傳感器課程設計--壓電式加速度傳感器的設計

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

2、t;p>　　說明：此表一式四份，學生、指導教師、基層教學單位、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 電路仿真及準備作…………………………………………………………………3</p><p>　　第4章 壓電式加速度傳感器的參數(shù)設計及計算………………………………………12</p><p>　　4.1 結構設計…………………………………………………………………

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

5、 結論 ………………………………………………………………………………14</p><p>　　心得體會 ……………………………………………………………………………………14</p><p>　　參考文獻 ……………………………………………………………………………………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技術的科學，它利用各種原理如光電效應、壓電效應,等等的原理，來根據被測物體的變化來反映待測量的變化的科學。傳感器是在現(xiàn)今科學領域中實現(xiàn)信息化的基礎技術之一?，F(xiàn)代測量、控制與自動化技術的飛速發(fā)展，特別是電子信息科學的發(fā)展，極大地促進了現(xiàn)代傳感器技術的發(fā)展。傳感器的使用也越來普遍，在當今社會里起到了很大的作用，與此同時傳感器的技術要求也在不斷提高，對傳感器的設計，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發(fā)展中將會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的傳感器。壓電效應是一種能實現(xiàn)機械能與電能相互轉換的效應，當有力作用于壓電元件上時，壓電元件會產生電荷，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動狀態(tài)。經過一定轉換電路來實現(xiàn)我們所需要的測量的輸出。壓電式傳感器的優(yōu)點是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結構簡單、工作

8、可靠和重量輕等。缺點是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應差，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換成電路中電流的變化或者電壓的變化，此時必須用到電荷放大電路來實現(xiàn)。電荷放大電

9、路是壓電傳感器的核心電路，它將電荷的變化轉換電壓的變化，從而實現(xiàn)了測量的意義，可以根據電壓的變化來判斷被測物體的變化或者運動狀態(tài)。</p><p>　　電荷放大器能將高內阻的電荷源轉換成低內阻的電壓源，而且輸出電壓正比于輸入電荷。它實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，而與放大器的增益的變化以及電纜電容無關。由于反饋電容與輸出電壓反比，因此要達到一定的靈敏度要求，必須選擇適

10、當容量的反饋電容。使用電荷放大器的一個突出優(yōu)點是，在一定的條件下，傳感器的靈敏度和電纜的長短沒有關系。</p><p>　　在設計壓電傳感器的過程中，電荷放大器是必不可少的一部分，設計內容中會對電荷放大器進行電路仿真并和實際響應進行比較以確定傳感器的準確度。</p><p>　　第三章 電路仿真及準備工作</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，是一個具有電容負反饋的，輸入阻抗極高的高增益運算放大器其中：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，是等效輸入失調電壓。如將折算到輸入端

12、，其等效電容為（1+K），K為運放的開環(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)，不計算噪聲和失調電壓的影響，電荷放大器的輸出電壓為</p><p>　　運算放大器的開環(huán)增益K很大（約為104~106），故遠大于+，遠大于，此時， ， ， 和都可以忽略不計，即壓電傳感器本身的電容大小和電纜長短對電荷放大器輸出的影響可以忽略。</p><p>　　式中C=++因為放大器是高增

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

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

15、振回路的一部分，當輸入量導致電容量發(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，但此時是非線性的，不易矯正。仿真電路時可以將圖示中c1電容變化會使輸出電壓也隨之發(fā)生變化。</p><p>　　三 差動變壓器等效電路</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　理想情況下的差

16、動變壓器輸出電壓為零，但實際上存在有零點殘余電壓，主要是兩次級線圈的電氣參數(shù)與幾何尺寸不對稱造成的。</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、兩臂差動電橋、全橋電路?？梢酝ㄟ^輸入輸出的電壓值來確定電橋電路的性質及特點。</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，其原理和差動電路的原理相仿，改變圖示中c1的電容量，輸出電壓值會變換，同時電壓的正負也會發(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二極管的單項導電的特性進行全波整流的實現(xiàn)，如圖是之前的信號，下面的是經過全波整流之后的信號波形。</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，輸入信號經過了一

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

21、p><p>　　三項整流橋電路也是利用的二極管的單項導電性質進行對交流信號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)設計及計算</p><p><b>　　4.1 結構設計

22、</b></p><p>　　壓電式加速度傳感器又稱為壓電加速度計，它也屬于慣性式傳感器。它是典型的有源傳感器。利用某些物質如石英晶體、人造壓電陶瓷的壓電效應，在加速度計受振時，質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生電荷，從而實現(xiàn)非電量電測量的目的。</p><p>　　實際測量時，將圖中的支座與待測物剛性地固定在一起

