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课程设计报告 题目基于单片机的压电加速度传感器 低频信号采集系统的设计 2014-2015 第二学期 专业班级2012级电气5班 姓名赵倩 学号201295014196 指导教师马鸣 教学单位电子电气工程学院 2015年7月6日
课程设计任务书 1．设计目的： ①掌握电子系统的一般设计方法和设计流程；并完成加速器低频信号的理论设计。 ②掌握应用电路的multisim等软件对所设计的电路进行仿真，通过仿真结果验 证设计的正确性，完成电路设计。 2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：压电式加速度传感器作为一种微型传感器，其输出信号比较微弱，通常为几十个毫伏或几百个微伏。所以有必要对其输出电压进行信号调理。主要包括电源模块、放大模块、滤波模块等组成。 3．设计工作任务及工作量的要求： （1）查阅相关资料，完成系统总体方案设计； （2）完成系统硬件设计； （3）对所设计的电路进行仿真； （4）按照要求撰写设计说明书；
一、压电式加速度传感器的概要 (4) 二、信号采集系统的总设计方案 (5) 三、信号采集系统分析 (6) 1、电荷转换部分: (6) 2、适调放大部分 (6) 3、低通滤波部分: (7) 4、输出放大部分 (7) 5、积分器部分： (8) 四、单片机软件设计 (8) 五、Multisim仿真分析 (10) 1．仿真电路图 (10) 2.仿真波形及分析 (11) 六、误差分析 (11) 1、连接电缆的固定 (11) 2、接地点选择 (12) 3、湿度的影响 (12) 4、环境温度的影响 (12) 七、改进措施 (12) 六、心得体会 (12) 七、参考文献 (13)
HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 《传感器原理及应用》课程 考核论文 题目压电式加速度传感器班级机设七班 学号 20111488 姓名孙国强 成绩 机械与汽车工程学院机械电子工程系 二零一四年五月
压电式加速度传感器 摘要：现代工业和自动化生产过程中，非电物理量的测量和控制技术会涉及大量的动 态测试问题。所谓动态测试是指量的瞬时值以及它随时间而变化的值的确定，即被测量为变量的连续测量过程。振动与冲击测量的核心是传感器，常用压电加速度传感器来获取冲击和振动信号。压电式传感器是基于某些介质材料的压电效应，当材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。其中，压电式加速度传感器是以压电材料为转换元件，将加速度输入转化成与之成正比的电荷或电压输出的装置，具有结构简单、重量轻、体积小、耐高温、固有频率高、输出线性好、测量的动态范围大、安装简单的特点。 一、传感器物理效应及工作原理 压电效应：某些材料在受力时所产生的电极化现象。正压电效应：某些电介质在受到某一方向的机械力而变形时，在一定表面上产生电荷，若外力变向，电荷极性随之而变；当撤除外力后，又重新回到不带电状态。逆压电效应：当在电介质的极化方向施加电场，电场力使其在一定方向上产生机械变形或机械应力；当撤除外加电场时，变形或应力随之消失，又称电致伸缩效应。 压电材料:石英晶体是目前广泛应用成本较低的人造石英晶体，有很大的机械强度和稳定的机械性能，温度稳定性好，但灵敏度低，介电常数小，因此逐渐被其他压电材料所代替，至今石英仍是最重要的也是用量最大的振荡器、谐振器和窄带滤波器等元件的压电材料。除此之外，压电陶瓷有较高的压电系数和介电常数，灵敏度高，但机械强度不如石英晶体好。 压电式加速度传感器又称为压电加速度计，它是典型的有源传感器，利用某些物质如石英晶体、人造压电陶瓷的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。压电敏感元件是力敏元件，在外力作用下，压电敏感元件的表面上产生电荷，从而实现非电量电测量的目的。 压电加速度传感器的原理框图如图1所示，原理如图2所示。
压力传感器 压力传感器是工业实践、仪器仪表控制中最为常用的一种传感器，并广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。 力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。 1、压阻式压力传感器原理与应用： 压阻式压力传感器是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。压阻式传感器常用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制。 压阻效应 当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。硅的压阻效应不同于金属应变计，前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化（应变），而且前者的灵敏度比后者大50～100倍。 压阻式压力传感器结构 压阻式压力传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为20～60。在圆形硅膜片(N型)定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条，两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。
