一步一步進(jìn)行，只要課本不出錯(cuò)我們就不會(huì)出錯(cuò)。這次傳感器電路的焊接過程，我們自己動(dòng)手來完成，拉近了知識(shí)與現(xiàn)實(shí)的距離，我明白了完成任何一件事情都要多動(dòng)腦筋，做到既能有效率的完成也要正確成

38、功的完成，焊接過程中遇到電阻焊接錯(cuò)誤這都是不仔細(xì)不細(xì)心所致，每一件事情都不能著急，要踏踏實(shí)實(shí)完成不要急于求成。</p><p>　　這次實(shí)踐讓我更加深刻理解到實(shí)踐和學(xué)習(xí)知識(shí)從本質(zhì)上就是不同的，不經(jīng)過實(shí)踐就是什么都不會(huì)。不懂的東西多向老師同學(xué)請(qǐng)教，這樣集大家的智慧能學(xué)到更多的知識(shí)。遇到問題多思考，不要盲目只為解決問題，還要想辦法用最簡單的方法來解決問題。做每一件事最重要的是要有一個(gè)統(tǒng)籌的計(jì)劃，計(jì)劃不周就沒有效率。&

39、lt;/p><p>　　最后感謝老師不厭其煩的解答我的疑問，感謝同學(xué)們盡其所能的解答我的問題，在大家的幫助之下，通過我個(gè)人的總結(jié)歸納，終于完成此次設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　趙燕.傳感器原理及應(yīng)用.北京理工大學(xué)出版社.2010年 </p><p>　　張玉龍等.傳感器

40、電路設(shè)計(jì)手冊.中國計(jì)量出版社.1989年 </p><p>　　李科杰等.新編傳感器技術(shù)手冊.國防工業(yè)出版社.2002年 </p><p>　　吳桂秀.傳感器應(yīng)用制作入門.浙江科學(xué)技術(shù)出版社.2004年 </p><p>　　楊寶清，孫寶元. 傳感器及其應(yīng)用手冊. 2004年 </p><