23、。當待測物運動時，支座與待測物以同一加速度運動，壓電元件受到質量塊與加速度相反方向的慣性力的作用，在晶體的兩個表面上產生交變電荷(電壓)。當振動頻率遠低于傳感器的固有頻率時，傳感器的輸出電荷(電壓)與作用力成正比。電信號經前置放大器放大，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的壓電材料，換能元件是以壓電材料受力后

24、在其表面產生電荷的壓電效應為轉換原理。這些壓電材料，當沿著一定方向對其施力而使它變形時，內部就產生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對的表面上便產生符號相反的電荷；當外力去掉后，又重新恢復不帶電的狀態(tài)；當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨著改變。其中彈性體是傳感器的核心，其結構決定著傳感器的各種性能和測量精度，彈性體結構設計的優(yōu)劣對加速度傳感器性能的好壞至關重要。</p><p>　　4.2電容設計和計算</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電荷發(fā)生器。同時，它也是一個電容器，晶體上聚集正負電荷的兩表面相當于電容的兩個極板，極板間物質等效于一種介質，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與電容相串聯(lián)的電荷源。壓電傳感器本身的內阻抗很高，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。本設計中前置放大器采用電荷放大器。&

27、#160;壓電傳感器在實際使用時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，對應于同一大小的輸入信號，傳感器正反行程的輸出信號大小不相等，遲滯反映了傳感器機械部分不可避免的缺陷。 </p><p><b>　　2 重復性 </b></p><p>　　重復性表示傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一致的程度，若特性曲線一致，重復性就好，誤差也

29、小。 </p><p><b>　　3 線性度 </b></p><p>　　把傳感器校準數(shù)據的零點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>　　壓電加速度計的前置放大器壓電元件受力后產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體充電到電壓U=q/Ca（這里Ca是加速度計的內電容）。要測定這樣微弱的電荷（或電壓）的關鍵是防止導線、測量電路和加速度計本身的電荷泄漏。換句話講，壓電加速度計所用的前置放大器應具有極高的輸入阻抗，把泄漏減少到測量準確度所要求的限度以內，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地電容的影響，適用于一般振動測量。電荷放大器以電容作負反饋，使用中基本不受 電纜電容的影響。在電荷放大器中，通常用高質量的元、器件，輸入阻抗高，但價格也比較貴。 </p><p>　　從壓電式傳感器的力學模型看，它具有“低通”特性，原可測量極低頻的振動。但實際上由于低頻尤其小振幅振動

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

35、;<p>　　經過電路板的焊接和組裝，在實驗臺上經過實驗得到了驗證，電路準確無誤，傳感器可行，完全正確。</p><p>　　此電路在設計思想和電路結構方面都有新穎之處,且電路的制作和調試更加簡單,大大降低了設這種電荷放大器作為對壓電加速度計的信號調理電路已得到應用。此電路的設計思想和電路結構方面都有新穎之處，且電路的制作和調試更加簡單,大大降低了設成本,提高了電路的性價比.實驗證明,其性能以及各項

36、技術指標均達到了預期的設計目標,具有很高的實用性。此次設計正確的實現(xiàn)了加速度電路的設計和焊接，成功達到了設計目的。</p><p><b>　　心得體會</b></p><p>　　本次課程設計，讓我更加深入的了解了課本上的基本知識和原理，更加扎實的掌握了老師所講的內容。在這次實踐活動中我也遇到了很多問題，例如知識儲備不夠，老師所講的東西理解不夠深刻，很多用到的知識不

37、明白，不理解。再有在設計開始計劃不周，條理性不夠清晰，導致問題復雜而且無從入手，平時很忙但是不見成果。</p><p>　　此次實踐中讓我受益最大的是電路的焊接過程，雖然此前的電工實習我們也進行過電路的焊接，但是我們只是對照課本的東西一步一步進行，只要課本不出錯我們就不會出錯。這次傳感器電路的焊接過程，我們自己動手來完成，拉近了知識與現(xiàn)實的距離，我明白了完成任何一件事情都要多動腦筋，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誤這都是不仔細不細心所致，每一件事情都不能著急，要踏踏實實完成不要急于求成。</p><p>　　這次實踐讓我更加深刻理解到實踐和學習知識從本質上就是不同的，不經過實踐就是什么都不會。不懂的東西多向老師同學請教，這樣集大家的智慧能學到更多的知識。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統(tǒng)籌的計劃，計劃不周就沒有效率。&

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

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