加速度传感器选型 压电加速度传感器因其频响宽、动态范围大、可靠性高、使用方便，受到广泛应用。在一般通用振动测量时，用户主要关心的技术指标为：灵敏度、频率范围，内部结构、内置电路型与纯压电型的区别，现场环境与后续仪器配置等。 一、灵敏度的选择 制造商在产品介绍或说明书中一般都给出传感器的灵敏度和参考量程范围，目的是让用户在选择不同灵敏度的加速度传感器时能方便地选出合适的产品，最小加速度测量值也称最小分辨率，考虑到后级放大电路噪声问题，应尽量远离最小可用值，以确保最佳信噪比。最大测量极限要考虑加速度传感器自身的非线性影响和后续仪器的最大输出电压。 估算方法：最大被测加速度×传感器电荷（电压）灵敏度，其数值是否超过配套仪器的最大输入电荷（电压）值。建议如已知被测加速度范围可在传感器指标中的“参考量程范围”中选择（兼顾频响、重量），同时，在频响、质量允许的情况下，尽量选择高灵敏度的传感器，以提高后续仪器输入信号，提高信噪比。在兼顾频响、质量的同时，可参照以下范围选择传感器灵敏度：以电荷输出型压电加速度传感器为例： 1、土木工程和超大型机械结构的振动在0.1g-10g (1g=9.81m/s2)左右，可选电荷灵敏度在300pC/ms-2～ 30pC/ms-2的压电加速度传感器，属于电荷输出型压电加速度传感器 2、特殊的土木结构（如桩基）和机械设备的振动在100ms-2～1000ms-2，可选择20pC/ms-2～2pC/ms-2的加速度传感器。 3、冲击，碰撞测量量程一般10000ms-2～1000000ms-2，可选则传感器灵敏度是0.2pC/ms-2～ 0.002pC/ms-2的加速度传感器。 二、频率选择 制造商给出的加速度传感器的频响曲线是用螺钉刚性连接安装的。 一般将曲线分成二段：谐振频率和使用频率。使用频率是按灵敏度偏差给出的，有±10%、±5%、±3dB。谐振频率一般是避开不用的，但也有特例，如轴承故障检测。选择加速度传感器的频率范围应高于被测试件的振动频率。有倍频分析要求的加速度传感器频率响应应更高。土木工程一般是低频振动，加速度传感器频率响应范围可选择0.2Hz～1kHz，机械设备一般是中频段，可根据设备转速、设备刚度等因素综合估算振动频率，选择0.5Hz～ 5kHz 的加速度传感器。如发电机转速在3000rms 时，除以60s 此时它的主频率为50Hz。碰撞、冲击测量高频居多。 加速度传感器的安装方式不同也会改变使用频响(对振动值影响不大)。 安装面要平整、光洁，安装选择应根据方便、安全的原则。我们给出同一只AD500S 加速度传感器不同安装方式的使用频率：螺钉刚性连接（±10%误差）10kHz；环氧胶或“502”粘接安装6kHz；磁力吸座安装 2kHz；双面胶安装1kHz。由此可见，安装方式的不同对测试频率的响应影响很大，应注意选择。加速度传感器的质量、灵敏度与使用频率成反比，灵敏度高，质量大，使用频率低，这也是选择的技巧。 三、内部结构 内部结构是指敏感材料晶体片感受振动的方式及安装形式。有压缩和剪切两大类，常见的有中心压缩、平面剪切、三角剪切、环型剪切。 中心压缩型频响高于剪切型，剪切型对环境适应性好于中心压缩型。如配用积分型电荷放大器测量速度、位移时，最好选用剪切型产品，这样所获得的信号波动小，稳定性好。 四、内置电路 内置的概念是将放大电路置于加速度传感器内，成为具有电压输出功能的传感元件。它可分双电源(四线)和单电源(二线、带偏置，又称ICP) 两种，下面所指内装电路专指ICP
压力传感器是工业实践、仪器仪表控制中最为常用的一种传感器，并广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用。 力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。 1、应变片压力传感器原理与应用： 在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。 1．1、金属电阻应变片的内部结构：它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。 1．2、电阻应变片的工作原理：金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示： 式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m） S——导体的截面积（cm2） L——导体的长度（m）
定义 中文名称：加速度传感器 英文名称：acceleration transducer 定义：能感受加速度并转换成可用输出信号的传感器 应用学科：机械工程（一级学科）；传感器（二级学科）；物理量传感器（三级学科）。 加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是个常量。加速度计有两种：一种是角加速度计，是由陀螺仪（角速度传感器）改进的。另一种就是线加速度计。[1] 2分类 压电式 压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。压电式加速度传感器的原理是利用压电陶瓷或石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。 压阻式 基于世界领先的MEMS硅微加工技术，压阻式加速度传感器具有体积小、低功耗等特点，易于集成在各种模拟和数字电路中，广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监测等领域。加速度传感器网为客户提供压阻式加速度传感器/压阻加速度计各品牌的型号、参数、原理、价格、接线图等信息。 电容式 电容式加速度传感器是基于电容原理的极距变化型的电容传感器。电容式加速度传感器/电容式加速度计是对比较通用的加速度传感器。在某些领域无可替代，如安全气囊，手机移动设备等。电容式加速度传感器/电容式加速度计采用了微机电系统（MEMS）工艺，在大量生产时变得经济，从而保证了较低的成本。 伺服式
伺服式加速度传感器是一种闭环测试系统，具有动态性能好、动态范围大和线性度好等特点。其工作原理，传感器的振动系统由"m-k”系统组成，与一般加速度计相同，但质量m上还接着一个电磁线圈，当基座上有加速度输入时，质量块偏离平衡位置，该位移大小由位移传感器检测出来，经伺服放大器放大后转换为电流输出，该电流流过电磁线圈，在永久磁铁的磁场中产生电磁恢复力，力图使质量块保持在仪表壳体中原来的平衡位置上，所以伺服加速度传感器在闭环状态下工作。由于有反馈作用，增强了抗干扰的能力，提高测量精度，扩大了测量范围，伺服加速度测量技术广泛地应用于惯性导航和惯性制导系统中，在高精度的振动测量和标定中也有应用。 线加速度计的原理是惯性原理，也就是力的平衡，A(加速度)=F(惯性力)/M(质量) 我们只需要测量F就可以了。怎么测量F？用电磁力去平衡这个力就可以了。就可以得到F对应于电流的关系。只需要用实验去标定这个比例系数就行了。当然中间的信号传输、放大、滤波就是电路的事了。 多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的。 所谓的压电效应就是"对于不存在对称中心的异极晶体加在晶体上的外力除了使晶体发生形变以外，还将改变晶体的极化状态，在晶体内部建立电场，这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为正压电效应"。 一般加速度传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于这个变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。当然，还有很多其它方法来制作加速度传感器，比如压阻技术，电容效应，热气泡效应，光效应，但是其最基本的原理都是由于加速度产生某个介质产生变形，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。每种技术都有各自的机会和问题。 压阻式加速度传感器由于在汽车工业中的广泛应用而发展最快。由于安全性越来越成为汽车制造商的卖点，这种附加系统也越来越多。压阻式加速度传感器2000年的市场规模约为4.2亿美元，根据有关调查，预计其市值将按年平均4.1%速度增长，至2007年达到5.6亿美元。这其中，欧洲市场的速度最快，因为欧洲是许多安全气囊和汽车生产企业的所在地。 压电技术主要在工业上用来防止机器故障，使用这种传感器可以检测机器潜在的故障以达到自保护，及避免对工人产生意外伤害，这种传感器具有用户，尤其是质量行业的用户所追求的可重复性、稳定性和自生性。但是在许多新的应用领域，很多用户尚无使用这类传感器的意识，销售商冒险进入这种尚待开发的市场会麻烦多多，因为终端用户对由于使用这种传感器而带来的问题和解决方法都认识不多。如果这些问题能够得到解决，将会促进压电传感器得到更快的发展。2002年压电传感器市值为3亿美元，预计其年增长率将达到4.9%，到2007年达到4.2亿美元。 使用加速度传感器有时会碰到低频场合测量时输出信号出现失真的情况，用多种测量判断方法一时找不出故障出现的原因，经过分析总结，导致测量结果失真的因素主要是：系统低频响应差，系统低频信噪比差，外界环境对测量信号的影响。所以，只要出现加速度传感器低频测量信号失真情况，对比以上三点看看是哪个因素造成的，有针对性的进行解决[5]。
传感器原理及其应用 右图是激光测量机器人，利用两 个激光位移传感器进行板材厚度测量 的。 由于生产车间的板材不能无间 隙的且较水平的放在工作台上，那么 若直接测量的话误差较大,若采用两 个激光位移传感器进行测量时，可实 时精确测量板材厚度。按照操作手册 对两个传感器主从站的分布，将测量 结果发送给PLC，那么PLC就很容易 计算出板材厚度的结果。例如：两个 传感器测量的结果分别为A、B，两个 传感器之间距离为S，那么板材厚度 W=S-（A+B）。 本文主要对激光位移传感器及压 电式加速度传感器进行介绍。 激光位移传感器 激光位移传感器能够利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量。激光位移传感器(磁致伸缩位移传感器)就是利用激光的这些优点制成的新型测量仪表，它的出现，使位移测量的精度、可靠性得到极大的提高，也为非接触位移测量提供了有效的测量方法。 激光位移传感器因其较高的测量精度和非接触测量特性，广泛应用于高校和研究机构、汽车工业、机械制造工业、航空与军事工业、冶金和材料工业的精密测量检测。激光位移传感器可精确非接触测量被测物体的位置、位移等变化，主要应用于检测物的位移、厚度、振动、距离、直径等几何量的测量。按照测量原理,激光位移传感器原理分为激光三角测量法和激光回波分析法,激光三角测量法一般适用于高精度、短距离的测量，而激光回波分析法则用于远距离测量，下面分别介绍激光位移传感器的两种测量原理。 一．激光位移传感器的测量原理 激光三角法测量原理
图1 激光三角法测量原理图 半导体激光器1被镜片2聚焦到被测物体6。反射光被镜片3收集，投射到CCD阵列4上;信号处理器5通过三角函数计算阵列4上的光点位置得到距物体的距离。 激光发射器通过镜头将可见红色激光射向物体表面，经物体反射的激光通过接受器镜头，被内部的CCD线性相机接受，根据不同的距离，CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。根据这个角度即知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物之间的距离。由传感器探头（发光LED）发射出的一束670nm激光，通过特殊的多重透镜被汇聚成一个直径极小的光束，此光束被测量表面漫反射到一个分辨率极高的CCD/PSD/CMOS探测器上，通过CCD/PSD/CMOS所感应到光束位置的不同，可精确测量被测物体位置的变化。 同时，光束在接收元件的位置通过模拟和数字电路处理，并通过微处理器分析，计算出相应的输出值，并在用户设定的模拟量窗口内，按比例输出标准数据信号。如果使用开关量输出，则在设定的窗口内导通，窗口之外截止。另外，模拟量与开关量输出可设置独立检测窗口。 激光回波分析法测量原理 激光位移传感器采用回波分析原理来测量距离可以达到一定程度的精度。传感器内部是由处理器单元、回波处理单元、激光发射器、激光接受器等部分组成。激光位移传感器通过激光发射器每秒发射一百万个脉冲到检测物并返回至接收器，处理器计算激光脉冲遇到检测物并返回接收器所需时间，以此计算出距离值，该输出值是将上千次的测量结果进行的平均输出。
P E和I E P E加速度传感器的比较 PE是指电荷输出型压电式加速度传感器，IEPE是指内置处理电路的压电式加速度传感器，本文将要讨论二者各自的特点。 压电效应 压电式加速度传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。当这些物质在某一方向上因受到拉力或压力的作用而产生变形时，其表面上会产生电荷；当去掉外力时，它们又会回到不带电的状态，这种现象就是压电效应。常用的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等等。实际上，当压电材料受到剪切力、横向拉力或压力时，也会产生压电效应。 PE加速度传感器 PE压电式加速度传感器的工作原理是：将质量块的加速度转换为其对压电材料所施加的力，通过测得该力的大小从而换算出加速度的值。 压电式加速度传感器的结构原理如下图所示。两片压电片组成了其压电元件，表面有镀银层，中间夹有一金属片，并焊有输出引线，另一输引线直接与基座相连。压电片上放有一个比重较大的质量块，并用一硬弹簧或螺栓对其施加预载荷。整个组件封装在一个金属壳体内部，基座一般较为厚重且刚度大。 测量时，传感器与被测物刚性固定在一起，当被测物振动时，传感器与基座也会产生相同的振动。由于质量块的质量相对较小，而弹簧的刚度相对很大，所以可认为质量块的惯性很小。因此质量块感受到与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。于是，质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上，使其两个表面产生交变电荷。当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷与作用力成正比，亦即与被测物的加速度成正比。 由于PE传感器的输出量为电荷，因此其后端必须与电荷放大器或电压放大器连接，才能将电荷信号转换为电压信号，此电压信号经过后级放大、滤波等调理电路即可送入示波器等设备。由于PE传感器的输出阻抗较高，易受输出的电荷信号易受噪声干扰，因此必须使用特殊的低噪声电缆。 IEPE加速度传感器 由于PE加速度传感器有必须配接外部电荷放大器使用，并且信号在长距离传输过程中容易受干扰等一些缺点，因此出现了IEPE加速度传感器。 IEPE压电式加速度传感器的结构原理如上图所示，它其实就是将PE加速度传感器所需的处理电路集成到传感器内部，这样就可以直接输出一个高电平、低阻抗的电压信号，也有
实验二十一压电式传感器测振动实验 一、实验目的：了解压电传感器的原理和测量振动的方法。 二、基本原理：压电式传感器是一和典型的发电型传感器，其传感元件是压电材料，它以压电材料的压电效应为转换机理实现力到电量的转换。压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。 1、压电效应： 具有压电效应的材料称为压电材料，常见的压电材料有两类压电单晶体，如石英、酒石酸钾钠等；人工多晶体压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等。 压电材料受到外力作用时，在发生变形的同时内部产生极化现象，它表面会产生符号相反的电荷。当外力去掉时，又重新回复到原不带电状态，当作用力的方向改变后电荷的极性也随之改变，如图21—1 (a) 、(b) 、(c)所示。这种现象称为压电效应。 (a) (b) (c) 图21—1 压电效应 2、压电晶片及其等效电路 多晶体压电陶瓷的灵敏度比压电单晶体要高很多，压电传感器的压电元件是在两个工作面上蒸镀有金属膜的压电晶片，金属膜构成两个电极，如图21—2(a)所示。当压电晶片受到力的作用时，便有电荷聚集在两极上，一面为正电荷，一面为等量的负电荷。这种情况和电容器十分相似，所不同的是晶片表面上的电荷会随着时间的推移逐渐漏掉，因为压电晶片材料的绝缘电阻(也称漏电阻)虽然很大，但毕竟不是无穷大，从信号变换角度来看，压电元件相当于一个电荷发生器。从结构上看，它又是一个电容器。因此通常将压电元件等效为一个电荷源与电容相并联的电路如21—2(b)所示。其中e a=Q/C a。式中，e a为压电晶片受力后所呈现的电压，也称为极板上的开路电压；Q为压电晶片表面上的电荷；C a为压电晶片的电容。 实际的压电传感器中，往往用两片或两片以上的压电晶片进行并联或串联。压电晶片并联时如图21—2(c)所示，两晶片正极集中在中间极板上，负电极在两侧的电极上，因而电容
压 电 式 加 速 度 测 试 系 统 姓名：张书峰 学号：201003140125 学院：机电学院 班级：机自101 指导教师：王玮
一设计概论 压电传感器是一种可逆性传感器，既可以将机械能转换为电能，又可以将机械能转换为电能。它是利用某些物质（如石英、钛酸钡或压电陶瓷、高分子材料等）的压电效应来工作的。在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量的目的。因此是一种典型的自发电式传感器。压电传感器是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如，动态力、动态压力、振动加速度等 现有测试系统的各个组成部分常常以信息流的过程来划分。一般可以分为：信息的获得，信息的转换，信息的显示、信息的处理。作为一个完整的非电量电测系统，也包括了信息的获得、转换、显示和处理等几个部分。因为它首先要获得被测量的信息，把它变换成电量，然后通过信息的转换，把获得的信息变换、放大，再用指示仪或记录仪将信息显示出来，有的还需要把信息加以处理。因此非电量电测系统，具体来说，一般包括传感器(信息的获得)、测量电路(信息的转换)、放大器、指示器、记录仪(信息的显示)等几部分有时还有数据处理仪器(信息的处理)。它们间的 关系可 用右框 图来表 示。 其中传感器是一个把被测的非电物理变换成电量的装置，因此是一种获得信息的手段，它在非电量电测系统中占有重要的位 置。它获得信息 的正确与否，直 接影响到整个 测量系统的测 量效果。测量电 路的作用是把 传感器的输出
变量变成易于处理的电压或电流信号，使信号能在指示仪上显示或在记录仪中记录。测量电路的种类由传感器的类型而定。压电加速度传感器常用的测量电路是电荷放大器。常用的压电加速度传感器的动态测量系统如图1.2 二整体设计方案 1、测量的示意图 2、设计的原理 压电式加速度传感器属于惯性式传感器，工作原理是以某些物质的压电效应为基础，在加速度计受振时，加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比，可以把被测的非电物理量加速度转化为电量。由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。为此，通常器信号选用电荷放大器作为电信号的测量电路。 3、方框图
电荷输出型 传统的压电加速度计通过内部敏感芯体输出一个与加速度成正比的电荷信号。实际使用中传感器输出的高阻抗电荷信号必须通过二次仪表将其转换成低阻抗电压信号才能读取。由于高阻抗电荷信号非常容易受到干扰，所以传感器到二次仪表之间的信号传输必须使用低噪声屏蔽电缆。由于电子器件的使用温度范围有限，所以高温环境下的测量一般还是使用电荷输出型。北智BW-Sensor采用进口陶瓷的加速度计可在温度-40oC~250oC范围内长期使用。 低阻抗电压输出型（IEPE） IEPE型压电加速度计即通常所称的ICP型压电加速度计。压电传感器换能器输出的电荷通过装在传感器内部的前置放大器转换成低阻抗的电压输出。IEPE型传感器通常为二线输出形式，即采用恒电流电压源供电;直流供电和信号使用同一根线。通常直流电部分在恒电流电源的输出端通过高通滤波器滤去。IEPE型传感器的最大优点是测量信号质量好、噪声小、抗外界干扰能力强和远距离测量，特别是新型的数采系统很多已配备恒流电压源，因此，IEPE传感器能与数采系统直接相连而不需要任何其它二次仪表。在振动测试中IEPE传感器已逐渐取代传统的电荷输出型压电加速度计。 传感器的灵敏度，量程和频率范围的选择 压电型式的加速度计是振动测试的最主要传感器。虽然压电型加速度计的测量范围宽，但因市场上此类加速度计品种繁多，所以给正确的选用带来一定的难度。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力，为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路器、继电器、PLC、工控机、仪器仪表、气缸、五金工具、伺服电机、劳保用品等一系列自动化的工控产品。 如需进一步了解图尔克、奥托尼克斯、科瑞、山武、倍加福、邦纳、亚德客、施克等各类传感器的选型，报价，采购，参数，图片，批发信息，请关注艾驰商城https://www.doczj.com/doc/3e12906464.html,/
实验压电式传感器实验 实验项目编码： 实验项目时数：2 实验项目类型：综合性（）设计性（）验证性（√） 一、实验目的 本实验的主要目的是了压电式传感器的结构特点；熟悉压电传感器的工作原理；掌握压电传感器进行振动和加速度测量的方法。 二、实验内容及基本原理 （一）实验内容 1．压电传感器进行振动和加速度测量的方法 （二）实验原理 压电式传感器是一和典型的发电型传感器，其传感元件是压电材料，它以压电材料的压电效应为转换机理实现力到电量的转换。压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。 1．压电效应： 具有压电效应的材料称为压电材料，常见的压电材料有两类压电单晶体，如石英、酒石酸钾钠等；人工多晶体压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等。 压电材料受到外力作用时，在发生变形的同时内部产生极化现象，它表面会产生符号相反的电荷。当外力去掉时，又重新回复到原不带电状态，当作用力的方向改变后电荷的极性也随之改变，如图1 (a) 、(b) 、(c)所示。这种现象称为压电效应。 (a) (b) (c) 图1 压电效应 2．压电晶片及其等效电路 多晶体压电陶瓷的灵敏度比压电单晶体要高很多，压电传感器的压电元件是在两个工作面上蒸镀有金属膜的压电晶片，金属膜构成两个电极，如图2(a)所示。当压电晶片受到力的作用时，便有电荷聚集在两极上，一面为正电荷，一面为等量的负电荷。这种情况和电容器十分相似，所不同的是晶片表面上的电荷会随着时间的推移逐渐漏掉，因为压电晶片材料的绝缘电阻(也称漏电阻)虽然很大，但毕竟不是无穷大，从信号变换角度来看，压电元件相当于一个电荷发生器。从结构上看，它又是一个电容器。因此通常将压电元件等效为一个电荷源与电容相并联的电路如2(b)所示。其中ea=Q/Ca 。式中，ea为压电晶片受力后所呈现的
压力传感器的工作原理 您需要登录后才可以回帖登录|注册发布 压力传感器是工业实践、仪器仪表控制中最为常用的一种传感器，并广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。 力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。 压阻式压力传感器原理与应用： 压阻式压力传感器是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。压阻式传感器常用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量(如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度)的测量和控制。 压阻效应 当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。硅的压阻效应不同于金属应变计，前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变
化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化(应变)，而且前者的灵敏度比后者大50～100倍。 压阻式压力传感器结构 压阻式压力传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极 引线。压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为20～60。在圆形硅膜片(N型)定域扩散4条P杂质电阻条,并接 成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条?，两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构 成全桥。 电子血压计中压力传感器的原理应用及常见故障 压力传感器是工业生应用中最为常见的一种传感器，其广泛应 用于各种工业自控环境，在医用中常见于电子血压计，下面，便来为您简单介绍一些压力传感器原理应用及常见故障。 电子血压计压力传感器的工作原理及应用 压力传感器一般有电容式的和压阻式的。电容式的利用两片金 属间的电容变化来对应压力值，压阻式利用电阻值变化来对应压力值。 电子血压计压力传感器的常见问题
压电式加速度传感器 及其应用
压电式加速度传感器及其应用 一、 压电式加速度传感器原理 压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。 由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。 为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器。经过阻抗变换以后，方可用于一般的放大、检测电路将信号输给指示 仪表或记录器。 二、压电式加速度传感器构成元件 常用的压电式加速度计的结构形式如图所示，是由预压弹簧，质量块，基座，压电元件和外壳组成。图中为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高工作温度受到限制。 预压弹簧压电元件外壳质量 块基座
三、压电式加速度传感器幅频特性 图1 压电式加速度计的幅频特性曲线 加速度 限频率取决于幅频曲线中的共振频率图（图1）。一般小阻尼(z<=0.1)的加速度计，上限频率若取为共振频率的 1/3，便可保证幅值误差低于1dB（即12%）；若取为共振频率的1/5，则可保证幅值误差小于0.5dB（即6%），相移小于30。但共振频率与加速度计的固定状况有关，加速度计出厂时给出的幅频曲线是在刚性连接的固定情况下得到的。实际使用的固定方法往往难于达到刚性连接，因而共振频率和使用上限频率都会有所下降。 四、压电式加速度传感器的灵敏度 压电式加速度计的灵敏度压电加速度计属发电型传感器，可把它看成电压源或电荷源，故灵敏度有电压灵敏度和电荷灵敏度两种表示方法。前者是加速度计输出电压（mV）与所承受加速度之比；后者是加速度计输出电荷与所承受加速度之比。加速度单位为m/s2，但在振动测量中往往用标准重力加速度g作单位，1g= 9.80665m/s2。对给定的压电材料而言，灵敏度随质量块的增大或压电元件的增多而增大。一般来说，加速度计尺寸越大，其固有频率越低。因此
四种压力传感器的基本工作原理及特点 一：电阻应变式传感器 1 1电阻应变式传感器定义 被测的动态压力作用在弹性敏感元件上，使它产生变形，在其变形的部位粘贴有电阻应变片，电阻应变片感受动态压力的变化，按这种原理设计的传感器称为电阻应变式压力传感器。 1.2 电阻应变式传感器的工作原理 电阻应变式传感器所粘贴的金属电阻应变片主要有丝式应变片与箔式应变片。 箔式应变片是以厚度为0.002——0.008mm 的金属箔片作为敏感栅材料，，箔栅宽度为0.003——0.008mm 。丝式应变片是由一根具有高电阻系数的电阻丝(直径0．015--0．05mm)，平行地排成栅形(一般2——40条)，电阻值60——200 ?，通常为120 ?，牢贴在薄纸片上，电阻纸两端焊有引出线，表面覆一层薄纸，即制成了纸基的电阻丝式应变片。测量时，用特制的胶水将金属电阻应变片粘贴于待测的弹性敏感元件表面上，弹性敏感元件随着动态压力而产生变形时，电阻片也跟随变形。如下图所示。B 为栅宽，L 为基长。 材料的电阻变化率由下式决定： d d d R A R A ρρ=+ （1） 式中； R —材料电阻
由材料力学知识得； [(12)(12)]dR R C K μμεε=++-= (2) K —金属电阻应变片的敏感度系数 式中K 对于确定购金属材料在一定的范围内为一常数，将微分dR 、dL 改写成增量ΔR 、ΔL,可得 R L K K R L ε??== (3) 由式(2)可知，当弹性敏感元件受到动态压力作用后随之产生相应的变形ε,而形应变值可由丝式应变片或箔式应变片测出，从而得到了ΔR 的变化，也就得到了动态压力的变化，基于这种应变效应的原理实现了动态压力的测量。 1.3电阻应变式传感器的分类及特点 测低压用的膜片式压力传感器 常用的电阻应变式压力传感器包括 测中压用的膜片——应变筒式压力传感器 测高压用的应变筒式压力传感器 1.3.1膜片——应变筒式压力传感器的特点 该传感器的特点是具有较高的强度和抗冲击稳定性，具有优良的静态特性、动态特性和较高的自震频率，可达30khz 以上，测量的上限压力可达到9.6mp a 。适于测量高频脉动压力，又加上强制水冷却。也适于高温下的动态压力测量，如火箭发动机的压力测量，内燃机、压气机等的压力测量。 1.3.2 膜片式应变压力传咸器的特点 A 这种膜片式应变压力传感器不宜测量较大的压力，当变形大时，非线性较大。但小压力测量中由于变形很小，非线性误差可小于0.5％，同时又有较高的灵敏度，因此在冲击波的测量中，国内外都用过这种膜片式压力传感器。 B 这种传感器与膜片—应变筒式压力传感器相比，自振频率较低，因此在低ρ—材料电阻率
压电式传感器测振动实验 一、实验目的：了解压电传感器的测量振动的原理和方法。 二、基本原理：压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。（观察实验用压电加 速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上，由于压电效应，压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。三、需用器件与单元：振动台、压电传感器、检波、移相、低通滤波器模板、压电式传感 器实验模板。双踪示波器。 四、实验步骤： 1、压电传感器装在振动台面上。 2、将低频振荡器信号接入到台面三源板振动源的激励源插孔。 3、将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模板两输入端，与传感器外壳相连的接线端接地，另一端接R1。将压电传感器实验模板电路输出端V o1，接R6。将压电传感器实验模板电路输出端V02，接入低通滤波器输入端Vi，低通滤波器输出V0与示波器相连。
3、合上主控箱电源开关，调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动，观察示波器 波形。 4、改变低频振荡器的频率，观察输出波形变化。
光纤式传感器测量振动实验 一、实训目的：了解光纤传感器动态位移性能。 二、实训仪器：光纤位移传感器、光纤位移传感器实验模块、振动源、低频振荡器、通信接口（含上位机软件）。 三、相关原理：利用光纤位移传感器的位移特性和其较高的频率响应，用合适的测量电路即可测量振动。 四、实训内容与操作步骤 1、光纤位移传感器安装如图所示，光纤探头对准振动平台的反射面，并避开振动平台中间孔。 2、根据“光纤传感器位移特性试验”的结果，找出线性段的中点，通过调节安装支架高度将光纤探头与振动台台面的距离调整在线性段中点（大致目测）。 3、参考“光纤传感器位移特性试验”的实验连线，Vo1与低通滤波器中的Vi相接，低通输出Vo接到示波器。 4、将低频振荡器的幅度输出旋转到零，低频信号输入到振动模块中的低频输入。
压电式传感器测振动实验 一、实验目的:了解压电传感器的测量振动的原理与方法。 二、基本原理:压电式传感器由惯性质量块与受压的压电片等组成。(观察实验用压电加速 度计结构)工作时传感器感受与试件相同频率的振动,质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上,由于压电效应,压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。 三、需用器件与单元:振动台、压电传感器、检波、移相、低通滤波器模板、压电式传感 器实验模板。双踪示波器。 四、实验步骤: 1、压电传感器装在振动台面上。 2、将低频振荡器信号接入到台面三源板振动源的激励源插孔。 3、将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模板两输入端,与传感器外壳相连的接线端接地,另一端接R1。将压电传感器实验模板电路输出端V o1,接R6。将压电传感器实验模板电路输出端V02,接入低通滤波器输入端Vi,低通滤波器输出V0与示波器相连。
3、合上主控箱电源开关,调节低频振荡器的频率与幅度旋钮使振动台振动,观察示波器波 形。 4、改变低频振荡器的频率,观察输出波形变化。
光纤式传感器测量振动实验 一、实训目的: 了解光纤传感器动态位移性能。 二、实训仪器: 光纤位移传感器、光纤位移传感器实验模块、振动源、低频振荡器、通信接口(含上位机软件) 。 三、相关原理:利用光纤位移传感器的位移特性与其较高的频率响应,用合适的测量电路即可测量振动。 四、实训内容与操作步骤 1、光纤位移传感器安装如图所示,光纤探头对准振动平台的反射面,并避开振动平台中间孔。 2、根据“光纤传感器位移特性试验”的结果,找出线性段的中点,通过调节安装支架高度将光纤探头与振动台台面的距离调整在线性段中点(大致目测)。 3、参考“光纤传感器位移特性试验”的实验连线,Vo1与低通滤波器中的Vi相接,低通输出Vo接到示波器。 4、将低频振荡器的幅度输出旋转到零,低频信号输入到振动模块中的低频输入。
压力传感器是一种把非电量转变成电信号的器件，而检测仪表在模拟电子技术条件下，一般是包括传感器、检测点取样设备及放大器(进行抗干扰处理及信号传输)，当然还有电源及现场显示部分(可选择)，电信号一般为连续量、离散量两种，实际上还可分成模拟量、开关量、脉冲量等，模拟信号传输采用统一信号(4-20mADC等)。 数字化过程中，检测仪表变化比较大，经过几个阶段，近来多采用ASIC专用集成电路，而且把传感器和微处理器及网络接口封装在一个器件中，完成信息获取、处理、传输、存贮等功能。在自动化仪表中经常把检测仪表称为变送器，如温度变送器、压力变送器等。 压力传感器工作原理 1 、应变片压力传感器原理 力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。 在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D 转换和CPU ）显示或执行机构。 电阻应变片的工作原理 金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示： 式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω。cm2/m ） S ——导体的截面积（cm2 ） L ——导体的长度（m ） 2 、陶瓷压力传感器原理 抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥），由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。 3 、扩散硅压力传感器原理 工作原理被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。